泡沫轻质土高路堤在软土地区的应用研究

□文/肖桂清 高宏伟

我国东南沿海分布比较广泛的软土，比如广州、珠海、天津、上海、杭州等地区[1]，软土是含水率高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土[2]。天津滨海新区道路地基是典型的滨海软土地基[3]，承载力低，沉降、变形大，同时存在不均匀沉降，沉降固结时间长，容易发生失稳问题。在软土地基上修筑道路，控制沉降、保持稳定是技术上的两大难题，其成功与否决定了道路工程的安全、工期、质量、造价等；所以软土地基路堤的稳定性分析是路堤方案设计最主要的工作之一[4]。

软土地基处理方法多种多样，按加固原理分为：置换、排水固结、振密、挤密、灌入固化物、加筋、冷热处理[5]。在高填深挖段，可能会采取多种地基处理方案相结合，满足沉降和稳定要求；也可能采用桥梁方案更适合，所以需要进行方案比选。

1 工程概况

天津滨海新区的一条一级公路，设计速度60 km/h，红线宽度34 m，双向四车道，外侧设置1.5 m 设施带，路基宽20 m，其余为边坡放坡范围，见图1。

图1 工程道路段标准横断面

2 工程重难点

道路沿线用地现状为坑塘水面、河流水面、滩涂。路基边坡采用六棱块植草护坡，在水面以下采用浆砌片石护坡。其中桩号K0+680～K1+020 段线位南侧为鱼塘，北侧为鱼塘土埂，平均填高13 m，总长约340 m，是工程设计难点。

根据岩土工程勘察报告，道路分布有淤泥质土层及其夹层，流塑为主，局部软塑，高压缩性，承载力较低，工程性质较差，是影响路基沉降的主要土层，路基设计应进行沉降计算。路段填方较高且位于软土地区，沉降控制和稳定性问题，是工程设计中需重点关注的，一级公路一般路段容许工后沉降≯30 cm，采用有效固结应力法时的稳定安全系数＞1.1（不考虑固结）或1.2（考虑固结）[2，6]。

3 路桥方案比选

本路段填方较高，如果采用道路路基方案，受沉降与稳定因素的制约，需采用轻质填料作为路堤填料，以减小附加荷载和工后沉降，增强路基稳定性。从软土地区路桥设计角度和经验考虑，采用桥梁方案较为合理，故本文对路基方案和桥梁方案进行比选。

路基方案由于南侧地形较低，施工时先打坝抽水，清淤，分层填筑路基填料，整平场地标高至0，然后填筑泡沫轻质土至路床顶标高；北侧靠近现状土埂，地形较高，挖台阶进行搭接。路基一级边坡在红线34 m 内，一级边坡以外用地属于整平场地用地。桥梁方案采用预制小箱梁，断面布置与道路段一致。见图2和图3。

图2 道路路基方案

图3 桥梁方案

从两方案建安费来看，相差不大，桥梁方案略高，但占地少，征地费用低，见表1。

表1 路桥方案比较

路基方案有利于远期地块开发，池塘填平后，沿线地块可以直接在路段设置开口，便于路网接入，可以满足过路管线的铺设，虽然占地较多，但属于填平深坑，整平场地，减少以后整平场地工程量，可以解决现状附近大量废弃土方；桥梁方案建安费略高，占地少，但不利于远期地块开发，如有地块接入需要拆除桥梁，重建道路，存在重复投资且施工期间需断交的问题，影响车辆通行。

综上分析，考虑道路使用功能的长远性及经济性，选择采用路基填筑方案。

4 路基方案的设计

4.1 路堤填筑

考虑到远期地块开发，需整平地块高至道路设计标高，本工程采用路堤填筑方案。受沉降与稳定因素的制约，为减小附加荷载和工后沉降，不能采用常规填土材料，需采用轻质填料作为路堤填料，增强道路路基稳定性。

泡沫轻质土具有轻质性、整体性、低弹减震性、抗压性、耐水性、耐久性、施工速度快、环保性、经济性的特点。作为路用填筑材料，泡沫轻质土的CBR 强度、压缩性及耐疲劳性满足要求；与其他路用材料如沥青材料、混凝土材料之间的黏结力较好。故本工程选用泡沫轻质土作为路堤填筑材料。

路堤填筑方式：施工时先打坝抽水，清淤，填筑0.6 m 山皮土作为承托层，再分层填筑6%灰土，厚度为H1，然后填筑泡沫轻质土H2，0.6+H1+H2为路堤填筑总高度，通过试算得出H2。为增加路堤稳定性，路堤填筑高度设置两级反压护道，分为三级边坡，边坡坡率为1∶1.5、1∶1，采用六棱块植草护坡，水面以下采用浆砌片石护坡。

作为填方较高段，路堤的稳定性和工后沉降需满足路基设计规范要求，同时由于泡沫轻质土重度较小，填筑高度较大，需对路堤整体抗浮性进行验算，在减小附加荷载的同时，也要满足抗浮要求。

4.2 沉降与稳定分析

工后沉降根据文献[2]计算，最终沉降采用经验系数法

式中：S∞——最终沉降，mm；

ms——沉降系数，可根据现场沉降观测资料确定，也可采用经验公式确定；

Sc——主固结沉降，由e-p 曲线法，经分层总和计算，mm。

e-p曲线法公式

式中：n——压缩土层内土层分层的数目；

e0i——地基中各分层在自重应力作用下的稳定孔隙比；

e1i——地基中各分层在自重应力和附加应力共同作用下的稳定孔隙比；

△hi——地基中各分层的初始厚度，m。

任一时刻地基的沉降St，应考虑主固结随时间的变化

式中：Sd——瞬时沉降，mm；

Ss——次固结沉降，mm；

U——地基平均固结度，可采用太沙基一维固结理论计算。

工后沉降Sp=S0-Scp

式中：S0——路面设计使用年限内地基发生的总沉降，mm；

Scp——路基路面施工（预压）期沉降，mm。

经过试算，泡沫轻质土需填筑6 m，附加荷载造成的工后沉降为29 cm，控制在要求范围内。

稳定验算采用圆弧滑动法中的有效固结应立法式中：cqi——地基土或路堤填料的黏聚力，kPa；

φqi——地基土或路堤填料的内摩擦角，（°）；

φcqi——地基土的内摩擦角，（°）；

Ui——地基平均固结度，%；

ai——土条底面与水平面交角，（°）；

Li——土条底面弧长，m；

WⅠi——土条地基部分重力，kN；

WⅡi——土条路堤部分重力，kN。

经计算，稳定安全系数为1.64，当泡沫轻质土填筑6 m时，满足沉降要求的同时，稳定性验算可以满足要求，本软土地基路堤设计方案是可行的。

4.3 抗浮验算

泡沫轻质土由于重度较小，作为路堤填料时，附加荷载较小，对沉降和稳定性均有利，但由于造价较高，不能无限制使用，同时由于其重度比水小，当遇到水位较高时有上浮风险，所以需对其进行抗浮验算。本工程南侧为水塘，常水位约为-4.5 m。抗浮验算[6]

式中：Ff——抗浮稳定系数；

γi——各层材料的重度，kN/m3；

hi——各层材料的厚度，m；

γw——水的重度，kN/m3；

hjw——路堤浸水的深度，m。

分两种工况计算抗浮稳定系数：工况一是从整体路堤考虑水的浮力作用；工况二是仅考虑浮力对泡沫轻质土的作用，忽略泡沫轻质土以下6 m 的6%灰土，计算结果见表2。

表2 抗浮计算结果

工况一和工况二的抗浮稳定系数分别为1.52、1.12，反算抗浮临界水位分别为6.8、2.3 m，采取保守计算结果，水位在2.3 m 以下时，抗浮稳定系数均能满足要求。故要求工程竣工后养护管理时需注意，如遇到特大暴雨，本段水位上涨较快时，需实时观测水位，水位超过2 m 后，需采取有效措施，降低水位，保证道路使用安全。

4.4 路堤施工预压与监测

路堤填方较高，施工期间，除对填土按要求压实外，还要预压，尽量减小工后沉降。采用等载预压，泡沫轻质土施工完后填筑106 cm素土进入预压期，预压期不少于6月。预压素土卸载后用作路面结构的二灰土或素土回填。

施工过程变形监控是实现动态路基设计的基础，可确保施工、运营期间路基安全稳定。变形监控分为填土路堤的地表沉降和路侧水平位移，地表沉降采用沉降板观测，路侧水平位移通过边桩来观测。施工期间应选取典型断面实时监测路侧水平位移，保证高路堤填筑过程中的稳定；观测沉降，保证路堤顶标高满足设计要求。

5 结语

软土地基处理方法多种多样，实际工程现状条件也各不相同，需综合分析选用。本文对具体工程实例中填方较高路段进行了路桥方案比选，从远期地块开发的角度采用路堤方案。为满足软土地基沉降和稳定性的要求，结合轻质材料路堤的特殊性，进行了沉降、稳定性和抗浮性验算，证明方案是合理可行的。□■