泡沫轻质土在路基加宽中的应用

李阳锋

（山西路桥第八工程有限公司，山西 运城 044000）

引言

随着我国经济的飞速发展，人们出行次数和频率日益增大，造成国内交通量增长迅速，原有的公路通行能力难以满足现有的车辆通行能力要求，新建或者改扩建道路的工程越来越多。

1 道路改扩建存在的问题

1.1 道路改扩建存在的问题

在道路改扩建中，虽然能够较好地减少征拆面积，降低工程总造价，但也存在一定的问题。

1.1.1 地基承载力问题

此类问题主要出现在有软弱下卧层的道路。在前期道路修建过程中已经通过对道路的路基进行了换填、设置桩基等多种手段来提高地层的承载力，使其能够满足道路建设的需求。要在这类地质上进行道路拓宽，不可避免地要再次进行工程处理，从而使改扩建工程造价大幅增加［1-2］。

1.1.2 征地问题

道路拓宽存在新征地的问题。尤其是高填方道路，为了保证路基边坡的稳定性，往往坡率设置较缓，导致道路加宽过程中路基边坡外延过大，征地范围大，拆迁数量多等诸多问题，也会提高工程的总造价。高填方由于填土量大，施工时间长，往往其质量难以保证。

1.1.3 路面沉降问题

路面沉降是道路改扩建中最重要最核心的问题。由于旧路基经过多年的通车运行，其路基填土压实度高、固结沉降基本已经全部完成。在道路扩建通车后，由于新旧路基填料的力学性能存在较大差异，因此，在车辆荷载作用下，旧路基沉降小、新路基沉降大、路基土沉降变形不一致，从而导致新旧路基搭接处往往会产生沿道路纵向方向上的拉裂缝。

1.2 传统回填存在的问题

在长期的工程实践中，采用合格土石填筑加宽路基具有造价小、施工技术要求低等优点，是比较常见的做法。为了解决常规合格土石加宽路基中的不均匀沉降等问题，往往会在新旧路基搭接处设置土工格栅、埋设防滑钢筋等多种工程措施，针对加宽路基边坡坡率较陡的情况往往还会采取设置护脚墙等支护措施，从而降低了传统回填土的经济优势。

1.3 泡沫轻质土在道路拓宽中的应用优势

泡沫轻质土是一种由气泡掺和形成的新型混凝土材料，具有密度小、强度高等优点。在路基下有软弱结构层的情况时，可以通过调节泡沫的充入量，改变轻质土的重度，从而达到减小对地基承载力要求的目的［3-5］。泡沫轻质土有混凝土的性质，能够直立浇筑，而且由于泡沫轻质土强度高，弹性模量大，对新旧路基的不均匀沉降具有减缓作用。

2 项目概况

项目所在地范围内主要为素填土、粉质黏土和粉砂质泥岩。土层层位比较稳定，素填土土层厚度约为2 m，粉质黏土层厚度约为6 m，其下为粉砂质泥岩。某拟加宽道路位于填方区。填方高度8 m，双向四车道，道路红线宽度20 m，道路横断面布置形式为1.5 m 人行道+7.5 m 车行道+2 m 绿化带+7.5 m车行道+1.5 m 人行道。道路路基边坡为挂网植草防护，坡1∶1.75，通车时间较长，路基填土基本已经完成固结，压实度高。公路两侧坡脚处种植了行道树，距路基坡脚外侧10 m 为基本农田，填方路基横断面见图1。

图1 填方路基横断面

3 加宽方案

根据该公路的交通量增长需要以及远期的公路提升改造，拟对该公路进行拓宽，拓宽红线宽度为15 m，征地范围暂不受限制，可根据拓宽方案的设计进行征地。根据以往工程经验，提出两种道路拓宽方案。

3.1 方案一：传统回填

此处不存在特殊路基及软弱下卧层，可采用一般的回填加宽的设计方案。回填填料采用合格土石，填方高度为8 m，回填路基坡率设计为1∶1.75，上顶红线宽度15 m，路基底面宽度为29 m，挖设高2 m、宽3.5 m 的台阶，并在最上面一级台阶内设置土工格栅减小路面的不均匀沉降，坡面采用挂三维网植草防护。据此单位长度回填土方量为236 m3。该回填方案具有施工难度低、简单易操作等特点，但回填土方量大，征地范围广等问题，方案设计见图2。

图2 方案一设计横断面

3.2 方案二：泡沫轻质土填筑

为了克服方案一的问题，减小征地范围及回填土方量，提出了采用泡沫轻质土加宽道路的方案二。

3.2.1 设计原则

泡沫轻质土具有密度可调、强度可调节性、高流动性及可直立施工性等优点。因此，在设计泡沫轻质土填筑路基的过程中应当充分发挥泡沫轻质土的工程性能，提出安全经济、技术合理的设计参数，在完成道路拓宽的工程建设目标的同时，减小道路拓宽中常见的不均匀沉降等工程危害，提高工程的使用年限。

3.2.2 设计方案

泡沫轻质土在设计过程中应提出完整的设计参数，保括性能设计、形态设计和辅助工程设计，保证泡沫轻质土施工的可操作性。根据《现浇泡沫轻质土技术章程》（CECS 249—2008）相关技术参数要求，结合本项目的实际工程特点，提出泡沫轻质土的相关设计参数，并验算泡沫轻质土回填的整体稳定性和抗滑性等，由于本位于地下水位以上，只要做好地表水的处理即可不考虑泡沫轻质土的抗浮验算。

（1）技术指标及基本要求

泡沫轻质土强度等级为F1.0，密度为D700（本次设计为700 kg/m3），泡沫标准密度为50 kg/m3，发泡倍率≮1 000。泡沫轻质土道路路基边坡坡率为1∶0.75，据此单位长度泡沫轻质土回填土方量为144 m3。

（2）辅助工程设计

在泡沫轻质土的顶面铺设防水土工布，避免雨水下渗，同时在泡沫轻质土底面和新旧道路搭接处设置DN20 镀锌抗滑水管，提高泡沫轻质土的抗滑性。在泡沫轻质土顶面0.5 ～1.0m 范围内设置1 ～2层金属网，在新旧道路搭接处的台阶及其上1 m 设置一层金属网。纵向上每隔20 m 设置一道伸缩缝。泡沫轻质土外侧设置厚度15 cm 的混凝土薄壁面层，可根据需要进行浮雕设计，提高道路的景观性。方案设计横断面见图3。

图3 方案二设计横断面

3.3 方案对比分析

3.3.1 沉降分析

建立两种方案的有限元模型，并计算两种方案下的路面沉降与不均匀沉降结果，见图4、图5。

图4 常规方案拓宽道路沉降云图

图5 泡沫轻质土拓宽道路沉降云图

从图4 和图5 可以看出：（1）无论采用常规合格土回填还是泡沫轻质土，道路拓宽的路面沉降均表现为旧路堤路面沉降较小，新路堤沉降较大的变化规律。全新路堤沉降曲线通常为“U”型沉降盆，而旧路拓宽则由于拓宽后旧路堤沉降小、新路堤沉降大，表现为单向的滑梯状沉降曲线。（2）常规方案加宽路堤时新路基部分沉降变化比泡沫轻质土大，泡沫轻质土的“滑梯”底部比较平缓，证明在新路基范围内，路面的沉降差异不大，即路面的沉降差较小，能够有效降低因为沉降不均匀带来的路面开裂的风险。

从图4 可以看出，利用常规合格土石回填拓宽道路时，在通车后路面的沉降最大值为64 mm，发生在新加宽路面右侧；路面最小沉降值为0.9 mm，发生在旧路基左路肩位置。沉降差值达到63 mm，而采用泡沫轻质土后，路面的最大沉降为13.6 mm，最小沉降为0.2 mm，沉降差仅为13.4 mm。由此可见使用泡沫轻质土能够有效减小路面的不均匀沉降。

提取两种方案下的路堤稳定性系数，得到常规方案和泡沫轻质土加宽道路下的安全系数分别为1.43 和1.67，第二种方案下的道路稳定性提高了16.8%。可以看出，由于泡沫轻质土具有较强的抗剪强度，虽然拓宽路基边坡坡率更陡，也能更好地保证道路路基边坡的稳定性。

3.3.2 综合对比分析

采用泡沫轻质土时能够有效减小路面的沉降及不均匀沉降，降低后期路面开裂的风险，减小后期道路的养护运营成本。常规合格回填料和泡沫轻质土拓宽道路的方案对比见表1。

表1 两种方案综合对比分析

从表2 可以看出，采用常规合格土石进行道路拓宽时具有施工复杂程度相对较低、综合造价相对较小的优点，但是存在明显的征地范围大、地基要求高等缺点，尤其是针对本项目，道路外侧即是基本农田的情况下，采用常规回填方案存在占用基本农田的最大问题。经过专家评审，认为目前泡沫轻质土技术比较成熟，推荐采用泡沫轻质土进行道路拓宽，既能规避征地困难的问题，又能提高道路行车质量。

3.4 方案优化设计

泡沫轻质土本质上仍然为混凝土结构，其抗拉裂能力有限，因此，在方案二中可在路面结构层以下多设置几层金属网，甚至可根据交通类型将金属网改为钢筋网，提高泡沫轻质土的抗拉能力，进一步提高道路的使用年限。

4 结语

（1）常规回填土和泡沫轻质土加宽道路时，路面均表现为“滑梯”状的沉降曲线。常规回填土和泡沫轻质土加宽道路时其路面最大沉降差分别为63 mm 和13.6 mm，泡沫轻质土对沉降的控制效果更好。（2）泡沫轻质土抗剪强度高，加宽道路时其路基稳定性高于常规合格土回填。（3）泡沫轻质土能够减小征地范围，提高拓宽道路的路基质量，相比常规合格土回填具有明显的优势。