泡沫轻质土在高速公路改拓建工程中的应用研究

梁荣伟

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司，湖南 长沙 410200)

0 引言

随着我国经济的持续高速发展，许多早年修建的高速公路已不能满足日益增长的运输需求，旧路改建逐渐成为公路建设所关注的重点，新旧路基衔接、公路两侧用地受限、路基桥梁过渡段处理等工程问题更是成为旧路改建项目的关键。在此背景下，泡沫轻质土因其具有轻质性、自立性、自密性、施工便捷性等优点，得以在旧路改建工程中逐渐推广运用。泡沫轻质土作为改善软土路基沉降、减少自重载荷高性能路用材料。泡沫轻质土材料于2002年，由陈忠平博士引进国内，经过20 a深入研究和推广，目前已广泛应用在高速公路软土路堤、道路加宽段、软基桥台、塌方抢修等填筑工程。

目前，泡沫轻质土已在惠深高速公路[1]、呼包高速公路[2]、广明高速公路[3]等许多公路改拓建加宽路基填筑中成功运用，其中典型工程有广州亚运大道、京珠高速公路、港珠澳大桥人工岛、沪宁高速铁路、柳南高速公路等重大交通基础设施建设项目，本成果还推广应用到北京鸟巢、南水北调、上海世博、德州高铁站、国防工程设施等国家重大工程。

我国也颁布了《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》[4]。国内外众多学者针对泡沫轻质土的物理力学性质展开了大量研究，Horpibulsuk[5]等、李苏醒[6]分别研究了含水量、配合比等因素对气泡混凝土的物理力学性质影响，杨春风[7]等、牛昴懿[8]对泡沫轻质土在拓建工程中的应力应变进行分析，陈忠平[9]详细论述了轻质土在施工应用过程中的关键控制点。然而，以往学者对泡沫轻质土的研究主要从其材料与物理力学特性、制作工艺等方面着手，而对旧路改拓建工程中泡沫轻质土拓宽路基的受力变形情况和施工质量控制缺乏系统深入地研究。本文基于湖南省莲株高速公路改拓建工程，运用有限元软件分析泡沫轻质土拓宽路基的应力应变规律，结合工程实际对设计、施工关键技术进行详细论述，对今后类似的公路改拓建工程有一定的借鉴意义。

1 工程概况

莲株高速是湖南省第一条低等级公路改拓建为高速公路的项目。起于湘赣省界莲花冲，终于株洲市红旗立交桥东，全长约50.6 km。该项目老路两侧管线密布、房屋集中，其中K1102+730～K1103+030段路基填土高度约6～7 m，路线紧邻企业厂房，公路红线占用了该企业的围墙、车棚、污水处理池、部分厂房等，拆迁协调难度大、征拆费用高，且施工过程中大功率压路机震动对厂房亦有影响(见图1)。原方案采用仰斜式挡土墙防护，但用地红线仍占用了部分企业用地，后经方案对比优化，该路段采用泡沫轻质土填筑路基以消除对厂房的影响。

2 泡沫轻质土拓宽路基数值分析

2.1 模型建立

本文采用ABAQUS有限元软件分析泡沫轻质土和常规填土用于拓宽路基的应力应变规律，假定旧路路基在长期附加应力作用下已趋于稳定，路基拓宽后沉降主要由新建部分路基引起，且路基足够长，按照平面应变问题处理，利用生死单元法基于典型横断面建立旧路拓宽模型，老路路基填土高度7.0 m，旧路宽12.0 m，拓宽后路基宽24.5 m。模型参数取值详见表1，其中路基填土、粉质黏土采用摩尔-库伦模型，泡沫轻质土、泥质粉砂岩采用线弹性模型，新旧路基与层间接触为完全连续接触，不考虑相对滑移与脱离的情况，路面以上考虑汽车荷载(折合土柱高度0.8 m)，所建模型如图2所示。

表1 数值分析参数取值Table 1 Values of numerical analysis parameters

(a) 泡沫轻质土拓宽路基

(b) 常规填土拓宽路基

2.2 计算结果分析

图3为泡沫轻质土和常规填土拓宽路基模型的应力云图，由图可知，相较于常规填土，泡沫轻质土拓宽路基能够显著降低新填路基附加应力的影响范围。泡沫轻质土拓宽路基新填部分最大应力区域为路基底部最外侧，应力峰值为88.7 kPa。而对应常规填土拓宽路基新填部分，最大应力区域出现于新旧路基拼接底部，应力峰值为146.7 kPa。

(a) 泡沫轻质土拓宽路基

(b) 常规填土拓宽路基

图4为拓宽路基基底沉降图，可以看出，泡沫轻质土拓宽路基沉降呈倒三角分布，最大沉降处靠近新填路基外侧，距路基中心10.7 m，最大沉降量为3.7 cm；常规填土拓宽路基沉降近似呈抛物线分布，最大沉降处靠近新填路基部分中心，距路基中心12.0 m，最大沉降量为12.1 cm。相较于常规填土，泡沫轻质土拓宽路基能够显著降低地基附加应力和路基沉降量，且地基最大应力和最大沉降量均向新填路基外侧偏移。因此，对于泡沫轻质土路基应注意外侧基底强度满足设计要求。

图4 拓宽路基基底沉降曲线Figure 4 Settlement curve of basement in widening subgrade

2.3 拓宽路基高度与宽度灵敏度分析

a.拓宽高度对基底沉降的影响。

图5为不同拓宽路基高度(3 m，5 m，7 m，9 m，11 m)的基底沉降图，可以看出，泡沫轻质土拓宽路基基底沉降随路基高度的增加近似线性增加，不同拓宽高度下基底沉降分布形式基本一致，最大沉降位置靠近新填路基外侧，且当路基高度低于5 m时基底沉降峰值附近曲线相较平缓。此外，从图5中可以看出，新填路基内侧旧路路基基底与外侧地基较远处呈现轻微隆起的趋势，且随着路基高度的增加愈加显著，从而加剧了新老路基间的差异沉降，当路基高度大于9 m时，旧路基底隆起显著增加。因此，泡沫轻质土拓宽路基填筑高于9 m时应加强新旧路基拼接部处治，增强拓宽部分地基强度，从而减小新旧路基差异沉降。

(a) 不同拓宽高度路基断面沉降曲线

(b) 拓宽路基高度-沉降关系曲线

b.拓宽宽度对基底沉降的影响。

图6为不同拓宽路基宽度(12 m，14 m，16 m，18 m，20 m)的基底沉降图，可以看出，不同拓宽路基宽度下基底最大沉降位置均靠近新填路基外侧，且随着拓宽宽度的增加最大沉降量呈上升趋势，当路基拓宽宽度小于18 m时，基底最大沉降量随拓宽宽度的增加而显著增加，而当拓宽宽度大于18 m时，基底最大沉降量随拓宽宽度的变化率趋于平缓。由此可知，拓宽路基的宽度是影响新老路基差异沉降的次要因素，仅在较低宽度变化范围内对基底沉降影响较为显著。

(a) 不同拓宽宽度路基断面沉降曲线

(b) 拓宽路基宽度-沉降关系曲线

3 泡沫轻质路基设计关键点分析

3.1 轻质土路基动静荷载作用下的应力、变形和疲劳破坏规律

a.静动三轴试验。

通过动三轴试验研究了不同密度泡沫轻质土在不同潮湿状态、不同循环荷载下的动力工程特性。研究表明：浇泡沫轻质土动静强度比为0.21～0.38；泡沫轻质土动弹性模量随密度增加而增加，随应力增加而增加；泡沫轻质土重复加载卸载滞回曲线较扁薄，黏滞性较小；泡沫轻质土密度较小时形成压实锥并导致轻质土劈裂破坏，密度达到650～700 kg/m3时，仅加载端四周表面产生剥离现象。湿密度大于600 kg/m3时，干燥、饱和泡沫轻质土的动强度基本相等。

b.大型动态模型试验。

采用相同配合比的泡沫轻质土浇筑基床底层，在其上填筑2种厚度的基床表层，建立室内现浇泡沫轻质土路基整体结构试验模型，采用不同频率、幅值瞬时激励荷载进行试验，循环激振200万次研究路基在动荷载下的动力响应和稳定性。试验表明：路基动应力、加速度、动位移随激振应力幅值增大而近似线性增加，随深度增加而减小，随激振频率增加而增加，但增幅较小。轻质土上部动应力衰减速率大，下部衰减速率小。轻质土层下部应力衰减比常规基床填料快。对于不同厚度基床表层的现浇泡沫轻质土路基，不同位置的动应力、加速度、动位移、累计沉降在循环次数到达70万～100万时达到稳定。在长期动荷载作用下，现浇泡沫轻质土路基加速度、动位移较小且变化幅度较小，泡沫轻质土基床底层累计压缩应变为20～30 με，累积压缩仅为路基累积沉降的3.2%～4.5%。

3.2 泡沫轻质土的概化力学模型

本文根据项目试验资料，提出了一种基于弹性理论的轻质土简化力学模型,如图7所示。

图7 泡沫轻质土概化模型Figure 7 Generalized model of foam light soil

泡沫轻质土的抗压强度qul与相同配合比的浆体抗压强度qum的关系为：

qul=[a(1-nb)+b]qum

(1)

试验表明a=0.421 4，b=-0.089 4。

3.3 配合比设计

按下式计算水泥浆单方材料组成、湿密度[10]：

(2)

式中：Mc为每方水泥浆中水泥质量；Mw为每方水泥浆中水质量；Mf为每方水泥浆中掺合料质量；RL为每方水泥浆质量；α为水泥浆中掺合料占固体质量的百分比；b为水泥浆中单位质量水中所包含固体的质量，即有水灰比=1∶b；ρc为水泥颗粒密度；ρf为掺合料颗粒密度。

按下式计算泡沫轻质土配合比单方材料组成、气泡率：

(3)

式中：mc为每方泡沫轻质土中水泥质量；mw为每方泡沫轻质土中水质量；mf为每方泡沫轻质土中粉煤灰质量；Rfw为单方泡沫轻质土施工质量；RL为单方水泥浆的质量；ρa为泡沫密度；λ为泡沫轻质土气泡率。

设计取ρa泡沫密度为50 kg/m3，Rfw为520 kg/m3,根据试验配合比分析，确定1 m3泡沫轻质土水泥浆组成为669.2 kg水泥、286.8 kg粉煤灰、647.6 kg水，水泥浆湿密度为1 603.5 kg/m3，代入式(3)计算可得，泡沫轻质土气泡率确定为69.7%。

3.4 轻质直立式路基计算分析

a.轻质土路堤自立高度验算。

(4)

式中：hs为轻质土自立高度,m;cl为黏聚力,kPa;γl为重度,kN/m3;φl为内摩擦角弧度；q为顶面荷载集度,kPa。

b.抗倾覆稳定分析。

Mr=Wlxl+Pacos(α-δ)xp-Vwγwxw

(5)

式中：Mr为抗倾覆力矩,kN·m；xl为Wl与轻质土路堤坡脚的水平距离,m；Pa为总主动土压力,kN;α为界面与轻质土底面的夹角弧度；δ为界面的摩擦角弧度；xp为Pa作用点与轻质土路堤坡脚的水平距离,m;Vw为水位以下的轻质土体积,m3;γw为水的重度,kN/m3;xw为浮力与轻质土路堤坡脚的水平距离,m。

c.界面滑动稳定分析。

泡沫轻质土未断裂时界面滑动稳定性分析可采用挡墙法，断裂时宜采用剩余下滑力法。

①连续台阶剩余下滑力采计算:

(6)

(7)

(8)

式中：Ei为土条i剩余下滑力,kN；Pai为土条i侧面总主动土压力,kN；Fs为界面滑动安全系数；cei为土条i底面黏聚力,kPa；li为土条i底面长度,m；Wi为土条i自重和上部竖向荷载之和,kN；fi为土条i底面摩擦系数；qi为土条i侧面普通土顶面竖向荷载集度,kPa；hi为土条i侧面普通土高度,m；γsi为土条i侧面普通土重度,kN/m3；Kai为土条i侧面普通土主动土压力系数；ci为土条i侧面普通土黏聚力,kPa；hci为土条i侧面普通土自稳高度,m。

②断续台阶斜面上土条下滑力计算采用式(9)台阶上土条的受力计算采用式(10)：

(9)

(10)

高煜[11]等对泡沫轻质土路堤稳定性的研究表明，黏聚力对安全系数的影响最大，密度次之，而内摩擦角产生的影响最小。据此，本文取轻质土内摩擦角为6°，密度为500 kg/m3，荷载按0.8 m土柱取为10.5 kPa，代入式(4)中计算可得，填土高度为7 m时，泡沫轻质土内摩擦角应大于22.3 kPa。

4 泡沫轻质土施工关键控制指标

4.1 流动扩展度

流动度是现浇轻质土的重要的工作性能指标，流动度过低会导致无法实现自流平、自密实，甚至引发堵管等工程问题，流动度过高则容易导致料浆不稳定，同样影响材料的使用性能，现浇泡沫轻质土宜控制料浆流值在160～190 mm。图8为新拌轻质土料浆的湿容重对流动度的影响规律，随着湿容重的提升，轻质土料浆的流动度逐步提升，由160 mm(500 kg/m3)提升至200 mm(750 kg/m3)，其中湿容重在500～650 kg/m3为现浇泡沫轻质土的推荐流值，可较好应用于工程实际。

图8 流动扩展度随湿容重的变化规律Figure 8 Variation law of flow expansion with wet bulk density

4.2 消泡率

消泡率是反应轻质土泡沫稳定性的重要参数，一般情况下消泡率越低，代表轻质土成型过程中比重变化越低，具备更好的体积稳定性。图8为500、600、750 g/L初始湿容重的新拌轻质土料浆容重随搅拌次数的变化情况。

图9(a)可知，按照轻质土测试消泡率的操作规范，料浆湿容重随搅拌次数逐渐增大，前期搅拌对湿容重的影响程度较大，后几次搅拌料浆湿容重增长减缓，容重趋于稳定。初始湿容重500 g/L时，经过6次消泡后，密度上升至592 g/L，消泡率为18.4%；初始湿容重600 g/L时，经过6次消泡后，密度上升至648 g/L，消泡率为8.0%；初始湿容重750 g/L时，经过6次消泡后，密度上升至786 g/L，消泡率为4.8%

图9(d)为消泡率在不同初始湿密度的变化规律，可知500、550 g/L容重下，消泡率分别为18.4%和13.2%，整体消泡较为严重。当初始湿容重大于650 g/L，消泡率出现明显改善，均在6%以下。

初始湿密度对消泡率的影响显著，体系中泡沫占比越大，受扰动的幅度就越大，泡沫轻质土在外界环境下就越容易消泡，当湿密度大于650 g/L时，新拌轻质土料浆消泡率大幅下降，因此抵御外部扰动的能力大，泡沫存在趋于稳定，在相同质量的情况下，更低的容重变化程度对应更优的体积稳定性，能够更好保证现浇轻质土施工的稳定性。

(a) 500 g/L初始湿容重变化情况(b) 600 g/L初始湿容重变化情况

(c) 750 g/L初始湿容重变化情况(d) 消泡率随初始湿容重的变化规律

4.3 孔隙率-强度对应关系

基于阿基米德原理，采用甲醇替代法测500～750 kg/m3容重轻质土孔隙率(见表2)，并进行28 d无侧限抗压强度测试，分析孔隙率和28 d无侧限抗压强度的关系(见图10)。由表2可知，随着容重的增大，试样的绝干质量逐渐增加，表明更多的自由水参与了水化反应，进而生成了更多未被烘干的水化产物。孔隙率由77.4%(500容重)降低至61.5%(750容重)，通过图10可知，孔隙率随28 d无侧限抗压强度增加呈线性降低，相关度较高。

表2 甲醇替代法测孔隙率测试数据Table 2 Test data of porosity measured by methanol substitu-tion method

图10 轻质土孔隙率与抗压强度关系拟合Figure 10 Fitting relationship between porosity and compressive strength of lightweight soil

4 结论

a.泡沫轻质土用于拓宽路基能够显著降低填土产生的附加应力和路基沉降量，新填路基基底应力呈向路基外侧偏心的倒三角型分布，应加强泡沫轻质土新填路基外侧的基底处治。

b.泡沫轻质土拓宽路基高度与基底沉降量呈近似线性正相关，当拓宽高度大于9 m时，旧路基底隆起明显，新老路基差异沉降更为显著；拓宽宽度在低宽度范围内对基底沉降量的影响较为显著，当拓宽宽度大于18 m时，宽度的增加引起的最大沉降量变化相较微弱。

c.流动度是泡沫轻质土施工的关键控制指标，现浇泡沫轻质土宜控制料浆流值在160～190 mm内，其相应的湿容重在500～650 kg/m3内，并为现浇泡沫轻质土的推荐流值。

d.初始湿密度对消泡率的影响显著，体系中泡沫占比越大，受扰动的幅度就越大，泡沫轻质土在外界环境下就越容易消泡。