泡沫土处理高速公路软土地基的设计研究

杨世春

（湖北交投荆潜高速公路有限公司，湖北荆州 434000）

0 引言

泡沫土（foamed light weight soil）是固化剂（水泥）、水、发泡剂、外掺料（原料土、火山灰、粉煤灰等）通过机械设备充分混合搅拌后凝固成型的新型多气泡轻质材料，常用的容重范围在4.0～8.0kN/m3，强度范围为0.4～2.5MPa，具有质量轻、抗压强度高、整体性好、凝结自立性以及保温隔热等特点。发泡剂是制作泡沫土的关键材料，主要有表面活性系列、蛋白质系列及树脂肥皂系列三种，其中表面活性剂类发泡剂的效果较好。水泥是制作泡沫土的主要原材料，水泥宜采用42.5 级及以上的通用硅酸盐水泥。当有快硬要求和其他用途时，可选用快硬水泥或特殊水泥在现场制作而成。

泡沫土具有高流动性、易固化、质量轻、强度高及良好自立稳定性等特点，且耐久性好，施工简便快捷，无须进行特别的养护处理，可较大限度地消除填料质量引起的沉降量，因此，经常作为路基填料处理桥头跳车较明显段落、软土地基高速公路拓宽工程、软基路段纵向裂缝以及边坡失稳的路基处理等，通过减轻软土地基的荷载，达到减少路基的总沉降量及工后沉降量的目的。

泡沫土是多种材料搅拌后凝固而成的轻质材料，由于材料本身由多种物质混合而成，实践表明其具有较大的收缩性，合理的配合比在提高材料强度的同时可以减少材料本身的收缩性能，以免出现横向裂缝或纵向裂缝，减少路基的病害。在与相邻土方填筑路段的搭接处理上，有必要研究其搭接方法，在满足施工便利性的基础上，减少因搭接施工而造成的沉降等。

1 泡沫土的设计研究

1.1 配合比的研究

泡沫土一般用于路基填高较大且软土较为深厚的段落，泡沫土的容重大小决定了地基的最终沉降量及工后沉降量，所以泡沫土的容重是采用该填筑方法最重要的设计指标。在决定采用泡沫土填筑路基的段落，应先根据地质资料及容许的工后沉降量确定泡沫土的允许容重，并根据该容重确定该段落的泡沫土配合比，研究其强度及收缩率，使之满足规范要求。

一般在试验室制作400mm×400mm×280mm 的长方体试件用作泡沫土的压缩试验及收缩试验。

首先，依据计算好的泡沫土配合比，按1∶30 的比例把发泡剂制成水溶液后，使用高速剪切乳化机预制发泡，将乳化机的转速逐渐提升到7000r/min 并保持5～10min，泡沫稳定、细小、均匀时停止乳化剪切。

其次，把普通硅酸盐水泥与铝酸盐水泥均匀混合，然后把混合水泥、水、减水剂及其掺合料共同搅拌成料浆体。

最后，将制好的泡沫与料浆体混合，继续搅拌形成新泡沫混凝土。

研究表明，无论掺加哪种掺合料，都不能完全阻止泡沫混凝土收缩，收缩变形一定存在。但聚丙烯纤维、减水剂及膨胀珍珠岩的掺入，均能在不同程度上抵制泡沫混凝土收缩，且随掺入量增大，抑制收缩的能力越明显，而发泡剂则可加大泡沫混凝土收缩，且随掺入量增大，收缩越严重，也就是泡沫土的设计容重越小，其收缩特性也越大[1]。

工程实践也表明，发泡剂是造成泡沫土容重减少最主要的材料，也是引起泡沫土收缩的最主要因素，发泡剂掺入越多其收缩率也越大，所以不能单方面追求过小的容重，而应根据地质条件及路基填高，计算工后沉降量及总沉降量，选择合理的容重。设计时，还应根据设计的容重，进行室内配合比试验，根据试验数据得出其收缩率。某高速公路由于较大的收缩率，造成通车后桥头路基与桥台连接处的明显裂缝，裂缝的宽度在2cm 左右，说明不当的配合比造成路基病害的发生（见图1）。

图1 某高速公路由于泡沫土收缩而引起的收缩裂缝

1.2 应对泡沫土材料收缩的措施

如前所述，由于泡沫土具有一定的收缩性能，过大的收缩量会造成泡沫土本身的纵横向裂缝，如果泡沫土表面的裂缝反射到路面，则会造成路面的裂缝产生，从而影响路面的使用寿命。虽然采用合适的配合比，能减少泡沫土裂缝，但材料的特性决定了仍然会有一定的收缩变形。

为解决泡沫土收缩造成路面的沉降、与桥台或路基连接处的裂缝等病害，一是在施工前应进行相应的配合比试验，掺入各种合适比例的材料，使其收缩率在允许的范围内；二是在施工过程中，采取相应的工程措施，减少其收缩变形。试验表明，单块泡沫土的体积越大，则其收缩变形量也越大，所以可以通过减少单块泡沫土的浇筑体积来减少收缩量。

工程实践还表明，在泡沫土完成的3d 内收缩率最大，3d 后收缩变形则明显减小。所以，可以利用泡沫土收缩变形的特点来减少施工后的收缩变形，也就是在实际工程中采用分层浇筑的施工方案，并控制层与层的施工时间。在工程实践中，一般每层的泡沫土的厚度控制在1m 以内，层与层之间的时间间隔应在3d以上，也就是先进行一层厚度不超过1m 的泡沫土施工，3d 后，将其表面打毛，便于上下两层的黏合，而后再进行下一层施工。这种施工方法可以有效减少泡沫土收缩变形的影响，减少裂缝产生。

1.3 与土路基连接处的不同搭接方法路基沉降差异研究

由于泡沫土路基的造价较高，一般用于处理软土厚度较大、软土物理力学较差且路基填高较高的段落，或者用于处理边坡失稳的局部路基，所以需要与土方填筑的土路基需要进行搭接。在常见的工程实际中，泡沫土与土路基的交界处，常采用的两种搭接方法，一是泡沫土路基搭接在土路基上，二是土路基搭接在泡沫土上。采用第二种搭接方法，由于泡沫土的扩散作用，作用在软土地基上的荷载要小于泡沫土路基搭接在土路基上的荷载，所以其沉降量也较小。为研究两种方法沉降量的区别，选择江汉平原软土地基上的某高速公路桥头路基，采用FLAC 3D 软件，计算两种搭接方法的总沉降量差异[2]。

某高速公路处于江汉平原，区域内广泛分布着厚度在10～15m 的软土地基。软土主要为淤泥、淤泥质黏土及淤泥质粉质黏土等，软土的含水量在40%～70%，孔隙比在1.1～2.0 之间，压缩系数在1.0MPa-1以上，具高压缩性；软土的直接快剪指标中黏聚力在5kPa 左右，内摩擦角在2.3°左右，淤泥质粉质黏土的黏聚力在25kPa 左右，内摩擦角在5.2°左右；淤泥质粉质黏土的渗透系数约为3.0×10-6cm/s，淤泥质黏土的渗透系数在4.0×10-7cm/s。软土以下一般分布着卵石层，该地区的软土相对于长江下游的软土地基，具有较快的沉降稳定速度。对于这些段落软土地基的处理，目前的软土地基一般先采用搅拌桩等复合地基的处理方法，然后采用清砂、素土及灰土等填筑路基，而对于有的段落，软土厚度深厚，上面又有高压线等通过，受到打桩高度的限制，打桩的深度可能不满足设计要求，此时可采取泡沫土填筑路基，一是避免处理深厚的软土地基，减少搅拌桩的长度甚至可以取消搅拌桩，二是减少土方填筑的数量，减少取土对农田或山体等自然环境的破坏。

某高速公路的某大桥桥头及过渡段采用泡沫土填筑，泡沫土的填筑长度为50m，在泡沫土纵向相邻的路段采用常规土方进行填筑。采用FLAC 3D 数值模拟软件来计算路基变形，力学计算模型采用摩尔-库伦模型（Mohr-Coulonb Model），模型采用的计算参数见表1。并用比奥固结理论计算软土地基在路基填筑过程中的固结变形，考虑了流固耦合作用。在FLAC 3D 具体计算中，先进行初始地应力的平衡，然后在计算时激活各填土单元，模拟路基的填筑过程，每层的填筑厚度按1m 考虑，此时路基在附加压力作用之下会发生沉降变形，并按路基及路面的施工时间，考虑地基固结变形。

表1 沉降计算参数取值表

两种搭接方法计算沉降量沿路基纵向的沉降量如图2 所示，沉降计算参数取值表见表1。计算表明，两种搭接方式并没有明显的沉降量差异，计算的沉降量基本相当，两种搭接方法计算的总沉降量都在26cm 左右。采用土路基在泡沫土上的搭接方式，由于泡沫土的扩散作用，计算沉降量要小于泡沫土在土路基上的方式（图中50m 处），但沉降量的差别并不明显，两种搭接方式的沉降量差在10mm 左右。两种搭接方法施工的难易程度明显不同，采用土路基搭接在泡沫土路基上，由于土方的碾压需要大量的施工机械，很可能造成在土路基施工过程中施工机械对已经施工完成泡沫土的破坏；而采用泡沫土搭接土路基上的搭接方法，则可以在土路基施工完成后，按照泡沫土的施工厚度，先在已经施工完成的土路基上逐级开挖台阶，再浇筑泡沫土，施工也较为简单方便。

图2 泡沫土与土路基不同搭接方法的路基变形

综上所述，采用泡沫土搭接在土路基上的方式，虽然其总沉降量要稍大于采用土路基搭接在泡沫土上的方式，但其沉降的差异并不明显。而采用后一种搭接方式可有效减少土路基施工过程中对泡沫土的破坏，所以推荐采用泡沫土搭接于土路基之上，也就是先完成泡沫土路基相邻段的路基土方填筑，然后再进行泡沫土路基的施工。

1.4 泡沫土路基基底及表面的处理

在软土地基采用泡沫土填筑的路基，路线往往通过河网密集的地区，地下水的位置较高，特别在雨季和汛期，地下水的位置更高。泡沫土由于其密度较小，水的浮力容易造成泡沫土路基的破坏，所以应重视泡沫土地基的排水工作。对泡沫土填筑的路基底部，应该采用厚度不小于50cm 的碎石垫层或中粗砂垫层，以及时排出地下水。对泡沫土处理的段落，还应做到路基两侧边沟排水通畅，与周围的水系应顺畅连通，以利于及时排出积水等，从而避免地下水对路基造成的破坏。

1.5 泡沫土路基上面板的设计

由于泡沫土本身的抗剪强度较低，不能受集中力作用。施工完成后，应严格禁止施工车辆直接在泡沫土上行驶，否则容易造成已施工完成泡沫土路基的破坏，但由于路面的施工，路面施工车辆需要在泡沫土路基上通行。为了解决施工车辆在泡沫土路基上的通行问题，一般在泡沫土上施工20cm 的钢筋混凝土板作为沥青路面的底基层，在路面施工期间，可以直接通行施工车辆。

2 结语

在软土地基上采用泡沫土填筑路基，可以有效减小路基的自重，减少地基的总沉降量及工后沉降量，可用于公路工程的某些特殊段落。在泡沫土设计时，应进行配合比试验及合适的施工工艺设计，减少由于泡沫土的收缩特性造成连接处路基的横向裂缝等。泡沫土搭接于土路基上或土路基搭接于泡沫土上，并没有明显的沉降量差。但泡沫土搭接于土路基上易于施工，建议先进行相邻段落土路基施工，然后再进行泡沫土施工。