泡沫轻质土路基变形特性及施工工艺

王星云

（中交第四航务工程局有限公司总承包分公司，广州 510000）

1 引言

软弱地基含水量高、高压收缩、敏感性高、厚度不均、强度低，已有的软弱地基处理技术很难有效解决其变形大、稳定性差的难题。 在施工工期受限的条件下，泡沫轻质土因其制备周期短、密度低、施工高效等优点，在降低路基沉降、提高道路及结构的稳定性等方面显示出明显的优越性。 针对这一现状，本文拟对泡沫轻质土路基的变形特点与施工工艺进行研究，并结合具体工程实例， 对不同构造型式下泡沫轻质土路基的变形特点与施工工艺进行研究， 希望能对国内道路软弱地基的建设和施工技术起到一定的促进作用。

2 工程概况

广连高速TJ07 标段路线起于清远市英德大湾镇内，经英建村陈屋、 横坑至瓦厂， 路线全长7.267 km。 该标段路基约4.73 km，挖方142.3 万m3，填方152.9 万m3；高填路基两处，最大填高20.7 m；深挖路基两处，最大挖深高度26.7 m；其中泡沫轻质土路基填筑共3 段，总填筑方量约1.8 万m3。 该项目的主通道为双向6 车道，设计时速120 km，路基宽为34.5 m。

3 泡沫轻质土基本特性及其影响因素研究

3.1 重度

泡沫轻质土的重度比较小，可以按照工程要求进行调整，调整幅度通常在5～12 kN/m3， 约为常规建材重度的1/5～3/5，比常规轻质填料粉煤灰还小，仅次于泡沫塑料块轻质土。 泡沫轻质土重度的大小主要与单次浇筑厚度、气泡含量、固化时间长短、材料配合比及浸水时间长短等因素有关[1]。

3.2 流动性

新搅拌的泡沫轻质土流动性强，可实现自流动，随着时间的推移逐渐固化，无须滚动即可实现自压实，其流量值通常可采用圆筒法测量。 用于工程施工，其流量一般为160～200 mm。结果表明，水灰比、空泡率及土体的性质对其渗流性能有较大影响。

3.3 无侧限抗压强度

泡沫轻质土是一种可调节其抗压强度的材料， 无侧限抗压强度为0.3～1.5 MPa，通过改变原材料的种类和配比，控制掺气比例，可以调节水泥的无侧限抗压强度。 在公路工程中，通常这种材料的无侧限抗压强度应为0.5～1.5 MPa。 虽然与常规填料相比，泡沫轻质地基具有更高的承载能力，但其抗压强度仍在一般填料与混凝土之间。 泡沫轻质土相对于混凝土而言，其抗压强度偏低，不宜盲目取代混凝土或常规填料。 影响泡沫轻质土无侧限抗压强度的因素包括:气泡含量、原料土的种类及其用量、固化材料的种类和用量、养护的时间以及养护环境的条件等。 这些因素都需要在设计和施工过程中仔细考量，以确保泡沫轻质土能够满足特定工程的需求。

4 施工工艺

4.1 施工准备

1）下承层准备。 本项目前期研究表明，在无垫层的情况下，泡沫轻质地基会出现明显的“桥梁”效应，这种“桥梁”效应不利于其承载，而增大垫层厚度则会导致“基础+垫层”的底面刚度变小，进而减小“桥梁”效应；垫层完成后，应在其上覆盖一层土工布，其透气性为10～10 cm/s。 设置一条横向地下的排水沟，在其外部覆盖一层防渗防水布，用于排放泡沫轻质土周围土壤中的水分，并通过设置在底部的碎石渗沟进行排放，渗沟内的水通过PVC 管道排出[2]。

2）施工前，应对泡沫轻质土混合料进行合理的配比设计，并通过现场试验来检验其强度、压实度和流速等参数。 试配测试时，应从原材料中抽样并重新检验，不得使用不合格品。

3）在确定了浇筑区域和一次浇筑高度之后，设置临时模板［可以使用木模板（壳板）进行施工］，并依次铺设底部防水土工布和基础、路基底部钢丝网。 在金属网的铺放及模板的安装过程中，要尽可能地避免采用锚杆桩及锚固钉。 如果发现有破损的防水土工布，可以及时修补或用水玻璃代替，这样就可以为混凝土施工做好相应的准备工作。

4）在浇筑泡沫轻质土层之前，必须先对浇筑区域进行清理， 尤其是地基底的积水及其他杂物。 在地下水较深的情况下，应做好排水、防水准备工作，若内墙及地基底面有积水，则不允许施工。

5）泡沫轻质土制造装置应当具有自动计量原料的功能，测量误差见表1。

表1 泡沫轻质土生产设备材料测量误差

4.2 泡沫轻质土路基垫层施工

1）在同一水平层上，路基的整个宽度应使用相同的填筑物，对不同的填筑物，可以分层、分段，不能混填。 每一种填充物压实厚度应为600 mm， 当填充物达到垫层的最后一层时，压实厚度应为150 mm。

2）每一种填充物的松散厚度都要预先在现场进行测试。填料在压实过程中，填料层的宽度要大于设计0.5～1.0 m 宽。

3）如果原来的地面纵坡很大（超过10%，或者横坡比1∶5更陡），就应该挖出一个台阶，设置坡度≥3%，坡向朝里，宽度≥2 m。

4）采用机械碾压时，尽量采用2～4 km/h 的碾压速度。 压实一般由低向高进行碾压， 两行之间的接头一般应重叠1/4～1/3 轮迹。

4.3 泡沫轻质土施工

4.3.1 输送方式

在搅拌完毕后， 可以通过泵送管道或直接泵送泡沫轻质土混合物。 不应采用预拌式混凝土车和自卸卡车进行运输，这主要是由于如果采用了预拌式混凝土车和自卸卡车运输，那么在振动的情况下，泡沫轻质土中的气泡会发生体积膨胀，导致其掺混比例的改变，并对其重度、流动性和强度等特性产生重要影响。 所以，最好采用泵送管线[3]。

4.3.2 输送距离

在泡沫轻质土的配比上，为保证泡沫黏土的密实度、流动性及强度满足单级管泵送要求，为保证其施工稳定、混合料不离析，单级输送距离最大为500 m。 当管道长度＞500 m，可以采用中转泵送的方式， 也可以采用在管道末端放置泡沫轻质土料的方法。

4.3.3 分层分块

1）分层浇筑。 土中的气泡受其自重的影响，在未固化之前，其内部会产生一定的空泡，空泡数量会随其单次浇筑高度的增大而增大。 这种情况导致了底部较轻的土体积比顶部稍大；并且随着单次浇筑层厚的增加，这种差异更加显著。 随着底层泡沫轻质土密度的降低（含气泡量较高），其重度增大的幅度也较大。 所以，当使用泡沫轻质土减荷时，要适当控制其单次浇筑高度，保证其密度较小。 一般情况下，单浇筑层的高度不应超过1 m，但是，为了减少施工工序和由于施工工艺而产生的截面尺寸效应，单浇筑层的高度通常不应＜0.3 m。 泡沫轻质土在不同层位之间的充填间隔应＞8 h。

2）分块浇筑。 泡沫轻质土是一种水泥性物质，在进行大规模施工时，不可避免地会出现一些温度裂缝。 泡沫轻质土路基应采用木模及其他支护方式，以减小裂缝的发生，并避免出现破裂现象。 模板与泡沫黏土之间应填充泡沫塑料板，根据自身设备的产量、浇筑厚度、水泥初凝时间来决定每个主体的最大浇筑面积，以保证在水泥初凝之前，能够完成对泡沫黏土的浇筑。 并在此基础上，提出了一种简化施工程序，减小断面尺寸效应的方法。

4.3.4 保护壁或模板

泡沫轻质土具有良好的流动性，为保证其在路基内成型，需采用泡沫塑料与钢木模板组合，防止其发生渗流。 泡沫塑料是一种很好的支撑模板，也是轻质土变形缝中的填充材料，可以很好地减小内部应力作用，但一般无法抽出。 钢筋（木）模板与地基之间的缝隙必须严密，不能有渗漏。 此外，为了防止模板歪斜、浮起，可在其上设置纵、横筋加强防护，使纵肋与横肋连接牢固可靠。 总而言之，要达到预期的加固效果，就必须保证挡墙或模板的强度和稳定性， 并保证在施工过程中无渗漏或少量漏浆。

4.3.5 浇筑方法

在泡沫轻质土路基的施工中， 采用合适的混凝土浇筑方式是关键，只有采用恰当的混凝土浇筑方式，才能取得较好的工程效果。 为避免气泡溶蚀、混合料离析，确保其稳定，需尽可能地降低振动强度，使其不受扰动影响。 泡沫轻质土一次浇筑高度宜为0.6 m（2 块板高），最大浇筑高度不超过0.9 m（3 块板高），设计图中最大湿密度设计值650 kg/m3，以一次浇筑高度0.9 m（考虑最不利情况）和单根角钢承受泡沫轻质土对单块面板（0.9 m）宽度的压力进行计算，使用MIDAS 进行建模，对模型进行简化，面板与角钢之间设置参数为≤1.0，以角钢保持面板稳定，面板侧压力按流体压力荷载进行设置，计算结果按照恒载1.2 倍侧压力进行计算，不考虑人员荷载，模型建立如图1 所示。

图1 面板模型图

在浇筑时， 输送管的前端应该埋在已浇筑的泡沫轻质土上，或尽量靠近已浇筑泡沫轻质土表面，且输送软管的出口距浇筑表面不得大于1 m。 全线回填区采用水平分层浇筑，待上一层混凝土养护完毕后，再浇筑上层混凝土。

4.3.6 调整纵横坡

由于泡沫轻质土具有很大流动性，因此，在实际工程中很难满足设计要求。 另外，当发泡黏土经过固结和硬化以后，若汽车负载或机械负载直接压在泡沫黏土上，压力太大，将不可避免地破坏泡沫黏土表层。 因此，当泡沫轻质土地基建成后，找平层和保护层通常采用C25 现浇混凝土。 混凝土至少要有10 cm 的厚度。 必须用角铁加强混凝土。 为保证后期路面具有较好的黏结性能，要对平层表面进行拉延[4]。

5 结语

用泡沫轻质土来取代传统的填筑地基， 不仅可以提高施工速度，缩短施工时间，还可以有效减少地基的沉降。 本文通过对泡沫轻质土的施工成本分析， 提出了泡沫轻质土的最优充填高度。 用泡沫轻质土代替普通填筑材料作为一种新的软土路基处理方法， 在实际应用中仍有很多新问题有待于深入研究。