輕質(zhì)填料在橋頭高路堤中的應(yīng)用

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(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安 710065; 2.陜西省公路交通防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 陜西 西安 710065)

輕質(zhì)填料在橋頭高路堤中的應(yīng)用

張發(fā)如1,2,謝曉軍1

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安 710065; 2.陜西省公路交通防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 陜西 西安 710065)

對當前道路工程中常用的輕質(zhì)填料種類及其適用性進行了總結(jié)。介紹了一處采用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土+反壓護道+塑料排水板綜合處治橋頭高填方路基的工程案例，對現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路堤的設(shè)計方法及施工要點進行了較為詳細的說明。

軟土地基； 高路堤; 輕質(zhì)填料； 現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土

0 前言

在淤泥質(zhì)軟土地基上填筑路堤時，由于淤泥質(zhì)軟土抗剪強度低且壓縮性高，在填土高度較大時，路基穩(wěn)定和沉降控制常存在一定的困難，必須從地基和路堤進行綜合處治才能達到較好的效果，最常用的綜合處治方法地是地基加固和路堤減載。輕質(zhì)填料自重輕，強度大，用輕質(zhì)填料填筑路基能有效減輕路堤自重，大大減少路基沉降并縮短預壓時間。

本文對當前公路工程中常用的輕質(zhì)填料的特點及適用性進行了介紹，并結(jié)合一處設(shè)計案例，詳細介紹了現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土在軟土地基橋頭高路堤上的應(yīng)用情況。此段橋頭路堤填土高度達11.6 m，地基不良土層為淤泥，設(shè)計時結(jié)合項目區(qū)工程地質(zhì)特征及工期等影響因素，提出了泡沫輕質(zhì)土+反壓護道+塑料排水板的綜合處治方案。

1 輕質(zhì)填料的類型及路用性能

公路工程中的輕質(zhì)填料主要有粉煤灰、土工泡沫塑料(EPS)、EPS顆粒混合土、現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土等。

粉煤灰的壓實密度約為15 kN/m3，約為常用粘性土填料密度的0.75倍。我國的火力發(fā)電廠每年產(chǎn)生的粉煤灰在5000萬t以上，這些灰長期大量堆放，既占用農(nóng)田土地，又污染環(huán)境。用粉煤灰填筑路堤，即能降低公路工程造價，又解決了火電廠的廢料處理問題，具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。粉煤灰有一個特點是粘聚力極小且透水性較大，飽水后強度急劇降低，因此粉煤灰路堤底部應(yīng)設(shè)置隔離層，兩側(cè)應(yīng)有包邊土，頂面應(yīng)有封頂層，做好防排水設(shè)計，粉煤灰路堤的常用結(jié)構(gòu)形式見圖1。壓實粉煤灰的不保水強度經(jīng)驗值為：c=30 kPa，φ=39°；飽水后強度約為c=10 kPa，φ=30°，設(shè)計中一般按最不利狀態(tài)即飽水狀態(tài)下取值。

圖1 粉煤灰路堤的3種結(jié)構(gòu)形式

結(jié)構(gòu)形式(1)適用于地勢較低或底下水位較高的路段；結(jié)構(gòu)形式(2)適用于非低凹的軟土路段；結(jié)構(gòu)形式(3)適用于水溝、水塘或常年積水的低凹地段[1]。

土工泡沫塑料(EPS)是采用聚苯乙烯或聚氯乙烯為原料，采用特殊工藝制成的發(fā)泡體，土工泡沫塑料密度在0.15～0.45 kN/m3之間，抗壓強度在0.15～0.35 MPa之間，僅相當于普通填料密度的1%～2%，EPS的抗壓強度與密度基本成正比，公路工程中采用的EPS塊體密度一般大于0.2 kN/m3。由于EPS密度極小，一般用于軟土性質(zhì)極差，且需要大幅減輕路堤重量的高填土路段，由于其造價昂貴，一般僅在其它方案較難處理的局部路段或搶險工程中采用。EPS路堤的常用結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 常用EPS路堤結(jié)構(gòu)形式

EPS路堤一般采用EPS標準塊砌筑，為了防止EPS層之間的相互錯位，塊體之間應(yīng)采用聯(lián)結(jié)件加以固定，EPS塊體下鋪設(shè)砂墊層是為了保證EPS砌體平穩(wěn)和受力均勻?，F(xiàn)澆的鋼筋混凝土板是為了更好地分散車輛荷載和上覆荷載，同時使EPS塊體更好地聯(lián)結(jié)為一個整體。EPS路堤兩側(cè)的培土是為了對有害侵入物質(zhì)或火災(zāi)進行防護，避免紫外線對砌體的照射，同時也作為坡面植草的基礎(chǔ)。

EPS顆粒混合輕質(zhì)土，是將EPS泡沫顆粒和原料土(砂礫、石屑、石粉、普通土、粉煤灰、淤泥等)通過水泥等固化劑摻水拌和均勻后，經(jīng)固化作用形成的一種改性土，EPS顆粒可以采用工廠原生的EPS顆粒，也可以把廢棄EPS包裝物(如家電、機械等的緩沖包裝廢棄物)經(jīng)粉碎后作為原料。此舉能夠充分發(fā)揮EPS材料質(zhì)輕的優(yōu)點，同時對EPS廢棄物做到了二次利用，經(jīng)濟效應(yīng)顯著。

河海大學的馬殿光等采用廢棄EPS材料與江河疏浚產(chǎn)生的廢棄淤泥進行混合制作成“淤泥再生廢棄泡沫輕質(zhì)混合土”，其密度根據(jù)配比不同在6～12 kN/m3之間，抗壓強度大致在0.1～0.7 kPa之間[2]。這種混合材料密度與氣泡混合輕質(zhì)土密度相當，抗壓強度稍低，但是由于實現(xiàn)了廢棄物利用，從經(jīng)濟性上值得深入研究和推廣。

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液泡沫與水泥基質(zhì)膠凝材料、外加劑或其它摻加料按一定比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學作用硬化而成的一種輕質(zhì)填料，其密度基于發(fā)泡體與水泥基質(zhì)及其它材料配比的不同，可調(diào)范圍很大，在3～15 kN/m3之間，抗壓強度在在0.3～20 MPa之間[3]，相對于EPS材料密度較大，但抗壓強度更高，單價也更為便宜，適用于軟土性質(zhì)較差，需要較大幅度減輕路堤重量的路段，在路基拓寬、橋頭及墻背填土路段較多采用[4]，公路工程中作為路堤填料的泡沫輕質(zhì)土，其密度一般在6.0～8.0 kN/m3，抗壓強度一般在0.4～0.8 MPa。現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的路堤斷面形式與EPS路堤結(jié)構(gòu)相似，在后面的工程實例中會詳細說明。

2 現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土在橋頭高路堤中的應(yīng)用

2.1 工程應(yīng)用背景

本文所介紹的設(shè)計案例，按二級公路標準設(shè)計，該路段位于魚塘內(nèi)，魚塘水深約3.5 m。塘底為約14 m厚的飽和、流塑狀淤泥，具高壓縮性、抗剪強度低的特點。該路段在橫斷面方向布置了3個鉆孔，鉆孔位置分別位于路基左右側(cè)坡腳及路基中線位置，揭示的土層分布情況見圖3，各土層主要的物理、力學指標見表1。

圖3 設(shè)計路段地質(zhì)土層橫斷面圖(單位： m)

2.2 處治方案設(shè)計

由于該路段為橋頭路段，要求的工后沉降為不大于20 cm，最初方案為CFG樁+反壓護道進行處理，經(jīng)過驗算，單純采用CFG樁進行處理時，在規(guī)定的工期內(nèi)路堤的工后沉降不能滿足要求，于是考慮采用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土填筑路基以減輕路堤自重。

由于路基位于魚塘內(nèi)，泡沫輕質(zhì)土應(yīng)從水位線以上(本方案從路堤填筑4.0 m高后起)開始填筑，經(jīng)驗算，4.0 m以上路堤采用現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土可滿足沉降控制要求。具體的方案為：CFG樁+現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路堤+反壓護道+塑料排水板。CFG樁間距1.6 m，樁長15 m，進入粗砂層；在用路基填筑至4.0 m高，超出魚塘水面0.5 m后，在路基頂面鋪筑0.3 m碎石墊，然后開始澆筑泡沫輕質(zhì)土直至路床頂面；反壓護道靠自身重量預防路基向外側(cè)滑移，同時在反壓護道下插打塑料排水板，塑料排水板穿透淤泥層，促進淤泥的排水固結(jié)，提高其抗剪強度，預防地基土側(cè)向蠕變。

表1 設(shè)計路段土層主要物理力學指標土層號土名及描述土層厚度/m鉆孔1孔2孔3天然密度/(kN·m-3)天然孔隙比e0c/kPaφ/(°)十字板剪切強度/kPa固結(jié)系數(shù)/(10-3cm2·s-1)1填筑土11．11180．88315122132淤泥14．313．713．815．61．9236．33．5130．43粗砂5．815．519．50．750230707．54粉質(zhì)粘土060180．76216183035全風化灰?guī)r2019．320．8200．65010301003

反壓護道尺寸為：第1級反壓護道寬25 m，高4.0 m；第2級反壓護道寬30 m，高2.5 m。塑料排水板采用B型板，長度穿透淤泥層，間距1.2 m。土工格柵采用GSJ100型雙向拉伸高強聚酯長絲經(jīng)編土工格柵。土工布應(yīng)采用單位面積質(zhì)量不小于300 g/m2的無紡土工布。

本項目中，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土主要技術(shù)要求為：路床部分濕密度6.5 kN/m3，無側(cè)限抗壓強度R28≥0.8 MPa；路堤部分濕密度6.0 kN/m3，無側(cè)限抗壓強度R28≥0.6 MPa。該方案設(shè)計的路基斷面形式見圖4。輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)見圖5。

在進行穩(wěn)定與沉降驗算時，路堤部分根據(jù)結(jié)構(gòu)部位和密度的不同分為5部分(見圖4圓圈數(shù)字標示，本圖僅示出了左半幅路基，右半幅路基與左幅沿路基中線對稱)： ①路面結(jié)構(gòu)層，密度γ=25 kN/m3； ②輕質(zhì)土層(含兩側(cè)包邊土),該層的“復合”密度為輕質(zhì)土與包邊土按體積比取加權(quán)平均值，經(jīng)計算γ=8.1 kN/m3； ③為路堤填料； ④、⑤分別為左、右側(cè)反壓護道填料，③、④、⑤密度相同，γ=22 kN/m3。運營期活載換算為等效的土柱壓力考慮。

圖4 反壓護道+現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路堤設(shè)計斷面圖(單位： cm)

圖5 泡沫輕質(zhì)土路堤細部設(shè)計圖(A大樣圖)(單位： cm)

路基穩(wěn)定驗算采用改進的總強度法進行驗算，地基土強度采用靜力觸探試驗結(jié)果換算得到的十字板抗剪強度指標，計算得到的穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.345，工后沉降為0.179 m，穩(wěn)定與沉降計算結(jié)果表明設(shè)計方案能夠滿足要求。

2.3 泡沫輕質(zhì)土路堤施工

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的主要材料為發(fā)泡劑、水、水泥。國內(nèi)市場上的發(fā)泡劑有4類：分別是松香樹脂類泡沫劑、合成類泡沫劑、蛋白型泡沫劑和復合型泡沫劑。松香樹脂類發(fā)泡劑價格較低，但起泡能力與氣泡穩(wěn)定性也較低，不適宜生產(chǎn)7 kN/m3以下的低密度輕質(zhì)土；合成類泡沫劑發(fā)泡倍數(shù)大、易起泡，但泡徑大、泡壁薄、消泡快、穩(wěn)定性不太好；蛋白型泡沫劑系國外引入，高穩(wěn)定性是其優(yōu)勢，但起泡力較低且質(zhì)量控制復雜，成本較高；復合型起泡劑是在前述氣泡劑中加入高分子類聚合物添加劑或表面活性劑以改善泡沫性能，是當前研究的熱點，而且市場上已經(jīng)出現(xiàn)了成熟的配方應(yīng)用于實際工程。因為發(fā)泡劑的種類繁多且不同的發(fā)泡劑均有不同的優(yōu)缺點，在《氣泡混合輕質(zhì)土填筑技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 177 — 2012)中沒有對發(fā)泡劑采用何種材料進行限制，在工程應(yīng)用中應(yīng)注意不管采用何種類型發(fā)泡劑，其各項性能指標應(yīng)滿足該規(guī)范的要求。水應(yīng)采用沒有油污、有機物的水，最好采用飲用水，水泥采用42.5號普通硅酸鹽水泥。

2.3.1 現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的制備

1) 泡沫生成： 泡沫由發(fā)泡劑稀釋后加壓縮空氣經(jīng)發(fā)泡槍生成，發(fā)泡劑的稀釋倍率不宜小于100，標準泡沫密度宜為40～60 kg/m3。

2) 水泥漿制備： 水泥漿可以在現(xiàn)場拌合，也可使用拌合站集中拌合供應(yīng)，拌合時間宜控制在90 s左右。由于每立方水泥漿含水量遠大于混凝土的含水量，拌合站對水計量宜采用流量，而不宜采用重量，以加快水泥漿制備時間。

3) 輕質(zhì)土生成： 將氣泡加壓與水泥漿混合攪拌即制成氣泡混合輕質(zhì)土，加壓混合時間宜控制在120 s左右?；旌蠑嚢柰瓿珊蠹纯蛇M行現(xiàn)場澆筑。

2.3.2 泡沫輕質(zhì)土路基施工

1) 首先對魚塘排水淤泥，清理完畢后整平施工場地，然后鋪設(shè)50 cm厚的碎石墊層，碎石墊層的鋪設(shè)寬度為超出兩側(cè)反壓護道坡腳之外各1 m。

2) 在墊層上原路基兩側(cè)坡腳位置之外打設(shè)塑料排水板，塑料排水板間距1.2 m，長度穿透軟土層，在平面上呈正三角形布置，塑料排水板在碎石墊層上的出露長度不小于20 cm。

3) 塑料排水板施工結(jié)束之后，整平作業(yè)面，在墊層上全斷面鋪設(shè)一層高強土工格柵。

4) 在土工格柵之上即可以正常填筑路基，路基填料采用石渣，也可以采用其它透水性填料。反壓護道與路基部分同時填筑。

5) 填筑高度達到4 m以后，在路基頂面鋪設(shè)一層30 cm厚的級配碎石墊層(最大粒徑不得大于20 mm)，級配碎石墊層之上再鋪設(shè)一層透水無紡土工布(外端回折長度大于100 cm)。

6) 按路基設(shè)計寬度立模澆筑輕質(zhì)土50 cm厚度，待硬化成型后在表面鋪設(shè)一層φ3 mm@5 cm×5 cm鍍鋅鐵絲網(wǎng)，之后繼續(xù)立模澆筑，當分級立模澆筑厚度達到100 cm時，及時進行粘土包邊并做好分層壓實。

7) 當輕質(zhì)土澆筑高度距離上路床頂面40 cm時，在其表面鋪設(shè)一層φ3 mm@5 cm×5 cm鍍鋅鐵絲網(wǎng)，之后繼續(xù)澆筑至距離上路床頂面10 cm，在表面覆蓋塑料膜進行保濕養(yǎng)護。

8) 待保濕養(yǎng)生7 d之后，在輕質(zhì)土上澆筑10 cm厚的鋼筋混凝土板。鋼筋混凝土板配筋采用φ6 mm@10 cm×10 cm鋼筋網(wǎng)，鋼筋網(wǎng)設(shè)置在板的中部；混凝土強度等級C25。鋼筋混凝土板之上即可鋪設(shè)路面結(jié)構(gòu)層。

3 結(jié)語

1) 輕質(zhì)土密度小、抗壓強度高，不易變形，隔熱性好，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。在公路工程中，輕質(zhì)土的應(yīng)用能有效減輕結(jié)構(gòu)自重，減少工后沉降和總沉降，縮短施工時間和預壓時間，在高路堤、工程應(yīng)急搶險、橋涵構(gòu)筑物兩側(cè)過渡段、擋墻墻背等需要嚴格控制沉降的路段具有很好的適用性。

2) 泡沫輕質(zhì)土路基可以直立填筑，在路基填土高度較大，且用地受限需要收縮坡腳的情況下，采用泡沫輕質(zhì)土路基可以有效減少工程占地規(guī)模。

3) 在橋梁的臺背回填路段采用泡沫輕質(zhì)土，可以有效降低路基荷載對橋臺產(chǎn)生的主動土壓力，從而可以縮小橋臺的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尺寸，縮少或取消橋臺前面設(shè)置的錐坡，從而減少橋梁跨徑。

4) 本文所述橋頭高路堤，路堤直接填筑于魚塘內(nèi)，淤泥物理力學性質(zhì)很差，地基采用CFG處理后，復合地基整體抗剪強度得到大幅提高，但是淤泥本身由于樁體的支撐作用，排水固結(jié)緩慢，使得在規(guī)定的工期內(nèi)，工后沉降難以滿足要求。該路段成為整個項目中控制施工時間的關(guān)鍵節(jié)點，采用泡沫輕質(zhì)土填料填筑路基后，有效降低了路堤自重，同時以反壓護道抵抗路基側(cè)向滑移，塑料排水板加速地基排水固結(jié)，經(jīng)計算驗證，該方案完全能夠滿足各方面的要求。

[1] 張留俊,王福勝,李剛.公路地基處理設(shè)計施工實用技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2004．

[2] 馬殿生．淤泥再生廢棄泡沫塑料輕質(zhì)混合土試驗研究[D].南京：河海大學，2005．

[3] CJJ/T 177-2012，氣泡混合輕質(zhì)土填筑技術(shù)規(guī)程[S].

[4] JTG/T D31-02-2013，公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)細則[S].

1008-844X(2017)03-0084-04

U 416.1

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2017-03-15

張發(fā)如(1976-),男,高級工程師，主要從事特殊地基處理。