泡沫輕質(zhì)土在沾臨高速路橋過渡段路基處理中的應(yīng)用

張 冉，王 健，鄧 煜

（山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

引言

泡沫輕質(zhì)土（泡沫輕質(zhì)混凝土）是一種在水泥基漿料中加入泡沫后凝固而成的輕質(zhì)類混凝土，原材料包括水泥、水和泡沫，是公路建設(shè)領(lǐng)域的一種輕質(zhì)填筑材料，具有輕質(zhì)性、重度和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性、自流性、直立性及施工便捷性等特性[1]。

在公路工程中，根據(jù)地材情況和工程特性可加入其他摻合料對泡沫輕質(zhì)土性能進(jìn)行改良調(diào)整，如粉煤灰、礦渣粉、砂等。郭燕鋒[2]探討了橋梁臺背項(xiàng)目回填泡沫輕質(zhì)土施工技術(shù)，介紹了泡沫輕質(zhì)土的構(gòu)成及物理力學(xué)性能。代茂華和王博[3]以塘承高速公路橋頭地基處理為例，論述泡沫輕質(zhì)土填筑橋頭路基的具體方案、技術(shù)要求、質(zhì)量措施，分析了泡沫輕質(zhì)土處理橋頭地基對消除路基不均勻沉降、跳車等問題的效果。于飛[4]利用泡沫輕質(zhì)土對蒲都高速路基橋梁臺背回填，以解決臺背沉降問題。白永亮[5]采用泡沫輕質(zhì)土對高擋墻背回填，可以大幅度減小土側(cè)壓力，緩解路基沉降，解決橋頭跳車難題，保證擋墻整體安全。白云龍[6]通過施工實(shí)例講述泡沫輕質(zhì)土在橋梁施工中的技術(shù)指標(biāo)、施工工藝，施工控制方法、常見質(zhì)量問題及防范措施等。胡立[7]介紹了泡沫輕質(zhì)土材料的形成原理、特性及施工優(yōu)勢，研究了泡沫輕質(zhì)土施工關(guān)鍵技術(shù)及質(zhì)量控制措施。王永江[8]以市政道路擴(kuò)能改造項(xiàng)目為背景，論證了泡沫輕質(zhì)土用于填筑拓寬路基的可行性。

1 泡沫輕質(zhì)土的特點(diǎn)

泡沫輕質(zhì)土是用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分骨料、摻和料、外加劑等按一定比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料[1]。泡沫輕質(zhì)土有較明顯的輕質(zhì)性，還可根據(jù)工程需要在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。工程中常用的密度范圍為500～1 300，其他材料密度：混凝土2 500，基層2 300，常規(guī)填土1 800～2 000，粉煤灰1 200～1 600，聚苯乙烯泡沫200～300[9]。微觀結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 泡沫輕質(zhì)土微觀結(jié)構(gòu)

泡沫輕質(zhì)土具有密度小、強(qiáng)度大于常規(guī)回填土、整體性、抗沖擊性能好及無側(cè)向壓力等特性。能更好地分散路基應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高臺背回填施工質(zhì)量。泡沫輕質(zhì)土是一種綠色、環(huán)保、節(jié)能、利廢的無機(jī)建筑材料，對周邊環(huán)境影響小，節(jié)能環(huán)保。因此，泡沫輕質(zhì)土可以作為很好的路基回填料使用。

2 應(yīng)用可行性分析

2.1 與常規(guī)方法比較

為降低路橋過渡段工后沉降，避免橋頭跳車，常規(guī)路橋過渡段路基處理采用砂礫、碎石土、石灰處治土、水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂等材料進(jìn)行回填。根據(jù)泡沫輕質(zhì)土的特性，在回填部位采用泡沫輕質(zhì)土，可以減小橋臺與路基之間的不均勻沉降。同時(shí)，泡沫輕質(zhì)土的重量小，其產(chǎn)生的側(cè)向土壓力小，一般不會使橋臺發(fā)生側(cè)向偏移，還可以降低地基土上覆荷載，在同樣填土高度的路橋過渡段，與普通臺背填料相比，泡沫輕質(zhì)土可以減少甚至取消樁基地基處理。但由于泡沫輕質(zhì)土不含粗骨料，且水灰比較大，因此，泡沫輕質(zhì)土的干縮性大，極易在凝結(jié)硬化過程中產(chǎn)生干縮裂縫[1]。

泡沫輕質(zhì)土回填與常規(guī)回填相比較，主要差異：（1）同常規(guī)回填土相比，泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能優(yōu)于常規(guī)回填土，且整體性更好。（2）耐久性方面，泡沫輕質(zhì)土回填相比于常規(guī)回填耐久性能更好，因?yàn)榕菽p質(zhì)土的施工方法使得整體性能較好。（3）施工工藝上，泡沫輕質(zhì)土要比常規(guī)處理回填更加方便，常規(guī)回填需要土體壓實(shí)，處于橋頭臺背處部位常規(guī)回填通常難以壓實(shí)，而泡沫輕質(zhì)土整體澆筑對比常規(guī)回填要顯得更加便捷。

2.2 方案設(shè)計(jì)

2.2.1 組合式涵洞臺背回填設(shè)計(jì)

以沾化至臨淄公路工程項(xiàng)目為依托，該項(xiàng)目位于黃河沖積平原地區(qū)，耕地間灌溉溝渠較多，用一行車、一排水的兩個(gè)距離較近的涵洞可有效降低路基填土高度。

由圖2 可知，當(dāng)涵洞結(jié)構(gòu)間距較近時(shí)，若采用常規(guī)回填方法，兩個(gè)涵洞間填土難以被壓實(shí)。泡沫輕質(zhì)土回填因自身的自流性可以很好地解決這一問題，且泡沫輕質(zhì)土具有良好的力學(xué)性能可以承受行車荷載，因此，可以利用泡沫輕質(zhì)土回填組合式涵洞。采用泡沫輕質(zhì)土材料參數(shù)見表1。

圖2 組合式涵洞臺背回填設(shè)計(jì)/cm

表1 泡沫輕質(zhì)土材料參數(shù)

泡沫輕質(zhì)土在涵洞臺背回填的實(shí)際應(yīng)用中整體性能良好，行車穩(wěn)定，強(qiáng)度滿足《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土技術(shù)規(guī)程》（CECS 249—2008）的要求[10]。

2.2.2 橋梁臺背回填設(shè)計(jì)

沾化至臨淄公路項(xiàng)目設(shè)計(jì)橋梁臺背回填見圖3。由于泡沫輕質(zhì)土單價(jià)較高，如果僅從路基工程方面考慮其可以減少或取消部分樁基處理的造價(jià)外，價(jià)格優(yōu)勢仍不明顯。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要采用路橋整體設(shè)計(jì)一體化的思路，同時(shí)對傳統(tǒng)橋臺進(jìn)行優(yōu)化。由于泡沫輕質(zhì)土具有更好的自立性，對于橋臺的側(cè)向土壓力非常小，設(shè)計(jì)中可將原肋板式橋臺調(diào)整為柱式橋臺，樁基礎(chǔ)、承臺的尺寸也大幅減小，有效降低工程造價(jià)。泡沫輕質(zhì)土的容重只有普通填土的1/3～1/2，相比于常規(guī)填土將其用于臺背過渡段回填后，地基附加應(yīng)力小于普通填土填筑的附加應(yīng)力，對橋梁結(jié)構(gòu)來說更加穩(wěn)定安全[11]。

圖3 橋梁臺背回填/cm

2.3 施工要點(diǎn)

2.3.1 保護(hù)壁施工

泡沫輕質(zhì)土回填時(shí)，需在四周澆筑鋼筋混凝土擋墻作為保護(hù)，后續(xù)泡沫輕質(zhì)土回填入擋墻內(nèi)形成整體結(jié)構(gòu)。保護(hù)壁施工要點(diǎn)：（1）橋頭路基填土高度較高，保護(hù)壁采用鋼筋混凝土薄壁擋墻。按《現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土路基設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》（TJG F1001—2011）要求，在高度＜2 m 時(shí)，可一次性澆筑至設(shè)計(jì)高程，否則應(yīng)分2～3 次分次澆筑。擋墻施工完成一層再分層澆筑泡沫輕質(zhì)土。（2）涵洞臺背回填擋墻保護(hù)壁澆筑時(shí)應(yīng)注意預(yù)留沉降縫，避免后期因保護(hù)壁擋墻及涵洞的不均勻沉降造成擋墻混凝土開裂。（3）橋臺臺后保護(hù)壁與路側(cè)保護(hù)壁施工時(shí)應(yīng)注意整體性，在轉(zhuǎn)角處設(shè)抹角，鋼筋搭接綁扎牢固，避免在擋墻轉(zhuǎn)角接縫處產(chǎn)生開裂。

2.3.2 泡沫輕質(zhì)土澆筑

（1）泡沫輕質(zhì)土單個(gè)澆注區(qū)單層澆筑施工時(shí)間應(yīng)控制在水泥漿終凝時(shí)間內(nèi)。（2）泡沫輕質(zhì)土單層澆筑厚度按≤1 m 控制；同一區(qū)段上下相鄰澆筑層，當(dāng)施工期氣溫≥15 ℃，最短澆筑間隔時(shí)間可按8～12 h控制；否則，澆筑間隔時(shí)間應(yīng)≥2 d。（3）澆筑期間應(yīng)同時(shí)對保護(hù)壁進(jìn)行軸向位移觀測。若保護(hù)壁發(fā)生軸向偏位＞20 mm，應(yīng)停止泡沫輕質(zhì)土施工并分析原因，及時(shí)對保護(hù)壁外側(cè)采取臨時(shí)支護(hù)措施防止軸向偏位進(jìn)一步擴(kuò)大。（4）由于泡沫輕質(zhì)土自流平的特性，路基橫坡、縱坡通常由部分路床土、路面底基層、墊層等作為調(diào)平層。調(diào)平層的工程量與泡沫輕質(zhì)土頂層的分塊尺寸密切相關(guān)，因此，施工前應(yīng)對泡沫輕質(zhì)土頂面澆筑區(qū)進(jìn)行劃分，并進(jìn)行各分區(qū)控制標(biāo)高計(jì)算，施工時(shí)按標(biāo)高控制施工。

3 回填應(yīng)用案例經(jīng)濟(jì)分析

3.1 橋頭臺背回填案例一

沾化至臨淄公路項(xiàng)目K78+075 大橋0 號、8 號橋臺，橋頭路基填土高度分別為6.1 m、6.7 m。

3.1.1 方案一：常規(guī)處理方案

橋臺臺背回填采用4%水泥處治土，見圖4。橋頭地基處理采用漿噴樁，漿噴樁的直徑取0.5 m，漿噴樁在平面上呈正三角形布置，間距為1.2～1.5 m，縱向處理長度40 m；橋臺為肋板式臺，樁基礎(chǔ)采用雙排樁，設(shè)計(jì)樁長43 m。

圖4 方案一橋臺立面（除高程外，單位：cm）

3.1.2 方案二：泡沫輕質(zhì)土方案

橋臺臺背采用泡沫輕質(zhì)土回填，見圖5。經(jīng)沉降計(jì)算后確定采用輕質(zhì)土填筑臺背后不需要進(jìn)行橋頭地基處理即可滿足工后沉降要求；由于輕質(zhì)土固化后不產(chǎn)生側(cè)向推力，橋臺采用樁柱式橋臺，樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)樁長40 m，每個(gè)樁柱另外配一根15 m 長輔助樁。

圖5 方案二橋臺立面（除高程外，單位：cm）

方案一臺背回填、橋臺、橋頭地基處理等建安費(fèi)合計(jì)557.7 萬元；方案二臺背回填、橋臺等建安費(fèi)合計(jì)502.7 萬元。比較發(fā)現(xiàn)，采用泡沫輕質(zhì)土方案，兩個(gè)橋臺共可節(jié)約建安費(fèi)55 萬元。

3.2 橋頭臺背回填案例二

沾化至臨淄公路項(xiàng)目K18+640 公鐵立交0 號、24 號橋臺，橋頭填土高度分別為9.1 m、9.2 m。

3.2.1 方案一：常規(guī)處理方案

采用4%水泥土進(jìn)行臺背回填，見圖6。橋頭地基采用預(yù)制管樁進(jìn)行地基處理，樁型樁徑400 mm，壁厚60 mm，樁中心間距2.3～2.9 m。橋臺采用肋板式臺，樁基礎(chǔ)采用雙排樁，設(shè)計(jì)樁長53 m。

圖6 方案一橋臺立面（除高程外，單位：cm）

3.2.2 方案二：輕質(zhì)土方案

采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行臺背回填，見圖7。橋頭地基采用管樁進(jìn)行處理，橋臺為樁柱式橋臺，設(shè)計(jì)樁長38 m，每個(gè)樁柱另外配一根15 m 長輔助樁。

圖7 方案二橋臺立面（除高程外，單位：cm）

方案一采用水泥土臺背回填方案，臺背回填、橋臺、橋頭地基處理等建安費(fèi)合計(jì)1 082.5 萬元；方案二泡沫輕質(zhì)土臺背回填方案，臺背回填、橋臺、橋頭地基處理等建安費(fèi)合計(jì)1 030.7 萬元。采用泡沫輕質(zhì)土方案，兩個(gè)橋臺共可節(jié)約建安費(fèi)51.8 萬元。

3.3 應(yīng)用總結(jié)

在滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）[12]要求工后沉降的基礎(chǔ)上，結(jié)合地基處理優(yōu)化及橋臺設(shè)計(jì)優(yōu)化后，采用泡沫輕質(zhì)土進(jìn)行臺背回填可有效加快施工進(jìn)度，減少臺背工后沉降，降低工程造價(jià)。（1）泡沫輕質(zhì)土澆筑成型后其整體性能良好，因此，其路基路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能良好，減少了橋頭跳車現(xiàn)象，行車穩(wěn)定舒適。（2）工程造價(jià)上來講，通過兩個(gè)橋頭回填案例分析可知，相較于常規(guī)回填處置，采用路橋設(shè)計(jì)一體化方案的泡沫輕質(zhì)土更加節(jié)省工程造價(jià)且能達(dá)到相應(yīng)的工程要求。（3）施工性能方面來講，泡沫輕質(zhì)土的工藝要求在其澆筑養(yǎng)護(hù)成型過程。而常規(guī)回填對于土的壓實(shí)度有較高的要求，從施工便捷性上講，泡沫輕質(zhì)土回填更加便于施工。

4 結(jié)語

（1）同常規(guī)回填方法比較，泡沫輕質(zhì)土回填有效降低了工程造價(jià)，且降低橋頭路基工后沉降量。（2）泡沫輕質(zhì)土回填后的整體性能要優(yōu)于常規(guī)回填，可以避免橋頭跳車以及不均勻沉降等病害現(xiàn)象。（3）在現(xiàn)場應(yīng)用中，由于泡沫輕質(zhì)土施工速度便捷、快速的特性，在涉及有保通要求的高速公路工程中優(yōu)勢較明顯，縮短了工期。