鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

嚴(yán) 棟

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063)

1 前言

泡沫輕質(zhì)土主要由泡沫、水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻合料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理、化學(xué)作用而硬化形成的一種輕質(zhì)材料。泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)性、強(qiáng)度和密度可調(diào)性、高流動(dòng)性、硬化后直立及施工便捷等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于建筑、市政及公路等多個(gè)行業(yè)。

隨著高速鐵路的快速發(fā)展及路網(wǎng)系統(tǒng)逐漸形成，路基工程出現(xiàn)許多特殊疑難問題，如在狹窄空間內(nèi)路基填筑質(zhì)量控制、受限段深厚軟土地基沉降控制及新建高鐵引入既有高鐵車站的沉降控制等問題。其中新線接入既有高鐵站對(duì)無砟軌道路基進(jìn)行幫寬填筑時(shí)，不僅要控制幫填路基的工后沉降，還要嚴(yán)格控制既有路基的工后沉降，同時(shí)還要保證既有高鐵的運(yùn)營(yíng)速度和運(yùn)營(yíng)安全。這對(duì)常規(guī)的地基處理及路基填筑質(zhì)量提出了更高的技術(shù)要求及施工要求。

泡沫輕質(zhì)土作為一種施工便捷的輕質(zhì)材料，可有效減少路基荷載引起的附加應(yīng)力，在軟土地基置換處理時(shí)可以有效控制路基沉降。這為解決高速鐵路路基填筑及沉降控制兩大難題提供了新的研究思路，也為鐵路路基結(jié)構(gòu)研究提供了新方向。

隨著泡沫輕質(zhì)土在鐵路路基結(jié)構(gòu)上的逐步應(yīng)用，尤其是在高速鐵路路基幫寬、軟土地基處理、過渡段差異沉降及狹窄空間內(nèi)填筑等特殊條件地段的成功應(yīng)用，積累了一定工程經(jīng)驗(yàn)，并取得了一些創(chuàng)新成果。本文通過梳理泡沫輕質(zhì)土路基的應(yīng)用研究成果，總結(jié)了鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式及設(shè)計(jì)方法。

2 鐵路泡沫輕質(zhì)土路基的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 泡沫輕質(zhì)土在杭州東站工程應(yīng)用

杭州東站特殊路基工點(diǎn)位于站房地下通道與兩側(cè)出租車通道之間，沿線路方向長(zhǎng)23～70 m，垂直線路方向?qū)捈s285 m，基坑開挖深7 m?？拥滓韵聻?0 m厚沖海積相軟土，在基坑內(nèi)分布有各類工程樁，場(chǎng)地條件空間狹小，工程環(huán)境非常復(fù)雜。

為了解決路基過渡段工后差異沉降和狹小空間內(nèi)回填壓實(shí)質(zhì)量問題，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，提出了樁板結(jié)構(gòu)＋級(jí)配碎石及泡沫輕質(zhì)土處理兩大方案，經(jīng)專家論證，推薦采用了泡沫輕質(zhì)土方案[1]。

設(shè)計(jì)斷面如圖1所示。設(shè)計(jì)泡沫輕質(zhì)土施工濕密度為550～600 kg/m3，抗壓強(qiáng)度不小于0.8 MPa。

圖1 杭州東站基坑內(nèi)泡沫輕質(zhì)土填筑典型縱斷面圖

這是首次將大規(guī)模泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于高等級(jí)鐵路路基深厚軟土地基處理，豐富了鐵路軟土路基處理方法。開通運(yùn)營(yíng)以來，性能良好[2]。

2.2 泡沫輕質(zhì)土在商合杭高鐵肥東站工程應(yīng)用

商合杭鐵路引入合寧鐵路肥東站，新增商合杭正線位于肥東站股道兩側(cè)，需對(duì)既有路基進(jìn)行幫寬處理；路基平均填高約6.2 m。下伏地層為沖積相黏土，軟塑～硬塑。

新增路基幫填易引起既有路基的附加沉降，進(jìn)而影響既有線的正常運(yùn)營(yíng)。設(shè)計(jì)需考慮控制新建路堤填土對(duì)既有線路基沉降的影響。

經(jīng)方案比選，基床以下路堤采用泡沫輕質(zhì)土填筑，減輕路基填土荷載，從而減小對(duì)既有線路基的影響；并對(duì)下伏軟弱地基進(jìn)行加固處理，滿足路基沉降控制及穩(wěn)定性要求。

設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。設(shè)計(jì)泡沫輕質(zhì)土施工濕密度為600～700 kg/m3，抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa。

圖2 商合杭肥東站正線路基泡沫輕質(zhì)土幫填設(shè)計(jì)圖

現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，泡沫輕質(zhì)土填筑施工完全不影響營(yíng)業(yè)線安全運(yùn)營(yíng)，性能良好[3]。

2.3 無砟軌道路基幫寬的泡沫輕質(zhì)土工程應(yīng)用

石濟(jì)客專引入京滬高鐵德州東站路基幫寬設(shè)計(jì)時(shí)，采用泡沫輕質(zhì)土澆筑，減少了對(duì)既有高鐵路基的沉降影響，確保了京滬高鐵的安全運(yùn)營(yíng)[4]。

雄安-忻州高鐵接入大西客專忻州西站，車站路基已鋪設(shè)無砟軌道，需對(duì)既有鐵路路基進(jìn)行幫寬，為避免對(duì)既有無砟軌道的工后沉降造成影響，采用澆筑泡沫輕質(zhì)土的方式進(jìn)行既有路基幫填。通過泡沫輕質(zhì)土路基的成功應(yīng)用，顯著減小了路基幫填對(duì)既有大西客專線路的影響[5]。

魯南高鐵臨曲段接入京滬高鐵曲阜東站，為了避免幫寬引起附加沉降影響京滬高鐵的安全運(yùn)營(yíng)，采用了泡沫輕質(zhì)土幫填澆筑，成功解決了新建鐵路接入京滬高鐵無砟軌道車場(chǎng)的難題，完善了鐵路泡沫輕質(zhì)土路基的應(yīng)用[6]。

3 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)研究

隨著泡沫輕質(zhì)土在鐵路路基中逐步應(yīng)用，針對(duì)泡沫輕質(zhì)土的材料性能開展了一系列研究，包括基本物理力學(xué)性能、動(dòng)力性能及耐久性能研究；并開展了鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)室內(nèi)大比例動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)研究。這些研究成果為鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供了基本性能設(shè)計(jì)參數(shù)。

3.1 材料性能研究

泡沫輕質(zhì)土根據(jù)設(shè)計(jì)要求應(yīng)進(jìn)行配合比試驗(yàn)，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)由濕密度與強(qiáng)度控制。

泡沫輕質(zhì)土在工程上常用濕密度范圍為500～1 000 kg/m3，其濕密度隨著膠凝材料含量增加而增大。當(dāng)濕密度低于500 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土因泡沫含量過高，氣泡貫通率較高，耐久性較差，強(qiáng)度較低而失去其承載能力，故在工程中較為少見；而濕密度高于1 000 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土失去了其輕質(zhì)特性的優(yōu)勢(shì)。

泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度隨著濕密度的增大而增大，一般范圍為0.5～4.0 MPa。目前，鐵路工程上應(yīng)用的施工濕密度為550～700 kg/m3，強(qiáng)度等級(jí)不小于0.8 MPa。

(1)靜力學(xué)性能

泡沫輕質(zhì)土力學(xué)性能由單位體積內(nèi)的膠凝材料含量決定。泡沫輕質(zhì)土在受壓過程中，其應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為強(qiáng)度范圍內(nèi)彈性變形，超過強(qiáng)度后產(chǎn)生塑性變形，試件破壞[7]。隨著濕密度的增大，泡沫輕質(zhì)土試塊的峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、彈性模量都迅速增加。

(2)動(dòng)力學(xué)性能

泡沫輕質(zhì)土濕密度在500～700 kg/m3時(shí)，干燥狀態(tài)和含水飽和狀態(tài)的泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度隨著其濕密度的增大而增大，并且其動(dòng)靜強(qiáng)度之比分別為0.26～0.32倍和0.21～0.38倍之間，與普通巖土體材料動(dòng)靜強(qiáng)度存在一定的比值范圍相類似，其中水對(duì)泡沫輕質(zhì)土抗壓強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度具有一定的影響[8]。

泡沫輕質(zhì)土配合比濕密度達(dá)500 kg/m3后，其抗壓強(qiáng)度和動(dòng)強(qiáng)度已遠(yuǎn)大于高速鐵路無砟軌道路基基床表層和底層靜動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)值和理論值，說明在高速鐵路無砟軌道路基基床表層和底層靜應(yīng)力環(huán)境下，配合比濕密度大于500 kg/m3的泡沫輕質(zhì)土層骨架不會(huì)產(chǎn)生破壞[9]。但考慮高速鐵路無砟軌道路基動(dòng)應(yīng)力設(shè)計(jì)值及水對(duì)動(dòng)強(qiáng)度影響，建議泡沫輕質(zhì)土作為基床底層填料時(shí)其配合比濕密度取值不小于600 kg/m3。

自然干燥狀態(tài)和含水飽和狀態(tài)的泡沫輕質(zhì)土動(dòng)彈性模量隨著其濕密度的增大而增大，在濕密度相同時(shí)，自然干燥狀態(tài)的泡沫輕質(zhì)土動(dòng)彈性模量大于含水飽和狀態(tài)的泡沫輕質(zhì)土動(dòng)彈性模量，說明水對(duì)泡沫輕質(zhì)土固體骨架具有一定的軟化作用。

(3)耐久性能

泡沫輕質(zhì)土作為路基填筑輕型材料，其主要受到荷載和環(huán)境的長(zhǎng)期作用，對(duì)其耐久性產(chǎn)生影響。

泡沫輕質(zhì)土耐久性主要包括耐疲勞特性、耐干濕循環(huán)特性、耐凍融循環(huán)特性及耐腐蝕性能。

根據(jù)泡沫輕質(zhì)土室內(nèi)大比例動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)，當(dāng)動(dòng)力荷載作用為200萬次時(shí)，泡沫輕質(zhì)土路基整體結(jié)構(gòu)總累積沉降均小于1.0 mm，與高速鐵路普通無砟軌道路基結(jié)構(gòu)經(jīng)過加載200萬次后產(chǎn)生的累積沉降基本一致，而泡沫輕質(zhì)土層產(chǎn)生的累積沉降均較小。表明泡沫輕質(zhì)土路基整體結(jié)構(gòu)具有良好的長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性[10]。

在干濕循環(huán)作用下泡沫輕質(zhì)土的密度越低越容易遭受破壞。泡沫輕質(zhì)土自身強(qiáng)度低，在遭受水分侵蝕時(shí)容易軟化，并且在干燥過程中在內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，裂縫的產(chǎn)生使得水分進(jìn)一步向基體內(nèi)部滲透，從而導(dǎo)致泡沫輕質(zhì)土的性能劣化。

在浸水條件下，泡沫輕質(zhì)土?xí)鲋亍ｋS著泡沫輕質(zhì)土濕密度的增大，吸水率呈現(xiàn)明顯的降低趨勢(shì)。表明濕密度越小，泡沫輕質(zhì)土吸水增重越大。

在浸水條件下，泡沫輕質(zhì)土強(qiáng)度會(huì)降低。隨著泡沫輕質(zhì)土濕密度的增大，強(qiáng)度降低的幅度逐漸緩慢。

在凍融循環(huán)作用下，隨著泡沫輕質(zhì)土濕密度的增大，其強(qiáng)度及抗凍性逐漸提高。

在硫酸鹽侵蝕環(huán)境下，泡沫輕質(zhì)土發(fā)生體積膨脹，但總膨脹量較小。在不同的密度等級(jí)下，摻加粉煤灰的泡沫輕質(zhì)土膨脹值更小，證明粉煤灰加強(qiáng)了泡沫輕質(zhì)土抗硫酸鹽侵蝕的能力。

因此泡沫輕質(zhì)土在環(huán)境的長(zhǎng)期作用下，應(yīng)考慮加強(qiáng)泡沫輕質(zhì)土的防水措施，提高其耐久性。

3.2 路基結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)

通過泡沫輕質(zhì)土靜動(dòng)力學(xué)性能、耐久性能及長(zhǎng)期動(dòng)力穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，這為鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)提供了基本性能設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)[11]。

鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)應(yīng)滿足不同等級(jí)鐵路路基結(jié)構(gòu)不同部位的填筑壓實(shí)質(zhì)量及強(qiáng)度要求，建議應(yīng)符合以下規(guī)定:

(1)泡沫輕質(zhì)土路基不應(yīng)裸露在外，表面應(yīng)采取保護(hù)措施。

(2)泡沫輕質(zhì)土路基應(yīng)用于基床表層及無砟軌道過渡段時(shí)，應(yīng)充分論證其耐久性，建議慎用。

(3)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于基床底層及過渡段時(shí)，其濕密度不應(yīng)小于650 kg/m3。

(4)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于基床以下路堤填筑時(shí)，其濕密度不應(yīng)小于550 kg/m3。

(5)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于地基土換填及基坑回填時(shí)，其濕密度不應(yīng)小于500 kg/m3。

(6)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于路基范圍內(nèi)空洞充填時(shí)，宜按經(jīng)濟(jì)合理且便于施工的原則設(shè)計(jì)。

(7)泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于重載鐵路時(shí)，宜適當(dāng)提高泡沫輕質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度。

(8)泡沫輕質(zhì)土路基宜加強(qiáng)防水措施，當(dāng)存在滲水接觸時(shí)，應(yīng)考慮受水影響導(dǎo)致密度增大，增重系數(shù)采用1.1～1.2。

(9)泡沫輕質(zhì)土在嚴(yán)寒、寒冷地區(qū)的凍結(jié)深度范圍內(nèi)，其濕密度不應(yīng)低于550 kg/m3。

4 泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法

4.1 設(shè)計(jì)基本原則

泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則，先要考慮路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形式、工程環(huán)境條件及荷載條件等，結(jié)合既有工程經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范，確定滿足路基各填筑部位的濕密度及抗壓強(qiáng)度要求，進(jìn)而對(duì)填筑體及其路基整體穩(wěn)定性、地基沉降變形及抗浮設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式

泡沫輕質(zhì)土路基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)應(yīng)用范圍及設(shè)計(jì)目的確定其斷面結(jié)構(gòu)形式，主要包括填筑高度、填筑寬度、填筑邊坡坡率等內(nèi)容。

泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)，主要可采用直立式和斜坡式。

(1)直立式則是設(shè)置混凝土擋土墻或保護(hù)壁，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 既有線幫寬直立擋墻式泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)

(2)斜坡式則采用包邊形式，包邊防護(hù)可以采用預(yù)制混凝土塊實(shí)體護(hù)坡或土質(zhì)綠色植物防護(hù)，結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 既有線幫寬斜坡包邊式泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)

直立式泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)采用保護(hù)壁設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)壁結(jié)構(gòu)由面板、基礎(chǔ)及拉筋等設(shè)施組成。面板可采用整體式面板、板塊式或模塊式面板，厚度不宜小于20 cm。面板可通過拉筋與填筑體進(jìn)行連接，拉筋可采用普通鋼筋，建議伸入填筑體長(zhǎng)度不小于2.0 m。

4.3 構(gòu)造設(shè)計(jì)形式

為了保證泡沫輕質(zhì)土路基的耐久性，應(yīng)加強(qiáng)輔助構(gòu)造防護(hù)措施，減少外界環(huán)境作用影響。一般構(gòu)造措施如下:

(1)在泡沫輕質(zhì)土路基填筑體頂、底面與常規(guī)路基交界面處設(shè)置防滲土工膜隔水層；當(dāng)位于地下水以下部位時(shí)，宜采取防水措施。

(2)泡沫輕質(zhì)土受內(nèi)部濕度、溫度變化及應(yīng)力集中處易產(chǎn)生裂縫。為減少裂縫，在填筑體的頂部及底部應(yīng)設(shè)置1～2層金屬網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

(3)泡沫輕質(zhì)土路基宜間隔10～15 m設(shè)置伸縮縫，伸縮縫可采用瀝青木板或泡沫板填塞。

(4)泡沫輕質(zhì)土路基填筑體與既有坡面或陡坡體連接時(shí)，可以增設(shè)抗滑錨固措施，以提高填筑體的抗滑穩(wěn)定性。

4.4 設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定泡沫輕質(zhì)土濕密度及抗壓強(qiáng)度，以及泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而對(duì)填筑體及其路基結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性、地基沉降變形及抗浮設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算[12]。

(1)鐵路泡沫輕質(zhì)土路基穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)包括填筑體的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算及包括地基在內(nèi)的整體抗滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算。

鑒于泡沫輕質(zhì)土路基的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及構(gòu)造設(shè)計(jì)措施的強(qiáng)化，一般可以滿足其自身穩(wěn)定性要求。當(dāng)需要路基整體穩(wěn)定性驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)符合鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。

(2)泡沫輕質(zhì)土路基直立式保護(hù)壁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮泡沫輕質(zhì)土終凝前產(chǎn)生的側(cè)壓力，并同樣考慮進(jìn)行傾覆及應(yīng)力的驗(yàn)算。

(3)泡沫輕質(zhì)土路基置換深厚軟土地基時(shí)，應(yīng)進(jìn)行沉降計(jì)算。換填厚度可采用應(yīng)力補(bǔ)償原理來確定，地基沉降可采用分層總和法計(jì)算。

(4)泡沫輕質(zhì)土路基位于地下水位以下部位時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。當(dāng)抗浮安全系數(shù)不足時(shí)，應(yīng)采取調(diào)整泡沫輕質(zhì)土的濕密度、填筑厚度或降低地下水位等措施。抗浮安全系數(shù)，施工期采用1.05，運(yùn)營(yíng)期采用1.10。

5 結(jié)論

泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)應(yīng)用為我國(guó)高速鐵路路基結(jié)構(gòu)提供了新方法，提高了我國(guó)高速鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工技術(shù)水平，具有重要意義。

(1)泡沫輕質(zhì)土路基可以應(yīng)用于高速鐵路路基幫寬、軟土地基處理、過渡段差異沉降及狹小空間填筑等特殊條件地段。

(2)鐵路泡沫輕質(zhì)土路基結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)應(yīng)滿足鐵路路基結(jié)構(gòu)不同部位的填筑壓實(shí)質(zhì)量及強(qiáng)度要求，暫不建議應(yīng)用于基床表層及無砟軌道過渡段。

(3)建議進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)泡沫輕質(zhì)土耐久性能的研究，通過配比合適的摻合料進(jìn)行試驗(yàn)研究，提高泡沫輕質(zhì)土的性能，降低工程造價(jià)，并進(jìn)一步推廣泡沫輕質(zhì)土路基的應(yīng)用。