川北重丘区软基层气泡混合轻质土的工程技术研究

郑涛++李海清++蒋瑜阳

摘 要：以四川省川北地区山岭重丘地带在建的广陕、广巴高速公路连接线为工程依托，在复杂的地质构造与环境条件下，以顺层滑坡区软基地层上修筑路基为工程实例进行分析，通过采用气泡混合轻质土技术替代衡重式混凝土支挡物的方法，确保路堤整体稳定，减少结构物不均匀沉降，彻底解决了放坡征地难、施工不便、软基处理等诸多技术难题，可为复杂地质条件下典型山区高速公路软基地带修筑路基结构物提供科学的决策依据。

关键词：轻质土；软弱地基；结构物；挡土墙

中图分类号：U416.2 文献标志码：B

Research on Engineering Technology of Bubble Mixed Light Soil for Soft Foundation in Hilly Area of Northern Sichuan

ZHENG Tao1， LI Hai- qing1， JIANG Yu- yang2

（1. Sichuan Chuangao Engineering Consulting Co. Ltd.， Chengdu 610041， Sichuan， China；

2. Highway Planning， Survey， Design and Research Institute of Sichuan Provincial

Transportation Department， Chengdu 610041， Sichuan， China）

Abstract： Based on the connecting line in construction between Guangyuan- Shaanxi expressway and Guangyuan- Bazhong expressway among the hilly area of northern Sichuan Province， constructing subgrade on soft foundation in bedding landslide area with complex geological structure and environmental conditions was analyzed with practical projects. The weighing type concrete retaining wall was replaced by bubble mixed light soil to keep embankment stable and reduce settlement. Technical problems including soft foundation treatment were solved， which provides scientific basis for the decision making of subgrade construction in soft foundation under complex geological conditions.

Key words： light soil； soft foundation； structure； retaining wall

0 引 言

本文以四川省北部山区地带典型地貌特征为背景，在山岭重丘区地形选取了一段长度为60 m的半填半挖的路基工程为试验段，首次在四川高速公路建设中引入气泡混合轻质土技术，应用于软弱地基层上的路基填筑。通过对典型横断面填筑体进行路基整体稳定性、抗滑动、抗倾覆验算，在满足技术规范的前提下[1]，进一步说明该方法完全取代原设计混凝土挡墙结构物的技术方案在川内实施是合理、可行的，并且值得在四川其他类似地段的高速公路建设中借鉴参考，具有广阔的应用前景与市场价值，可大力推广应用。

1 项目概况

广陕、广巴高速公路连接线位于四川省北部地区广元市东北方向利州区境内，是广元绕城高速公路的重要组成部分之一，路线全长19.45 km。沿线地势西北高、东南低，地处龙门山与米仓山低洼前缘地带，形成了狭长状的山前凹槽，且堆积地形较为发育，具有典型山区高速公路修建特征。广陕、广巴高速公路连接线K3+553～K3+613段路基工程原设计左侧采用顺层清方开挖，右侧采用衡重式路肩挡墙进行收坡，与两侧挡墙顺接，挡土墙外源是农用鱼塘，覆盖土4～6 m，处于软塑至可塑状态，属于在软弱地基层上修建挡墙。经施工单位地勘实测，原设计挡土墙地基承载力无法满足要求。

2 气泡混合轻质土的功能及作用

2.1 气泡混合轻质土简介

气泡混合轻质土是一种新型轻质的路基填筑材料，它是由水泥、水、细砂或砂性土（也可以不加）、气泡发泡剂以及外加剂按照一定配合比例混合制成的微孔类轻质材料[2]。最早由日本道路工团在1986年应用于道路工程中，此后引进国内市场。通过多年不断的技术完善与逐步探索，目前已在国内道路建设中发展成一项较为成熟的技术，并形成了完善的质量管理与评价体系。由于气泡混合轻质土具有质量轻、承载力高、整体性好、保温隔热性能好及施工便捷等显著特点[3]，在桥台背回填、道路加宽、陡坡路基、软土路基减荷、地下结构物减荷、桥梁减跨、隧道空洞注浆和冻土路基保温隔热方面发挥了重要作用。

2.2 技术特性

2.2.1 微孔性

气泡混合轻质土是一种微孔类轻质材料，内部含有无数个微细、独立的均匀气泡，气泡直径为30～60 μm，气泡群含有率为20%～90%。

2.2.2 轻质性

由于内部均匀分布着大量气泡，其容重比一般土建材料小很多（表1），可减少填筑自重[4- 5]。用作路基填筑时，其湿容重一般取4～6 kN·m-3，每换填1 m厚度的气泡混合轻质土，可减少12～14 kPa荷载，只相当于厚0. 20～0. 30 m的普通填土荷载。

2.2.3 自立性

气泡混合轻质土属水泥类材料，与普通混凝土有类似的初凝、终凝等特性，使用水泥作为固化剂，通常在浇筑5 h后就会开始固化，且具有良好的自立性，其垂直临空面侧压力为0，可进行垂直填筑，对挡墙结构物无侧压力。

2.2.4 强度可调节

根据工程的实际需要，通过调整水泥用量、气泡群含量或掺入添加材料的比例，使其容重在4～15 kN·m-3内，强度在0.4～3.5 MPa内。一般工程中，湿容重常选用4～6 kN·m-3 ，强度常选用0. 4～1. 5 MPa。图1定性地说明了填筑材料的容重与无侧限抗压强度之间的关系。

图1 抗压强度与容重的关系

2.2.5 高流动性

由于不含骨料，气泡混合轻质土流动性高，可通过管道进行远距离泵送，水平泵送距离达500 m以上（增加中集泵可输送更远），垂直泵送高度达30 m以上。为防止气泡混合轻质土在浇筑施工时泄漏，通常采取必要措施砌筑一些简单的挡块进行封堵。

2.2.6 施工性能良好

采用管道泵送，使拌和场与浇注点分离，作业面小；浇注后可自流平、自硬化；自密实性好，不需机械摊铺、振捣和碾压。施工对附近建筑物无影响，对居民干扰小，适合在长距离、管道或狭小空洞内充填施工。

2.3 工程应用

气泡混合轻质土技术自引入国内市场以来，主要应用于公路、铁路、市政、房建及水利等领域的工程，应用范围包括道路路堤加宽、桥台台背填土、结构顶减荷填土、低软基路堤填土、桥梁改路堤填土（桥梁减跨）、高填方路堤挡墙、市政管道回填、坍塌工程快速抢险、熔岩空洞填充、建筑地基加固、港口护岸挡墙、冻土路基及房建工程的保温隔热等。

3 气泡混合轻质土关键控制技术

3.1 设计方案

前述地勘资料表明，本段右侧路基基底层在残破堆积体上，加之外侧水塘侵蚀和水的迁移，势必影响挡墙基底的稳定性和安全性，故在K3+553～K3+613段采用气泡混合轻质土技术进行填筑，填筑最大高度6.6 m，原设计方案予以变更设计。

3.2 路基稳定性计算

本文选取广陕、广巴高速公路连接线K3+597. 6段为最不利横断面，进行稳定性计算与分析，气泡混合轻质土路基尺寸如图2（a）所示。

图2 K3+597.6段横断面设计计算

3.2.1 地基承载力

根据气泡混合轻质土路基荷载的组合计算方式，按照荷载最不利因素综合考虑，通过车辆荷载、填筑体顶层路面结构层荷载、气泡混合轻质土荷载的共同作用组合计算，荷载总和为69. 23 kN，要求地基承载力不小于80 kPa即可，依据地勘资料可以证明，该处的地基承载力满足要求。

3.2.2 路基稳定性验算

气泡混合轻质土路基荷载按照实际计算荷载加载到边坡面上，考虑右侧鱼塘水的影响，根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJ/T 177—2012）对填筑体部位进行整体稳定性计算，选取计算参数为：内聚力c= 10 kPa，φ=30°，填土的容重γ=18 kN·m-3，气泡轻质土与原路基坡面的水平面夹角α =45°，摩擦系数μ=0. 5，基底水平α0=0°，忽略中部台阶的作用。计算简图如图2（b）所示。

主动土压力

Ea=12γH2tan245°-φ2-2cHtan45°-φ2+2c2γ=65.58 kN

Ex=Easin α=32.79 kN

Ey=Eacos α=56.79 kN

滑动稳定方程

[1.1G+γQ1（Ey+Extan α0）-γQ2Eptan α0]μ+

（1.1G+γQ1Ey）tan α0-γQ1Ex+γQ2Ep>0

式中：H为填筑高度（m）；Ex为填筑体背面主动土压力的水平分量（kN）；Ey为填筑体背面主动土压力的竖向分量（kN）；G为填筑体重力及作用于填筑体顶面的其他竖向荷载的总和（kN）；γQ1、γQ2分别为主动土压力分项系数、被动土压力分项系数，建议取γQ1=1. 4，γQ2=0. 5；α0为基底倾斜角（°）。

3.2.3 路基抗滑性验算

根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJ/T 177—2012）对填筑体部位进行抗滑动稳定性计算（抗滑动稳定性系数Kc不能小于1.3），如图2（b）所示，计算式如下

Kc=[N+（Ex-E′p）tan α0]μEx-Ntan α0=1. 921>1. 3

式中：N为基底作用力合力的竖向分量（kN）；E′p为填筑体前面被动土压力的水平分量（kN），为安全起见，E′p=0。

计算可知，按此参数标准计算的抗滑动稳定性能够满足规范要求。

3.2.4 路基抗倾覆性验算

根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJ/T 177—2012）对填筑体部位进行抗倾覆性验算（抗倾覆稳定性系数K0不能小于1.5），如图2（b）所示，计算式如下

K0=GZG+EyZx+E′pZpExZy=2.00>1.5

式中：ZG为填筑体重力及作用于填筑体顶面的其他竖向荷载的合力中心至填筑体趾部的距离（m）；Zx为主动土压力的水平分量至填筑体趾部的距离（m）；Zy为主动土压力的竖向分量至填筑体趾部的距离（m）；Zp为填筑体前被动土压力的水平分量至填筑体趾部的距离（m）。

计算可知，按此参数标准计算的抗倾覆性能够满足规范要求。

3.3 制备工艺

因浇筑时间长、体积方量大、材料配比严格，故按照大体积现场浇筑的施工工艺进行[6]。在施工准备前期要进行详细的施工组织设计，对组成的材料质量进行严格把关，泵站位置选取、浆液输送、机械与设备人员配备、外挡块墙预制拼装、模板安装搭架等事项都应进行周密的计划与安排，其施工工艺主要包括底基基础处理、气泡轻质土材料制备、模板护壁、整体浇筑施工、养护管理等工序。具体制备工艺如图3所示。

图3 气泡混合轻质土制作工艺流程

3.4 施工控制要点

施工严格按照建设部颁发的《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》（CJJ/T 177—2012）的有关规定执行，但根据具体的实际情况进行动态设计，强化施工过程中的质量、进度、安全控制，施工控制要点如下。

（1） 本段路基在斜陡坡软弱地基层上填筑，为进一步提高填筑体的抗滑稳定性，设计时考虑增设抗滑锚杆，以接触面每2 m2范围1根锚杆布置，锚杆采用DN25镀锌钢管，长度为3 m（各嵌入1.5 m），入射角度为15°。

（2） 施工过程中应增设面板与外侧水塘的水隔绝，起到临时支撑模板、防止漏浆的作用，并且能够长期保护轻质土，以防风化严重导致的使用性能降低。设计面板采用C25混凝土，面板标准块尺寸为90 cm×30 cm×4 cm，面板基础采用C25混凝土与30 cm厚砂砾石垫层。

（3） 路基填筑时纵横向与常规路基的交接面设置2级台阶平台，宽度为2 m；轻质土填筑的顶部和基底1 m范围内设置2层镀锌金属网，采用3 mm×10 cm×10 cm铁丝网，布置形式为梅花形。

（4） HDPE防渗采用GH- 1型聚乙烯土工膜，厚度为0.5 mm；变形缝采用2 cm厚的泡沫夹板；气泡轻质土路基基底设置砂砾石垫层，厚度为0. 3 m。

（5） 路基段变形缝每10 m设置1道，缝宽20 mm，填筑体地面有突变时，应增设沉降缝（可根据实际情况对沉降缝适当调整），沉降缝填缝材料采用20 mm厚的聚苯乙烯板。

4 结 语

综上所述，气泡混合轻质土在广东沿海地区使用较为广泛，而本次是将该项技术引入四川高速公路建设的首例。在川北山岭重丘地带软弱地基层上成功应用，有重要的指导意义，也为四川其他地区的高速公路特殊路基处理提供借鉴和参考。为此，结合本工点的实际处治情况，总结如下几点。

（1） 在顺层滑坡与软基地层复杂地质构造相互交织的情况下，首次对路基整体稳定性、抗滑动性能、抗倾覆稳定性进行了验算分析，由此说明了气泡混合轻质土技术的使用方法恰当，处治手段合理，计算过程正确。

（2） 结合工地实际情况，对气泡混合轻质土的制备工艺进行了优化完善，进一步降低工程造价，节省了施工工期。

（3） 根据该工点四周的地形与地貌特征，有针对性地提出了轻质土在设计、施工过程中的技术控制要点，对提高工程质量、保证路基稳定耐久具有重要的指导意义。

（4） 四川地处多山地区，山岭重丘地带分布较广，气泡混合轻质土的成功应用为其他具有类似特征的公路建设提供科学决策依据，值得下一步推广应用。

参考文献：

[1] 贺仲仕.气泡砼在软土地区路基扩宽工程中的应用[J].公路与汽运，2012（4）：155- 157.

[2] 戴志敏.气泡混合轻质土的应用技术研究[D].长沙：中南大学，2008.

[3] 常 浩.气泡混合轻质土在路基加宽中的应用[J].公路与汽运，2010（4）：133- 136.

[4] 陈忠平.气泡混合轻质土新技术[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5] 刘龙伟，王 勇，丁文成.气泡混合轻质土在高速公路软基段加宽中的应用[J].湖南交通科技，2006，32（4）：41- 42.

[6] 蔡 力，陈忠平，吴立坚.气泡混合轻质土的主要力学特性及应用综述[[J].公路交通科技，2005，22（12）：71- 74.

[责任编辑：王玉玲]