轻质填料在桥头高路堤中的应用

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(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710065; 2.陕西省公路交通防灾减灾重点实验室, 陕西 西安 710065)

轻质填料在桥头高路堤中的应用

张发如1,2,谢晓军1

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司, 陕西 西安 710065; 2.陕西省公路交通防灾减灾重点实验室, 陕西 西安 710065)

对当前道路工程中常用的轻质填料种类及其适用性进行了总结。介绍了一处采用现浇泡沫轻质土+反压护道+塑料排水板综合处治桥头高填方路基的工程案例，对现浇泡沫轻质土路堤的设计方法及施工要点进行了较为详细的说明。

软土地基； 高路堤; 轻质填料； 现浇泡沫轻质土

0 前言

在淤泥质软土地基上填筑路堤时，由于淤泥质软土抗剪强度低且压缩性高，在填土高度较大时，路基稳定和沉降控制常存在一定的困难，必须从地基和路堤进行综合处治才能达到较好的效果，最常用的综合处治方法地是地基加固和路堤减载。轻质填料自重轻，强度大，用轻质填料填筑路基能有效减轻路堤自重，大大减少路基沉降并缩短预压时间。

本文对当前公路工程中常用的轻质填料的特点及适用性进行了介绍，并结合一处设计案例，详细介绍了现浇泡沫轻质土在软土地基桥头高路堤上的应用情况。此段桥头路堤填土高度达11.6 m，地基不良土层为淤泥，设计时结合项目区工程地质特征及工期等影响因素，提出了泡沫轻质土+反压护道+塑料排水板的综合处治方案。

1 轻质填料的类型及路用性能

公路工程中的轻质填料主要有粉煤灰、土工泡沫塑料(EPS)、EPS颗粒混合土、现浇泡沫轻质土等。

粉煤灰的压实密度约为15 kN/m3，约为常用粘性土填料密度的0.75倍。我国的火力发电厂每年产生的粉煤灰在5000万t以上，这些灰长期大量堆放，既占用农田土地，又污染环境。用粉煤灰填筑路堤，即能降低公路工程造价，又解决了火电厂的废料处理问题，具有重要的经济效益和社会效益。粉煤灰有一个特点是粘聚力极小且透水性较大，饱水后强度急剧降低，因此粉煤灰路堤底部应设置隔离层，两侧应有包边土，顶面应有封顶层，做好防排水设计，粉煤灰路堤的常用结构形式见图1。压实粉煤灰的不保水强度经验值为：c=30 kPa，φ=39°；饱水后强度约为c=10 kPa，φ=30°，设计中一般按最不利状态即饱水状态下取值。

图1 粉煤灰路堤的3种结构形式

结构形式(1)适用于地势较低或底下水位较高的路段；结构形式(2)适用于非低凹的软土路段；结构形式(3)适用于水沟、水塘或常年积水的低凹地段[1]。

土工泡沫塑料(EPS)是采用聚苯乙烯或聚氯乙烯为原料，采用特殊工艺制成的发泡体，土工泡沫塑料密度在0.15～0.45 kN/m3之间，抗压强度在0.15～0.35 MPa之间，仅相当于普通填料密度的1%～2%，EPS的抗压强度与密度基本成正比，公路工程中采用的EPS块体密度一般大于0.2 kN/m3。由于EPS密度极小，一般用于软土性质极差，且需要大幅减轻路堤重量的高填土路段，由于其造价昂贵，一般仅在其它方案较难处理的局部路段或抢险工程中采用。EPS路堤的常用结构形式见图2。

图2 常用EPS路堤结构形式

EPS路堤一般采用EPS标准块砌筑，为了防止EPS层之间的相互错位，块体之间应采用联结件加以固定，EPS块体下铺设砂垫层是为了保证EPS砌体平稳和受力均匀。现浇的钢筋混凝土板是为了更好地分散车辆荷载和上覆荷载，同时使EPS块体更好地联结为一个整体。EPS路堤两侧的培土是为了对有害侵入物质或火灾进行防护，避免紫外线对砌体的照射，同时也作为坡面植草的基础。

EPS颗粒混合轻质土，是将EPS泡沫颗粒和原料土(砂砾、石屑、石粉、普通土、粉煤灰、淤泥等)通过水泥等固化剂掺水拌和均匀后，经固化作用形成的一种改性土，EPS颗粒可以采用工厂原生的EPS颗粒，也可以把废弃EPS包装物(如家电、机械等的缓冲包装废弃物)经粉碎后作为原料。此举能够充分发挥EPS材料质轻的优点，同时对EPS废弃物做到了二次利用，经济效应显著。

河海大学的马殿光等采用废弃EPS材料与江河疏浚产生的废弃淤泥进行混合制作成“淤泥再生废弃泡沫轻质混合土”，其密度根据配比不同在6～12 kN/m3之间，抗压强度大致在0.1～0.7 kPa之间[2]。这种混合材料密度与气泡混合轻质土密度相当，抗压强度稍低，但是由于实现了废弃物利用，从经济性上值得深入研究和推广。

现浇泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液泡沫与水泥基质胶凝材料、外加剂或其它掺加料按一定比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化而成的一种轻质填料，其密度基于发泡体与水泥基质及其它材料配比的不同，可调范围很大，在3～15 kN/m3之间，抗压强度在在0.3～20 MPa之间[3]，相对于EPS材料密度较大，但抗压强度更高，单价也更为便宜，适用于软土性质较差，需要较大幅度减轻路堤重量的路段，在路基拓宽、桥头及墙背填土路段较多采用[4]，公路工程中作为路堤填料的泡沫轻质土，其密度一般在6.0～8.0 kN/m3，抗压强度一般在0.4～0.8 MPa。现浇泡沫轻质土的路堤断面形式与EPS路堤结构相似，在后面的工程实例中会详细说明。

2 现浇泡沫轻质土在桥头高路堤中的应用

2.1 工程应用背景

本文所介绍的设计案例，按二级公路标准设计，该路段位于鱼塘内，鱼塘水深约3.5 m。塘底为约14 m厚的饱和、流塑状淤泥，具高压缩性、抗剪强度低的特点。该路段在横断面方向布置了3个钻孔，钻孔位置分别位于路基左右侧坡脚及路基中线位置，揭示的土层分布情况见图3，各土层主要的物理、力学指标见表1。

图3 设计路段地质土层横断面图(单位： m)

2.2 处治方案设计

由于该路段为桥头路段，要求的工后沉降为不大于20 cm，最初方案为CFG桩+反压护道进行处理，经过验算，单纯采用CFG桩进行处理时，在规定的工期内路堤的工后沉降不能满足要求，于是考虑采用现浇泡沫轻质土填筑路基以减轻路堤自重。

由于路基位于鱼塘内，泡沫轻质土应从水位线以上(本方案从路堤填筑4.0 m高后起)开始填筑，经验算，4.0 m以上路堤采用现浇泡沫轻质土可满足沉降控制要求。具体的方案为：CFG桩+现浇泡沫轻质土路堤+反压护道+塑料排水板。CFG桩间距1.6 m，桩长15 m，进入粗砂层；在用路基填筑至4.0 m高，超出鱼塘水面0.5 m后，在路基顶面铺筑0.3 m碎石垫，然后开始浇筑泡沫轻质土直至路床顶面；反压护道靠自身重量预防路基向外侧滑移，同时在反压护道下插打塑料排水板，塑料排水板穿透淤泥层，促进淤泥的排水固结，提高其抗剪强度，预防地基土侧向蠕变。

表1 设计路段土层主要物理力学指标土层号土名及描述土层厚度/m钻孔1孔2孔3天然密度/(kN·m-3)天然孔隙比e0c/kPaφ/(°)十字板剪切强度/kPa固结系数/(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粉质粘土060180．76216183035全风化灰岩2019．320．8200．65010301003

反压护道尺寸为：第1级反压护道宽25 m，高4.0 m；第2级反压护道宽30 m，高2.5 m。塑料排水板采用B型板，长度穿透淤泥层，间距1.2 m。土工格栅采用GSJ100型双向拉伸高强聚酯长丝经编土工格栅。土工布应采用单位面积质量不小于300 g/m2的无纺土工布。

本项目中，现浇泡沫轻质土主要技术要求为：路床部分湿密度6.5 kN/m3，无侧限抗压强度R28≥0.8 MPa；路堤部分湿密度6.0 kN/m3，无侧限抗压强度R28≥0.6 MPa。该方案设计的路基断面形式见图4。轻质土路基结构见图5。

在进行稳定与沉降验算时，路堤部分根据结构部位和密度的不同分为5部分(见图4圆圈数字标示，本图仅示出了左半幅路基，右半幅路基与左幅沿路基中线对称)： ①路面结构层，密度γ=25 kN/m3； ②轻质土层(含两侧包边土),该层的“复合”密度为轻质土与包边土按体积比取加权平均值，经计算γ=8.1 kN/m3； ③为路堤填料； ④、⑤分别为左、右侧反压护道填料，③、④、⑤密度相同，γ=22 kN/m3。运营期活载换算为等效的土柱压力考虑。

图4 反压护道+现浇泡沫轻质土路堤设计断面图(单位： cm)

图5 泡沫轻质土路堤细部设计图(A大样图)(单位： cm)

路基稳定验算采用改进的总强度法进行验算，地基土强度采用静力触探试验结果换算得到的十字板抗剪强度指标，计算得到的稳定安全系数K=1.345，工后沉降为0.179 m，稳定与沉降计算结果表明设计方案能够满足要求。

2.3 泡沫轻质土路堤施工

现浇泡沫轻质土的主要材料为发泡剂、水、水泥。国内市场上的发泡剂有4类：分别是松香树脂类泡沫剂、合成类泡沫剂、蛋白型泡沫剂和复合型泡沫剂。松香树脂类发泡剂价格较低，但起泡能力与气泡稳定性也较低，不适宜生产7 kN/m3以下的低密度轻质土；合成类泡沫剂发泡倍数大、易起泡，但泡径大、泡壁薄、消泡快、稳定性不太好；蛋白型泡沫剂系国外引入，高稳定性是其优势，但起泡力较低且质量控制复杂，成本较高；复合型起泡剂是在前述气泡剂中加入高分子类聚合物添加剂或表面活性剂以改善泡沫性能，是当前研究的热点，而且市场上已经出现了成熟的配方应用于实际工程。因为发泡剂的种类繁多且不同的发泡剂均有不同的优缺点，在《气泡混合轻质土填筑技术规程》(CJJ/T 177 — 2012)中没有对发泡剂采用何种材料进行限制，在工程应用中应注意不管采用何种类型发泡剂，其各项性能指标应满足该规范的要求。水应采用没有油污、有机物的水，最好采用饮用水，水泥采用42.5号普通硅酸盐水泥。

2.3.1 现浇泡沫轻质土的制备

1) 泡沫生成： 泡沫由发泡剂稀释后加压缩空气经发泡枪生成，发泡剂的稀释倍率不宜小于100，标准泡沫密度宜为40～60 kg/m3。

2) 水泥浆制备： 水泥浆可以在现场拌合，也可使用拌合站集中拌合供应，拌合时间宜控制在90 s左右。由于每立方水泥浆含水量远大于混凝土的含水量，拌合站对水计量宜采用流量，而不宜采用重量，以加快水泥浆制备时间。

3) 轻质土生成： 将气泡加压与水泥浆混合搅拌即制成气泡混合轻质土，加压混合时间宜控制在120 s左右。混合搅拌完成后即可进行现场浇筑。

2.3.2 泡沫轻质土路基施工

1) 首先对鱼塘排水淤泥，清理完毕后整平施工场地，然后铺设50 cm厚的碎石垫层，碎石垫层的铺设宽度为超出两侧反压护道坡脚之外各1 m。

2) 在垫层上原路基两侧坡脚位置之外打设塑料排水板，塑料排水板间距1.2 m，长度穿透软土层，在平面上呈正三角形布置，塑料排水板在碎石垫层上的出露长度不小于20 cm。

3) 塑料排水板施工结束之后，整平作业面，在垫层上全断面铺设一层高强土工格栅。

4) 在土工格栅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。反压护道与路基部分同时填筑。

5) 填筑高度达到4 m以后，在路基顶面铺设一层30 cm厚的级配碎石垫层(最大粒径不得大于20 mm)，级配碎石垫层之上再铺设一层透水无纺土工布(外端回折长度大于100 cm)。

6) 按路基设计宽度立模浇筑轻质土50 cm厚度，待硬化成型后在表面铺设一层φ3 mm@5 cm×5 cm镀锌铁丝网，之后继续立模浇筑，当分级立模浇筑厚度达到100 cm时，及时进行粘土包边并做好分层压实。

7) 当轻质土浇筑高度距离上路床顶面40 cm时，在其表面铺设一层φ3 mm@5 cm×5 cm镀锌铁丝网，之后继续浇筑至距离上路床顶面10 cm，在表面覆盖塑料膜进行保湿养护。

8) 待保湿养生7 d之后，在轻质土上浇筑10 cm厚的钢筋混凝土板。钢筋混凝土板配筋采用φ6 mm@10 cm×10 cm钢筋网，钢筋网设置在板的中部；混凝土强度等级C25。钢筋混凝土板之上即可铺设路面结构层。

3 结语

1) 轻质土密度小、抗压强度高，不易变形，隔热性好，在建筑领域应用非常广泛。在公路工程中，轻质土的应用能有效减轻结构自重，减少工后沉降和总沉降，缩短施工时间和预压时间，在高路堤、工程应急抢险、桥涵构筑物两侧过渡段、挡墙墙背等需要严格控制沉降的路段具有很好的适用性。

2) 泡沫轻质土路基可以直立填筑，在路基填土高度较大，且用地受限需要收缩坡脚的情况下，采用泡沫轻质土路基可以有效减少工程占地规模。

3) 在桥梁的台背回填路段采用泡沫轻质土，可以有效降低路基荷载对桥台产生的主动土压力，从而可以缩小桥台的钢筋混凝土结构尺寸，缩少或取消桥台前面设置的锥坡，从而减少桥梁跨径。

4) 本文所述桥头高路堤，路堤直接填筑于鱼塘内，淤泥物理力学性质很差，地基采用CFG处理后，复合地基整体抗剪强度得到大幅提高，但是淤泥本身由于桩体的支撑作用，排水固结缓慢，使得在规定的工期内，工后沉降难以满足要求。该路段成为整个项目中控制施工时间的关键节点，采用泡沫轻质土填料填筑路基后，有效降低了路堤自重，同时以反压护道抵抗路基侧向滑移，塑料排水板加速地基排水固结，经计算验证，该方案完全能够满足各方面的要求。

[1] 张留俊,王福胜,李刚.公路地基处理设计施工实用技术[M].北京：人民交通出版社，2004．

[2] 马殿生．淤泥再生废弃泡沫塑料轻质混合土试验研究[D].南京：河海大学，2005．

[3] CJJ/T 177-2012，气泡混合轻质土填筑技术规程[S].

[4] JTG/T D31-02-2013，公路软土地基路堤设计与施工技术细则[S].

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

U 416.1

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2017-03-15

张发如(1976-),男,高级工程师，主要从事特殊地基处理。