气泡混合轻质土在高速公路中的应用

2018-06-26广东省长大公路工程有限公司王佳

中国公路 2018年10期

文 / 广东省长大公路工程有限公司　王佳

我国高速公路总里程数已居世界前列，但是由此带来的公路养护和改扩建任务也十分繁重。气泡混合轻质土自21世纪初被引入我国公路建设以来，已经应用于桥台台背路基填筑、特殊地带路堤填筑等多个方面。为了更好地指导气泡混合轻质土的设计与施工，本文就其组分、物理特性和工程应用三方面进行介绍。

气泡混合轻质土及其组分

气泡混合轻质土是一种容重可自由调节的新型轻质填土材料，其基本原理是将一定的泡沫颗粒掺入到工程土（黏土或砂土等）中，从而大大减轻地基上部或桥背填土的自重作用。与传统路基填筑和处置方法相比，具有自身质量较轻、施工工法简单、所需作业面小、且强度较高的特点，能够显著降低工程费用和维修成本，同时也具有一定的环境效益。其主要的组成成分可分为以下几类：

发泡剂，通过物理手段在发泡剂稀释液中引入空气，从而产生大量的泡沫颗粒，其评价指标主要考虑发泡能力和泡沫的稳定性，这也是影响固化后材料的容重和强度的重要因素。

固化剂，用于增强土体骨架自身的固结能力和强度，一般多采用水泥类材料，通过混合搅拌将其水化作用产物与黏土或砂土颗粒形成水泥浆。

其他可选组分，如外掺剂和细集料等，用于降低材料成本，或提高混合轻质土的某些性能。

气泡混合轻质土的物理性质

气泡混合轻质土内部具有一定比例的气泡，可以节约土方的使用，且具有与普通土建材料相似的一般力学特性。为了更好地将其应用于工程实践，了解其基本的物理力学性能是十分必要的，结合现有研究资料，总结出其主要的物理特性如下：

容重特性。轻质土的容重可以根据实际工程要求，通过改变材料配比（泡沫颗粒比例、水泥掺量、含水率等）来自由调控，其容重的调控范围在5kN/m3～16kN/m3之间。同时，在工程应用中，轻质土单次浇筑的高度也对容重有一定影响，在土自重作用下材料沿高度方向的容重呈不均匀分布，若浇筑高度过高，则上下容重差异明显，因此在施工过程中需要严格控制轻质土每次浇筑的高度。

渗透特性。本项目组通过室内测定气泡轻质土的渗透系数发现，试验采用的三种不同配比的轻质土渗透系数在0.15cm/s～9.3×10-5cm/s之间，且随着容重的减小，材料的渗透系数增大。试验结果说明水在气泡轻质土中的扩散速度与泡沫颗粒的比例有关，气泡占有率越大，试件内连通的孔隙，材料的抗渗透能力越差。因此，若实际工程对防水要求较高或长期浸水条件下，在控制容重的同时还需采取一定的抗渗措施。

干缩特性。干缩是水泥基材料不可避免的一种体积减缩现象，容易引起土体的早期开裂，在气泡轻质土中掺入一定量的细集料（细砂）能够缓解由于干缩造成的体积减小的问题，因此，在施工过程中可以考虑采用一定量的细沙来规避土基的龟裂，从而提高路基的使用性能。

热学特性。由于在气泡混合轻质土中封闭了大量气泡，大幅度阻碍了热量在空气中的对流交换，从而使得土体具有较佳的保温隔热性能。当气泡含有率为体积的40%～70%时，其导热系数在0.11W/(m·K)～0.23W/(m·K)之间，且随着泡沫颗粒含量的增加其导热系数减小。因此，在实际工程中，气泡混合轻质土的这一优势可在特殊气候环境（冻土地区）下路基土体的冻胀翻浆处置中得到应用。

气泡混合轻质土在公路工程领域的应用发展

气泡混合轻质土具有优异的物理特性，由于其轻质可调、易于施工及隔热等特点，已经被广泛应用于我国的高速公路路基填筑与处置等方面的实体工程中，并取得了一系列研究成果。

气泡轻质混合土

桥台台背路基填筑

上世纪八十年代，气泡混合轻质土在日本和荷兰被作为填土的替代物而研发出来。基于其具有轻质的特点，能够极大地减轻路堤的自重，1988年在东京首次将其应用于桥台台背的填筑施工，结果证明该工艺降低了施工后的不均匀沉降，实现了桥头的柔性过渡；其后被引进回国内，轻质土技术被用于北京、广州和上海等多项道路工程标段的桥头台背设计的优化和施工；本项目组在广佛肇第C标段采用气泡轻质土技术，优化桥台为桩柱式桥台，进行现场施工应用，通过工后检测结果可知，轻质土处置后路基强度符合规范要求，且与另一相对优化施工方案的造价相比，经济效益显著。

特殊地带路堤填筑

我国山区地质条件复杂，特别是西南地区，公路建设需要在滑坡、陡峭等特殊地带填筑路堤，采用轻质土技术能够大大减轻荷重，减少路基自身的滑动力矩，提高界面摩擦性能，从而增强路基的抗滑稳定性，避免了高填方带来的稳定性问题及因大量占用土地资源造成的环境破坏问题。已有研究对四川某公路改建中气泡轻质土施工的工程量和经济性进行分析，结果显示随着填筑高度的增加，轻质土的单价优势越来越明显且与其他方法相比能极大缩短工期。该项目组在广佛肇试验段检测发现，轻质土与砂土接触面黏聚力为2kPa～13kPa，内摩擦角为36.7。～37.6。，相对土体而言具备更好的抗滑性，另外辅以开挖平台、在坡面打设短锚杆等措施，进一步提高了陡坡路堤安全程度。

改扩建新路堤填筑

目前，在改扩建过程中，由于路基的不均匀沉降引起的道路破坏是一个重要的工程问题。与以往的路基填筑加宽方式相比较，气泡轻质土路堤利用该材料的轻质高强、保温隔热和抗震性等特点，可以有效降低地基应力并减少不均匀沉降，同时能很好地解决用地限制和工程造价偏高的问题。气泡轻质土技术在我国的湖南（莲株高速公路）和广东（京珠高速公路）等地区的改扩建工程中得到了应用，采用该技术对路基进行收坡处理后，不需占用企业用地，节约了施工和征地成本，取得了较好的工程应用和经济效益。

实体工程应用效益评价

本节主要针对广东省广佛肇高速公路实体工程的应用经济性开展研究。广佛肇高速公路是一条典型的山丘地区高速公路，C标段（K80+373.000～K121+140.550），线路全长40.757km，共有桥梁33座，隧道1座。现以某一具体路段为例，说明气泡轻质土处理地基的应用效益。

试验段轻质土填筑高度平均约9m，属于高填筑，填筑平均底宽6.5m，横向平均顶宽15.8m，台阶平均高度4m，整体性良好。该段轻质土路堤于2015年10月开始浇筑，过程顺利，高峰期每日可浇筑200m3左右，2015年11月全部浇筑完毕。采用轻质土作为路堤填筑材料，在主线范围内垂直立起，未额外增加用地；施工过程中，由于其轻质性和整体性，未发生地基沉降及土体失稳现象；流动性强，直接泵送浇筑，施工快捷方便，效率高；施工过程的检查及浇筑完毕验收，其强度100%合格且外观良好。施工期间，安全措施到位，做到了文明施工，未对当地环境造成污染及破坏。从质量、外观、施工效率及现场文明施工等方面，广受监理单位、设计院、业主及其他相关单位的好评。