高速公路改扩建工程气泡轻质土设计与优化

2018-08-28范鹏举

现代交通技术 2018年3期

范鹏举，武杨，张磊

(1. 江苏省地下空间探测技术工程实验室，南京 210000； 2. 苏交科集团股份有限公司，南京 210019)

高速公路改扩建工程中,部分高填方路段用地受限，不易大面积振捣碾压施工，采用传统的路基拓宽方式具有一定的局限性。气泡轻质土技术为解决上述问题提供了新的思路。气泡轻质土在国外已有30年使用历史，具有施工工期短、可直立浇筑减少征地、轻质自立的技术优势。我国于上世纪八十年代从欧洲引入气泡轻质土技术，但施工工艺、质量控制方法等国家标准体系尚未建立，已有工程经验参考价值有限，且施工尚无可循规范。

同时，改扩建工程中气泡轻质土主要用于解决高填方等用地受限难题，稳定性问题较为突出，接触面是其薄弱环节。为此，本文结合工程特点，通过经验总结、试验研究和理论研究等措施，在现有设计的基础上，有针对性地对气泡轻质土的设计要点(配合比设计和拼接路基设计)进行了研究和优化[1]。

1 配合比设计与优化

改扩建工程中，气泡轻质土主要用于高填方等用地受限路段的路基填筑，气泡轻质土主要用作承重层。因此，在进行配合比设计时,应考虑抗压强度作为首要设计指标，同时根据气泡轻质土材料特点，对容重和流动度指标进行设计[2]。

1.1 强度指标

依托工程为一级高速公路，路床部分要求不小于0.6 MPa，其余部分要求不小于0.5 MPa，考虑一定的安全储备，实际施工时要求顶层80 cm以内抗压强度不小于0.8 MPa，其余部分不小于0.6 MPa，如表1所示。参照强度等级表，分别要求气泡轻质土等级为CF0.8和CF0.6。

表1 气泡轻质土强度要求

1.2 容重指标

容重指标包括：湿容重、干容重和表干容重。湿容重指气泡轻质土浆料的初始容重；干容重指养护后产品的绝干容重，主要由水泥等原材料的水化产物和残留物组成；表干容重指气泡轻质土终凝后的表观重量，是体现气泡轻质土固化后的容重指标。容重是保证气泡轻质土轻质特性的需要，也是配合比设计的基础。

根据《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(DBJ15-58—2008)和《公路工程泡沫混凝土设计与施工技术指南》(2012年版)等规范中的相关内容，在已有容重等级划分的基础上，结合工程实际和试验研究结果，结论如下：

(1) 在自然环境中进行保湿养护时，表干容重

略低于湿容重；前期试验结果也表明，设计配合比的气泡轻质土表干容重较湿容重降低了10%左右；因此，建议气泡轻质土容重在进行等级划分的同时，兼顾表干容重和湿容重，以表干容重为主，湿容重为辅。

(2) 施工过程中，湿容重因环境变化产生细微变化。湿容重越轻，气泡含有量越多。在同等体积条件下，湿容重变化率越大，反之，湿容重变化率则越小。根据以往施工经验和试验数据，湿容重允许偏差宜统一按±0.5 kN/m3控制。

(3) 公路工程中气泡轻质土表干容重为3～9 kN/m3时，具有较好的工程适用性。综合考虑工程经验，建议气泡轻质土容重等级在3～9 kN/m3的范围内进行划分。

(4) 强度和容重具有一定的相关性，相同条件下，容重越大，强度越高。因此，建议容重等级划分时考虑强度等级。

综上所述，建议气泡轻质土容重等级按其标准养护28天时的表干容重进行划分，可分为7个等级，分别用符号A03、A04、A05、A06、A07、A08、A09表示，干容重和湿容重的变化范围可按表2的规定执行。根据已有工程经验，改扩建工程中气泡轻质土容重等级不超过A05级。

表2 公路工程中气泡轻质土容重等级划分

1.3 流动度指标

在气泡轻质土施工过程中，流动性是保证施工可操作性的一个基本前提，也是控制气泡轻质土浇筑质量的一个重要手段。流动性用流动度来衡量。流动度通过圆筒试验来测定。

改扩建工程中，气泡轻质土浇筑点较偏僻，部分位于山里，施工场地受限，因此需泵送较远距离，加之北方寒区，气温较低，在设计时，应保证较高的流动性。已有工程经验表明，气泡轻质土流动为160～200 mm较为适宜。试验段施工经验也表明，改扩建工程中气泡轻质土流动度宜为180 mm。

2 材料性能试验

气泡轻质土强度、容重和流动度指标与各组成材料的配比密切相关，可根据配比及时调整材料性能。呼包路改扩建工程中，原设计配合比按照水、水泥、发泡剂3种材料质量比为1∶1.65∶0.006进行控制，抗压强度指标分别为0.8 MPa和0.6 MPa，湿容重指标分别为0.6 kN/m3和5.5 kN/m3，流动度指标控制为180 mm。实际工程中，受环境条件、设计施工水平、设备材料等条件制约，还需对材料配比进行微调。课题在前期设计配合比的基础上，开展了大量的配合比试验研究，为改扩建工程中气泡轻质土的配合比调整提供依据[3]。

2.1 湿容重和表干容重

(1) 在流动度、含气量都接近的情况下，水泥含量不同，气泡轻质土湿容重变化幅度不大。这是因为气泡轻质土浆料中气泡群多而水泥浆料少，水泥用量对气泡轻质土湿容重影响小。

(2) 图1为根据试验结果整理的气泡轻质土湿容重与含气量的关系图，湿容重随含气量增加逐渐减少，从形态上，近似呈直线下降。含气量每增加10%，湿容重降低20%～30%，因此，可以认为，气泡轻质土湿容重对含气量较为敏感。这一规律对于指导改扩建工程实践具有重要意义，表明通过加入气泡来实现气泡轻质土的轻量化是可行的。

图1 湿容重与含气量的关系

(3) 图2为气泡轻质土表干容重与养护龄期的关系图，气泡轻质土随着养护时间的增加，表干容重逐渐降低，在初期降低速度最快，后期趋缓，这与一般混凝土材料类似。这是因为影响气泡轻质土表干容重的主要因素是水泥水化和自由水的蒸发引起的水分流失，该过程主要发生在养护初期。

图2 表干容重与养护龄期的关系

2.2 抗压强度

气泡轻质土抗压强度受水灰比、含气量、养护龄期和养护环境等因素的制约，它们之间的相互联系、相互影响，构成了气泡轻质土强度的规律性和复杂性。

(1) 气泡轻质土中水泥含量越高，抗压强度越大。与含气量相比，气泡轻质土受水灰比影响与含气量大致相同。

(2) 抗压强度与含气量的关系如图3所示。随着含气量的增加，气泡轻质土抗压强度迅速降低，以水灰比1∶1.65为例，含气量增加26.5%后，气泡轻质土抗压强度降低了约46%。

(3) 图4为气泡轻质土抗压强度与养护龄期的关系图。气泡轻质土抗压强度随着养护龄期的增长逐渐增大，7天强度约为28天强度的1/3～1/2，这与一般混凝土相比，前期强度增长较快，是因为浆料气泡的存在大大增加了比表面积，使得水泥水化更充分。

图3 抗压强度与含气量的关系

图4 抗压强度与养护龄期的关系

(4) 由于分层浇筑，气泡轻质土在下部气泡轻质土凝固并产生一定强度后，才能进行上部浇筑。工程实际中，规范并没有给出具体养护时间。有鉴于此，课题组专门跟踪试样6养护1天、2天、3天后的抗压强度。试样6养护1天后，抗压强度为0.07 MPa，2天后抗压强度为0.186 MPa，3天后抗压强度为0.297 MPa。因此，气泡轻质土下部浇筑完成1～2天后，就可以进行上部浇筑。

(5) 工程实际中，气泡轻质土的使用环境多种多样，后期养护环境对气泡轻质土抗压强度也是有影响的。结果表明，气泡轻质土强度随养护时间逐渐增长，30天后强度为初始强度的1.8倍；养护环境对强度影响明显，浸泡环境下强度损失较大，与常规养护环境相比，同龄期试样强度损失约35%；随着龄期的增长，浸泡环境下气泡轻质土强度逐渐降低，降低幅度趋于稳定，连续浸泡30天后强度仍在0.8 MPa以上，如图5所示，满足路用要求。

图5 抗压强度与养护环境的关系

3 快速经验计算法

目前气泡轻质土设计中多采用湿容重作为设计和验算指标，但实际表干容重略低于湿容重，因此采用湿容重指标方法不够科学，偏于保守。工程经验还表明湿容重法计算繁琐，对工程实际指导意义有限，因此，课题在试验研究和经验总结的基础上，提出了一种基于表干容重的快速经验计算方法。

该方法是按标准养护28天后的表干容重指标进行配合比计算。与湿容重法类似，计算仍采用重量法计算各原材料用量。

(1)

式中,Vk为每立方气泡轻质土的气泡群体积；mc，mm，mw分别为泥、外掺料和水的用量；ρc、ρm、ρm分别为泥、外掺料和水的密度。

δcmc+δmmm=100r干

(2)

(3)

式中,δc为水泥水化修正系数，经验选取1.2～1.5，根据水泥类型，熟料含量越多，水化修正系数越大；δm为外掺料修正系数，经验选取细砂为1.0～1.1，粉煤灰和矿粉为1.2；r湿为气泡轻质土的28天表干容重。

泥、外掺料和水的用量按下式计算：

(4)

(5)

mw=w(mc+mm)

(6)

气泡轻质土湿容重按式(7)计算：

(7)

与常规湿容重法相比，该方法更加快速、直观，计算量小，从表干容重出发，设计更为合理。

4 拼接路基设计与优化

(1) 断面设计形式

改扩建工程中断面采用直立型断面形式，该断面形式如图6所示，直立型断面主要用于高填深挖等用地受限路段，主要目的是减少土体下滑，提高稳定性，简化挡墙处理，保持原有地貌，方便施工。气泡轻质土与老路基通过台阶连接，拼接部位作抗滑处理；气泡轻质土外侧直立浇筑，支护面板兼有浇筑模板和保护挡墙的作用。气泡轻质土底部基础作抗滑处理。

采用直立浇筑，在填筑高度较高时，可能存在由于纵向结合部刚柔突变引起的路面变形不协调，进而产生裂缝。因此，课题建议气泡轻质土纵断面宜以台阶过渡衔接，如图7所示。当填筑高度不超过3 m时，才可采用在老路基原有地貌的基础上放坡或直立浇筑。

图7 纵断面台阶过渡示意图

(2) 路基拼接设计

路基拼接技术主要包括：防排水设计、抗滑设计和台阶开挖。

在防排水设计方面，主要利用防水土工布结合排水设施进行防排水。同时为排除路基渗水，建议在填筑体与地基之间设置碎石垫层或碎石盲沟，填筑体低面设置碎石垫层时，垫层厚度控制在25 cm以内，为使排水顺畅，碎石垫层应超过支护面板基础外缘，且垫层顶高度不高于支护面板基础底。特别需要指出的是，当不能确定背面填土的渗水是否会对气泡轻质土造成影响时，宜采用防水板[4]。

在抗滑设计方面，建议采用设置抗滑固件的方法，如图8所示。

图8 防排水设计参考

通过在新老路基拼接处垂直打入抗滑桩，提高气泡轻质土填筑体和老路基的整体性。若稳定性不够时，可根据需要调整抗滑桩的截面和间隔，使之满足稳定性要求。

在台阶开挖方面，参考国内其他高速公路改扩建工程采用的台阶开挖方案，虽然各工程采用的开挖方案都有区别，但台阶高度大多控制在100 cm以内，第一级台阶开挖高度一般在0.8～1.5 m，逐级开挖台阶，避免一次开挖台阶过高、过陡台阶容易坍塌，台阶宽度根据坡比和台阶开挖形式确定，同时台阶尺寸还和老路边坡的填筑材料、压实度等有关。根据改扩建工程实际情况，建议改扩建工程中路基拼接采用多级台阶形式，每个坡面视具体情况设置1～3个台阶。每个台阶面宽度不超过1.5 m，台阶高度不超过1 m。