泡沫轻质土在下穿铁路涵洞中的应用

2019-05-18林我棉

福建交通科技 2019年2期

关键词：箱涵涵洞轻质

■林我棉

(平潭综合实验区交通投资集团，平潭 350400)

泡沫混凝土(foamed concrete)又称气泡混合轻质土或泡沫轻质土，通过将泡沫加入到水泥、骨料、掺合料、外加剂和水制成的浆料中，经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的轻质多孔混凝土，它内部含有大量细小、封闭、均匀的气孔。

1 泡沫轻质土的生产工艺及性能特点

1.1 生产工艺

泡沫轻质土的生产过程包括：泡沫制备、料浆制备、浆泡混合、泵送、浇筑成型、养护、检验(见图1)。

图1 轻质泡沫土生产工艺流程

1.2 性能特点

泡沫轻质土的主要特点如下

(1)轻质高强：容重最小可达150kg/m3，相当于普通混凝土的1/2～1/10，抗压强度最高可达30MPa。

(2)直立性：凝固成型后的泡沫轻质土是一个整体，支撑性极好，无需夯实和模板支撑，可有效缓解道路沉降、桥头跳车等问题；可以减少道路扩建征地量，节约资金。

(3)高流动性：搅拌混合后的泡沫轻质土浆料呈液体状态，可以流动至作业面的各个角落、缝隙。

(4)强度和密度可调节：抗压强度 0.2MPa～30MPa，容重范围150kg/m3～1600kg/m3，强度和密度可满足不同部位的要求。

(5)环保节能：可根据需求利用矿渣、粉煤灰、石粉等工业废料；可以极大减少土方开挖量，节约土地资源；无毒无害，不会破坏周围土地的性质；使用寿命长，可有效减少后期道路的维修费用。

2 泡沫轻质土在路桥中的应用概况

泡沫土可解决路桥设计施工中的诸多问题。

2.1 桥涵台背填筑(图2)

图2 桥(涵)台背泡沫轻质土填筑示意图

(1)泡沫轻质土路基自身刚度大、重量轻，可在台背与填土路基之间形成过渡段，使桥台与路基沉降变化均匀缓和，消除桥头跳车现象；

(2)大幅度地降低填土荷载，在软土路段可减少软基的附加应力，抑制软基的沉降和侧移，提高路堤的稳定性；

(3)固化后可自立，对桥台等结构物无推挤，可取消桥头搭板，不需机械碾压和振捣，有效解决台背回填压实难题；

(4)施工快捷高效，可缩短工期，降低工程造价。

2.2 软基段可减少填土荷载(图3)

(1)可大幅度地降低填土荷载，使换填过后的软基路堤在各种荷载作用下均能保持超固结状态，抑制软基的沉降和侧移，提高路堤的稳定性；

(2)用于旧路加高时，可避免拆除旧有路面结构，直接进行填筑；

图3 软基段道路加宽加高泡沫轻质土填筑示意图

(3)尤其适用于低填市政路堤，既不需要进行软基处理，又能保证路堤的沉降稳定，施工简单方便。

2.3 道路加宽填筑(图4)

可直接在原路基边坡开挖填筑。

图4 路基加宽泡沫轻质土填筑示意图

(1)加宽方式灵活，可直接在原路基边坡开挖填筑，不需重新征地、拆迁；

(2)采用管道泵送施工，不需施工便道，减少与地方关系协调，施工便捷高效。施工只占用硬路肩，不需封闭交通，不需拆除防撞护栏，提高施工期的行车安全性；

(3)材料自流平、自硬化，不需要机械振捣，可在狭窄场地施工，对周边建筑物和居民影响小。

2.4 需要收坡的陡坡路堤填筑(图5)

图5 泡沫轻质土路堤填筑示意图

(1)对于需要收坡的陡坡路堤，采用泡沫轻质土路堤替代挡土墙，可同时解决收坡和路基稳定性问题；

(2)泡沫轻质土容重低，用于陡峭山体填筑可以保证路基的稳定性；

(3)可在陡坡地段狭窄场地条件下施工，对原地面的开挖量小，有利于对环境的保护；

(4)运营期间的不会产生路基失稳、侧移，路面平整度好。

2.5 路基失稳处治(图6)

图6 路堤失稳泡沫轻质土填筑示意图

(1)清除原失稳路基滑动部分，直接浇筑气泡混合轻质土替换，轻质路基整体稳定性好；

(2)避免对路基进行二次地基处理，不扰动原路基，施工速度快。

此外，还可以采用泡沫轻质土填筑桥台台背，可缩短因锥坡放坡而需要增加的桥跨，减少工程造价；以及利用泡沫轻质土高流动性特点，用于空洞及狭小空间回填。岩溶区、采空区、建筑基坑、隧道冒顶形成的空洞及地下管线周边空隙，可采用泡沫轻质土回填，避免常规填料填充不饱满的缺陷。

3 泡沫轻质土在下穿铁路涵洞中的应用

(1)工程概况

宁德市某市政主干路在里程K0+340～K0+380下穿温福铁路，拟在温福铁路框架涵进行公路堆载及施工。温福铁路已修建完成，与道路交叉口为3孔16m箱涵，箱涵底部覆有部分填土，填土厚度约为1至2m，目前作为村道供车辆通行使用。

交叉处铁路涵洞与道路标高关系，铁路箱涵顶标高7.77m，箱涵底标高0.77m，箱涵净空7m。箱涵宽16m，箱涵顶厚1m，底厚1.30m。由北向南第一孔涵长26.8m，第二孔涵长30.3m，第三孔涵长36.8m。

场地为属冲海积平原地貌，以海相淤泥及粉质粘土等组成。涵洞地基处理采用PHC预应力管桩，桩径0.5m，桩长25m，间距2m设置，桩顶设1.5m厚钢筋混凝土顶板。见图7《下穿铁路软基处理平面设计图》、图8《下穿铁路横断面设计图》。

(2)处理方案

由于场地为软基地段，道路设计需要解决：①路基与涵洞过渡段的工后沉降问题；②道路的软基处理型式；③在铁路框架涵内填筑路基、路面形成的附加荷载引起的差异沉降问题。

图7 下穿铁路软基处理平面图

图8 下穿铁路段横断面图

铁路框架涵工后沉降控制性标准：(1)路基与涵洞的过渡地段工后沉降≤5cm；(2)路段差异沉降引起的纵坡变化≤0.4‰(根据《铁路线路修理规则》(铁运[2006]146号))。

针对(1)、(2)问题，设计考虑采用钻孔灌注桩进行过渡段软基处理。钻孔灌注混凝土桩具有无挤土效应，场地适应性强，桩身质量可靠等特点。钻孔灌注桩桩径50cm，正方形布置，桩间距2.4m，桩长：16～17m，桩顶铺设50cm级配碎石砂垫层+两层钢塑土工格栅。钻孔灌注桩布设范围为 K0+330～K0+390段。

针对(3)问题，设计考虑采用泡沫轻质土替代普通路基填土，以减少工后沉降。轻质填料主要参数：轻质填料为现浇式泡沫轻质土，容重约6kN/m3，强度0.8MPa。

(3)沉降计算

公路路基填筑后，加大了框架涵下部桩基的竖向荷载，因此需要验算路基填筑后三幅铁路框架涵的沉降以及不同涵洞间的差异沉降引起的纵坡变化是否满足要求。

根据详细勘察报告，淤泥内摩擦角为6°，内聚力为13.7kPa。全风化凝灰熔岩厚度较大，内摩擦角为25°，内聚力为25kPa，压缩模量为12MPa。下部管桩桩长25m，其中上部15m位于淤泥中，下部10m位于全风化凝灰熔岩。

下面分别对26.8m、30.3m、36.8m三幅铁路框架涵下部沉降进行计算。根据《铁路桥涵地基和基础设计规范》(TB10093-2017)计算桩基沉降。桩底中心沉降

为减少温福铁路沉降，可填筑轻质土。参考《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(CJJ/T177-2012)，《现浇泡沫轻质土技术规程》(CECS249：2008)等相关规范，确定可取的重度范围，对10kN/m3和6kN/m3轻质填料进行计算。

公路路基填料采用20kN/m3普通填料、1OkN/m3轻质填料、6kN/m3轻质填料时，对三幅桥涵桩基沉降进行计算，得到下表1。由表1可见，填料越轻，公路路基填筑后三幅框架桥涵沉降越小，普通路基填料造成温福铁路沉降较大。

表1 桥涵沉降计算表

公路填筑20kN/m3普通填料时，26.8m框架涵工后沉43.4mm，30.3m框架涵工后沉降24.9mm，36.8m框架涵工后沉降46.4mm。根据公路填筑20kN/m3普通填料时框架涵沉降计算结果，可见两框架涵中心点最大沉降差46.4-24.9=21.5mm，两框架涵间距为18.4m，即21.5/18400=1.17‰＞0.4‰，不满足要求。

公路填筑10kN/m3轻质填料时，两框架涵中心点最大沉降23.2-13.7=9.5mm，两框架涵间距为18.4m，即9.5/18400=0.516‰＞0.4‰，不满足要求。

公路填筑6kN/m3轻质填料时，两框架涵中心点最大沉降13.9-9.2=4.7mm，两框架涵间距为18.4m，即4.7/18400=0.255‰＜0.4‰，满足要求。