泡沫轻质土在高速公路施工中的应用

卢春莎

泡沫轻质土具有轻质、高强等优良特性，对于高速公路的路基沉降具有一定的减缓作用。文章介绍了泡沫轻质土的制备工艺流程，分析了其技术特性，并通过试验对泡沫轻质土的密度与抗压度指标进行了综合论证。试验结果表明，泡沫轻质土对于高速公路的路基沉降具有一定的抑制作用，工程应用价值显著。

泡沫轻质土;高速公路;施工

U416.211-A-07-021-3

0 引言

软土地质构造一般具有低强度和低渗透性等特点，随着高速公路车辆载荷的不断增加，对于高速公路车辆日常通行的安全性带来一定隐患。为此，应充分重视高速公路施工中软土路基的工后沉降情况。目前，在高速公路施工中较为常见的做法是通过对地基改良和优化的方式来减少工后沉降，但对于软土较深的区域而言，其工程量大、造价高、施工周期长，且最终的处理效果不是十分理想。而泡沫轻质土是通过物理方式将发泡剂的水溶液制备成泡沫，并与水泥基胶凝原料、水、拌和料以及外加剂按一定配比进行混合搅拌，最终形成一种工程性能较为优良的轻质施工材料。本文将泡沫轻质土应用到高速公路的路基填筑施工中，为有效控制软土区域高速公路路基的沉降开辟了新的研究思路[1]。

1 泡沫轻质土工艺流程和技术特性

1.1 工艺流程

泡沫轻质土是一种新型的轻质施工材料，由特定生产设备将发泡剂溶液制成泡沫，并与水泥基胶凝材料、可选集料、拌和料、添加剂等按一定比例混合组成，浇筑硬化后的强度能够满足施工需求。其制作的工艺流程如图1所示。

1.2 技术特性

泡沫轻质土主要由气体、液体以及固体等多相介质组成，属于多孔的介质材料，其硬化后含有大量、致密、微小的密闭气泡群，且这类微小孔隙彼此不联通，受力骨架为胶凝材料以及拌和料硬化后形成，多孔性是其主要结构特性。由于泡沫轻质土属于水泥类材料的一种，因此，在制备和使用的过程中具有水泥类材料的工程特性，即凝结性，包括初凝和终凝时间。泡沫轻质土属水硬性材料，增重系数随着龄期的增长而增长[2]。泡沫轻质土内部分布大量闭合的胶质气泡使得其比重相对于常规施工材料较小，由于各类工程的特殊需要，可通过调整材料中气泡、固化剂以及土的比例来达到工程应用的目的。泡沫轻质土容重一般介于5～12 kN/m3。常见施工材料的容重对比分析如表1所示。

2 泡沫轻质土密度与抗压度性能分析

泡沫轻质土浇筑在地下水位之上时，其湿密度可由胶凝原料、水以及泡沫量多少而进行调整和优化。但在地下水位之下进行浇筑并伴有水浸泡的情况时，应首先考虑水分对其密度和抗压度的影响。

2.1 试验过程

为研究泡沫轻质土密度和抗压度与浸水天数之间的关系，拟配置3种级别的湿密度，分别在水中浸泡1周、4周、8周和12周，监测其浸水后密度的变化情况，并对其进行极限抗压度试验。本次试验过程中，水灰比为0.5，选取水泥漿液质量的0.5%来作为减水剂用量，而发泡剂浓度选为2%，但稳泡剂应控制在发泡剂水溶液的0.1%以内。另外，为获得各种密度的泡沫轻质土试验样本，应变化泡沫与浆液之间的质量比，且为有效屏蔽试验过程中的离散特性，应分别制备5组试验块，各组分配3个平行试验块，使用其中1组试验块来分析浸水天数与增重情况的关系，另外4组试验块用来测量浸水1周、4周、8周和12周的极限抗压度，最终取3个平行试验块的均值作为试验结果[3]。

2.2 试验结果

不同试验块在浸水1周、4周、8周和12周后的湿密度变化情况如表2所示。

由表2中的试验数据可知，泡沫轻质土在浸水后由于吸水使得其容重增加，且泡沫轻质土的增重系数随时间的增加而减小，增重系数所增加的幅度也随着时间的增加而变小，反映了泡沫轻质土在浸水后的变化特性，最终逐渐接近饱和的稳定状态。试验结果说明：湿密度为541.2 kg/m3的泡沫轻质土经过1～12周的浸水后，增重系数为14.67%～25.06%;湿密度为642.3 kg/m3的泡沫轻质土经过1～12周的浸水后，增重系数为12.19%～20.69%;湿密度为761.9 kg/m3的泡沫轻质土经过1～12周的浸水后，增重系数为9.61%～18.77%[4]。

3 有限元模型分析

3.1 有限元模型搭建

泡沫轻质土具有密度低、强度高等优良工程特性。基于泡沫轻质土的轻质、高强特性，通过ABAQUS有限元分析软件来搭建填土堆载模型，对高速公路软土路基进行数值模拟计算，分析泡沫轻质土填料在高速公路软土路基施工后的沉降程度，进而验证采用泡沫轻质土填料在软土路基施工中的优势[5]。

3.2 模型基本假定

通常情况下，软土地基的沉降问题中包括形变和渗流等三维空间问题，但在路基堆载情况下，软土地基沉降问题则转化为平面应变的渗流问题。为此，在进行数值模拟计算时应做以下基本假定：

（1）土体是均匀、同性并且饱和的。

（2）沉降过程中土体渗透系数和压缩系数均为常数。

（3）土颗粒以及孔隙水不可压缩，而孔隙体积的减小决定了土体的压缩程度。

（4）忽略其他部分的沉降，仅考虑软土地基的沉降。

（5）孔隙水渗透流动满足达西定律。

3.3 计算步骤

由同类工程施工现场实测数据及相关文献可知，在有限元模型计算过程中，所选取的材料力学参照指标如下页表3所示。通过对比该参照指标列表，能够分析出有限元模拟过程中的计算偏差，进一步进行数据纠正后得出较为精确的试验数据。

3.4 填土堆载分析

在对高速公路路基填筑过程进行模拟分析时，应考虑其实际加载过程的连续性，对有限元分析模型使用分阶段加载方式，利用ABAQUS软件自带的判据单元特性，将填土作为新增单元，由具体的模拟时长来完成计算过程。计算过程中采用五级式方案施加路基填土，计划在第58 d完成路基填土，第71 d开始进行高速公路载荷能力试验，以第70 d为起点分析高速公路路基的工后沉降。填土时间、填土高度以及累计填土高度数据如表4所示。路基填筑过程的高度变化如图2所示。

由图2可知，路基的填筑高度在各个时间段中较为均匀，经过70 d的填筑工序，使路基最终填筑高度为4.6 m。

4 高速公路泡沫轻质土路基沉降分析

图3为泡沫轻质土路基最终的纵向应力云图。由图3可知，泡沫轻质土路基纵向应力主要分布在车辆下方载荷位置的两侧，一般情况下为均匀分布。这一方面说明泡沫轻质土路基在高速公路车辆载荷作用下的受力较为均匀，且由载荷中心位置向两侧延伸;另一方面说明了泡沫轻质土对于高速公路路基的进一步沉降具有一定的抑制作用，工程应用效果较为明显。

图3 泡沫轻质土路基最终纵向应力云图

图4为泡沫轻质土路基顶部最终纵向应力的横向曲线图。由图4可知，路基最大的纵向应力出现在中心下方路基顶部，其值约为36.2 kPa，相对于泡沫轻质土抗压强度较低。这表明在采用泡沫轻质土实现路基的填筑方案中，路基所受的应力满足泡沫轻质土强度的要求[6]。

图4 泡沫轻质土路基顶部最终纵向应力的横向曲线图

5 结语

高速公路的路基沉降对于车辆的通行带来一定的安全隐患，是近年来高速公路交通事故的主要原因，尤其是对于软土地区的高速公路而言，这种安全隐患尤为突出。为此，提高高速公路路基的稳定性具有重要意义。本文详细研究了泡沫轻质土的工程特

性，论证了其应用于减缓高速公路路基沉降中的可行性，认为泡沫轻质土可广泛应用于高速公路路基沉降的控制方案中，在软土地区的施工中应用效果更為明显。

[1]闫华文，项小伟.泡沫轻质土的环境耐久性试验[J].长沙理工大学学报（自然科学版），2019，16（3）：34-40，89.

[2]尹富秋.泡沫轻质土顶部底基层施工工艺研究[J].城市道桥与防洪，2019（8）：185-187.

[3]张星全.泡沫轻质填土路基变形特点及施工技术分析[J].山西建筑，2019，45（13）：114-115.

[4]顾京伟.泡沫轻质土施工质量控制要点[J/OL].居舍，2019（13）.

[5]姜启珍，陈忠平，汪建斌，等.软基路堤换填轻质土厚度确定方法[J].公路，2019，64（4）：84-88.

[6]闫振甲. 泡沫混凝土发展状况与发展趋势[J]. 墙材革新与建筑节能，2011（6）：19-23.