泡沫轻质土路基填筑在公路改扩建项目中的应用
2020-08-06
（四川公路工程咨询监理有限公司，四川 成都 610041）
1 项目基本情况
1.1 路线
某省道改建项目路段长4.638km，为在原宽11m 二级公路上进行改扩建，原路状况良好。改建项目设计速度60km/h，路基宽度25.5m[4m(绿道)+2.5m(硬路肩)+2×3.5m(车行道)+0.5m(路缘带)+1.0m（中央分隔带）+0.5m（路缘带）+2×3.5m（车行道）+2.5m（硬路肩）+0.5m（土路肩）]，沥青混凝土路面，双向四车道一级公路技术标准。汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，设计洪水频率1/100。
1.2 地形、地貌
工区属四川盆地西缘山地，为盆地到青藏高原的过渡地带。项目所处位置地貌以构造侵蚀低山与河谷阶地为主。路线沿青衣江左岸岸坡展布，利用段1.570km 位于青衣江冲积阶地，地势平坦；改建段4.638km 段位于青衣江左侧岸坡地段，路线右侧靠山，左侧临青衣江，地面横坡较大，整体地势陡峭。
1.3 地质
项目区地质构造较为简单，地层岩性主要由第四系全新统人工填土（Q4me）、残坡积粉质粘土（Q4el+dl）、冲洪积卵石土（Q4al+pl）、崩坡积碎石土（Q4c+dl），基岩为白垩系下统灌口组下段（K1g1）泥质粉砂岩与泥岩互层，工程地质条件较好。
1.4 地震
项目区地震动峰值加速度均为0.10g，地震特征值周期均为0.40s，地震基本烈度为Ⅶ度。
1.5 气候
项目区气候类型为亚热带季风性湿润气候，年均气温在14.1℃～17.9℃间，降雨多，多数县年降雨1000～1800mm 以上。湿度大，日照少，年均降雨量1800mm 左右，是四川降雨量最多的区域。
1.6 水文
1.6.1 地表水
根据现场实地调查，项目区附近地表无鱼（水）塘、集水坑等散水体，主要地表水为电站蓄水，受上游干流及其支流和大气降水补给，通过径流向下游排泄，具有水量丰富，水位、水量年变化幅度大，洪水位陡涨陡落，枯水期水势平稳的特点。
1.6.2 地下水
测区地下水较发育，地下水类型主要有第四系松散孔隙潜水和基岩裂隙潜水，丰枯明显，出露点分散，主要含水层沿河谷岸坡呈带状分布。
2 沿线路基方案情况
由于本项目是对既有老路进行改扩建，路线沿江展布，全线设置了1.839Km 左幅桥，0.166Km 右幅桥。因此在半路半桥衔接处路基侧需要设置挡土结构；临河侧，部分路段临河侧填方高度较小，但临河侧地面线陡倾无法放坡，需要设置结构物收坡；仅有的三段河滩地形处，经现场验证可做护脚，结合设计水位，本次采用护脚+实体护坡+换填透水材料处理。
3 结构物方案比选
根据工程可实施性、保通需要的硬性条件及造价相对更省，本次施设做了以下几方面的对比：
1）陡斜坡路段，通过桥与桩基托梁对比，适当优化了桥跨，将部分路段调整为桩基托梁；
2）临河侧高大浸水挡墙方案与轻质土路基方案“补缺口式填筑”进行对比，调整部分陡斜坡上填方断面较小的路段做轻质土路基填筑；
3）半路半桥的路中墙位置，将衡重式路中墙与轻质土路基对比，在保通的硬性条件及确保路中墙边线不干扰外侧桥梁墩柱施工的前提下，将路中墙调整为轻质土填筑及部分护肩。
4 泡沫轻质土路基与衡重式路肩及路中墙对比分析
对沿线路基进行分析后，提出了衡重式挡墙+扩大基础(方案一)、泡沫轻质土路基(方案二)及桩基托梁(方案三)三种处治方案，这里列出了方案一和方案二在两种典型工点位置的方案对比。
现对K2+440～695段路中及K2+723～977段路肩方案进行优缺点及经济性比较，见表1：
表1.各方案对比表
保通影响 断面开挖大，不能保通，临近桥墩侧施工干扰严重。断面开挖小，能保通，临近桥墩侧施工干扰较小。断面开挖较小，能保通，临近桥墩侧施工干扰严重。初估造价(万)440～695 段：1052.6 723～977 段：880 440～695 段：808.9 723～977 段：774 440～695 段：1249.5 723～977 段：1244.6
综上，经方案可行性、工艺与工期、保通影响及预算经济等方面对比后，这两段路基均采用轻质土路基进行处治。
5 本项目泡沫轻质土工点
气泡混合轻质土关键性能：容重等级、强度等级。
本项目全线路肩及路中位置共设置了14 段轻质土路基，其指标如下：
湿容重：路槽下80cm 范围内取W6，其余区域取W5；
等级强度：路槽下80cm 范围内取CF1.0，其余区域取CF0.8；
所有的轻质土路基工点，需将原地面清表开挖台阶后进行碾压夯实，压实度不应小于96%且保证基底承载力大于150Kpa，才能进行泡沫轻质土浇筑。
6 轻质土强度和稳定性验算（以图1.K2+479.03 断面为例）
6.1 路基填筑的填筑体抗压强度应按下式计算：
qu1=Fs(100*CBR)/3.5
式中：qu1-路基填筑的填筑体抗压强度(kPa)；
Fs-安全系数，取3；
CBR-加州承载比，按现行行业标准《公路路基设计规范》JTG D30 取值。
经计算，路面结构下面0.8m 范围qu1=0.428MPa；
路面结构下面0.8m 以下范围qu1=0.257MPa；
6.2 填筑体自立稳定的抗压强度应按下式计算：
qu2=Fs(0.5rH+W)
式中：qu2-填筑体自立稳定的抗压强度(kPa)；
r-湿容重（Kn/m3）；
H-填筑体高度（m）；
W-填筑体顶部的荷载（kPa）
经计算，路面结构下面0.8m 范围qu2=0.140MPa；
路面结构下面0.8m 以下范围qu2=0.196MPa；
因此，填筑体的设计抗压强度大于了qu1和qu2，满足规范要求。
6.3 抗滑稳定系数计算（按路线纵向1 延米长度计算，不考虑墙前背被动土压力）
Kc=[(N+(Ex-E，
p)*tana0)*μ+E，
p]/(Ex-N*tana0)
G:647.82KN，N:582.16KN，μ:0.32
因为基底是水平的，a0=0
因此，Kc=N*μ/Ex
=1.42＞1.3，满足规范要求。
6.4 抗倾覆系数计算（按路线纵向1 延米长度计算）
K0=(G*Zg+Ey*Zx+E,p*Zp）/(Ex*Zy)
土压力作用点，Zx=H/3,Zy=B+Zxtanα,B=2,
因此，K0=3.34＞1.5，满足规范要求。
6.5 整体稳定性计算（按路线纵向1 延米长度计算）
第I 条块侧面滑坡推力：Ei=KWisinαi+ψiEi-1-Wicosαitanφi-cili
K 为安全系数
ψi为传递系数,其值等于cos（αi-1-αi）-sin（αi-1-αi）tanφi
φi为第i 条块所在滑动面的内摩擦角
ci为第i 条块所在滑动面的粘聚力
li为第i 条块所在滑动面的长度。
经过计算，K=1.3 时，最后一个条块的剩余下滑力为零，满足规范要求。
7 结语
泡沫轻质土是一种微孔类轻质环保材料，具有轻质性、自立性、自密性、容重和强度可调节性、施工便捷性、保温隔热性等特点，已广泛应用于软基路堤、加宽路堤、陡坡路堤、结构顶减荷、桥台台背回填、预埋管线回填、空洞充填、塌方快速抢险及各类管线保温隔热等领域。
通过总结分析，相比衡重式挡墙及部分桥跨，轻质土路基填筑在施工工期节约、对地基承载力要求相对较低、对临近建筑的施工干扰程度低、造价更省方面具有较大的优势，因此在改扩建公路设计过程中，可将轻质土路基与衡重式挡墙及桥梁方案进行充分对比，选择更优的方案。
值得注意的是，轻质土工点图断面设计时建议加强验算，严格控制关键性能指标：容重等级、强度等级；所有轻质土路基工点，需将原地面清表开挖台阶后进行碾压夯实，压实度按路规控制，地基承载力也应达到工点设计要求承载力，才能进行泡沫轻质土浇筑；应严格按照规程要求施做各个附属设施；雨季施工应特别做好临时防排水措施；完成填筑体顶层施工后，立即对填筑体表面覆盖塑料薄膜或土工布保湿养生，养生时间不宜少于7d；填筑体达到设计抗压强度后，方可在填筑体顶面进行机械或车辆作业，建议在填筑体顶上铺设钢板或木板以临时保护填筑体。
