泡沫轻质土在软土地基道路改扩建中的应用

杨 伟

（洛阳璟信公路工程科技发展有限公司，河南洛阳471000）

我国高速公路发展初期，受经济能力和设计思想的限制，道路设计多为双向四车道方案。但随着交通量的不断增长，高速公路拥堵情况日益严重，高速公路改扩建成为发展趋势。道路扩建的关键技术是控制新老路基的差异沉降[1]，差异沉降过大会导致拼接处结构性破坏，出现纵向开裂，雨水下渗进而影响路基稳定性[2]。实际工程中若遇到软土地基，因为其承载能力难以满足工程需求，需要进行改良处理，常见方式有排水固结、浅层换填、复合地基等[3-4]。对传统换填材料的沉降特点研究已经取得了丰富的经验、形成可靠的理论体系，但是由于软土的复杂性，传统填料应用到软土地基的沉降计算精确性较差，因此许多改扩建工程考虑应用泡沫轻质土作为换填材料[5-7]。泡沫轻质土是用起泡剂制备泡沫，与基质土、胶结材料、水、掺合料按一定比例混合而成的高压缩模量轻质填筑材料，相较传统填筑材料容重更小，对地基的荷载应力更小[8]。目前对泡沫轻质土的研究主要是材料生产、全路幅施工技术，对于改扩建工程中路基拓宽施工研究并不全面[9]，必要研究如何控制改扩建中泡沫轻质土置换软土地基施工质量。本文通过实体工程研究泡沫轻质土的生产制备、浇筑工艺、路基拼接技术、防水处理，为同类型工程提供技术依据。

1 工程概况

广东省珠三角地区某高速公路全长41.6km，于1997年通车。由于受当时经济能力、规划思路的影响，路基宽度仅18m。其中有7.36km的软基路段未经过深层处理，仅换填5m厚碎石，累计沉降量较大，路面破损严重。经过技术验证，决定采用泡沫轻质土对旧路外侧10m宽的范围内进行换填，拓宽后路基宽度为38m，路面结构层具体设计见表1。

表1 路面结构Table 1 Pavement structure

2 软土地基改扩建中泡沫轻质施工技术

2.1 原材料

（1）基质土

泡沫轻质土常用砂性、粉性、粘性土，通过解泥和筛分处理使土颗粒直径小于5mm，和胶结材料、气泡均匀混合时能保证泡沫轻质土的流动性和稳定性。本文所用基质土为当地土建工程废弃的粘性土，经过预处理后符合颗粒直径小于5mm的要求

（2）起泡剂

起泡剂由物理作用和化学作用分为两种，但由于化学起泡剂产生的泡沫稳定性受温度湿度影响，本工程选用性能较为稳定的物理起泡剂。常见的物理起泡剂又分为界面活性类、动物蛋白类、树脂类等。动物蛋白类易变质，对存放温度和时间要求较高，所以在施工中禁止使用[10]。本工程选用起泡效果好的复合型起泡剂，其性能检测结果和起泡剂技术指标建议值见表2。

表2 起泡剂性能检测结果和技术指标建议值Table 2 Test results of foaming agent performance and recommended values of technical indexes

（3）胶结材料

水泥是泡沫轻质土主要胶凝材料，起到固结和加固骨架的作用。泡沫轻质土内部的气泡会降低强度，为保证其强度能够满足工程要求，应选用高标号、凝结时间快、密度大的普通硅酸盐水泥，也可选用高炉矿渣水泥或火山灰硅酸盐水泥。石膏粉和硅粉作为辅助材料，用来催化、早凝、减少主剂。本工程选用标号42.5的普通硅酸盐水泥作主要胶结材料，其主要性能指标见表3。

表3 水泥主要性能指标Table 3 Main performance indexes of cement

（4）掺合料

粉煤灰可以起到改善泡沫轻质土强度低、容重大等缺点的作用，能够替代一部分水泥，从而降低施工成本、节约能源。泡沫轻质土所用的粉煤灰要求所含有的游离CaO含量较低，以保证泡沫轻质土的流动性和内部泡沫的稳定性，应选用以无烟煤和烟煤为原料生产的粉煤灰，禁止选用由次烟煤或褐煤生产的粉煤灰。本工程选用符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2017）技术要求的粉煤灰，其主要技术指标见表4。

表4 粉煤灰主要技术指标Table 4 Main technical indexes of fly ash

（5）配合比设计

泡沫轻质土的主要性能指标是容重和无侧限抗压强度等，进行配合比设计时要满足容重、无侧限抗压强渡、湿重比、流值等要求（见表5）。由配合比试验确定发泡剂、胶结材料、基质土、掺加料、水的用量（见表6）。

表5 泡沫轻质土性能技术指标Table 5 Performance index of foamed lightweight soil

表6 泡沫轻质土配合比Table 6 Mixing ratio of foamed lightweight soil

（6）泡沫轻质土制备

在施工现场制备时，向解泥和筛分处理后的基质土掺加水泥、粉煤灰和水，混合搅拌形成水泥-土浆；将起泡剂按配合比确定稀释倍率用水稀释后，泵送到起泡机中与压缩空气充分混合，形成大量致密均匀、直径约为30m～300m左右微小气泡的泡沫；将泡沫与水泥-土浆混合均匀，进行物理性能检测合格后，现场通过泵送浇筑。

2.2 施工技术

（1）路基拼接

对老路边坡进行削坡处理，开挖出适当宽度和高度的台阶，台阶宽度应大于2m。在加宽区泡沫轻质土填筑前应铺设碎石或砂垫层，拼接面各台阶顶面铺设土工格栅并用钢钉锚固，约束拼接处新老路基的相对位移，防止拼接处产生相对位移反射到沥青面层产生纵向裂缝。

（2）泡沫轻质土的浇筑

浇筑前应在基底铺设塑料土工膜和金属网。浇筑时根据施工现场实际情况确定浇筑区和浇筑层的划分。浇筑区通过砼挡墙划分，起到模板和加固作用，单层浇筑方量不超过200m3。浇筑层过薄会影响泡沫轻质土的整体性和消泡，过厚会导致消泡及压缩气泡导致的湿容重增加的现象，因此单层浇筑厚度应控制在0.3m～1.0m，建议为0.5m，下层泡沫轻质土终凝后再浇筑上一层，间隔时间控制在8h以内。禁止在雨天浇筑，若养护时有降雨天气应铺塑料膜遮雨，防止出现消泡现象。浇筑完毕后，表面强度≥0.4MPa、弯沉满足要求即可进行上层道路结构的施工，通过水稳碎石层调整横坡。

（3）防水处理

浸水会导致泡沫轻质土的容重增加和抗压强度降低，若填筑层在地下水位上，应清除基底积水并铺设碎石或砂垫层；若填筑层在地下水位以下或渗透压力≤30kpa，应先在基底铺设排水垫层，再对泡沫轻质土填筑层的上下面和路基拼接处铺设防水土工布；若填筑层在地下水位3m以下或渗透压力≥30kpa，常规防水措施效果有限，应针对泡沫轻质土自身性能进行改良，湿密度≥900kg/m3，强度等级≥1.0MPa。

3 施工质量检测

为了检验泡沫轻质土施工质量，本工程设置200m的实验检测断面，在实验检测断面随机抽取6个横断面，在距离路面3m深度依次由拼接位置向新路基边缘每隔2m埋设多点位移计，即从距离旧路道路中线8m开始，每隔2m设置检测点。根据《公路路基设计规范》（JTGD30-2015）制定拓宽路基的沉降控制值，并结合《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》（TJG F10 01-2011）以及已有改扩建工程的控制标准做综合考虑，得沉降控制值50mm和横坡坡度变化量≤0.5%的双重控制指标[11]。

（1）横向差异沉降

提取6个横断面通车14个月后的累计沉降数据，结果见图1。

图1 横向差异沉降检测结果Fig.1 Test results of lateral differential settlement

由图1可知，距离旧路中线14m处的累计沉降量最大，该处水平位置在路基拼接区域以外，是扩建路面新车道范围，在车辆荷载作用下沉降量较大；8m处沉降量最小，水平位置位于新旧路基拼接处，结合拓宽区域施工高程按渐进式过度处理工艺，能够有效保证路面横坡坡度变化量。实际观测得出，6个截面的横坡坡度变化量最大为0.36%，远小于质量控制标准0.5%，新旧路拼接处过渡良好，路面无明显纵向开裂，拼接施工效果良好。

（2）沉降-时间关系

对沉降量最大的14m处，每隔2个月提取沉降量数据，沉降-时间关系监测结果见图2。

图2 沉降-时间关系Fig.2 Relationship between settlement and time

由图2可知，该实验检测路段的沉降量整体看来，在通车6个月后累计沉降的增长缓慢，均控制在35mm以内，明显低于质量控制标准50mm的要求。这是由于泡沫轻质土容重比常规填筑材料小得多，路面材料对软土地基的附加荷载明显减小，说明泡沫轻质土能有效改善软土地基施工质量。

4 结论

在软土地基道路改扩建工程中，针对软土地基改善处理和新旧路基拼接质量最为关键，若处置不当，会产生严重的工后差异沉降和纵向裂缝。本文对泡沫轻质土在改扩建工程中改良软土地基的施工技术进行研究，实体工程采取上述质量控制技术，通车后持续监测结果表明：

（1）采用台阶式削坡和铺设土工格栅的拼接面处置工艺，结合加宽区高程渐进式过度，能够保证新旧路面工后差异沉降较小，横坡度变化量最大为0.36%，远小于质量控制要求0.5%。

（2）泡沫轻质土对软土地基的荷载应力较小，应用泡沫轻质土后，通车14个月最大累计沉降量为34mm，远小于质量控制标准50mm，对软土地基的处置效果良好。