轻质泡沫土在路堤工程中的应用研究

作者简介：

陈金北（1985—），工程师，主要从事高速公路路基桥梁施工技术管理工作。

文章采用室内试验研究了轻质泡沫土材料的抗压强度、抗折强度参数。试验结果表明，轻质泡沫土的抗压强度、抗折强度随着材料水固比的减小而增大，这主要与材料的水泥用量有关。同时，为了处理原设计方案遇强降雨垮塌的问题，提出使用轻质泡沫土换填的方案。经过数值模拟分析可知，采用轻质泡沫土材料可有效控制路堤沉降量，路面完成后的沉降量为普通填土材料的31.8%。

轻质泡沫土;抗压强度;抗折强度;数值模拟

U416.1+2A030093

0 引言

轻质泡沫土是一种较为常用的工程材料，其主要特点是强度大、质量轻[1-2]。工程材料的抗压强度、抗折强度是极为重要的力学参数，目前，为了获取这两种参数，通常采用室内力学试验的方法，通过试验结果计算获取参数[3-4]。在山区公路修建过程中，挖填方路堤是一种极为常见的路堤形式，由于山区地质条件复杂，软土分布范围广、厚度大，承载力低，易发生沉降，且在强降雨工况下极易出现垮塌破坏[5-6]。目前，研究路基沉降的方法主要为数值模拟法，通过建立数值模拟模型，可分析不同施工阶段的沉降结果[7-8]。结合某公路路堤工程，对轻质泡沫土的力学性质进行测试分析，采用数值模拟方法分析路堤沉降结果。

1 工程概况

工程位置在拟建道路桩号K0+000～K0+114之间。道路边坡最大高度超过40 m，其中最大填筑高度超过35 m。结合场地周边地质环境条件，边坡采用分层填筑，共分为4阶，结合工程经验，从上至下坡率依次为1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0、1∶2.0，在坡面设置拱形骨架以保证边坡工程安全。目前，路堤已经完成下部两台阶的填筑工作，即将进行上部填筑。受工程所在地连续强降雨的影响，填筑土含水率较高，岩土体力学性质劣化。

2 轻质泡沫土基本力学性能

2.1 抗压强度

抗压强度是材料的重要强度参数，对路堤的变形具有较大的影响。根据规范要求，轻质泡沫土抗压强度试样尺寸采用边长为10 cm的正方体试块。无侧限抗压强度试验

主要步骤如下：

（1）检查试块完整性，有明显缺口、裂缝的试块不可用于试验。

（2）测量试块的尺寸，将试块置于压力机中心区域。

（3）开启压力机，按照2 kN/s（50 mm/min）的速度增大荷载直至试块破坏，记录试块破坏荷载P。

（4）采用式（1）计算无侧限抗压强度：

qu=PA（1）

式中：

qu——试件的抗压强度（MPa）;

P——破坏荷载（N）;

A——承压面积（mm2）。

多次试验后的试验结果统计如表1所示。

根据表1数据，绘制水固比与无侧限抗压强度关系曲线，如图1所示，隨着水固比的减小，轻质泡沫土的无侧限抗压强度呈现增大的趋势。水固比对该材料的无侧限抗压强度具有较大的影响。主要原因如下：随着水固比的减小，轻质泡沫土材料的水泥用量正在不断提高，水的用量在减少，造成材料孔隙率减少;在实际工程中，轻质泡沫土强度参数主要受到水泥胶结的影响。因此，轻质泡沫土的抗压强度与水固比成反比例关系。

2.2 抗折强度

抗折强度是轻质泡沫土材料抗弯能力的反应，亦可称为断裂模量。该参数也是材料韧性的直接反应，表明了单位面积受弯矩作用时的极限折断应力。为了测试轻质泡沫土的抗折强度，试块尺寸设置为15 cm×15 cm×60 cm。主要试验步骤如下：

（1）检查试块完整性，有明显缺口、裂缝的试块不可用于试验。

（2）测量试块的尺寸，将试块置于压力机中心区域。

（3）开启压力机，按照50±10 N/s的抗折速率增大荷载直至试块破坏，保存并记录数据。

（4）采用式（2）计算抗折强度：

ff=PLbh2（2）

式中：

ff——抗折强度（MPa）;

P——极限荷载（N）;

L——支座距离（mm）;

b 、h——试件宽度、高度（mm）。

试验结果统计如表2所示。

根据表2数据，绘制无侧限抗压强度与抗折强度的关系曲线，如图2所示，轻质泡沫土的无抗折强度与无侧限抗压强度参数呈正比关系，随着无侧限抗压强度的增大，抗折强度也有所提升，两者之间满足如下关系：ff=0.228 9qu+0.191 9（R2=0.98）。由于抗折强度与无侧限抗压强度之间呈现出较为显著的正相关关系，因此，抗折强度与水固比的关系同无侧限抗压强度与水固比的关系。

2.3 弹性模量和CBR特性

材料的弹性模量和CBR特性在工程中是一种十分重要的参数，受实验条件限制，本次未进行室内试验。根据《现浇泡沫轻质土技术规程》可知，轻质泡沫土的弹性模量Ec和无侧限抗压强度成线性相关关系，两者满足式（3）：

Ec=（200～250）qu（3）

根据《公路路基设计规范》可知CBR特性与无侧限抗压强度参数满足式（4）：

CBR=25.4qu-0.762（4）

式中：CBR单位为%，

抗压强度单位为 MPa。

3 轻质泡沫土路堤治理工程设计

在实施轻质泡沫土方案之前，首先需要对工程所在区域的软土地基沉降数据进行观测，只有当软土沉降结果满足相关规范、技术要求后，方可实施轻质泡沫土换填路堤的方案。结合原设计方案，轻质泡沫土路堤方案设计典型断面如图3所示。

由于按照原设计方案填筑路堤过程中遭受了连续的强降雨天气，导致填筑的路堤出现了一定的滑动破坏迹象，滑动面见图3中的虚线。为了采用轻质泡沫土方案，对现状开挖的断面采用EVA+岩土封闭处理，防止雨水下渗，造成岩土体进一步劣化。之后清除断面表层软弱土体后，根据设计断面填筑轻质泡沫土。坡体下部间隔5 m设置一处排水孔。

结合场地地质情况建立数值模拟模型（见图4），分析普通填土路基与轻质泡沫土路基的变形情况。采用分层填筑的方法，研究填筑至不同层的沉降情况。完成第1层填筑作业后，普通填土路堤的沉降量为1.85 cm，采用轻质泡沫土填筑的路堤沉降量为1.31 cm;完成第3层填筑作业时，普通填土路堤的沉降量为4.12 cm，采用轻质泡沫土填筑的路堤沉降量为1.95 cm;完成第5层填筑作业时，普通填土路堤的沉降量为6.57 cm，采用轻质泡沫土填筑的路堤沉降量为2.70 cm;完成第10层填筑作业时，普通填土路堤的沉降量为13.65 cm，采用轻质泡沫土填筑的路堤沉降量为3.98 cm;完成第13层填筑作业时，普通填土路堤的沉降量为18.79 cm，采用轻质泡沫土填筑的路堤沉降量为4.96 cm;完成第15层填筑作业时，普通填土路堤的沉降量为23.66 cm，采用轻质泡沫土填筑的路堤沉降量为7.54 cm。根据图4沉降变形模拟结果可知，普通填土路堤随着填筑层数的增大，变形沉降量增大速率远大于轻质泡沫土路堤。采用轻质泡沫土材料填筑的路堤沉降量仅为普通填土路堤沉降量的31.8%，采用轻质泡沫土材料有助于控制软土路基沉降量较大的缺陷，有助于保证道路沉降满足要求。

4 结语

（1）根据室内试验结果可以得知，轻质泡沫土的抗压强度、抗折强度与水固比成反比。随着水固比增大，抗压强度、抗折強度均有所减少。出现这一现象的主要原因是水固比增大意味着轻质泡沫土水泥用量减少，从而降低了轻质泡沫土的韧性和强度。

（2）采用原设计方案现场路堤出现了滑塌现象，因此，提出采用轻质泡沫土换填路堤的方案加以处

理。根据有限元数值模拟结果可知，换填轻质泡沫土后，路堤的沉降量得到了有效的控制。

[1]杨 伟.泡沫轻质土在软土地基道路改扩建中的应用[J].合成材料老化与应用，2020，49（5）：94-96，130.

[2]熊洪建.泡沫轻质土在公路软土地基中的应用效果分析[J].福建交通科技，2020（5）：36-38，77.

[3]王 坤.聚丙烯纤维对再生混凝土力学及收缩性能影响研究[J].福建交通科技，2020（6）：38-41.

[4]张 璐，李海洲，任皎龙.100%再生黏土砖骨料混凝土抗压强度的试验研究[J].混凝土，2020（11）：79-82，88.

[5]邵 迪.斜坡软土路堤稳定性研究及地基处理分析[D].大连：大连交通大学，2018.

[6]龙 森，刘 品，单 浩.山区典型软土路基稳定性影响因素敏感性分析[J].科学技术与工程，2018，18（14）：60-66.

[7]李 伟，孙肇坤，赵 鑫，等.袋装土平铺层数对路基沉降影响的数值模拟研究[J].水利与建筑工程学报，2020，18（5）：54-59.