路基台背回填施工中气泡混合轻质土的应用研究

邱雨生

(中国公路工程咨询集团有限公司 北京市 100089)

0 引言

在行车荷载及自然环境影响下，台背路基与桥台结构物产生不均匀沉降，车辆在路面与桥面连接处经常发生跳车现象[1-3]，对此，科学预防桥头跳车现象的发生已成为公路工程建设中不可忽略的重要问题。高速公路设计中，可在桥台结构物与路基之间设置一层钢筋混凝土梁板，但在行车荷载长期作用下梁板易发生断裂[4]；地基处理可选用碎石桩、冲击碾压等处置方法，但其施工周期长、造价高，无法较好地消除台背路基压缩沉降问题。当前，气泡混合轻质土(简称“轻质土”)作为一种新型轻质填土材料，容重低于一般填土材料，强度高，可有效保证路基承载能力和变形稳定性，且施工简便、绿色环保。针对公路工程轻质土性能及应用研究，国内外学者取得了一定成果。高英力等[5]研究了水泥掺量、矿粉掺量和用水量对矿粉气泡混合轻质土抗压强度和干缩性能影响规律，结果表明水泥掺量对轻质土性能影响最大，矿粉掺量次之；罗吉庆[6]结合轻质土在台背回填、挡土墙等工程的应用，说明轻质土可有效解决施工空间受限、地基承载力不足、路基沉降变形等问题。李东民等[7]研究表明高填方淤地坝地基台背回填轻质土，其承载能力及变形能力均满足使用要求，有效避免桥头跳车病害；刘勇等[8]研究了不同掺合料的气泡混合轻质土的力学性能和稳定耐久性，建议路基设计标准较低时选用粉煤灰轻质土。

以上研究说明轻质土在软土地基、陡坡路堤填筑、桥台台背回填等工程中应用效果良好，而当前对轻质土配合比设计研究较少，且较少考虑工程地质。因此，笔者结合地质勘察材料，通过室内试验设计轻质土配合比，依托台背回填轻质土路基试验段评价其应用效果，可推广轻质土的应用。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

土样选用原状高岭土，取土深度为2m，主要化学成分为Al2O3、Fe2O3，天然含水率为7.6%，塑性指数为18。水泥选用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，技术性质见表1。外掺剂选用石灰岩矿粉和二级粉煤灰，技术性质见表2和表3。发泡剂选用植物蛋白-松香皂复合发泡剂，稀释倍率为1∶40。水选用自来水。

表1 水泥技术性质

表2 矿粉技术性质

表3 粉煤灰技术性质

1.2 试验方案

(1)轻质土配合比设计

通过室内吸水率试验和无侧限抗压强度试验，研究高岭土掺量、湿密度对轻质土物理力学性质的影响规律，确定轻质土施工配合比。

结合试验段地质勘察材料，参照《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》(CJJ/T 177-2012)设计轻质土，拟水灰比为55%，高岭土掺量为20%、40%、60%。路床范围内轻质土湿密度为700kg/m3，设计7d无侧限抗压强度为1.0MPa；其余区域轻质土湿密度为600kg/m3，设计7d无侧限抗压强度为0.8MPa[4]。轻质土设计配合比见表4，每组试验采用3个平行试件。

表4 气泡混合轻质土设计配合比

(2)轻质土应用评价

依托试验段(路桥过渡段30m)，测定轻质土无侧限抗压强度及水稳系数，观测路基沉降量，评价轻质土路基路用性能。

试验段地表0.5m范围内换填砾砂，上铺20cm粉煤灰+20cm二灰土封层，埋设沉降板，再填筑预压土至路基设计标高，待地基预压稳定后，挖除预压土换填气泡混合轻质土至设计标高。

1.3 试件制备及养生

风干土样过5mm圆孔筛，测定风干含水率备用，根据轻质土试件尺寸和设计配合比称取试验材料并进行拌和，混合料搅拌完成后，加入泡沫并继续搅拌。混合料制备完成后，倒入模具，刮刀整平试件表面，置于室温条件下养生2d后进行脱模，放于20℃±2℃、相对湿度95%以上的标准养护室养生至规定龄期。试件尺寸为100mm×100mm×100mm，吸水试验拟养生龄期为28d，无侧限抗压强度试验拟养生龄期为3d、7d、14d、28d、60d、90d。

1.4 性能测试方法

(1)吸水率

轻质土试件达到养生龄期后，测定初始质量m0并放入水中，并置于标准养护室，两周后取出试件，用湿布擦拭试件表面水分，测定质量m1，按式(1)计算轻质土体积吸水率η。

(1)

式中：V—试件体积，cm3；

ρw—水的密度，1g/cm3。

(2)无侧限抗压强度

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51-2009)无侧限抗压强度试验测定轻质土力学强度。仪器选用电子式万能试验机，加载速率为1mm/min。

(3)水稳系数

将轻质土试件分为两组，一组试件按标准养生方法养生至规定龄期，测定其无侧限抗压强度；一组试件在达到养生龄期前一天，从养生室取出试件，浸入水中24h后，测定试件无侧限抗压强度。按式(2)计算轻质土水稳系数ρ。

ρ(n)=qc(n)/q0(n)×100

(2)

式中：ρ(n)—龄期d时的水稳系数，%；

qc(n)—龄期d时的浸水无侧限抗压强度，MPa；

q0(n)—龄期d时的不浸水无侧限抗压强度，MPa。

2 试验结果与分析

2.1 轻质土配合比设计

2.1.1吸水率

轻质土体积吸水率见图1。

图1 轻质土体积吸水率

由图1可知，不同湿密度的轻质土体积吸水率随高岭土掺量变化规律一致，随高岭土掺量增加，轻质土吸水率呈线性趋势增长。高岭土掺量增加10%，湿密度600kg/m3和700kg/m3的轻质土吸水率分别约增加4.5%、6.0%，这是因为湿密度一定时，高岭土掺量增加，水泥掺量及其水泥产物减少，致使轻质土结构内部连通孔隙增多，从而吸水率逐渐增加。另外，同一高岭土掺量的轻质土湿密度增大，其吸水率相对降低。这是因为湿密度较大的轻质土水泥用量增加，泡沫用量相对降低，致使轻质土结构内部连通孔隙减少，因此轻质土吸水率降低。

2.1.2力学强度

轻质土无侧限抗压强度见图2。

图2 轻质土无侧限抗压强度

由图2可知：

(1)随养生龄期增加，不同高岭土掺量和湿密度的轻质土无侧限抗压强度增长规律一致，前28d抗压强度增长速率明显大于后期，当龄期>28d后，轻质土抗压强度增长缓慢。且在养生龄期7d时，轻质土抗压强度满足设计要求；在养生龄期28d时，轻质土抗压强度约为其90d抗压强度的81.3%。这是因为随养生龄期增加，水泥水化产物不断生成，与土粒发生物理化学作用，致使其强度逐渐增长；而随着水泥水化反应的进行，水泥熟料逐渐被消耗，从而抗压强度增长速率减缓。

(2)同一养生龄期下，轻质土无侧限抗压强度与高岭土掺量线性负相关，如图3所示，高岭土掺量增加10%，600kg/m3和700kg/m3的轻质土抗压强度分别降低约9.5%和4.8%以上，说明轻质土湿密度增加，即水泥掺量增加，高岭土掺量对轻质土抗压强度影响减小。另外，同一高岭土掺量下，湿密度700kg/m3的轻质土无侧限抗压强度较高，较湿密度600kg/m3的轻质土抗压强度提高12.9%以上。这是由于轻质土湿密度增大，水泥掺量及其水化产物增加，水化硅酸钙等胶凝材料与土粒的固结作用增强，从而抗压强度提高。因此，建议轻质土高岭土掺量为40%。

图3 高岭土掺量与轻质土无侧限抗压强度关系

2.2 轻质土应用评价

(1)力学性能

轻质土无侧限抗压强度见表5，养生龄期为7d、28d。

表5 轻质土无侧限抗压强度(单位：MPa)

由表5可知，路床及路床以下轻质土7d无侧限抗压强度平均值分别为1.29MPa、0.98MPa，即轻质土承载能力满足路基强度设计要求，且在养生龄期28d时，路床及路床以下轻质土抗压强度较其7d抗压强度分别提高了约47.2%、54.6%，与室内养生条件下轻质土抗压强度增长速率基本相当。

(2)水稳性能

气泡混合轻质土水稳系数见图4，养生龄期为7d、28d、60d、90d。

图4 气泡混合轻质土水稳系数

由图4可知，轻质土水稳系数随养生龄期增加呈增长趋势，且水稳系数逐渐趋于稳定，前28d水稳系数增长速率快于后期，这与轻质土抗压强度增长趋势相关。另外，轻质土水稳系数在77%以上，当养生龄期由28d增至180d，路床及路床以下轻质土水稳系数分别提高了5.6%、5.4%，说明轻质土水稳性能良好。

(3)沉降量

台背轻质土累计沉降量变化曲线见图5。

图5 轻质土累计沉降量

由图5可知，轻质土路基累计沉降量随时间延长逐渐增加至稳定值，在台背填筑280d后，其累计沉降量约为0.80mm，小于《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)中路桥过渡段沉降标准，因此认为气泡混合轻质土路基和地基未发生显著沉降，即桥台结构物与台背回填路基之间不会产生差异沉降，可有效避免桥头跳车。

3 结论

(1)轻质土湿密度越小，同龄期的体积吸水率相对越大；随高岭土掺量增加，同湿密度的轻质土体积吸水率呈线性增加，高岭土掺量增加10%，轻质土体积吸水率至少提高约4.5%。

(2)随养生龄期增加，不同高岭土掺量和湿密度的轻质土无侧限抗压强度增长规律一致，养生前28d抗压强度增长较显著，28d抗压强度约为90d抗压强度的81.3%；随高岭土掺量增加，同龄期的轻质土无侧限抗压强度呈线性降低。

(3)台背施工中填筑轻质土，路床及路床以下轻质土7d无侧限抗压强度满足路基强度设计要求；轻质土水稳性能良好，随养生龄期增加，轻质土水稳系数逐渐趋于稳定，其7d水稳系数在77%以上。

(4)台背轻质土填筑280d后，轻质土路基累计沉降量趋于稳定，约为0.80mm，小于设计规范中路桥过渡段沉降标准，轻质土路基和地基未发生显著沉降，可有效避免桥头跳车。