气泡混合轻质土在路基台背回填中的应用效果分析

■梁伟峰

（广东晶通公路工程建设集团有限公司，广州 510635）

近年来， 随着我国高速公路事业大规模向山区、丘陵地带扩展，公路建设逐渐延伸到了地质条件复杂、地基薄弱地区[1]，不仅增大了工程建设难度，更出现了桥头跳车、地基沉降过大及高填方路基稳定性不足等质量通病，严重影响了道路运营的舒适性和安全性[2]，因此，如何解决地形复杂地区桥头跳车问题，以及提升台背回填质量已成为当下学者亟需研究的热门课题[3-4]。

目前，国内外学者在台背回填方面展开了大量研究，如苗学云等[5]采用液压夯实工艺对涵洞台背两侧进行夯实，研究在不同摊铺厚度、夯实遍数情况下的压实效果情况，分析了不同工艺参数下的作业效率情况。 延伦[6]全面阐述了泡沫轻质土的施工工艺原理、施工前准备工作、泡沫生成和水泥浆制备、泡沫轻质土的生成及现场浇筑等施工工艺和流程，并提出了能够保证泡沫轻质土在公路桥梁台背回填中应用效果的质量控制措施。 罗吉庆[7]将气泡轻质土应用在台背回填、挡土墙及路基填筑在项目中，解决了通行净宽不足、施工空间受限、地基承载力不足、路基失稳等问题。 气泡混合轻质土因具有轻质量高强度、 施工性好及优良的耐久性等特点，已在我国公路工程中得到广泛应用，但在淤泥质地基中应用效果还有待进步不深入。 基于此，本研究针对气泡混合轻质土的性能进行了研究，并针对气泡混合轻质土在淤泥地基的应用情况进行了监测分析，最终证明气泡混合轻质土在路基台背回填中的优良效果。

1 工程概括

1.1 工程简介

本研究以某高速公路连接线项目为工程背景，该线路全长2.32 km，路面总宽度为24.5 m，车道设计为双向四车道，最高行驶速度为80 km/h。 项目包含一座现浇整体板式桥，桥梁全长35 m，总宽度为25.5 m，桥面包含2 m×0.75 m 防撞护栏+1.5 m 中央隔离带+2 m×11.25 m 行车道，桥面横坡为2%。该地区地势相对平坦，经考察发现地质层主要表现为淤泥土层和软土层，保障路基稳定的淤泥质粉质粘土层在地下1.8～2.4 m，厚度在2.5～4.0 m，采用静力触探测得台背地基最大承载力为100 kPa， 由此可确定该项目属于高填方软基台背回填工程。 通过综合分析地质分布情况、土层特性、地基承载力以及路基填筑高度等因素的影响，计划采用气泡混合轻质土对路基台背进行回填。

1.2 气泡混合轻质土特点及优势

气泡混合轻质土主要由水泥、水、发泡剂以及外掺材料按照一定比例，经机械充分混合、搅拌后形成的填充材料，相对于传统填充材料，气泡混合轻质土具有以下优势：（1）轻质量高强度，可有效降低对地基的荷载，避免差异沉降病害的出现。 （2）流动性强，增强了泵送距离，可不受地形、场地限制，施工速度块、机动性强。 （3）直立性好，可减少土石方数量，节约施工成本，缩短工期。 （4）经济性好，相对于传统填土施工更为简便，成本低，工期短，具有良好的经济效益。

1.3 气泡混合轻质土台背回填设计

根据CJJ/T 177-2012《气泡混合轻质土填筑工程技术规程》规范要求，气泡混合轻质土填筑路基湿容重取值为600 kg/m3， 强度取值为1.0 MPa，流动度取值为180 mm（±20 mm）。 由于该路段地基地下水位不高，为防止气泡混合轻质土过量吸水而导致其性能下降，需对提前对气泡混合轻质土做好防渗设计， 可采用防水土工布包裹， 搭接宽度为35 cm，同时对接缝处进行密封。 路基与气泡混合轻质土的搭接处设计高度为1.2 m， 宽度为1.5 m 的台阶， 路基两侧边缘设计高度为1.2 m， 宽度为0.75 m 的台阶，以确保气泡混合轻质土与路基衔接良好。 台背回填断面设计见图1。

图1 台背回填断面设计

2 气泡混合轻质土性能分析

2.1 配合比设计

试验所用原材料主要包括水、PO42.5R 型水泥、TYFPJ-25 型发泡剂和TYWJJ-35 型外加剂，按照一定比例进行混合制备满足设计要求的气泡混合轻质土试件，并对试件进行性能检测，测得其流动度为190 mm， 湿容重为608 kg/m3，28 d 抗压强度为1.2 MPa，性能指标均满足规范要求。气泡混合轻质土配合比设计为水泥350 kg、发泡剂42 kg、外加剂4 kg、混合水189 kg。

2.2 性能分析

2.2.1 力学性能

为检测气泡混合轻质土的力学性能，在施工过程中需随机留样检测， 测试试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，针对气泡混合轻质土试件7～180 d周期的无侧抗压强度进行分析，结果见图2。

图2 不同周期-抗压强度变化曲线

由图2 可知，随着检测周期由7 d 增至180 d，气泡混合轻质土的无侧限抗压强度呈不断增大趋势变化， 其中气泡混合轻质土周期7～28 d 的无侧限抗压强度增幅比较显著，增幅达64.8%，而气泡混合轻质土周期28～180 d 的无侧限抗压强度增幅相对较小，增幅为20.5%，原因是气泡混合轻质土内部水泥在28 d 周期内水作用较大，强度增幅明显，超过28 d 周期后水泥水化作用逐渐下降，强度增幅随之减小， 但最终气泡混合轻质土的无侧限抗压强度达到了1.41 MPa，满足该工程所需的规范设计要求。

2.2.2 水稳定性能

为检测气泡混合轻质土的水稳定性能，分别计算气泡混合轻质土试件7～180 d 周期的水稳定系数，结果见图3。

图3 不同周期-水稳定系数变化曲线

由图3 可知，随着检测周期由7 d 增至180 d，气泡混合轻质土的水稳定系数呈逐渐增大趋势变化， 其中气泡混合轻质土周期7～60 d 的水稳定系数增幅较小，可忽略不计，而气泡混合轻质土周期60～180 d 的水稳定系数增幅相对明显， 增幅约10%，说明气泡混合轻质土泡水周期越长，其水稳定系数就越高，但考虑到气泡混合轻质土自身湿容重较大，泡水后会降低其无侧限抗压强度，因此在施工阶段还需做好防水设计。

3 监测方案设计与分析

3.1 方案设计

为研究气泡混合轻质土在路基台背回填中的实际效果，在施工过程中提前预埋土压力盒和沉降管，针对台背地基土压力（1～2 号土压力盒）、台背侧压力（3～6 号土压力盒）以及台背地基与路基的沉降量（A、B 沉降管）进行长期监测，预埋位置见图4。

图4 土力盒及沉降管埋设位置

3.2 结果与分析

3.2.1 台背地基土压力

路基施工完成后，针对1、2 号土压力盒数据进行监测，定期采集土压力盒实时数据，周期为每月1 次，汇总后得到台背地基土压力变化曲线见图5。

图5 台背地基土压力变化曲线

由图5 可知，台背地基1 号位置的土压力要大于2 号位置，原因是1 土力盒的埋设位置靠近地基边缘，而2 号土力盒靠近地基中心位置。 台背地基1、2 号位置的土压力随着时间的推移均呈先增后减，最后逐渐趋于稳定的趋势变化，原因是路基浇筑过程中荷载会不断增大，浇筑完成后气泡混合轻质土中的水泥由于水化作用自重下降，其压力值也会随之减小。 台背地基1、2 号位置的最大土压力值分别为41.8 kPa 和56.3 kPa，远远小于原地基测得的最大承载力100 kPa， 由此说明该地基的实际承载力足以支撑路基所需荷载，证明采用气泡混合轻质土进行台背回填的设计方案具有可行性。

3.2.2 台背侧压力

路基施工完成后，针对3～6 号土压力盒数据进行监测，定期采集土压力盒实时数据，周期为每月1 次，汇总后得到台背侧压力变化曲线见图6。

图6 台背侧压力变化曲线

根据图6 可知，台背侧3、5 号位置的压力值要大于4、6 号位置，原因是3、5 号土力盒的埋设位置靠近地基顶部，而4、6 号土力盒靠近地基底部。 台背侧3～6 号位置的土压力随着时间的推移均不断减小，最后逐渐趋于稳定的趋势变化，原因为气泡混合轻质土产生水化作用后， 内部结构完成固化，不再对路基侧部产生压力。 台背侧3～6 号位置的最大土压力值分别为2.89、3.14、2.79 和3.14 kPa，4 个位置的最大台背侧压力均较小，基本不会对台背侧产生较大影响，由此说明该地基采用气泡混合轻质土进行台背回填可以满足台背侧压力的设计要求。

3.2.3 路基及地基沉降量

路基施工完成后，针对A、B 号管沉降情况进行监测，并每月定期记录1 次沉降值，汇总后得到沉降值变化曲线见图7。

由图7 可知，路基、地基沉降管的沉降值均随着时间在0.01～0.22 mm 范围内波动， 路基A 沉降管最大值和最小值分别为0.01 mm 和0.22 mm，地基B 沉降管最大值和最小值分别为0.02 mm 和0.22 mm，说明路基与地基的沉降变化基本一致。 路基A 沉降管的最终沉降值为-0.12 mm，地基B 沉降管的最终沉降值为0.21 mm， 且在监测时间内路基和地基达到的最大沉降值均为0.22 mm， 说明在监测时间内路基与地基均未发生较大沉降差异。 综合来看，采用气泡混合轻质土进行路基台背回填不会产生路基变形以及地基沉降过大的问题，可以保障路基的安全稳定性。

图7 路基、地基沉降变化曲线

4 结论

本研究通过配合比设计以及监测方案设计，针对气泡混合轻质土的力学性能、水稳定性能、台背地基土压力、 台背侧压力以及沉降情况进行分析，得到以下主要结论：（1）气泡混合轻质土的无侧限抗压强度与水稳定系数均会随着时间推移不断增大，但气泡混合轻质土自身湿容重较大，泡水后会降低其无侧限抗压强度，因此在施工阶段还需做好防水设计。 （2）台背地基的最大土压力值为56.3 kPa，远远小于原地基测得的最大承载力100 kPa， 由此说明该地基的实际承载力足以支撑路基所需荷载要求。 （3）台背侧最大土压力值为3.14 kPa，4 个位置的最大台背侧压力均不会对台背侧产生较大影响，说明该地基采用气泡混合轻质土进行台背回填可以满足台背侧压力的设计要求。 （4）路基、地基沉降管的最终沉降值为分别为-0.12、-0.21 mm，且在监测时间内路基与地基均未发生较大沉降差异，说明气泡混合轻质土进行路基台背回填不会出现路基变形以及地基沉降过大的问题。