泡沫轻质土在高填帮宽路基中的应用

杨莹

中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063

泡沫轻质土是将稳定泡沫体系与胶凝料浆按照一定的比例均匀混合硬化形成的一种轻质材料。泡沫轻质土具有轻质、强度可调节、高流动性、固化后能自立、施工性和耐久性良好等特点［1-5］。

现浇泡沫轻质土技术已成功应用于多条高速铁路泡沫轻质土路基工程建设［6-11］。商合杭高速铁路肥东站应用了9.7万m³泡沫轻质土，是铁路建设工程中应用泡沫轻质土方量最大的工程［12］，自2016年施工以来，既有合肥至南京铁路安全运营未受影响，有效解决了软土地基既有线高填帮宽的变形控制和安全运营难题。

本文以商合杭高速铁路肥东站的泡沫轻质土高填帮宽路基为依托，结合数值模拟和现场试验监测，对比分析了采用泡沫轻质土和常规路基填料帮宽的附加应力和附加沉降变形。

1 工程概况

肥东站位于安徽省合肥市肥东县，为合宁铁路的中间车站，规模2台6线，为运营速度200 km/h的有砟轨道高速铁路，路基基底地基局部浅层抛填片石加固，状况稳定。商合杭高速铁路在既有车站两侧各增加1股道作为商合杭正线，并改建既有2股道作为到发线。

1.1 工程地质条件

肥东站所处场地属于岗地间坳谷地貌，地面平坦开阔，地面标高一般为19.0～30.4 m。地基地层岩性从地表往下依次为：⓪层人工填土，褐黄色，稍湿，层厚0.5～3.1 m，多为合宁铁路路基填土；①1层淤泥质粉质黏土（Q4al），灰褐色，流塑，基本承载力σ0=80 kPa，层厚2～6 m，在河流及水塘附近局部分布；①2层黏土，褐黄色，软塑～可塑，σ0=120～150 kPa，场区广泛分布，层厚4.8～11.0 m；①3层黏土，褐黄色，硬塑，土质较均匀，含铁锰质氧化物、姜石，σ0=180～200 kPa，层厚15～35 m；②1～3层泥质砂岩（K2c），褐红色～紫红色，全～弱风化，其中全风化岩芯风化呈砂土状，黏性较大，σ0=250 kPa，层厚1.0～8.5 m，弱风化砂质结构，中厚层构造，岩芯较完整，呈柱状，节长一般5～30 cm，单轴饱和抗压强度2.61 MPa，σ0=450 kPa，层厚1.2～15.0 m。

1.2 主要问题及处理措施

商合杭高速铁路肥东站填高变化较大，正线路基填高3.1～9.3 m，且地表存在软土层和软塑土层。高填方路基两侧帮填新线路基，处理不当会引起既有线较大的附加变形。如何选用既能满足新建线路要求又能减小既有线附加变形的工程措施，是肥东站的设计难点。

根据设计方案，肥东站路基采用复合地基+泡沫轻质土路基结构。采用搅拌桩复合地基加固软弱地基，桩直径0.5 m，桩间距0.8～1.0 m，呈正方形布置，桩长5～8 m。新线填土高度大于6 m地段的基床以下采用泡沫轻质土填筑，泡沫轻质土重度6～7 kN/m³，抗压强度1.0～1.2 MPa。泡沫轻质土重度小、密度和强度可调性、直立性好的工程特性可以减小既有线附加应力，从而减小对营业线路基的影响。K438+320典型断面加固设计方案如图1所示。

图1 K438+320横断面加固设计方案（单位：m）

2 数值模拟分析

2.1 几何模型

采用软件GeoStudio的SIGMA/W进行数值模拟计算。K438+320断面路堤形式为轴对称的双侧帮宽，以既有路堤中心线为基准取一半结构建立模型，底端边界约束竖向位移和水平向位移，两侧边界约束水平向位移，如图2所示。

图2 K438+320断面数值计算模型

2.2 材料参数

主要土层计算参数见表1。既有线路堤下的①2黏土已预压固结，因此压缩模量大于其他区域的①2黏土。根据统计资料，一般情况，土体的弹性模量是压缩模量的几倍，且土体的压缩性越小，模量比越大。

表1 主要土层情况及参数

泡沫轻质土和水泥土桩的弹性模量按其无侧限抗压强度qu的倍数估算，泡沫轻质土的弹性模量按250qu估算，水泥土桩的弹性模量按100qu～200qu估算。为验证泡沫轻质土填筑的处理效果，将采用泡沫轻质土填筑的部分换成常规A、B填料填筑进行计算对比。计算模型其他材料参数见表2。

表2 模型其他材料参数

2.3 计算结果分析

2.3.1 既有路堤基底附加应力

普通填料和泡沫轻质土帮宽方案的ch位置处基底附加应力分布见图3。

图3 K438+320断面附加应力

由图3可知：既有路堤帮宽后，既有线基底附加应力呈倒钟形分布，基底附加应力随着距既有路基中线的距离增大而不断增大，在坡脚处达到最大值；既有线坡脚b点基底附加应力最大值，采用普通填料帮宽时为142.9 kPa，采用泡沫轻质土帮宽时为59.7 kPa，比普通填料帮宽减小约58.2%。

2.3.2 既有路堤地基附加沉降

普通填料和泡沫轻质土进行路堤帮宽后基底ch位置的附加沉降曲线见图4。经过多年运营后，既有路堤下的地基沉降已基本完成，路堤帮宽后变形主要发生在帮宽区域。可知：帮宽后既有路堤产生附加沉降，随着距既有路基中线的距离增加而逐渐增大，最大值发生在新老路堤搭接处。普通填料帮宽时，既有线坡脚b点处附加沉降最大值为141.1 mm，而泡沫轻质土帮宽时为41.9 mm，且帮宽路基基底沉降基本相同，附加沉降比普通填料帮宽时减小70.3%。普通填料帮宽时，既有线路肩处a点附加沉降73.3 mm，泡沫轻质土帮宽时附加沉降24.6 mm，相比减小了66.4%。普通填料帮宽时，断面最大差异沉降6.6‰，泡沫轻质土帮宽时为1.6‰。泡沫轻质土帮宽对减小既有线附加沉降和差异沉降效果显著。

图4 K438+320断面沉降位移

2.3.3 既有路堤地基深层水平位移

既有路堤坡脚bd、e f位置的地基水平位移曲线见图5。

图5 K438+320断面总位移

由图5可知：地基土体水平位移随着深度的增加逐渐减小。bd位置既有路堤坡脚处最大水平位移，普通填料帮宽时为往左偏移2.0 mm，泡沫轻质土帮宽时为往右偏移0.8 mm；ef位置帮宽路堤坡脚处最大水平位移，普通填料帮宽时为0，泡沫轻质土帮宽时为往左偏移0.8 mm。大约11 m深度处，水平位移最大，普通填料和轻质土填料e f位置最大水平位移分别为向右侧22.8、6.4 mm。

既有线路肩与帮宽路基形成一体，在帮宽路基的作用下，也发生向右的水平位移。路肩处a点普通填料帮宽时附加水平位移往右偏移22.3 mm，泡沫轻质土帮宽时附加水平位移往右偏移8.0 mm，相对减小64.1%。

2.3.4 稳定安全系数

普通填料和泡沫轻质土帮宽后路堤的稳定安全性采用Morgenstern⁃Price法进行检算，滑动面位置见图6。

图6 K438+320断面稳定安全性检算滑动面位置

由图6可知：两种填料帮宽路堤的稳定安全系数分别为1.483和2.426，均满足要求。普通填料帮宽时滑面自帮宽路基路肩从墙底剪出，泡沫轻质土帮宽时滑面半径增大，自既有路基路肩穿过复合地基从坡脚外剪出，泡沫轻质土帮宽时稳定安全系数大幅提高。

3 现场测试

3.1 测试方案

在泡沫轻质土路堤浇筑之前，在K438+320断面帮宽路堤底部沿横断面方向相距4.5 m布置两个变形位移自动监测点，监测路堤底部的竖向沉降，基准点布置在挡墙外侧，砌筑平台固定基准点，如图7所示。

图7 K438+320断面监测点布置

3.2 地基沉降

K438+320试验段泡沫轻质土路堤自2017年7月7日开始浇筑。依据自动监测系统采集的数据，获得现场测点1和测点2的累计沉降曲线，见图8。

由图8可知：在帮宽路堤整个施工过程中，路堤底部的沉降逐步增加。泡沫轻质土路堤浇筑完成后，沉降速率有所减慢，在浇筑完成后大概一个月的时间，路堤底部的沉降变形基本稳定。在A、B料填筑施工过程中，沉降速率又明显变大，而后沉降速率变缓直至沉降稳定。泡沫轻质土填筑产生的沉降较小，测点1的沉降约为5 mm，测点2的沉降约为7 mm；A、B料填筑完成后稳定一段时间，测点1的总沉降约为16 mm，测点2的总沉降约为19 mm。由于既有线运营的原因，未取得既有线沉降监测数据，但是施工过程中既有路基一直保持正常运营，说明对既有线基本无影响。

图8 沉降监测点累计沉降曲线

3.3 地基深部水平位移

K438+320断面帮宽路堤外侧土体深部水平位移变化见图9。

图9 K438+320断面水平位移变化

由图9可知：土体深部水平位移呈现随深度逐渐减小的变化规律，且随着填筑高度的增加，土体水平位移最大值逐渐增大。K438+320断面填筑高度达10 m，A、B料填筑完成后，地基最大水平位移为10.8 mm。可知，采用泡沫轻质土进行路堤帮宽不会产生较大的土体深部水平位移。

4 结论

1）采用泡沫轻质土帮宽可显著减小既有线和帮宽路基的附加应力、附加沉降、差异沉降和附加水平位移。在新老路堤搭接处产生59.7 kPa的附加应力，比采用普通填料帮宽降低58.2%；新老路堤搭接处既有线路堤坡脚附加沉降41.9 mm，比普通填料帮宽时减少70.3%，最大差异沉降1.6‰；既有线路肩附加沉降24.6 mm，比普通填料帮宽减小66.4%；既有路基路肩水平位移向右偏8.0 mm，比普通填料帮宽减小64.1%；坡脚水平位移0.8 mm，不会对既有路堤的地基深层水平位移产生显著影响。

2）根据肥东站泡沫轻质土帮宽路堤工程的现场试验，高度为6 m的泡沫轻质土路堤浇筑后产生的沉降约5～7 mm，泡沫轻质土以上2.5 m厚度基床填筑以后总沉降为16～19 mm，泡沫轻质土能显著减小地基沉降。

3）泡沫轻质土施工简便，拌和、发泡均在路基以外完成，采用现浇施工，施工速度快，对营业线路的影响小，是解决邻近营业线高填帮宽路基的有效方案。