泡沫轻质土在沾临高速路桥过渡段路基处理中的应用

2022-03-26张冉，王健，邓煜

山东交通科技 2022年1期

张冉，王健，邓煜

（山东省交通规划设计院集团有限公司，山东济南 250031）

引言

泡沫轻质土（泡沫轻质混凝土）是一种在水泥基浆料中加入泡沫后凝固而成的轻质类混凝土，原材料包括水泥、水和泡沫，是公路建设领域的一种轻质填筑材料，具有轻质性、重度和强度可调节性、自流性、直立性及施工便捷性等特性[1]。

在公路工程中，根据地材情况和工程特性可加入其他掺合料对泡沫轻质土性能进行改良调整，如粉煤灰、矿渣粉、砂等。郭燕锋[2]探讨了桥梁台背项目回填泡沫轻质土施工技术，介绍了泡沫轻质土的构成及物理力学性能。代茂华和王博[3]以塘承高速公路桥头地基处理为例，论述泡沫轻质土填筑桥头路基的具体方案、技术要求、质量措施，分析了泡沫轻质土处理桥头地基对消除路基不均匀沉降、跳车等问题的效果。于飞[4]利用泡沫轻质土对蒲都高速路基桥梁台背回填，以解决台背沉降问题。白永亮[5]采用泡沫轻质土对高挡墙背回填，可以大幅度减小土侧压力，缓解路基沉降，解决桥头跳车难题，保证挡墙整体安全。白云龙[6]通过施工实例讲述泡沫轻质土在桥梁施工中的技术指标、施工工艺，施工控制方法、常见质量问题及防范措施等。胡立[7]介绍了泡沫轻质土材料的形成原理、特性及施工优势，研究了泡沫轻质土施工关键技术及质量控制措施。王永江[8]以市政道路扩能改造项目为背景，论证了泡沫轻质土用于填筑拓宽路基的可行性。

1 泡沫轻质土的特点

泡沫轻质土是用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分骨料、掺和料、外加剂等按一定比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料[1]。泡沫轻质土有较明显的轻质性，还可根据工程需要在大范围内进行调整。工程中常用的密度范围为500～1 300，其他材料密度：混凝土2 500，基层2 300，常规填土1 800～2 000，粉煤灰1 200～1 600，聚苯乙烯泡沫200～300[9]。微观结构见图1。

图1 泡沫轻质土微观结构

泡沫轻质土具有密度小、强度大于常规回填土、整体性、抗冲击性能好及无侧向压力等特性。能更好地分散路基应力集中现象，提高台背回填施工质量。泡沫轻质土是一种绿色、环保、节能、利废的无机建筑材料，对周边环境影响小，节能环保。因此，泡沫轻质土可以作为很好的路基回填料使用。

2 应用可行性分析

2.1 与常规方法比较

为降低路桥过渡段工后沉降，避免桥头跳车，常规路桥过渡段路基处理采用砂砾、碎石土、石灰处治土、水泥稳定风化砂等材料进行回填。根据泡沫轻质土的特性，在回填部位采用泡沫轻质土，可以减小桥台与路基之间的不均匀沉降。同时，泡沫轻质土的重量小，其产生的侧向土压力小，一般不会使桥台发生侧向偏移，还可以降低地基土上覆荷载，在同样填土高度的路桥过渡段，与普通台背填料相比，泡沫轻质土可以减少甚至取消桩基地基处理。但由于泡沫轻质土不含粗骨料，且水灰比较大，因此，泡沫轻质土的干缩性大，极易在凝结硬化过程中产生干缩裂缝[1]。

泡沫轻质土回填与常规回填相比较，主要差异：（1）同常规回填土相比，泡沫轻质土力学性能优于常规回填土，且整体性更好。（2）耐久性方面，泡沫轻质土回填相比于常规回填耐久性能更好，因为泡沫轻质土的施工方法使得整体性能较好。（3）施工工艺上，泡沫轻质土要比常规处理回填更加方便，常规回填需要土体压实，处于桥头台背处部位常规回填通常难以压实，而泡沫轻质土整体浇筑对比常规回填要显得更加便捷。

2.2 方案设计

2.2.1 组合式涵洞台背回填设计

以沾化至临淄公路工程项目为依托，该项目位于黄河冲积平原地区，耕地间灌溉沟渠较多，用一行车、一排水的两个距离较近的涵洞可有效降低路基填土高度。

由图2 可知，当涵洞结构间距较近时，若采用常规回填方法，两个涵洞间填土难以被压实。泡沫轻质土回填因自身的自流性可以很好地解决这一问题，且泡沫轻质土具有良好的力学性能可以承受行车荷载，因此，可以利用泡沫轻质土回填组合式涵洞。采用泡沫轻质土材料参数见表1。

图2 组合式涵洞台背回填设计/cm

表1 泡沫轻质土材料参数

泡沫轻质土在涵洞台背回填的实际应用中整体性能良好，行车稳定，强度满足《现浇泡沫轻质土技术规程》（CECS 249—2008）的要求[10]。

2.2.2 桥梁台背回填设计

沾化至临淄公路项目设计桥梁台背回填见图3。由于泡沫轻质土单价较高，如果仅从路基工程方面考虑其可以减少或取消部分桩基处理的造价外，价格优势仍不明显。因此，在设计时需要采用路桥整体设计一体化的思路，同时对传统桥台进行优化。由于泡沫轻质土具有更好的自立性，对于桥台的侧向土压力非常小，设计中可将原肋板式桥台调整为柱式桥台，桩基础、承台的尺寸也大幅减小，有效降低工程造价。泡沫轻质土的容重只有普通填土的1/3～1/2，相比于常规填土将其用于台背过渡段回填后，地基附加应力小于普通填土填筑的附加应力，对桥梁结构来说更加稳定安全[11]。

图3 桥梁台背回填/cm

2.3 施工要点

2.3.1 保护壁施工

泡沫轻质土回填时，需在四周浇筑钢筋混凝土挡墙作为保护，后续泡沫轻质土回填入挡墙内形成整体结构。保护壁施工要点：（1）桥头路基填土高度较高，保护壁采用钢筋混凝土薄壁挡墙。按《现浇泡沫轻质土路基设计施工技术规程》（TJG F1001—2011）要求，在高度＜2 m 时，可一次性浇筑至设计高程，否则应分2～3 次分次浇筑。挡墙施工完成一层再分层浇筑泡沫轻质土。（2）涵洞台背回填挡墙保护壁浇筑时应注意预留沉降缝，避免后期因保护壁挡墙及涵洞的不均匀沉降造成挡墙混凝土开裂。（3）桥台台后保护壁与路侧保护壁施工时应注意整体性，在转角处设抹角，钢筋搭接绑扎牢固，避免在挡墙转角接缝处产生开裂。

2.3.2 泡沫轻质土浇筑

（1）泡沫轻质土单个浇注区单层浇筑施工时间应控制在水泥浆终凝时间内。（2）泡沫轻质土单层浇筑厚度按≤1 m 控制；同一区段上下相邻浇筑层，当施工期气温≥15 ℃，最短浇筑间隔时间可按8～12 h控制；否则，浇筑间隔时间应≥2 d。（3）浇筑期间应同时对保护壁进行轴向位移观测。若保护壁发生轴向偏位＞20 mm，应停止泡沫轻质土施工并分析原因，及时对保护壁外侧采取临时支护措施防止轴向偏位进一步扩大。（4）由于泡沫轻质土自流平的特性，路基横坡、纵坡通常由部分路床土、路面底基层、垫层等作为调平层。调平层的工程量与泡沫轻质土顶层的分块尺寸密切相关，因此，施工前应对泡沫轻质土顶面浇筑区进行划分，并进行各分区控制标高计算，施工时按标高控制施工。

3 回填应用案例经济分析

3.1 桥头台背回填案例一

沾化至临淄公路项目K78+075 大桥0 号、8 号桥台，桥头路基填土高度分别为6.1 m、6.7 m。

3.1.1 方案一：常规处理方案

桥台台背回填采用4%水泥处治土，见图4。桥头地基处理采用浆喷桩，浆喷桩的直径取0.5 m，浆喷桩在平面上呈正三角形布置，间距为1.2～1.5 m，纵向处理长度40 m；桥台为肋板式台，桩基础采用双排桩，设计桩长43 m。

图4 方案一桥台立面（除高程外，单位：cm）

3.1.2 方案二：泡沫轻质土方案

桥台台背采用泡沫轻质土回填，见图5。经沉降计算后确定采用轻质土填筑台背后不需要进行桥头地基处理即可满足工后沉降要求；由于轻质土固化后不产生侧向推力，桥台采用桩柱式桥台，桩基础设计桩长40 m，每个桩柱另外配一根15 m 长辅助桩。

图5 方案二桥台立面（除高程外，单位：cm）

方案一台背回填、桥台、桥头地基处理等建安费合计557.7 万元；方案二台背回填、桥台等建安费合计502.7 万元。比较发现，采用泡沫轻质土方案，两个桥台共可节约建安费55 万元。

3.2 桥头台背回填案例二

沾化至临淄公路项目K18+640 公铁立交0 号、24 号桥台，桥头填土高度分别为9.1 m、9.2 m。

3.2.1 方案一：常规处理方案

采用4%水泥土进行台背回填，见图6。桥头地基采用预制管桩进行地基处理，桩型桩径400 mm，壁厚60 mm，桩中心间距2.3～2.9 m。桥台采用肋板式台，桩基础采用双排桩，设计桩长53 m。

图6 方案一桥台立面（除高程外，单位：cm）

3.2.2 方案二：轻质土方案

采用泡沫轻质土进行台背回填，见图7。桥头地基采用管桩进行处理，桥台为桩柱式桥台，设计桩长38 m，每个桩柱另外配一根15 m 长辅助桩。

图7 方案二桥台立面（除高程外，单位：cm）

方案一采用水泥土台背回填方案，台背回填、桥台、桥头地基处理等建安费合计1 082.5 万元；方案二泡沫轻质土台背回填方案，台背回填、桥台、桥头地基处理等建安费合计1 030.7 万元。采用泡沫轻质土方案，两个桥台共可节约建安费51.8 万元。

3.3 应用总结

在满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）[12]要求工后沉降的基础上，结合地基处理优化及桥台设计优化后，采用泡沫轻质土进行台背回填可有效加快施工进度，减少台背工后沉降，降低工程造价。（1）泡沫轻质土浇筑成型后其整体性能良好，因此，其路基路面结构稳定性能良好，减少了桥头跳车现象，行车稳定舒适。（2）工程造价上来讲，通过两个桥头回填案例分析可知，相较于常规回填处置，采用路桥设计一体化方案的泡沫轻质土更加节省工程造价且能达到相应的工程要求。（3）施工性能方面来讲，泡沫轻质土的工艺要求在其浇筑养护成型过程。而常规回填对于土的压实度有较高的要求，从施工便捷性上讲，泡沫轻质土回填更加便于施工。