铁路泡沫轻质土路基结构设计应用研究

严 栋

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 前言

泡沫轻质土主要由泡沫、水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺合料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理、化学作用而硬化形成的一种轻质材料。泡沫轻质土具有轻质性、强度和密度可调性、高流动性、硬化后直立及施工便捷等特点，已广泛应用于建筑、市政及公路等多个行业。

随着高速铁路的快速发展及路网系统逐渐形成，路基工程出现许多特殊疑难问题，如在狭窄空间内路基填筑质量控制、受限段深厚软土地基沉降控制及新建高铁引入既有高铁车站的沉降控制等问题。其中新线接入既有高铁站对无砟轨道路基进行帮宽填筑时，不仅要控制帮填路基的工后沉降，还要严格控制既有路基的工后沉降，同时还要保证既有高铁的运营速度和运营安全。这对常规的地基处理及路基填筑质量提出了更高的技术要求及施工要求。

泡沫轻质土作为一种施工便捷的轻质材料，可有效减少路基荷载引起的附加应力，在软土地基置换处理时可以有效控制路基沉降。这为解决高速铁路路基填筑及沉降控制两大难题提供了新的研究思路，也为铁路路基结构研究提供了新方向。

随着泡沫轻质土在铁路路基结构上的逐步应用，尤其是在高速铁路路基帮宽、软土地基处理、过渡段差异沉降及狭窄空间内填筑等特殊条件地段的成功应用，积累了一定工程经验，并取得了一些创新成果。本文通过梳理泡沫轻质土路基的应用研究成果，总结了铁路泡沫轻质土路基结构性能、结构设计形式及设计方法。

2 铁路泡沫轻质土路基的应用现状

2.1 泡沫轻质土在杭州东站工程应用

杭州东站特殊路基工点位于站房地下通道与两侧出租车通道之间，沿线路方向长23～70 m，垂直线路方向宽约285 m，基坑开挖深7 m。坑底以下为30 m厚冲海积相软土，在基坑内分布有各类工程桩，场地条件空间狭小，工程环境非常复杂。

为了解决路基过渡段工后差异沉降和狭小空间内回填压实质量问题，经技术经济比选，提出了桩板结构＋级配碎石及泡沫轻质土处理两大方案，经专家论证，推荐采用了泡沫轻质土方案[1]。

设计断面如图1所示。设计泡沫轻质土施工湿密度为550～600 kg/m3，抗压强度不小于0.8 MPa。

图1 杭州东站基坑内泡沫轻质土填筑典型纵断面图

这是首次将大规模泡沫轻质土应用于高等级铁路路基深厚软土地基处理，丰富了铁路软土路基处理方法。开通运营以来，性能良好[2]。

2.2 泡沫轻质土在商合杭高铁肥东站工程应用

商合杭铁路引入合宁铁路肥东站，新增商合杭正线位于肥东站股道两侧，需对既有路基进行帮宽处理；路基平均填高约6.2 m。下伏地层为冲积相黏土，软塑～硬塑。

新增路基帮填易引起既有路基的附加沉降，进而影响既有线的正常运营。设计需考虑控制新建路堤填土对既有线路基沉降的影响。

经方案比选，基床以下路堤采用泡沫轻质土填筑，减轻路基填土荷载，从而减小对既有线路基的影响；并对下伏软弱地基进行加固处理，满足路基沉降控制及稳定性要求。

设计断面如图2所示。设计泡沫轻质土施工湿密度为600～700 kg/m3，抗压强度不小于1.0 MPa。

图2 商合杭肥东站正线路基泡沫轻质土帮填设计图

现场施工监测结果表明，泡沫轻质土填筑施工完全不影响营业线安全运营，性能良好[3]。

2.3 无砟轨道路基帮宽的泡沫轻质土工程应用

石济客专引入京沪高铁德州东站路基帮宽设计时，采用泡沫轻质土浇筑，减少了对既有高铁路基的沉降影响，确保了京沪高铁的安全运营[4]。

雄安-忻州高铁接入大西客专忻州西站，车站路基已铺设无砟轨道，需对既有铁路路基进行帮宽，为避免对既有无砟轨道的工后沉降造成影响，采用浇筑泡沫轻质土的方式进行既有路基帮填。通过泡沫轻质土路基的成功应用，显著减小了路基帮填对既有大西客专线路的影响[5]。

鲁南高铁临曲段接入京沪高铁曲阜东站，为了避免帮宽引起附加沉降影响京沪高铁的安全运营，采用了泡沫轻质土帮填浇筑，成功解决了新建铁路接入京沪高铁无砟轨道车场的难题，完善了铁路泡沫轻质土路基的应用[6]。

3 泡沫轻质土路基结构性能设计研究

随着泡沫轻质土在铁路路基中逐步应用，针对泡沫轻质土的材料性能开展了一系列研究，包括基本物理力学性能、动力性能及耐久性能研究；并开展了铁路泡沫轻质土路基结构室内大比例动态模型试验研究。这些研究成果为铁路泡沫轻质土路基结构应用提供了基本性能设计参数。

3.1 材料性能研究

泡沫轻质土根据设计要求应进行配合比试验，主要设计指标由湿密度与强度控制。

泡沫轻质土在工程上常用湿密度范围为500～1 000 kg/m3，其湿密度随着胶凝材料含量增加而增大。当湿密度低于500 kg/m3的泡沫轻质土因泡沫含量过高，气泡贯通率较高，耐久性较差，强度较低而失去其承载能力，故在工程中较为少见；而湿密度高于1 000 kg/m3的泡沫轻质土失去了其轻质特性的优势。

泡沫轻质土抗压强度随着湿密度的增大而增大，一般范围为0.5～4.0 MPa。目前，铁路工程上应用的施工湿密度为550～700 kg/m3，强度等级不小于0.8 MPa。

(1)静力学性能

泡沫轻质土力学性能由单位体积内的胶凝材料含量决定。泡沫轻质土在受压过程中，其应力应变表现为强度范围内弹性变形，超过强度后产生塑性变形，试件破坏[7]。随着湿密度的增大，泡沫轻质土试块的峰值强度、残余强度、弹性模量都迅速增加。

(2)动力学性能

泡沫轻质土湿密度在500～700 kg/m3时，干燥状态和含水饱和状态的泡沫轻质土抗压强度和动强度随着其湿密度的增大而增大，并且其动静强度之比分别为0.26～0.32倍和0.21～0.38倍之间，与普通岩土体材料动静强度存在一定的比值范围相类似，其中水对泡沫轻质土抗压强度和动强度具有一定的影响[8]。

泡沫轻质土配合比湿密度达500 kg/m3后，其抗压强度和动强度已远大于高速铁路无砟轨道路基基床表层和底层静动应力实测值和理论值，说明在高速铁路无砟轨道路基基床表层和底层静应力环境下，配合比湿密度大于500 kg/m3的泡沫轻质土层骨架不会产生破坏[9]。但考虑高速铁路无砟轨道路基动应力设计值及水对动强度影响，建议泡沫轻质土作为基床底层填料时其配合比湿密度取值不小于600 kg/m3。

自然干燥状态和含水饱和状态的泡沫轻质土动弹性模量随着其湿密度的增大而增大，在湿密度相同时，自然干燥状态的泡沫轻质土动弹性模量大于含水饱和状态的泡沫轻质土动弹性模量，说明水对泡沫轻质土固体骨架具有一定的软化作用。

(3)耐久性能

泡沫轻质土作为路基填筑轻型材料，其主要受到荷载和环境的长期作用，对其耐久性产生影响。

泡沫轻质土耐久性主要包括耐疲劳特性、耐干湿循环特性、耐冻融循环特性及耐腐蚀性能。

根据泡沫轻质土室内大比例动态模型试验，当动力荷载作用为200万次时，泡沫轻质土路基整体结构总累积沉降均小于1.0 mm，与高速铁路普通无砟轨道路基结构经过加载200万次后产生的累积沉降基本一致，而泡沫轻质土层产生的累积沉降均较小。表明泡沫轻质土路基整体结构具有良好的长期动力稳定性[10]。

在干湿循环作用下泡沫轻质土的密度越低越容易遭受破坏。泡沫轻质土自身强度低，在遭受水分侵蚀时容易软化，并且在干燥过程中在内部产生裂纹，裂缝的产生使得水分进一步向基体内部渗透，从而导致泡沫轻质土的性能劣化。

在浸水条件下，泡沫轻质土会吸水增重。随着泡沫轻质土湿密度的增大，吸水率呈现明显的降低趋势。表明湿密度越小，泡沫轻质土吸水增重越大。

在浸水条件下，泡沫轻质土强度会降低。随着泡沫轻质土湿密度的增大，强度降低的幅度逐渐缓慢。

在冻融循环作用下，随着泡沫轻质土湿密度的增大，其强度及抗冻性逐渐提高。

在硫酸盐侵蚀环境下，泡沫轻质土发生体积膨胀，但总膨胀量较小。在不同的密度等级下，掺加粉煤灰的泡沫轻质土膨胀值更小，证明粉煤灰加强了泡沫轻质土抗硫酸盐侵蚀的能力。

因此泡沫轻质土在环境的长期作用下，应考虑加强泡沫轻质土的防水措施，提高其耐久性。

3.2 路基结构性能设计

通过泡沫轻质土静动力学性能、耐久性能及长期动力稳定性试验研究，这为铁路泡沫轻质土路基结构提供了基本性能设计参数依据[11]。

铁路泡沫轻质土路基结构的性能设计应满足不同等级铁路路基结构不同部位的填筑压实质量及强度要求，建议应符合以下规定:

(1)泡沫轻质土路基不应裸露在外，表面应采取保护措施。

(2)泡沫轻质土路基应用于基床表层及无砟轨道过渡段时，应充分论证其耐久性，建议慎用。

(3)泡沫轻质土应用于基床底层及过渡段时，其湿密度不应小于650 kg/m3。

(4)泡沫轻质土应用于基床以下路堤填筑时，其湿密度不应小于550 kg/m3。

(5)泡沫轻质土应用于地基土换填及基坑回填时，其湿密度不应小于500 kg/m3。

(6)泡沫轻质土应用于路基范围内空洞充填时，宜按经济合理且便于施工的原则设计。

(7)泡沫轻质土应用于重载铁路时，宜适当提高泡沫轻质土的抗压强度。

(8)泡沫轻质土路基宜加强防水措施，当存在渗水接触时，应考虑受水影响导致密度增大，增重系数采用1.1～1.2。

(9)泡沫轻质土在严寒、寒冷地区的冻结深度范围内，其湿密度不应低于550 kg/m3。

4 泡沫轻质土路基结构的设计方法

4.1 设计基本原则

泡沫轻质土路基结构设计基本原则，先要考虑路基结构的设计形式、工程环境条件及荷载条件等，结合既有工程经验及规范，确定满足路基各填筑部位的湿密度及抗压强度要求，进而对填筑体及其路基整体稳定性、地基沉降变形及抗浮设计进行验算。

4.2 结构设计形式

泡沫轻质土路基的结构设计应根据应用范围及设计目的确定其断面结构形式，主要包括填筑高度、填筑宽度、填筑边坡坡率等内容。

泡沫轻质土路基结构，主要可采用直立式和斜坡式。

(1)直立式则是设置混凝土挡土墙或保护壁，结构形式如图3所示。

图3 既有线帮宽直立挡墙式泡沫轻质土路基结构

(2)斜坡式则采用包边形式，包边防护可以采用预制混凝土块实体护坡或土质绿色植物防护，结构形式如图4所示。

图4 既有线帮宽斜坡包边式泡沫轻质土路基结构

直立式泡沫轻质土路基结构采用保护壁设计时，保护壁结构由面板、基础及拉筋等设施组成。面板可采用整体式面板、板块式或模块式面板，厚度不宜小于20 cm。面板可通过拉筋与填筑体进行连接，拉筋可采用普通钢筋，建议伸入填筑体长度不小于2.0 m。

4.3 构造设计形式

为了保证泡沫轻质土路基的耐久性，应加强辅助构造防护措施，减少外界环境作用影响。一般构造措施如下:

(1)在泡沫轻质土路基填筑体顶、底面与常规路基交界面处设置防渗土工膜隔水层；当位于地下水以下部位时，宜采取防水措施。

(2)泡沫轻质土受内部湿度、温度变化及应力集中处易产生裂缝。为减少裂缝，在填筑体的顶部及底部应设置1～2层金属网进行补强。

(3)泡沫轻质土路基宜间隔10～15 m设置伸缩缝，伸缩缝可采用沥青木板或泡沫板填塞。

(4)泡沫轻质土路基填筑体与既有坡面或陡坡体连接时，可以增设抗滑锚固措施，以提高填筑体的抗滑稳定性。

4.4 设计验算方法

根据设计要求，确定泡沫轻质土湿密度及抗压强度，以及泡沫轻质土路基结构形式，进而对填筑体及其路基结构整体稳定性、地基沉降变形及抗浮设计进行验算[12]。

(1)铁路泡沫轻质土路基稳定性验算应包括填筑体的抗滑动稳定性验算、抗倾覆稳定性验算及包括地基在内的整体抗滑动稳定性验算。

鉴于泡沫轻质土路基的结构设计及构造设计措施的强化，一般可以满足其自身稳定性要求。当需要路基整体稳定性验算时，应符合铁路路基设计规范中的相关规定。

(2)泡沫轻质土路基直立式保护壁设计应考虑泡沫轻质土终凝前产生的侧压力，并同样考虑进行倾覆及应力的验算。

(3)泡沫轻质土路基置换深厚软土地基时，应进行沉降计算。换填厚度可采用应力补偿原理来确定，地基沉降可采用分层总和法计算。

(4)泡沫轻质土路基位于地下水位以下部位时，应进行抗浮稳定性验算。当抗浮安全系数不足时，应采取调整泡沫轻质土的湿密度、填筑厚度或降低地下水位等措施。抗浮安全系数，施工期采用1.05，运营期采用1.10。

5 结论

泡沫轻质土路基结构应用为我国高速铁路路基结构提供了新方法，提高了我国高速铁路路基结构设计和施工技术水平，具有重要意义。

(1)泡沫轻质土路基可以应用于高速铁路路基帮宽、软土地基处理、过渡段差异沉降及狭小空间填筑等特殊条件地段。

(2)铁路泡沫轻质土路基结构的性能设计应满足铁路路基结构不同部位的填筑压实质量及强度要求，暂不建议应用于基床表层及无砟轨道过渡段。

(3)建议进一步加强对泡沫轻质土耐久性能的研究，通过配比合适的掺合料进行试验研究，提高泡沫轻质土的性能，降低工程造价，并进一步推广泡沫轻质土路基的应用。