泡沫砼在桥头软土地基处理中的效果研究

王天宝

(海盐县交通投资集团有限公司 浙江 嘉兴 314300)

杭嘉湖平原属长江下游平原湿润区，其中嘉兴地区更是江、河、湖、海交汇之地，地势平坦、水系发达、降水充沛是最主要的地理特点，因而其软土层分布的范围广、厚度大、地层情况复杂，软土地基的不均匀沉降一直以来都是公路工程建设中的重点处治方向。

目前，嘉兴地区常规的软土地基处治手段主要包括堆载预压、排水固结法、水泥搅拌桩、桩承式加筋路堤以及轻质路堤替换路基填筑材料等方式。自20 世纪90年代初，浙江省开展轻质路堤的研究试验并在沪杭高速等多个项目中应用，经过多年的试验研究和工程应用，已经成熟应用在工程实践中的轻质路堤材料包括EPS 块状轻质路堤、EPS 颗粒混合轻质路堤以及泡沫砼轻质路堤等材料。结合各地的实践成果，该方法工程造价较高，应用实例大多局限于高速公路、国道等规格较高的工程项目[1-4]。经过近年来的不断发展，泡沫砼被研究认为是一种具有力学性能较好的路基替代材料[5-6]。

1 工程概况

黄桥于2003 年原海王公路建设时建成，原桥头台背路基经过多年的运营已基本稳定。2020年初，因浙北高等级航道网集装箱运输通道建设工程的实施，黄桥需抬高桥梁高度以适应航道要求，大桩号方向桥头两侧的路基放坡因涉及基本农田受到限制，经多方讨论，拟采用泡沫砼结合悬臂式挡土墙方案，具体如图1所示。

图1 黄桥改建工程路基示意图

本工程路基处治的重点在于控制新旧路基之间的不均匀沉降，建设地点的地表从上至下分别为：①1素填土（meQ），厚度0.5～2.7 m；①2粉质黏土（al-），厚度0.9～3.5 m；②1淤泥质粉质黏土（），厚度14.4～27.0 m；③1淤泥质粉质黏土（），厚度11.4～22.7 m；④1粉质黏土（al-），厚度9.0～16.5 m；④3粉质黏土夹粉土（al-），厚度3.4～5.7 m；⑤1粉质黏土（），厚度3.1～5.1 m；⑤2粉质黏土（），厚度3.3～8.2 m；⑥3含砂粉质黏土（al-），最大层厚16.3 m；⑦1粉质黏土（al-），最大层厚17.5 m。工程自上而下采用沥青面层、水泥稳定碎石基层、泡沫砼路堤，台背路基最大高度3.05 m，两侧设置悬臂式挡土墙收缩坡脚，施工时采用分层填筑的方式，其中桥头段设置水泥搅拌桩，桩长采用8～10 m，采用三角形布置，间距1.3 m，台背填筑材料采用泡沫砼，具体如图2所示。

图2 软土地基处理示意图

2 泡沫砼的原理

泡沫砼是采用物理方式将发泡剂制作成泡沫，再将泡沫按预设的体积占比混入水泥浆料中，并掺入外加剂、掺合料等材料，凝固成含有大量均匀封闭气孔的轻质混凝土路堤材料。泡沫砼原理即通过泡沫占据混凝土中的气孔，在相同体积占比的条件下更为轻盈，同时均匀的气孔分布对混凝土骨架的强度影响较小，在更轻盈的条件下仍可保证一定的强度，满足路基的强度要求。泡沫砼材料的干容重在3.0～9.0 kN/m3，用于路堤、路床填筑时大多采用A06级（5.5～6.5 kN/m3），较之浙江省常用的路基填料如宕渣（18.0 kN/m3）、掺灰土（17.2 kN/m3）等材料具有明显的差别，在实际应用中通过泡沫砼的轻自重、自立性等优势达到减小工后沉降、收缩用地等目的。

3 泡沫砼的设计参数

泡沫砼的主要设计参数如表1所示。

表1 泡沫砼设计参数一览表

泡沫砼的设计长度取10～15 m，最大不超过15 m，超过15 m 时设置20 mm 沉降缝，采用沥青麻絮填塞。泡沫砼底面铺设50 cm 级配碎石作为透水垫层，兼做调平层，顶面设置20 cm C20砼水泥混凝土保护垫层。

4 泡沫砼的施工工艺

4.1 施工材料准备

（1）水泥：采用42.5级普通硅酸盐水泥。

（2）发泡剂：采用合成类高分子表面活性剂，发泡剂发泡过程中产生的泡沫大小均匀且细密，直径应小于1.0 mm。发泡剂外观应均匀透明，常温条件下无异物析出或沉淀，无异味或刺激性气味，对环境无不良影响。发泡剂使用时稀释倍数不应小于60倍，主要性能指标如表2所示。

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表2 发泡剂（稀释60倍）主要性能指标表

4.2 施工工艺

施工工艺：场地准备→开挖基坑坑槽和支立模板→泡沫砼制作→浇筑→养护。具体如图3所示。

4.2.1 场地准备

施工前应先清理施工区域基坑底部积水、杂物，保证在浇注时基坑底部无杂物、无积水。做好基层清洁，不能有油污、浮浆、残灰等。

4.2.2 开挖基坑坑槽和支立模板

开挖基坑坑槽，对挡墙基底进行处理后支立模板，浇筑悬臂式挡土墙，在坑槽开挖好后应在最低处开挖宽度不超过1 m的泄水口，防止槽内积水。

4.2.3 泡沫砼制作

水泥浆料制作应根据确定的施工配合比和工艺参数进行水泥浆料拌合，确保各组分混合均匀，然后将搅拌好的水泥浆料存储在具备搅拌功能的储罐内，水泥浆沉淀在储料罐中的储存时间不应超过2 h。泡沫制作应根据发泡剂生产厂家提供的稀释倍数稀释发泡剂，再采用压缩空气对发泡剂水溶液加压。混泡时将按配合比设定的泡沫与水泥浆料及时采用经电子记量的混泡设备进行稳压混泡，形成符合设计要求的泡沫砼。

4.2.4 浇筑

泡沫砼的浇筑施工应采用管路泵送方式。泵送前，应检查管接头是否紧固，确保接头密封牢固不泄漏。泵送过程中，浇筑管的压力应满足扬程及输送距离要求。泡沫砼浇筑时，浇筑管宜与浇筑面保持缓倾角度，不应采用从上而下喷射方式进行浇筑，管口应埋入泡沫砼内不小于10 cm，以减少泡沫砼的消泡量，浇筑点由中心向四边扩展或采用多点浇筑。

4.2.5 养护

泡沫砼每层浇筑完毕应采用保湿养生，在上路床范围时应在养护28 d后实施路面工程。

5 泡沫砼对控制新旧路基沉降的效果分析

原有海王公路经过近20年的使用，路基沉降已基本完成，为了评价泡沫砼在控制新旧路基间不均匀沉降的效果，分别对天然地基、水泥搅拌桩复合地基、“水泥搅拌桩复合地基+泡沫砼轻质路堤”3个方案的工后沉降展开数值模拟的对比分析。

5.1 数值建模

采用理正软件建立的数值模型如图4所示。原有路基顶部宽度取值为16.0 m，高度为2.0 m，新建路基顶部宽度取值为40.0 m，高度为3.05 m，采用竖直坡，底部宽度为40.0 m，其中拓宽路基宽度为29.65 m，模型长度取20 m，选取新旧路基交界处路面作为分析点。

5.2 模拟结果与分析

天然地基、水泥搅拌桩复合地基以及水泥搅拌桩复合地基结合泡沫砼轻质路堤的工后沉降曲线如图5所示。

图5 工后沉降曲线

由图5（a）可知，随着时间的推移，工后沉降逐步增加，增速逐渐减缓，明显分为3 个阶段：第一阶段是竣工后24个月内，时长约占基准期的13.3%,路基沉降较快，沉降量达到工后总沉降的40%左右；第二阶段是竣工后25～60 个月，时长约占基准期的20.0%，路基沉降速率明显减缓，沉降量占工后总沉降的25%左右；第三阶段是竣工后60 个月至基准期结束，时长约占基准期的66.7%，该阶段沉降量占工后总沉降的35%左右。

由图5（b）可知，在软土层厚度极大的条件下，采用水泥搅拌桩复合地基方案的工后沉降量相较于天然地基仅减小3.7 cm，减小约15.3%，收效甚微。而采用泡沫砼结合水泥搅拌桩复合地基的方案在基准期内的工后沉降分别减小19.5 cm、15.8 cm，减小约80.6%、77.1%，在控制工后沉降方面效果显著。

结合图5 和工程实际分析，一级公路的首次罩面工程往往出现在竣工通车后5～10 年内，即竣工后60～120 月，采用泡沫砼的方案能有效减少在通车10 年内桥头路基沉降以及新旧路基间的沉降，将沉降控制在3～4 cm，较另外两种方案减小17.1 cm、13.8 cm，减小比例与基准期内比例相仿，结合罩面工程能够有效地处治桥头跳车、沉降差等病害，与公路管养实践中的管养周期和路面结构衰变周期相适应，有利于公路后期的运营和管养。

6 结论

本文以黄桥改建工程中泡沫砼的应用为研究背景，首先介绍了泡沫砼的应用情况、基本原理、设计参数和施工工艺，然后借助理正软件建立软基沉降计算模型，针对泡沫砼控制工后沉降效果的分析，得出以下结论。

（1）采用泡沫砼作为路基填料，对控制工后沉降效果极好，相较于天然地基、水泥搅拌桩复合地基在基准期内的总沉降减少达到80.6%、77.1%，在软土地区控制新旧路基沉降具有明显优势。

（2）采用泡沫砼作为路基填料，工后沉降的速率曲线呈现三阶段的明显变化，主要沉降量在竣工通车后5 年内完成，即第一阶段、第二阶段，应用泡沫砼材料结合公路管养周期能很好地保证黄桥工程的服务水平，避免出现严重的纵横向不均匀沉降。

（3）对于受基本农田、通航等建设条件限制的情况，采用泡沫砼不仅在控制高填方桥头的沉降量方面具有较好的优势，同时还能结合悬臂式挡土墙减小对土地的占用，与嘉兴地区水网密布、基本农田限制较多的条件十分契合，在未来一段时间的建设中可以更大范围地推广使用。