河流冲刷段泡沫混凝土轻质路堤施工探讨

梅艳婷

（广州公路工程集团有限公司，广东 广州 510030）

1 工程概况

某高速公路第四标段K31+522—K31+584 桩号之间的路基边坡位于河道滩涂区域，侵占了部分河道。按照原方案，路基软基采用预应力管桩处理形式，但是右幅边坡因河流水势较大、冲刷严重而无法施工预应力管桩。由于其部分承台位于河道中，结合测量结果，河道标高最低为-1.4m，而承台下部标高为0.5 ～1.0m，按照原方案施工后，必将引发承台下部河水冲刷脱空。工程所在地各土层物理力学参数详见表1。

表1 各土层物理力学参数

2 沉降机理及施工方案

2.1 泡沫混凝土路堤沉降机理

使用泡沫轻质混凝土填筑原路堤的过程，对于路基而言类似于一个卸载过程，卸载程度及速率对施工质量影响较大，为此，本文在施工方案设计阶段采用椭圆-抛物双屈服面模型[1]分析并确定土体沉降。路堤处理质量主要由施工期稳定性和工后沉降两项指标体现，结合相关研究，泡沫混凝土填筑后，路基沉降速率会在短时间内收敛，并位于0.4 ～0.7mm/d 的变化范围内。为进行路堤填筑后沉降量的分析，根据施工段土工参数及土体椭圆-抛物双屈服面本构模型进行了填筑段可能沉降的计算。根据计算结果，填筑深度对工后沉降影响较大，当填筑深度为1.0m 时，工后沉降降幅最大；随着填筑深度的增大，工后沉降降幅缓慢减小。

此处，计算河流冲刷段泡沫混凝土路堤施工后沉降量时主要采用的是Bjerrum 等时e-lgp 曲线理论[2]。由于前期有效固结应力较大，路堤在前期预压应力的作用下会固结一段时间，而卸载填筑后路基土则处于超固结状态，结合Bjerrum 等时压缩线理论，当换填量较大时，土体附加应力便位于300a 等时线上，15a 后达到315a 等时线。孔隙比是时间的对数函数，从300a 增大至315a 的次压缩量非常小，故忽略不计。当填筑深度为3.0m 时，土体15a 次压缩量较小，工后沉降取0cm。通过分析，泡沫混凝土填筑河流冲刷段软弱路堤的加固效果主要与土体前期固结应力有关，路堤换填后基本属于超固结土，换填越多，工后次固结沉降及沉降量便越小。

结合土体强度理论，当土体承受附加应力后，孔隙水应力将增大，且随着孔隙体积的持续减小，孔隙水应力将转化成有效应力，土体强度提高。泡沫混凝土用于河流冲刷段路堤填筑时，路基附加应力、施工期间和工后沉降均减小，路堤土体强度也会随之变小；通车运营后，在交通荷载的反复作用下，路堤工后沉降有增大趋势。根据路堤振动加速度随基层刚度变化的曲线，交通荷载对路堤的影响随着基层刚度的增大而减小。这也说明，泡沫混凝土对路堤刚度的提高会使交通荷载对路基的影响弱化[3]，减弱路基土体承载力对工后沉降的不利影响。

2.2 施工方案

经过多方论证，决定在路基软基打设素混凝土桩，并在桩上增设桩帽，使桩帽连接承台，在承台上方设置高强钢丝格栅，下方铺设碎石垫层；在承台中锚入钢混护面板钢筋，并埋设支柱预埋件。以已经浇筑好的承台为支撑体系，在钢混护面板设置支柱连接件并连接支柱，在护栏基底设置抗滑钢筋。依次连接处理段、过渡段及衔接段泡沫混凝土槽并浇筑泡沫混凝土，并按要求洒水养生，达到设计强度后施工面层。以充砂管袋褥垫沉排所形成的褥垫层为防冲刷护岸，在护坡中均匀布设水生植物生态袋，后浇筑植生混凝土。

3 施工要点

施工开始前，必须拆除现场障碍物并清理杂物，按照设计制备泡沫混凝土，充分做好废料废水清运准备，保证施工过程满足环境保护要求。

3.1 素混凝土桩、碎石垫层及承台施工

素混凝土桩施工时先进行桩位测放，待机械进场并按要求组装就位、调试无误后埋设护筒，钻孔并清孔，按设计要求浇筑混凝土。基坑先预压后再按照处理段泡沫混凝土槽、过渡段泡沫混凝土槽、衔接段泡沫混凝土槽的次序开挖。

碎石垫层施工选用硬质、抗磨、级配良好、透水且遇水后不崩解的块石、片石或卵石材料。将运至施工现场的碎石料排平后保证大小颗粒处于均布状态，摊铺后碾压。

将素混凝土桩头开凿后安装桩帽，并加工、安装承台钢筋和模板，埋设预埋件并浇筑混凝土，待达到设计强度后拆模、养护。

3.2 钢混护面板施工

钢混护面板钢筋连接承台钢筋，并在护面板中预埋钢筋环，在现浇承台上铺设由升降式滑轮、滑轨、三脚架、操作平台、模板等组成的整体升降式滑移钢模板。升降式滑轮固定在型钢反力梁上，反力梁固定于三脚架槽钢上；钢模板顶升及位置调节均通过设置在钢制滑轮上的千斤顶完成。将滑移钢模调整好后，转动端模，通过对拉螺栓便能将两侧模板连为一体，模板连接完成后浇筑混凝土，待混凝土达设计强度后整体滑移模板，进行下一段施工。

3.3 泡沫混凝土制备及施工

3.3.1 泡沫混凝土制备

采用水泥砂浆、压缩空气和发泡剂混合制备泡沫混凝土。先将按次序将水泥砂浆、水、水泥、外加剂投入搅拌机，持续搅拌2 ～3min 形成黏稠状混合水泥砂浆液体；将泡沫剂加入泡沫瓶中并按照泡沫剂量12 ～13 倍的量加水，通过空气机充气加压3 ～5min，等空气机气压升高至0.6 ～0.8MPa 时停止充气并待用。按照比例将发泡剂和水泥砂浆输送至制备站持续搅拌5 ～6min 制成泡沫混凝土，待混凝土塌落度达到200 ～220mm 时泵送至浇筑施工区域。

3.3.2 泡沫混凝土浇筑

该工程采用现场配管泵送的方式浇筑泡沫混凝土，泵送前必须保证接头牢固密封，泵送时浇筑管压力必须满足运送距离和扬程的要求。浇筑泵管必须和浇筑面板间保持一定的缓倾角度，避免垂直喷射浇筑，浇筑管应埋入泡沫混凝土中10cm，以控制消泡量。泡沫混凝土按照单层浇筑厚度0.3 ～0.8m 分层浇筑，待下一浇筑层达到终凝状态后再浇筑上层；单块浇筑面积根据浇筑厚度、混凝土生产能力确定。

泡沫混凝土浇筑时应沿路堤纵向每10m 间隔设置横缝，为适应路面横坡值，还应将顶层泡沫混凝土做成台阶形式，宽度为2cm 的沉降缝尽量设置在施工缝处。断面突变处还应增设变形缝，并通过10 ～20mm 厚度的木板填充。

3.4 生态护岸施工

该工程中生态袋、沉排褥垫层、充砂管袋褥垫沉排、植生混凝土、松木桩等均属于生态护岸措施。打设前将松木桩顶部锯平，并安装桩帽和桩箍，对于较为硬质的土层，还应在桩底端安装铁桩尖。进行圆木桩打设时，必须按要求设置测控点，并根据试打情况确定桩长，通过桩船吊钩从运桩船上吊起圆木桩，紧贴桩架龙口调整桩架垂直度，定位后落桩帽和桩锤。施打过程中必须加强提锤高度控制，为避免破坏桩身，落锤高度不超出2.0m。将片石抛填于松木桩桩间，抛填高度应略微高出桩预留高度，并通过推土机推平处理。

用土工织物取代铅丝笼作为充砂管袋褥垫沉排，通过挖掘机挖槽后在管袋褥垫层中充填高浓度砂土泥浆，沉排上部增设聚酯长纤无纺布沉护褥垫层。在护岸前受溜位置铺放排体，使其随着冲刷坑的发展而缓慢下沉，沉降过程中自行调整坡度，最终达到稳定坡面、防冲刷的目的。

4 现场试验

为进行河流冲刷段路堤泡沫混凝土施工期和运营期实际情况监测，采集了典型断面沉降数据。该工程从2019 年7 月开始填土预压，2021 年5 月填筑泡沫混凝土，次月预压结束，并施工结构层和路面，2022 年初通车，观测持续至2022 年8 月，观测期从加载预压开始至工后卸载，历时1100 余天；每个断面路堤左、中、右侧埋设3 个沉降管，1 周监测1 次。

根据超载预压后换填泡沫混凝土典型断面卸载前表层沉降-荷载-时间曲线，随着荷载的增大，表层沉降速率增大后逐渐趋于平缓，沉降速率最大达到13.9mm/d；完成超载预压后路堤左、中、右侧累计沉降分别达到1500mm、2389mm和2213mm，且断面表现为凹形形式。该河流冲刷段路堤软土层深厚，荷载过快增加必将引发土体失稳以及孔隙水压力无法及时消散。为此，该工程要求1 个月内沉降速率降至5mm/d以下后才能增加下一级荷载，加载期间并未表现出土体失稳迹象。逐级加载的过程中，最后两个月断面中侧表层沉降速率分别达到2.8mm/月和3.2mm/月，累计沉降分别为2.389m 和1.994m，意味着深厚软土层预压期间沉降较大，此后则基本稳定，且明显收敛。

通过参数反演法进行了观测数据的拟合分析。结果显示，以上对观测结果的分析并未考虑泡沫混凝土填筑后因路基结构层刚度提升而引发的应力扩散问题[4]。根据拟合结果，泡沫混凝土轻质路堤工后沉降明显比填筑前小；K31+522—K31+559断面和K31+559—K31+584 断面分别换填1.5m 和2.0m 厚的泡沫混凝土，中间段采用阶梯形过渡形式，根据拟合结果，K31+522—K31+559 断面在1.5m 的填筑深度下使其与邻近断面工后的不均匀沉降明显降低，而K31+559—K31+584 断面在2.0m 填筑深度下却加大了工后沉降。这种现象是否会引发通车后跳车，仍有待进一步研究，但并不影响本工程泡沫混凝土轻质路堤施工相关结论。

5 结语

综上所述，在河道冲刷段路堤管桩难以施工的情况下，改为打设素混凝土桩，并增设桩帽，连接承台，下部铺设碎石垫层，上部设置高强钢丝格栅，承台内锚固钢混护面板钢筋并埋设支柱预埋件，同时以浇筑后的承台为双侧面滑移支撑体系，可加速钢混护面板施工进度，并加强质量控制。预压后开挖路堤阶梯槽，并浇筑施工泡沫混凝土，待混凝土终凝后施工面层的做法使填土荷载大幅降低，软基附加应力减小，软基沉降及侧移均得到有效控制，路堤稳定性有保证。此外，这种处理措施还能大大缓解路基和桥台结合部材料的刚性变形，消除填料自身压缩沉降，保证桥台与路段沉降差变化连续。