章洪俊，張海波，林葉兒

（寧波市政工程建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江寧波 315040）

1 概述

泡沫輕質(zhì)土是“用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料”。類似的材料有日本的“氣泡輕量土”，國內(nèi)的“泡沫混凝土”等。就硬化成型的過程而言，泡沫輕質(zhì)土、氣泡混合輕質(zhì)土與泡沫混凝土并無本質(zhì)區(qū)別,但泡沫輕質(zhì)土的原材料（如集料及摻和料）可用范圍更廣，力學(xué)性能介于土與混凝土之間，使用功能更側(cè)重于替代常規(guī)土或砂（不是作為混凝土）用于各種填充或充填。

泡沫輕質(zhì)土具備優(yōu)越的輕質(zhì)性、自立性，優(yōu)良的施工便捷性，良好容重和強度可調(diào)節(jié)性，以及良好的環(huán)保特性，因此被廣泛應(yīng)用于工程實體中。

2 泡沫輕質(zhì)土的適用范圍

泡沫輕質(zhì)土適用于橋梁橋臺臺后地基處理解決橋頭跳車問題，適用于一般道路、施工作業(yè)高度受限或樁基礎(chǔ)加固地基無法實現(xiàn)、搶工期的地下管道、線纜無法拆遷的軟基路段處理，適用于新建填海路段處理。

3 泡沫輕質(zhì)土應(yīng)用于橋梁臺后地基處理中的工藝原理

軟基沉降變形的本質(zhì)可用有效應(yīng)力原理來說明：在附加應(yīng)力的作用下，超孔隙水壓力不斷消散、有效應(yīng)力不斷增長；與此同時，隨超孔壓的消散，軟土中的自由水不斷排出，由此，其體積壓縮，表現(xiàn)為沉降的發(fā)生。在這個過程當(dāng)中，對工程起決定作用的主要是三個方面。

3.1 附加應(yīng)力

附加應(yīng)力的大小決定了軟土層最終總沉降量的大小：當(dāng)附加應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力時，總沉降完成，故附加應(yīng)力越大，總沉降越大。

3.2 固結(jié)度

固結(jié)度Ut可用式（1）表達(dá)：

式中：St為當(dāng)前t時刻已完成沉降；S∞為最終總沉降；σ′為軟土層有效應(yīng)力；σ為軟土層附加應(yīng)力。固結(jié)度的意義在于表征了當(dāng)前時刻已完成沉降占總沉降的比例。

3.3 工后沉降

設(shè)工后沉降為△S，可用式（2）表達(dá)：

可見，工后沉降其實就是扣除完工時已完成沉降后的剩余沉降量。工后沉降通常是軟基路段重點控制的指標(biāo)。從設(shè)計到施工，軟基路段的一個重要任務(wù)就是盡可能降低工后沉降，以確保道路工后的正常使用，并減少工后維修費用。

這里的工后沉降系指工后總沉降，工程上，更多使用的概念是基準(zhǔn)期內(nèi)的工后殘余沉降。顯然，工后總沉降越小，基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降越小。

橋梁臺后泡沫輕質(zhì)土地基處理施工原理是通過降低軟土層的附加應(yīng)力σ以降低總沉降S∞，以此控制工后沉降。

4 泡沫輕質(zhì)土施工工藝流程及操作要點

4.1 橋梁臺后泡沫輕質(zhì)土的施工工藝流程

泡沫輕質(zhì)土在生產(chǎn)施工過程中，每次起動機(jī)器后，均需對生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以保證輕質(zhì)土的濕密度與流量滿足設(shè)計要求。具體泡沫輕質(zhì)土施工工藝流程詳見圖1。

圖1 泡沫輕質(zhì)土工藝流程圖

4.2 泡沫輕質(zhì)土施工作業(yè)要點

4.2.1 制備泡沫輕質(zhì)土主要材料

泡沫輕質(zhì)土的生產(chǎn)原材料包括發(fā)泡劑、水泥和水，路基材料包括防滲土工膜、金屬網(wǎng)，澆筑輔助材料包括木膠板、泡沫板等，現(xiàn)對主要材料進(jìn)行概述。

4.2.1.1 發(fā)泡劑

（1）泡沫的質(zhì)量以堅韌性、發(fā)泡倍數(shù)和泌水率等指標(biāo)來鑒定。泡沫的堅韌性就是泡沫與水泥漿混合后在規(guī)定時間內(nèi)不致破壞的特性，常以消泡試驗后的沉陷距來確定；發(fā)泡倍數(shù)是泡沫體積大于泡沫劑水溶液體積的倍數(shù)；泌水率是指泡沫破壞后所產(chǎn)生泡沫劑水溶液體積。當(dāng)發(fā)泡劑質(zhì)量符合下列指標(biāo)時，即可發(fā)泡用于生產(chǎn)泡沫輕質(zhì)土（見表1）。

表1 發(fā)泡劑技術(shù)參數(shù)表

（2）消泡試驗泡沫輕質(zhì)土濕密度增加率不超過10%，標(biāo)準(zhǔn)沉陷距不超過5 mm。

（3）發(fā)泡劑嚴(yán)禁采用動物蛋白類發(fā)泡劑。

4.2.1.2 水泥

現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土所使用水泥的細(xì)度、凝結(jié)時間、安定性及強度應(yīng)滿足國家規(guī)范要求，水泥密度不低于2 700 kg/m3。施工中擬采用42.5 R普通硅酸鹽水泥，且應(yīng)符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規(guī)定。

4.2.1.3 粉煤灰

粉煤灰應(yīng)采用F類粉煤灰，且應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）的規(guī)定；嚴(yán)禁采用C類粉煤灰作為泡沫輕質(zhì)土的摻和料。

4.2.2 泡沫輕質(zhì)土施工準(zhǔn)備

施工前應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行泡沫輕質(zhì)土配合比設(shè)計，試配試驗時，應(yīng)進(jìn)行濕密度、流值（見圖2）和消泡試驗（見圖3）。當(dāng)流值滿足要求、消泡試驗確定的濕密度增加率滿足要求時，應(yīng)制取試件并進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。當(dāng)消泡試驗確定的濕密度增加率無法滿足要求時，應(yīng)調(diào)整發(fā)泡劑的稀釋倍率或種類，或調(diào)整配合比組成材料的種類和用量，重新進(jìn)行試配試驗。當(dāng)試配強度無法滿足規(guī)范及設(shè)計要求時，應(yīng)調(diào)整膠凝材料的用量、標(biāo)號或品牌，重新進(jìn)行試配試驗。

圖2 泡沫輕質(zhì)土流值試驗

圖3 泡沫輕質(zhì)土重度試驗

施工前，應(yīng)結(jié)合設(shè)備生產(chǎn)能力、工期要求等對設(shè)計的澆筑體進(jìn)行澆筑區(qū)和澆筑層的劃分，為澆筑施工做好相關(guān)規(guī)劃。

施工前，應(yīng)清除澆筑區(qū)基底雜物，尤其應(yīng)排清基底的積水，當(dāng)在地下水位以下澆筑時，應(yīng)有降水措施，嚴(yán)禁在基底有水的狀態(tài)下澆筑施工。

4.2.3 泡沫生成

（1）泡沫是由發(fā)泡劑稀釋后加壓縮空氣經(jīng)發(fā)泡槍生成（見圖4），發(fā)泡劑的性能直接影響泡沫的穩(wěn)定性，用于泡沫生成的發(fā)泡劑性能應(yīng)該滿足下列要求：

a.對環(huán)境應(yīng)無不良影響，宜采用界面活性類發(fā)泡劑；

圖4 發(fā)泡槍生成泡沫

b.在0℃以上的溫度環(huán)境，發(fā)泡劑不應(yīng)出現(xiàn)離析現(xiàn)象；

c.稀釋倍率不宜小于100；

d.標(biāo)準(zhǔn)泡沫密度宜為40～60 kg/m3；

e.發(fā)泡劑所制作的泡沫應(yīng)細(xì)密，經(jīng)消泡試驗確定的濕密度增加率不應(yīng)超過10%。

（2）拌合水不應(yīng)含有影響泡沫穩(wěn)定性、泡沫輕質(zhì)土的強度和耐久性的有機(jī)物、油污等雜質(zhì)。

（3）發(fā)泡劑的稀釋、起泡應(yīng)采用設(shè)備自動化控制,泡沫應(yīng)細(xì)密、穩(wěn)定。

4.2.4 水泥漿制備

（1）水泥漿可以在現(xiàn)場拌合，也可使用拌合站集中供應(yīng)，由于每立方米水泥漿含水量遠(yuǎn)大于混凝土的含水量，拌合站對水計量宜采用流量，而不宜采用重量，以加快水泥漿制備時間。

（2）泡沫輕質(zhì)土對水泥漿中水泥強度無特別要求，但所用水泥必須先進(jìn)行消泡試驗，以確定其濕密度增加率是否滿足要求。

（3）水泥漿制備應(yīng)連續(xù)，避免輕質(zhì)土澆筑過程中出現(xiàn)局部消泡、初凝現(xiàn)象，影響整體施工質(zhì)量。

（4）水泥漿在現(xiàn)場應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步攪拌，以保證其均勻，無沉積，同時應(yīng)在出料口設(shè)置過濾網(wǎng)，防止較大顆粒材料堵塞泵管。

（5）施工過程中，應(yīng)對每車水泥漿進(jìn)行重度檢測，確保水泥漿質(zhì)量穩(wěn)定。

4.2.5 現(xiàn)場澆筑施工

（1）泡沫輕質(zhì)土單層澆筑厚度，應(yīng)控制在0.5～1.0 m范圍。

（2）分區(qū)模板安裝要牢固，澆筑區(qū)間應(yīng)采用塑料布進(jìn)行密封，防止輕質(zhì)土沿縫隙滲流。

（3）泡沫輕質(zhì)土單個澆筑區(qū)、澆筑層的澆筑時間應(yīng)控制在水泥漿初凝時間內(nèi)，上層澆筑層僅當(dāng)下層澆筑層終凝后方可澆筑施工。

（4）應(yīng)盡可能沿澆筑區(qū)長軸方向自一端向另一端澆筑，如采用一條以上澆筑管澆筑，則可并排從一端開始澆筑，或采用對角澆筑方式。

（5）澆筑過程中，需要移動澆筑管時，應(yīng)沿澆筑管放置的方向前后移動，而不宜左右移動澆筑管，如確實需要左右移動澆筑管時，則應(yīng)將澆筑管盡可能提出當(dāng)前已澆筑輕質(zhì)土表面后再移動。

（6）進(jìn)行掃平表面時，應(yīng)盡量使?jié)仓诒３炙?，并使?jié)仓陔x當(dāng)前澆筑輕質(zhì)土表面盡可能低。

（7）盡量減少在已澆筑尚未固化的輕質(zhì)土中來回走動。

圖5、圖6為泡沫輕質(zhì)土正在澆筑和澆筑成型現(xiàn)場照片。

圖5 泡沫輕質(zhì)土正在澆筑

圖6 泡沫輕質(zhì)土澆筑成型

4.2.6 成品保護(hù)

泡沫輕質(zhì)土澆筑完成待初凝后，應(yīng)在表面覆蓋塑料薄膜進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，且至少養(yǎng)護(hù)3 d時間，在未達(dá)到設(shè)計強度前，不得進(jìn)入下道工序。

5 泡沫輕質(zhì)土工程應(yīng)用實例

5.1 工程概況

寧波市解放橋拓寬工程是連接寧波市海曙區(qū)、江北區(qū)的重要過江通道。接坡段橋臺為單排Φ800 mm鉆孔灌注樁，接坡、道路沿線及橋址區(qū)為典型的軟土地基，場地地勢平坦，地貌類型屬于濱海淤積平原。

5.2 工程實踐應(yīng)用成果

（1）解放橋拓寬橋梁兩岸橋臺臺背后泡沫輕質(zhì)土澆筑長度均為28.65 m，泡沫輕質(zhì)土澆筑布置如圖7所示。為了順利緩和路橋結(jié)合段較大的沉降差，將泡沫輕質(zhì)土厚度分三層臺階逐級遞減分別為1.8 m、1.4 m和1.1 m，兩岸共澆筑泡沫輕質(zhì)土總方量合計為1 280 m3。因此，如按照常規(guī)填筑臺后地基材料去推算，其密度平均值為20 kN/m3。該工程泡沫輕質(zhì)土的密度為600 N/m3，共減少附加應(yīng)力（20-0.6）×1 280=17 900（kN）。

圖7 橋臺臺背接坡泡沫輕質(zhì)土縱斷面圖（單位：cm）

（2）經(jīng)過施工，泡沫輕質(zhì)土的濕密度級別控制為D600,8 d抗壓強度指標(biāo)控制在不小于0.8 MPa；將泡沫標(biāo)準(zhǔn)密度控制在52 kg/m3，發(fā)泡倍率控制在1 150倍，消泡試驗泡沫輕質(zhì)土濕密度增加率控制在6%。

（3）在泡沫輕質(zhì)土與道路結(jié)構(gòu)層之間設(shè)置一層厚度為10～15 cm的C25素混凝土板，作為泡沫輕質(zhì)土與道路結(jié)構(gòu)層受力傳載的過渡層，可以有效抵消泡沫輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)強度較低的弱點，充分發(fā)揮泡沫輕質(zhì)土輕質(zhì)性和提高地基承載力的特點。

5.3 泡沫輕質(zhì)土路基的實際工程效果

經(jīng)過歷時兩年的沉降監(jiān)測，得到以下結(jié)果，具體詳見圖8和圖9。

圖8 南岸接坡沉降觀測圖

圖9 北岸接坡沉降觀測圖

從圖8、圖9可以看出，工程竣工完成后，路基的沉降變形主要發(fā)生在建成后的前5個月。這段時間沉降量相對較大，在之后的17個月里，沉降量逐漸趨于穩(wěn)定，且越來越小。這樣的結(jié)果表明，輕質(zhì)土路堤遠(yuǎn)比普通填塘渣路堤的沉降量要小得多。這主要是因為泡沫輕質(zhì)土輕質(zhì)的特性，能夠很大程度上減小對地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力，還有其本身的質(zhì)密性及所具備的一定的抗壓強度，因此，它又不會隨著時間的推移而逐漸被壓縮。再者，經(jīng)過分析，隨著臺階的延伸，路堤頂面的沉降從橋頭處逐漸增大，實現(xiàn)了路橋過渡段沉降的平穩(wěn)過渡。

6 結(jié)語

（1）泡沫輕質(zhì)土工后沉降極小。

采用泡沫輕質(zhì)土換填臺后原路基土，可最大限度控制工后沉降，避免橋頭跳車現(xiàn)象，也無滲水現(xiàn)象，提高了耐久性。因此，泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用較好地緩和了路橋結(jié)合段，大大減少了路面維修頻率，增加了行車舒適度和安全度。因此，泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用既能夠大大節(jié)約政府的道路養(yǎng)護(hù)成本，又能從一定程度上消除民眾的負(fù)面看法，利于建設(shè)和諧社會。

（2）泡沫輕質(zhì)土施工質(zhì)量可靠。

與樁基礎(chǔ)加固臺后軟土地基等方法相比，其施工不是隱蔽施工，且施工工藝簡單，具有很強的質(zhì)量可靠度。再者，適度向原地面以下?lián)Q填，可確保地基土在工程改造后處于超固結(jié)狀態(tài)，以盡可能避免工后沉降的發(fā)生。

因此，采用泡沫輕質(zhì)土處理橋梁臺后的軟弱地基對于減小路基沉降，減小橋臺與臺背路堤的差異沉降是十分有效的，從而實現(xiàn)了路橋接順段的平穩(wěn)過渡，對于防治橋頭跳車等橋梁頑固病害是成效卓著的。