鄭濤++李海清++蔣瑜陽(yáng)

摘 要：以四川省川北地區(qū)山嶺重丘地帶在建的廣陜、廣巴高速公路連接線為工程依托，在復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造與環(huán)境條件下，以順層滑坡區(qū)軟基地層上修筑路基為工程實(shí)例進(jìn)行分析，通過采用氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)替代衡重式混凝土支擋物的方法，確保路堤整體穩(wěn)定，減少結(jié)構(gòu)物不均勻沉降，徹底解決了放坡征地難、施工不便、軟基處理等諸多技術(shù)難題，可為復(fù)雜地質(zhì)條件下典型山區(qū)高速公路軟基地帶修筑路基結(jié)構(gòu)物提供科學(xué)的決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：輕質(zhì)土；軟弱地基；結(jié)構(gòu)物；擋土墻

中圖分類號(hào)：U416.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Research on Engineering Technology of Bubble Mixed Light Soil for Soft Foundation in Hilly Area of Northern Sichuan

ZHENG Tao1， LI Hai- qing1， JIANG Yu- yang2

（1. Sichuan Chuangao Engineering Consulting Co. Ltd.， Chengdu 610041， Sichuan， China；

2. Highway Planning， Survey， Design and Research Institute of Sichuan Provincial

Transportation Department， Chengdu 610041， Sichuan， China）

Abstract： Based on the connecting line in construction between Guangyuan- Shaanxi expressway and Guangyuan- Bazhong expressway among the hilly area of northern Sichuan Province， constructing subgrade on soft foundation in bedding landslide area with complex geological structure and environmental conditions was analyzed with practical projects. The weighing type concrete retaining wall was replaced by bubble mixed light soil to keep embankment stable and reduce settlement. Technical problems including soft foundation treatment were solved， which provides scientific basis for the decision making of subgrade construction in soft foundation under complex geological conditions.

Key words： light soil； soft foundation； structure； retaining wall

0 引 言

本文以四川省北部山區(qū)地帶典型地貌特征為背景，在山嶺重丘區(qū)地形選取了一段長(zhǎng)度為60 m的半填半挖的路基工程為試驗(yàn)段，首次在四川高速公路建設(shè)中引入氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)，應(yīng)用于軟弱地基層上的路基填筑。通過對(duì)典型橫斷面填筑體進(jìn)行路基整體穩(wěn)定性、抗滑動(dòng)、抗傾覆驗(yàn)算，在滿足技術(shù)規(guī)范的前提下[1]，進(jìn)一步說明該方法完全取代原設(shè)計(jì)混凝土擋墻結(jié)構(gòu)物的技術(shù)方案在川內(nèi)實(shí)施是合理、可行的，并且值得在四川其他類似地段的高速公路建設(shè)中借鑒參考，具有廣闊的應(yīng)用前景與市場(chǎng)價(jià)值，可大力推廣應(yīng)用。

1 項(xiàng)目概況

廣陜、廣巴高速公路連接線位于四川省北部地區(qū)廣元市東北方向利州區(qū)境內(nèi)，是廣元繞城高速公路的重要組成部分之一，路線全長(zhǎng)19.45 km。沿線地勢(shì)西北高、東南低，地處龍門山與米倉(cāng)山低洼前緣地帶，形成了狹長(zhǎng)狀的山前凹槽，且堆積地形較為發(fā)育，具有典型山區(qū)高速公路修建特征。廣陜、廣巴高速公路連接線K3+553～K3+613段路基工程原設(shè)計(jì)左側(cè)采用順層清方開挖，右側(cè)采用衡重式路肩擋墻進(jìn)行收坡，與兩側(cè)擋墻順接，擋土墻外源是農(nóng)用魚塘，覆蓋土4～6 m，處于軟塑至可塑狀態(tài)，屬于在軟弱地基層上修建擋墻。經(jīng)施工單位地勘實(shí)測(cè)，原設(shè)計(jì)擋土墻地基承載力無(wú)法滿足要求。

2 氣泡混合輕質(zhì)土的功能及作用

2.1 氣泡混合輕質(zhì)土簡(jiǎn)介

氣泡混合輕質(zhì)土是一種新型輕質(zhì)的路基填筑材料，它是由水泥、水、細(xì)砂或砂性土（也可以不加）、氣泡發(fā)泡劑以及外加劑按照一定配合比例混合制成的微孔類輕質(zhì)材料[2]。最早由日本道路工團(tuán)在1986年應(yīng)用于道路工程中，此后引進(jìn)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。通過多年不斷的技術(shù)完善與逐步探索，目前已在國(guó)內(nèi)道路建設(shè)中發(fā)展成一項(xiàng)較為成熟的技術(shù)，并形成了完善的質(zhì)量管理與評(píng)價(jià)體系。由于氣泡混合輕質(zhì)土具有質(zhì)量輕、承載力高、整體性好、保溫隔熱性能好及施工便捷等顯著特點(diǎn)[3]，在橋臺(tái)背回填、道路加寬、陡坡路基、軟土路基減荷、地下結(jié)構(gòu)物減荷、橋梁減跨、隧道空洞注漿和凍土路基保溫隔熱方面發(fā)揮了重要作用。

2.2 技術(shù)特性

2.2.1 微孔性

氣泡混合輕質(zhì)土是一種微孔類輕質(zhì)材料，內(nèi)部含有無(wú)數(shù)個(gè)微細(xì)、獨(dú)立的均勻氣泡，氣泡直徑為30～60 μm，氣泡群含有率為20%～90%。

2.2.2 輕質(zhì)性

由于內(nèi)部均勻分布著大量氣泡，其容重比一般土建材料小很多（表1），可減少填筑自重[4- 5]。用作路基填筑時(shí)，其濕容重一般取4～6 kN·m-3，每換填1 m厚度的氣泡混合輕質(zhì)土，可減少12～14 kPa荷載，只相當(dāng)于厚0. 20～0. 30 m的普通填土荷載。

2.2.3 自立性

氣泡混合輕質(zhì)土屬水泥類材料，與普通混凝土有類似的初凝、終凝等特性，使用水泥作為固化劑，通常在澆筑5 h后就會(huì)開始固化，且具有良好的自立性，其垂直臨空面?zhèn)葔毫?，可進(jìn)行垂直填筑，對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)物無(wú)側(cè)壓力。

2.2.4 強(qiáng)度可調(diào)節(jié)

根據(jù)工程的實(shí)際需要，通過調(diào)整水泥用量、氣泡群含量或摻入添加材料的比例，使其容重在4～15 kN·m-3內(nèi)，強(qiáng)度在0.4～3.5 MPa內(nèi)。一般工程中，濕容重常選用4～6 kN·m-3 ，強(qiáng)度常選用0. 4～1. 5 MPa。圖1定性地說明了填筑材料的容重與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖1 抗壓強(qiáng)度與容重的關(guān)系

2.2.5 高流動(dòng)性

由于不含骨料，氣泡混合輕質(zhì)土流動(dòng)性高，可通過管道進(jìn)行遠(yuǎn)距離泵送，水平泵送距離達(dá)500 m以上（增加中集泵可輸送更遠(yuǎn)），垂直泵送高度達(dá)30 m以上。為防止氣泡混合輕質(zhì)土在澆筑施工時(shí)泄漏，通常采取必要措施砌筑一些簡(jiǎn)單的擋塊進(jìn)行封堵。

2.2.6 施工性能良好

采用管道泵送，使拌和場(chǎng)與澆注點(diǎn)分離，作業(yè)面??；澆注后可自流平、自硬化；自密實(shí)性好，不需機(jī)械攤鋪、振搗和碾壓。施工對(duì)附近建筑物無(wú)影響，對(duì)居民干擾小，適合在長(zhǎng)距離、管道或狹小空洞內(nèi)充填施工。

2.3 工程應(yīng)用

氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)自引入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以來，主要應(yīng)用于公路、鐵路、市政、房建及水利等領(lǐng)域的工程，應(yīng)用范圍包括道路路堤加寬、橋臺(tái)臺(tái)背填土、結(jié)構(gòu)頂減荷填土、低軟基路堤填土、橋梁改路堤填土（橋梁減跨）、高填方路堤擋墻、市政管道回填、坍塌工程快速搶險(xiǎn)、熔巖空洞填充、建筑地基加固、港口護(hù)岸擋墻、凍土路基及房建工程的保溫隔熱等。

3 氣泡混合輕質(zhì)土關(guān)鍵控制技術(shù)

3.1 設(shè)計(jì)方案

前述地勘資料表明，本段右側(cè)路基基底層在殘破堆積體上，加之外側(cè)水塘侵蝕和水的遷移，勢(shì)必影響擋墻基底的穩(wěn)定性和安全性，故在K3+553～K3+613段采用氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)進(jìn)行填筑，填筑最大高度6.6 m，原設(shè)計(jì)方案予以變更設(shè)計(jì)。

3.2 路基穩(wěn)定性計(jì)算

本文選取廣陜、廣巴高速公路連接線K3+597. 6段為最不利橫斷面，進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算與分析，氣泡混合輕質(zhì)土路基尺寸如圖2（a）所示。

圖2 K3+597.6段橫斷面設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1 地基承載力

根據(jù)氣泡混合輕質(zhì)土路基荷載的組合計(jì)算方式，按照荷載最不利因素綜合考慮，通過車輛荷載、填筑體頂層路面結(jié)構(gòu)層荷載、氣泡混合輕質(zhì)土荷載的共同作用組合計(jì)算，荷載總和為69. 23 kN，要求地基承載力不小于80 kPa即可，依據(jù)地勘資料可以證明，該處的地基承載力滿足要求。

3.2.2 路基穩(wěn)定性驗(yàn)算

氣泡混合輕質(zhì)土路基荷載按照實(shí)際計(jì)算荷載加載到邊坡面上，考慮右側(cè)魚塘水的影響，根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012）對(duì)填筑體部位進(jìn)行整體穩(wěn)定性計(jì)算，選取計(jì)算參數(shù)為：內(nèi)聚力c= 10 kPa，φ=30°，填土的容重γ=18 kN·m-3，氣泡輕質(zhì)土與原路基坡面的水平面夾角α =45°，摩擦系數(shù)μ=0. 5，基底水平α0=0°，忽略中部臺(tái)階的作用。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2（b）所示。

主動(dòng)土壓力

Ea=12γH2tan245°-φ2-2cHtan45°-φ2+2c2γ=65.58 kN

Ex=Easin α=32.79 kN

Ey=Eacos α=56.79 kN

滑動(dòng)穩(wěn)定方程

[1.1G+γQ1（Ey+Extan α0）-γQ2Eptan α0]μ+

（1.1G+γQ1Ey）tan α0-γQ1Ex+γQ2Ep>0

式中：H為填筑高度（m）；Ex為填筑體背面主動(dòng)土壓力的水平分量（kN）；Ey為填筑體背面主動(dòng)土壓力的豎向分量（kN）；G為填筑體重力及作用于填筑體頂面的其他豎向荷載的總和（kN）；γQ1、γQ2分別為主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)、被動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)，建議取γQ1=1. 4，γQ2=0. 5；α0為基底傾斜角（°）。

3.2.3 路基抗滑性驗(yàn)算

根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012）對(duì)填筑體部位進(jìn)行抗滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算（抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)Kc不能小于1.3），如圖2（b）所示，計(jì)算式如下

Kc=[N+（Ex-E′p）tan α0]μEx-Ntan α0=1. 921>1. 3

式中：N為基底作用力合力的豎向分量（kN）；E′p為填筑體前面被動(dòng)土壓力的水平分量（kN），為安全起見，E′p=0。

計(jì)算可知，按此參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性能夠滿足規(guī)范要求。

3.2.4 路基抗傾覆性驗(yàn)算

根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012）對(duì)填筑體部位進(jìn)行抗傾覆性驗(yàn)算（抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K0不能小于1.5），如圖2（b）所示，計(jì)算式如下

K0=GZG+EyZx+E′pZpExZy=2.00>1.5

式中：ZG為填筑體重力及作用于填筑體頂面的其他豎向荷載的合力中心至填筑體趾部的距離（m）；Zx為主動(dòng)土壓力的水平分量至填筑體趾部的距離（m）；Zy為主動(dòng)土壓力的豎向分量至填筑體趾部的距離（m）；Zp為填筑體前被動(dòng)土壓力的水平分量至填筑體趾部的距離（m）。

計(jì)算可知，按此參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的抗傾覆性能夠滿足規(guī)范要求。

3.3 制備工藝

因澆筑時(shí)間長(zhǎng)、體積方量大、材料配比嚴(yán)格，故按照大體積現(xiàn)場(chǎng)澆筑的施工工藝進(jìn)行[6]。在施工準(zhǔn)備前期要進(jìn)行詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)，對(duì)組成的材料質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，泵站位置選取、漿液輸送、機(jī)械與設(shè)備人員配備、外擋塊墻預(yù)制拼裝、模板安裝搭架等事項(xiàng)都應(yīng)進(jìn)行周密的計(jì)劃與安排，其施工工藝主要包括底基基礎(chǔ)處理、氣泡輕質(zhì)土材料制備、模板護(hù)壁、整體澆筑施工、養(yǎng)護(hù)管理等工序。具體制備工藝如圖3所示。

圖3 氣泡混合輕質(zhì)土制作工藝流程

3.4 施工控制要點(diǎn)

施工嚴(yán)格按照建設(shè)部頒發(fā)的《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T 177—2012）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，但根據(jù)具體的實(shí)際情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，強(qiáng)化施工過程中的質(zhì)量、進(jìn)度、安全控制，施工控制要點(diǎn)如下。

（1） 本段路基在斜陡坡軟弱地基層上填筑，為進(jìn)一步提高填筑體的抗滑穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)考慮增設(shè)抗滑錨桿，以接觸面每2 m2范圍1根錨桿布置，錨桿采用DN25鍍鋅鋼管，長(zhǎng)度為3 m（各嵌入1.5 m），入射角度為15°。

（2） 施工過程中應(yīng)增設(shè)面板與外側(cè)水塘的水隔絕，起到臨時(shí)支撐模板、防止漏漿的作用，并且能夠長(zhǎng)期保護(hù)輕質(zhì)土，以防風(fēng)化嚴(yán)重導(dǎo)致的使用性能降低。設(shè)計(jì)面板采用C25混凝土，面板標(biāo)準(zhǔn)塊尺寸為90 cm×30 cm×4 cm，面板基礎(chǔ)采用C25混凝土與30 cm厚砂礫石墊層。

（3） 路基填筑時(shí)縱橫向與常規(guī)路基的交接面設(shè)置2級(jí)臺(tái)階平臺(tái)，寬度為2 m；輕質(zhì)土填筑的頂部和基底1 m范圍內(nèi)設(shè)置2層鍍鋅金屬網(wǎng)，采用3 mm×10 cm×10 cm鐵絲網(wǎng)，布置形式為梅花形。

（4） HDPE防滲采用GH- 1型聚乙烯土工膜，厚度為0.5 mm；變形縫采用2 cm厚的泡沫夾板；氣泡輕質(zhì)土路基基底設(shè)置砂礫石墊層，厚度為0. 3 m。

（5） 路基段變形縫每10 m設(shè)置1道，縫寬20 mm，填筑體地面有突變時(shí)，應(yīng)增設(shè)沉降縫（可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)沉降縫適當(dāng)調(diào)整），沉降縫填縫材料采用20 mm厚的聚苯乙烯板。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，氣泡混合輕質(zhì)土在廣東沿海地區(qū)使用較為廣泛，而本次是將該項(xiàng)技術(shù)引入四川高速公路建設(shè)的首例。在川北山嶺重丘地帶軟弱地基層上成功應(yīng)用，有重要的指導(dǎo)意義，也為四川其他地區(qū)的高速公路特殊路基處理提供借鑒和參考。為此，結(jié)合本工點(diǎn)的實(shí)際處治情況，總結(jié)如下幾點(diǎn)。

（1） 在順層滑坡與軟基地層復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造相互交織的情況下，首次對(duì)路基整體穩(wěn)定性、抗滑動(dòng)性能、抗傾覆穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算分析，由此說明了氣泡混合輕質(zhì)土技術(shù)的使用方法恰當(dāng)，處治手段合理，計(jì)算過程正確。

（2） 結(jié)合工地實(shí)際情況，對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土的制備工藝進(jìn)行了優(yōu)化完善，進(jìn)一步降低工程造價(jià)，節(jié)省了施工工期。

（3） 根據(jù)該工點(diǎn)四周的地形與地貌特征，有針對(duì)性地提出了輕質(zhì)土在設(shè)計(jì)、施工過程中的技術(shù)控制要點(diǎn)，對(duì)提高工程質(zhì)量、保證路基穩(wěn)定耐久具有重要的指導(dǎo)意義。

（4） 四川地處多山地區(qū)，山嶺重丘地帶分布較廣，氣泡混合輕質(zhì)土的成功應(yīng)用為其他具有類似特征的公路建設(shè)提供科學(xué)決策依據(jù)，值得下一步推廣應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：王玉玲]