范鵬舉，武 楊，張 磊

(1. 江蘇省地下空間探測技術(shù)工程實驗室，南京 210000； 2. 蘇交科集團股份有限公司，南京 210019)

高速公路改擴建工程中,部分高填方路段用地受限，不易大面積振搗碾壓施工，采用傳統(tǒng)的路基拓寬方式具有一定的局限性。氣泡輕質(zhì)土技術(shù)為解決上述問題提供了新的思路。氣泡輕質(zhì)土在國外已有30年使用歷史，具有施工工期短、可直立澆筑減少征地、輕質(zhì)自立的技術(shù)優(yōu)勢。我國于上世紀八十年代從歐洲引入氣泡輕質(zhì)土技術(shù)，但施工工藝、質(zhì)量控制方法等國家標準體系尚未建立，已有工程經(jīng)驗參考價值有限，且施工尚無可循規(guī)范。

同時，改擴建工程中氣泡輕質(zhì)土主要用于解決高填方等用地受限難題，穩(wěn)定性問題較為突出，接觸面是其薄弱環(huán)節(jié)。為此，本文結(jié)合工程特點，通過經(jīng)驗總結(jié)、試驗研究和理論研究等措施，在現(xiàn)有設(shè)計的基礎(chǔ)上，有針對性地對氣泡輕質(zhì)土的設(shè)計要點(配合比設(shè)計和拼接路基設(shè)計)進行了研究和優(yōu)化[1]。

1 配合比設(shè)計與優(yōu)化

改擴建工程中，氣泡輕質(zhì)土主要用于高填方等用地受限路段的路基填筑，氣泡輕質(zhì)土主要用作承重層。因此，在進行配合比設(shè)計時,應(yīng)考慮抗壓強度作為首要設(shè)計指標，同時根據(jù)氣泡輕質(zhì)土材料特點，對容重和流動度指標進行設(shè)計[2]。

1.1 強度指標

依托工程為一級高速公路，路床部分要求不小于0.6 MPa，其余部分要求不小于0.5 MPa，考慮一定的安全儲備，實際施工時要求頂層80 cm以內(nèi)抗壓強度不小于0.8 MPa，其余部分不小于0.6 MPa，如表1所示。參照強度等級表，分別要求氣泡輕質(zhì)土等級為CF0.8和CF0.6。

表1 氣泡輕質(zhì)土強度要求

1.2 容重指標

容重指標包括：濕容重、干容重和表干容重。濕容重指氣泡輕質(zhì)土漿料的初始容重；干容重指養(yǎng)護后產(chǎn)品的絕干容重，主要由水泥等原材料的水化產(chǎn)物和殘留物組成；表干容重指氣泡輕質(zhì)土終凝后的表觀重量，是體現(xiàn)氣泡輕質(zhì)土固化后的容重指標。容重是保證氣泡輕質(zhì)土輕質(zhì)特性的需要，也是配合比設(shè)計的基礎(chǔ)。

根據(jù)《氣泡混合輕質(zhì)土填筑工程技術(shù)規(guī)程》(DBJ15-58—2008)和《公路工程泡沫混凝土設(shè)計與施工技術(shù)指南》(2012年版)等規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容，在已有容重等級劃分的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際和試驗研究結(jié)果，結(jié)論如下：

(1) 在自然環(huán)境中進行保濕養(yǎng)護時，表干容重

略低于濕容重；前期試驗結(jié)果也表明，設(shè)計配合比的氣泡輕質(zhì)土表干容重較濕容重降低了10%左右；因此，建議氣泡輕質(zhì)土容重在進行等級劃分的同時，兼顧表干容重和濕容重，以表干容重為主，濕容重為輔。

(2) 施工過程中，濕容重因環(huán)境變化產(chǎn)生細微變化。濕容重越輕，氣泡含有量越多。在同等體積條件下，濕容重變化率越大，反之，濕容重變化率則越小。根據(jù)以往施工經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，濕容重允許偏差宜統(tǒng)一按±0.5 kN/m3控制。

(3) 公路工程中氣泡輕質(zhì)土表干容重為3～9 kN/m3時，具有較好的工程適用性。綜合考慮工程經(jīng)驗，建議氣泡輕質(zhì)土容重等級在3～9 kN/m3的范圍內(nèi)進行劃分。

(4) 強度和容重具有一定的相關(guān)性，相同條件下，容重越大，強度越高。因此，建議容重等級劃分時考慮強度等級。

綜上所述，建議氣泡輕質(zhì)土容重等級按其標準養(yǎng)護28天時的表干容重進行劃分，可分為7個等級，分別用符號A03、A04、A05、A06、A07、A08、A09表示，干容重和濕容重的變化范圍可按表2的規(guī)定執(zhí)行。根據(jù)已有工程經(jīng)驗，改擴建工程中氣泡輕質(zhì)土容重等級不超過A05級。

表2 公路工程中氣泡輕質(zhì)土容重等級劃分

1.3 流動度指標

在氣泡輕質(zhì)土施工過程中，流動性是保證施工可操作性的一個基本前提，也是控制氣泡輕質(zhì)土澆筑質(zhì)量的一個重要手段。流動性用流動度來衡量。流動度通過圓筒試驗來測定。

改擴建工程中，氣泡輕質(zhì)土澆筑點較偏僻，部分位于山里，施工場地受限，因此需泵送較遠距離，加之北方寒區(qū)，氣溫較低，在設(shè)計時，應(yīng)保證較高的流動性。已有工程經(jīng)驗表明，氣泡輕質(zhì)土流動為160～200 mm較為適宜。試驗段施工經(jīng)驗也表明，改擴建工程中氣泡輕質(zhì)土流動度宜為180 mm。

2 材料性能試驗

氣泡輕質(zhì)土強度、容重和流動度指標與各組成材料的配比密切相關(guān)，可根據(jù)配比及時調(diào)整材料性能。呼包路改擴建工程中，原設(shè)計配合比按照水、水泥、發(fā)泡劑3種材料質(zhì)量比為1∶1.65∶0.006進行控制，抗壓強度指標分別為0.8 MPa和0.6 MPa，濕容重指標分別為0.6 kN/m3和5.5 kN/m3，流動度指標控制為180 mm。實際工程中，受環(huán)境條件、設(shè)計施工水平、設(shè)備材料等條件制約，還需對材料配比進行微調(diào)。課題在前期設(shè)計配合比的基礎(chǔ)上，開展了大量的配合比試驗研究，為改擴建工程中氣泡輕質(zhì)土的配合比調(diào)整提供依據(jù)[3]。

2.1 濕容重和表干容重

(1) 在流動度、含氣量都接近的情況下，水泥含量不同，氣泡輕質(zhì)土濕容重變化幅度不大。這是因為氣泡輕質(zhì)土漿料中氣泡群多而水泥漿料少，水泥用量對氣泡輕質(zhì)土濕容重影響小。

(2) 圖1為根據(jù)試驗結(jié)果整理的氣泡輕質(zhì)土濕容重與含氣量的關(guān)系圖，濕容重隨含氣量增加逐漸減少，從形態(tài)上，近似呈直線下降。含氣量每增加10%，濕容重降低20%～30%，因此，可以認為，氣泡輕質(zhì)土濕容重對含氣量較為敏感。這一規(guī)律對于指導(dǎo)改擴建工程實踐具有重要意義，表明通過加入氣泡來實現(xiàn)氣泡輕質(zhì)土的輕量化是可行的。

圖1 濕容重與含氣量的關(guān)系

(3) 圖2為氣泡輕質(zhì)土表干容重與養(yǎng)護齡期的關(guān)系圖，氣泡輕質(zhì)土隨著養(yǎng)護時間的增加，表干容重逐漸降低，在初期降低速度最快，后期趨緩，這與一般混凝土材料類似。這是因為影響氣泡輕質(zhì)土表干容重的主要因素是水泥水化和自由水的蒸發(fā)引起的水分流失，該過程主要發(fā)生在養(yǎng)護初期。

圖2 表干容重與養(yǎng)護齡期的關(guān)系

2.2 抗壓強度

氣泡輕質(zhì)土抗壓強度受水灰比、含氣量、養(yǎng)護齡期和養(yǎng)護環(huán)境等因素的制約，它們之間的相互聯(lián)系、相互影響，構(gòu)成了氣泡輕質(zhì)土強度的規(guī)律性和復(fù)雜性。

(1) 氣泡輕質(zhì)土中水泥含量越高，抗壓強度越大。與含氣量相比，氣泡輕質(zhì)土受水灰比影響與含氣量大致相同。

(2) 抗壓強度與含氣量的關(guān)系如圖3所示。隨著含氣量的增加，氣泡輕質(zhì)土抗壓強度迅速降低，以水灰比1∶1.65為例，含氣量增加26.5%后，氣泡輕質(zhì)土抗壓強度降低了約46%。

(3) 圖4為氣泡輕質(zhì)土抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系圖。氣泡輕質(zhì)土抗壓強度隨著養(yǎng)護齡期的增長逐漸增大，7天強度約為28天強度的1/3～1/2，這與一般混凝土相比，前期強度增長較快，是因為漿料氣泡的存在大大增加了比表面積，使得水泥水化更充分。

圖3 抗壓強度與含氣量的關(guān)系

圖4 抗壓強度與養(yǎng)護齡期的關(guān)系

(4) 由于分層澆筑，氣泡輕質(zhì)土在下部氣泡輕質(zhì)土凝固并產(chǎn)生一定強度后，才能進行上部澆筑。工程實際中，規(guī)范并沒有給出具體養(yǎng)護時間。有鑒于此，課題組專門跟蹤試樣6養(yǎng)護1天、2天、3天后的抗壓強度。試樣6養(yǎng)護1天后，抗壓強度為0.07 MPa，2天后抗壓強度為0.186 MPa，3天后抗壓強度為0.297 MPa。因此，氣泡輕質(zhì)土下部澆筑完成1～2天后，就可以進行上部澆筑。

(5) 工程實際中，氣泡輕質(zhì)土的使用環(huán)境多種多樣，后期養(yǎng)護環(huán)境對氣泡輕質(zhì)土抗壓強度也是有影響的。結(jié)果表明，氣泡輕質(zhì)土強度隨養(yǎng)護時間逐漸增長，30天后強度為初始強度的1.8倍；養(yǎng)護環(huán)境對強度影響明顯，浸泡環(huán)境下強度損失較大，與常規(guī)養(yǎng)護環(huán)境相比，同齡期試樣強度損失約35%；隨著齡期的增長，浸泡環(huán)境下氣泡輕質(zhì)土強度逐漸降低，降低幅度趨于穩(wěn)定，連續(xù)浸泡30天后強度仍在0.8 MPa以上，如圖5所示，滿足路用要求。

圖5 抗壓強度與養(yǎng)護環(huán)境的關(guān)系

3 快速經(jīng)驗計算法

目前氣泡輕質(zhì)土設(shè)計中多采用濕容重作為設(shè)計和驗算指標，但實際表干容重略低于濕容重，因此采用濕容重指標方法不夠科學(xué)，偏于保守。工程經(jīng)驗還表明濕容重法計算繁瑣，對工程實際指導(dǎo)意義有限，因此，課題在試驗研究和經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于表干容重的快速經(jīng)驗計算方法。

該方法是按標準養(yǎng)護28天后的表干容重指標進行配合比計算。與濕容重法類似，計算仍采用重量法計算各原材料用量。

(1)

式中,Vk為每立方氣泡輕質(zhì)土的氣泡群體積；mc，mm，mw分別為泥、外摻料和水的用量；ρc、ρm、ρm分別為泥、外摻料和水的密度。

δcmc+δmmm=100r干

(2)

(3)

式中,δc為水泥水化修正系數(shù)，經(jīng)驗選取1.2～1.5，根據(jù)水泥類型，熟料含量越多，水化修正系數(shù)越大；δm為外摻料修正系數(shù)，經(jīng)驗選取細砂為1.0～1.1，粉煤灰和礦粉為1.2；r濕為氣泡輕質(zhì)土的28天表干容重。

泥、外摻料和水的用量按下式計算：

(4)

(5)

mw=w(mc+mm)

(6)

氣泡輕質(zhì)土濕容重按式(7)計算：

(7)

與常規(guī)濕容重法相比，該方法更加快速、直觀，計算量小，從表干容重出發(fā)，設(shè)計更為合理。

4 拼接路基設(shè)計與優(yōu)化

(1) 斷面設(shè)計形式

改擴建工程中斷面采用直立型斷面形式，該斷面形式如圖6所示，直立型斷面主要用于高填深挖等用地受限路段，主要目的是減少土體下滑，提高穩(wěn)定性，簡化擋墻處理，保持原有地貌，方便施工。氣泡輕質(zhì)土與老路基通過臺階連接，拼接部位作抗滑處理；氣泡輕質(zhì)土外側(cè)直立澆筑，支護面板兼有澆筑模板和保護擋墻的作用。氣泡輕質(zhì)土底部基礎(chǔ)作抗滑處理。

采用直立澆筑，在填筑高度較高時，可能存在由于縱向結(jié)合部剛?cè)嵬蛔円鸬穆访孀冃尾粎f(xié)調(diào)，進而產(chǎn)生裂縫。因此，課題建議氣泡輕質(zhì)土縱斷面宜以臺階過渡銜接，如圖7所示。當(dāng)填筑高度不超過3 m時，才可采用在老路基原有地貌的基礎(chǔ)上放坡或直立澆筑。

圖7 縱斷面臺階過渡示意圖

(2) 路基拼接設(shè)計

路基拼接技術(shù)主要包括：防排水設(shè)計、抗滑設(shè)計和臺階開挖。

在防排水設(shè)計方面，主要利用防水土工布結(jié)合排水設(shè)施進行防排水。同時為排除路基滲水，建議在填筑體與地基之間設(shè)置碎石墊層或碎石盲溝，填筑體低面設(shè)置碎石墊層時，墊層厚度控制在25 cm以內(nèi)，為使排水順暢，碎石墊層應(yīng)超過支護面板基礎(chǔ)外緣，且墊層頂高度不高于支護面板基礎(chǔ)底。特別需要指出的是，當(dāng)不能確定背面填土的滲水是否會對氣泡輕質(zhì)土造成影響時，宜采用防水板[4]。

在抗滑設(shè)計方面，建議采用設(shè)置抗滑固件的方法，如圖8所示。

圖8 防排水設(shè)計參考

通過在新老路基拼接處垂直打入抗滑樁，提高氣泡輕質(zhì)土填筑體和老路基的整體性。若穩(wěn)定性不夠時，可根據(jù)需要調(diào)整抗滑樁的截面和間隔，使之滿足穩(wěn)定性要求。

在臺階開挖方面，參考國內(nèi)其他高速公路改擴建工程采用的臺階開挖方案，雖然各工程采用的開挖方案都有區(qū)別，但臺階高度大多控制在100 cm以內(nèi)，第一級臺階開挖高度一般在0.8～1.5 m，逐級開挖臺階，避免一次開挖臺階過高、過陡臺階容易坍塌，臺階寬度根據(jù)坡比和臺階開挖形式確定，同時臺階尺寸還和老路邊坡的填筑材料、壓實度等有關(guān)。根據(jù)改擴建工程實際情況，建議改擴建工程中路基拼接采用多級臺階形式，每個坡面視具體情況設(shè)置1～3個臺階。每個臺階面寬度不超過1.5 m，臺階高度不超過1 m。

5 結(jié)論

立足試驗研究和理論分析，課題對氣泡輕質(zhì)土材料性能和設(shè)計進行了系統(tǒng)深入研究，主要結(jié)論如下：

(1) 對已有配合比設(shè)計指標進行了優(yōu)化，提出了基于表干容重的劃分方法；建議依托工程中氣泡輕質(zhì)土配合比設(shè)計強度按路床CF0.8和路堤CF0.6級別選取，容重可定為不超過A05級，流動度為180 mm。

(2) 開展了大量材料性能試驗，為依托工程提供了參考建議，包括：濕容重、表干容重和抗壓強度。提出了一種基于表干容重的經(jīng)驗計算法，相較于一般濕容重法具有快速，簡單的優(yōu)勢。

(3) 對拓寬工程中氣泡輕質(zhì)土路基典型斷面進行設(shè)計優(yōu)化，分析了不同斷面的變形和穩(wěn)定特征，建議依托工程縱向銜接臺階過渡。

(4) 研究了拼接過程中的防排水設(shè)計、抗滑設(shè)計和臺階開挖，建議依托工程路基拼接采用多級臺階形式，每個坡面視具體情況設(shè)置1～3個臺階。每個臺階面寬度不超過1.5 m，臺階高度不超過1 m。