泡沫轻质土在与既有高架共线道路软基处理中的应用探讨

吴 迪

（中国市政工程西北设计研究院有限公司,江苏 南京 210000）

0 引言

近年来，随着城市交通建设的快速发展及土地集约化的要求，受规划红线及用地指标限制，利用既有高架桥梁投影下的用地空间进行的新建及改扩建道路建设很常见，此类道路与高架桥梁伴行，道路建设及运营均会对既有桥梁产生不利影响，反之既有桥梁构筑物也会对道路实施及后期使用产生相应负面影响，比如：原有桥梁地基产生附加沉降、新建道路路基填方及道路交通荷载会造成下卧地基横向变形，易产生路基不均匀沉降造成新建道路路面开裂与鼓包等病害。既有研究已经证明轻质泡沫混凝土在处理软基不均匀沉降方面具有一定的优势，为此，该文以实际工程项目展开了进一步研究。

1 项目概述

1.1 项目设计特点

某道路等级为城市次干路，双向4车道，位于江苏省南京滨江区域，受既有衔接道路竖向控制，该道路采用高路堤形式（填方约3.5～4.5 m）与高架共线通过。高架桥梁于该道路启动建设时3年前建成通车。该道路所处区域为滨江长江漫滩地貌，水系发达，区域内赋存的软土不良地质厚度较大且埋深浅，全线均有分布，具有抗剪强度低、压缩性高等特点。

道路横断面布置为2×（2.5 m人行道+3.5 m非机动车道+2 m侧分带+7.5 m机动车道）+11.5 m中央分隔带=42.5 m。部分车道布置在高架桥梁承台上方，其他车道布置在软土地基上，具体横断面布置图见图1。

图1 道路横断面布置图（单位：m)

设计特点如下：

（1）既有高架桥梁对沉降要求控制严格，对于城市次干路，一般路段软土地基工后沉降要求不大于30 cm，此沉降控制标准与既有高架的沉降要求相差较大。

（2）软土地基处理措施需减少对城市高架的负摩阻力的影响，尽量减少对既有桥梁地基产生附加沉降。该道路既有桥梁桩基础为摩擦桩，持力层为卵石层，负摩阻力的不利效应更加明显。

（3）须对承台内外两者之间的差异沉降进行控制，以确保新建道路正常使用。

（4）道路所处区域为软土地基，且道路填方较高，上述不利影响会愈加严重。

1.2 项目地质概述

软土层主要为淤泥质粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹粉砂，软土层厚度约为14～17.5 m。根据土工试验结果，软土具有以下性质：流塑，局部软塑；含水量高，天然孔隙比大，压缩性大；凝聚力小，抗剪强度低；固结系数小，渗透系数小，透水性差。在荷载作用下会产生较大的沉降和沉降差，而且沉降过程延续的时间可能很长，影响道路的正常使用。

2 地基处理方案

2.1 地基处理方案的选择

通过比选，采用泡沫轻质土作为路基填料，既能有效降低工后沉降，同时泡沫轻质土的刚性介于水泥混凝土与优质土材料之间，用于路基与承台结合处可以很大程度地减轻刚柔突变，减少因刚度不同而产生的路面开裂。

泡沫轻质土质量轻，但这一特点也使得地基固结缓慢，造成路基残余沉降量大，故在填筑轻质土路基前，先采用高压旋喷桩（桥梁下净空受限）对下卧地基进行处理，使两者效应叠加发挥，减少工后沉降[1]。同时高压旋喷桩对下卧地基进行加固，也减少道路高路基施工期及运营期对现状桥梁桩基的不利影响。

故地基处理方案采用高压旋喷桩复合地基+路堤联合处理。

2.2 泡沫轻质土的特点及应用现状

泡沫轻质土是由原料土、水、固化剂、发泡剂等一系列物质所混合、拌制、硬化形成的一种轻质材料，一般采用水泥作为固化剂，通常采用现浇施工。泡沫轻质土中含有大量气泡，空隙比可达3%～5%，容重较小。可通过改变气泡率和固化剂掺量调整其容重保持在3～15 kN/m³，抗压强度控制在0.3～20 MPa之间。泡沫轻质土的密度与抗压强度基本成正比，密度越大，抗压强度越大。

用泡沫轻质土代替传统路基材料，可以减小填土载荷及对软弱地基产生的附加应力，降低工后沉降，减缓路基之间的不均匀沉降；减轻对路基两侧现状构筑物的影响；降低土体本身的剪切滑动位移，提高路基的抗滑稳定性。再加上施工便捷、操作方便等特点，目前被广泛应用于广州、天津和上海等地的道路工程建设中。

2.3 设计计算

2.3.1 轻质泡沫土路基填筑厚度

泡沫轻质土填筑厚度主要考虑以下因素：工后沉降指标、地基承载力、受水位影响时的抗浮要求，并结合技术经济指标综合比较确定。原土换填厚度的设计原理为基底应力补偿原则，即轻质土荷载+路面结构荷载+行车荷载≤被置换的原土荷载，理论上没有沉降。

式中，Ri、Hi分别为路堤各土层重度和厚度；R0i、H0i分别为换填深度内各土层的重度和厚度。

2.3.2 工后沉降计算

对于该道路，按一次性铺筑路面考虑，采用路面完工15年内的工后沉降控制。总沉降计算选用分层总和法，地基土压缩层厚度以附加应力小于自重应力的15%确定。路基工后变形按如下控制：行车道范围工后沉降控制指标为以10 cm；控制新建路基与承台之间的差异沉降，确保承台内外的路拱横坡度工后增大值不大于0.5%，沉降差小于10 cm[2]。

2.3.3 路堤换填地基承载力计算

地基土换填后残余部分自重、泡沫轻质土自重和其他荷载的总和应满足地基承载力要求。验算时泡沫轻质土应采用饱和容重指标。

2.3.4 抗浮计算

由于区域内地下水位埋藏较浅，并且多雨，因此应充分考虑到水的影响，对泡沫轻质土填筑物进行抗浮验算。验算时，所受浮力按计算水位的100%计算，水上、水下部位容重分别取湿容重、饱和容重，抗浮安全系数Fs≥1.2，强度保留率≥90%。计算公式如下：

式中，G1计算见式（2）；r为水的重度（kN/m³）；h为路堤浸水深度（m）。

由于抗浮计算时，已经考虑了路面结构荷载，针对路面结构未施工前受水位影响容易出现的板块上浮，进而开裂的情况，施工时须开挖集水沟排水，保证水位低于开挖基坑底。

2.3.5 路基稳定性计算

泡沫轻质土路堤稳定性验算时，黏聚力c取100 kPa，内摩擦角取2°。但考虑到泡沫轻质土良好的强度及自立性，该计算意义不大。实际上泡沫轻质土板块稳定性不需要检算，只需要把泡沫轻质土板块作为路堤，检算软土地基的整体稳定性即可。

实际在使用过程中，泡沫轻质土路堤可能会出现水盆效应造成路面开裂，即在最高地下水作用下或由于原地面纵横坡过大造成泡沫轻质土板块的整体移动，因此该次设计提出在泡沫轻质土外侧人行道范围内采用素土填筑，既起到反压作用，从两侧限制泡沫轻质土板块的移动，也起到隔绝外部地表水的占用，减少水浮力效应，保证路堤的稳定性。

因此,紧急制动曲线可以通过上述原则进行计算。ATP系统在列车运行过程中将实时对列车的能量进行检测，确保在最坏的情况下后车也不会越过前车的干扰点。

2.3.6 泡沫轻质土路堤抗滑移稳定性验算

该项计算主要考虑以下因素对泡沫轻质土路堤抗滑移稳定性的不利影响：在最高地下水位或外部地表水无法排泄的情况下即所受水浮力最大，或由于原地面纵横坡过大，在自重或车辆荷载作用下产生下滑力，或承受车辆荷载制动力作用，造成泡沫轻质土板块的整体滑移。抗滑稳定性验算时，泡沫轻质土与土质坡面接触的抗滑摩擦系数可取0.3～0.4[3]。

2.4 具体设计方案

2.4.1 设计方案图

该项目的具体设计方案如图2中所示。

图2 设计方案图

2.4.2 轻质土技术指标及基本要求

密度等级：D600，表干密度为550～650 kg/m³；

强度等级：F0.8（28 d立方体单轴饱和抗压强度平均值0.8 MPa）；

质量吸水率：10%（标准环境中封闭养生28 d）

泡沫标准密度：50 kg/m³；

发泡倍率：不低于1 000；

消泡试验泡沫轻质土湿密度增加率：不超过10%。

泡沫配合比设计以及发泡剂的主要性能应分别满足表1、2中的要求。

表1 泡沫推荐配合比设计

表2 发泡剂主要性能指标表

2.4.3 构造细部设计方案

（1）防排水设计：该项目在泡沫轻质土路堤底部设置50 cm级配碎石作为透水垫层，以满足基底防排水需要，避免地下水浮力引起填筑物的附加应力，同时可兼做调平层。碎石垫层顶满铺一层防渗土工膜，在泡沫混凝土边界处向下折边不小于1 m。另在泡沫轻质土路堤顶部设置一层防渗土工膜封闭层，排出路面渗水下渗。

（2）泡沫轻质土应避免暴露使用，需做好封闭设计。该项目在人行道范围内采用素土围边填筑。

（3）为避免泡沫轻质土填筑体硬化后与现状桥墩固结为一体，一方面防止填筑体（含路面自重）传递至桥墩，增加桥桩受力，另一方面防止填筑体受力不均产生断裂。故此该项目在填筑体与桥墩间设置缓冲层（20 mm厚的聚苯乙烯板）。

（4）为满足路床顶纵横向坡率设置要求，确保路面结构层所需厚度，泡沫轻质土顶层按坡率设计采用台阶式过渡，台阶宽度不小于1 m，台阶高差一般不大于10 cm。

（5）为减轻机动车动荷载影响，保证泡沫轻质土受力均匀，同时提高泡沫轻质土防裂功能，该项目在泡沫轻质土顶面设置一层20 cm厚C25混凝土整体现浇层。混凝土板块应在泡沫轻质土施工缝处设置胀缝和横向缩缝。

（6）泡沫轻质土路堤与常规填土路基间的纵向过渡应采用台阶过渡，台阶宽度不小于2 m。

3 结论

该文的研究可为以后类似工程提供一定的借鉴意义。研究结论如下：

（1）当软土厚度较大或填方较高时，用泡沫轻质土代替传统路基材料，可有效减小填土载荷及对软弱地基产生的附加应力，能较好地减少路基工后沉降及既有承台内外的不均匀沉降。

（2）高压旋喷桩复合地基+泡沫轻质土路堤联合使用，可以有效减小对既有桥梁基础的不利影响，对变形要求严格的既有高架范围内道路的软基处理具有一定的借鉴意义。

（3）为彻底解决既有承台内外的不均匀沉降问题，尚需要进一步加强泡沫轻质土的抗拉能力，并加强路基与路面设计的配合及综合处理。