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岩土研究院

什么是泡沫轻质土?如何在软基处理中应用?

313 2020-10-24 08:58:37

泡沫轻质土是“用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫,与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌,并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料”。类似的材料有日本的“气泡轻量土”,国内的”泡沫混凝土”等。就硬化成型的过程而言,泡沫轻质土、气泡混合轻质土与泡沫混凝土并无本质区别。但泡沫轻质土的原材料(如集料及掺和料)可用范围更广,力学性能介于土与混凝土之间,使用功能更侧重于替代常规土或砂(不是作为混凝土)用于各种填充或充填。


泡沫轻质土具有如下工程特性:

①、轻质性

轻质性是现浇泡沫轻质土最显著的特性,与几种常规土建材料相比,现浇泡沫轻质土的容重相对要低。(见下表)。

几种主要土建材料的容重比较(单位:kN/m3)

水泥混凝土路面底基层路基填土粉煤灰中粗砂泡沫轻质土

2521~2219~2012~1618~203~12


②、容重和强度可调节性

调整现浇泡沫轻质土的组成成份比例,即调整配合比,现浇泡沫轻质土的容重和强度可根据需要在一定范围内自由调节。工程上,现浇泡沫轻质土的容重一般可在3~12kN/m3之间调节;而无侧限抗压强度的调节范围为0.3~5.0MPa。作为土工填筑材料,现浇泡沫轻质土的无侧限抗压强度通常控制在0.3~1.2MPa。


③、良好的施工性

现浇泡沫轻质土的流动性高,可通过软管泵送,现场施工浇注点与制作点可分离,且浇注点占的施工空间极小,可在狭小空间内施工。当作为路基填筑的替代材料时,现浇泡沫轻质土浇注施工无须振捣碾压,施工便捷高效。良好施工性还体现在现浇泡沫轻质土基本可连续浇注施工,无须在施工过程中进行特别的养生处理。


④、良好的环保特性

可大量利用粉煤灰等工业废渣做原材料,促进资源的再生利用,有利于环保;与土工泡沫塑料相比,现浇泡沫轻质土属无机质材料,无论用于地上,地下工程,其对环境均无污染作用,环保优势明显;当用于道路扩建、山区陡峭路段等道路工程中,可节省土地资源,避免高填高挖等对环境的破坏,对保护自然生态环境意义重大。

泡沫轻质土用于软基路桥过渡段的设计,主要围绕工后沉降满足规范要求,解决泡沫轻质土的换填厚度和换填范围的问题。这里,从软基变形的理论来说明换填厚度;关于换填长度,则结合规范和相关研究文献来论证。

沿海地区的软基一般由饱和软土组成,通常为高压缩性、高孔隙比和高含水量的淤泥或淤泥质土。这类饱和软土,其沉降变形的本质可用有效应力原理来说明:在附加应力的作用下,超孔隙水压力不断消散、有效应力不断增长;与此同时,随超孔压的消散,软土中的自由水不断排出,由此,其体积压缩,表现为沉降的发生。


在这个过程当中,对工程起决定作用的主要是三个方面:

1、附加应力

附加应力的大小决定了软土层最终总沉降量的大小:当附加应力全部转化为有效应力时,总沉降完成;故附加应力越大,总沉降越大。

2、固结度

固结度的意义在于表征了当前时刻已完成沉降占总沉降的比例。

3、工后沉降

工后沉降其实就是扣除完工时已完成沉降后的剩余沉降量。工后沉降通常是软基路段重点控制的指标;从设计到施工,软基路段的一个重要任务就是尽可能降低工后沉降,以确保公路工后的正常使用,并减少工后维修费用。

当然,这里的工后沉降系指工后总沉降;工程上,更多使用的概念是基准期内的工后残余沉降。显然,工后总沉降越小,基准期内的残余沉降越小。


可通过两种途径来降低工后沉降:

1、通过提高St来提高竣工时的固结度,以此控制工后沉降。

具体的实现方法为排水预压法:通过设置竖向排水体如袋装砂井或塑料排水板,通过堆载预压或真空预压的方式来加快软土层的固结速率,使竣工时的固结度达到足够大,确保工后沉降满足要求。该法的主要特点是具有较好的经济性,缺陷是需要足够的预压时间,且工后沉降大,这通常与项目的工期要求矛盾突出。

2、降低软土层的附加应力以降低总沉降,以此控制工后沉降。


实现方法有两种方式:

方式一:桩式复合地基法

桩式复合地基是设置一定密度的搅拌桩、CFG桩或预应力管桩等强度远较软土层强度要高的桩体,将上覆荷载大部分转移至这些桩体来承受,从而降低软土层所承受的荷载和附加应力,实现控制工后沉降的方法。该工法的优点是时间短,效果显著,但缺陷是造价偏高,同时,桩体施工对周边的临界结构物(如桥台、涵洞等结构物)会产生侧向挤出效应,从而影响临界结构物的安全性。

方式二:轻路堤法

该工法直接降低路堤荷载和软土层的附加应力。传统的轻路堤法有EPS路堤等。

泡沫轻质土用于路桥过渡段填筑,属于轻路堤法,其控制工后沉降的原理在于降低附加应力;当用于旧路改造项目时,如换填厚度适当向原地面以下延伸,可使软土层的附加应力小于有效应力,软土层处于超固结状态,从而确保工后沉降为0。瑞安市飞云江大桥改造工程,即采用了泡沫轻质土技术对桥头范围的路基进行了换填处理,其该范围内没有进行任何软基处理,一年多来的使用效果良好。

为缓解软基路堤与桥梁等结构物之间的差异沉降,通常在结构物两侧的一定范围内设置路桥过渡段。公路路基规范规定,应设置必要的工后沉降过渡段来缓解工后桥头跳车现象。

泡沫轻质土的一个显著的特点是其浇筑后可固化直立,并且对桥台的水平力几乎为0,根据这一特点,可将桥台进行优化设计,包括两方面的内容:1)桥台结构优化;2)桥台桩基础优化。

就桥台结构而言,台后直立填筑泡沫轻质土与填筑常规放坡路堤,存在两方面的优化:1)由于直立填筑,桥台耳墙可基本取消;2)由于直立填筑,对桥台台身无侧向压力,可取消桥台台身,近似按桥墩进行桥台设计。

就桥台桩基础而言,其优化思路为:可考虑按单排桩基础设计,但桩径与桥墩桩径相同。


综合比较

①、工后沉降

采用泡沫轻质土换填台后原路基土,可最大限度控制工后沉降。与水泥搅拌桩等方法相比,其施工不是隐蔽施工,具有很强的质量可靠度,且适度向原地面以下换填,可确保地基土在工程改造后处于超固结状态,以尽可能避免工后沉降的发生。

②、桥台所承受的土压

泡沫轻质土因固化后可直立,其对桥台的侧向土压力几乎为0,这对于桥台的受力是极其有利的。采用泡沫轻质土后,桥台及桥台桩基可进行简化,由此节省了造价。并且由于城市桥梁有时需跨越地铁等,基桩跨越距离较大,桥台所承受的上部荷载非常大,台后土压力对桥台的影响也极为不利,这是采用泡沫轻质土的重要优势。

③、施工工期

泡沫轻质土施工一方面便捷高效,在浇筑完毕后7~14天即可进行后续路面施工,与桥台桩基及桥台施工不存在先后次序等冲突(通常在软基路段进行结构物施工时,应先进行软基处理,待软基沉降稳定后再进行桩基及结构物的施工),并且,由于采用泡沫轻质土时,桥台可采用单排桩柱式桥台,比起双排桩与薄壁式桥台,钻孔灌注桩的施工时间可以减半,而且薄壁式台身的施工时间也比柱式台身更长,这些,决定了泡沫轻质土方案具有较大的工期优势。根据测算,一个桥台台背的处理,采用泡沫轻质土方案,其工期至少较水泥搅拌桩方案节省1~6个月。

④、造价

因采用泡沫轻质土换填和搅拌桩处理时桥台的形式不同,故比较各方案的造价时,将桥台的造价亦包含到比较表内。桥台由双排桩变为单排桩,薄壁台身变为柱式台身,无论是钻孔灌注桩,承台,还是台身的施工,工程量都大为减少,施工工序也简单化,故造价也因此减少。摘要:近年来,我国公路桥梁建设不断蓬勃发展,沿海地区交通建设亦紧锣密鼓地展开。沿海地区河涌密集,软土地基分布广泛,桥头路基沉降引起的桥头跳车成了普遍性的公路工程病害。针对桥头跳车问题,国内已进行了很多研究并形成的许多常用的处理方法,但仍然不能达到很理想的效果。近年来,作为新技术的泡沫轻质土技术逐渐应用于土木工程各领域的建设中,而引入泡沫轻质土进行桥头路基处理,成了缓解桥头跳车现象的一个新方向,本文拟对此进行一些有益的探讨。