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泡沫輕質(zhì)土在橋頭軟基處理的運(yùn)用
發(fā)布時(shí)間：2020-11-5 15:00:59
橋頭跳車是公路施工的通病，而常規(guī)的橋頭軟基處理方式都不能很好的解決這些問題，泡沫混凝土作為一種改善橋頭跳車問題的新方法，具有壓縮性低，自重輕，施工方便及流動(dòng)性高的特點(diǎn)，本文通過論證分析泡沫混凝土在實(shí)際橋頭路基中的應(yīng)用，其能夠滿足公路行車的需求與符合規(guī)范規(guī)定，是一種解決橋頭問題的良好方法。
橋頭跳車問題是高等級(jí)公路建設(shè)中的一大難題，其主要原因是因路基沉降與橋涵結(jié)構(gòu)物不一致造成錯(cuò)臺(tái)，當(dāng)行車到該位置易產(chǎn)生顛簸，影響行車舒適性及安全。目前尚沒有有效的根治方法，只能從其形成原因采取預(yù)防為主的措施，盡量減少他的反生。采取有效措施保證橋涵結(jié)構(gòu)物與路基之間的的良好銜接，避免或者減少結(jié)構(gòu)物與路基之間的差異沉降是解決橋頭跳車的關(guān)鍵，目前控制結(jié)構(gòu)物與路基之間的差異沉降的技術(shù)主要有：（1）利用各種輕質(zhì)填料減輕新填路基的自重，減少新增地基附加應(yīng)力（2）采用諸如堆載預(yù)壓法排水固結(jié)法強(qiáng)夯法以及各種樁基處理技術(shù)提高軟土地基的承載力，（3）通過提高填土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)鋪設(shè)土工合成材料等方法提高路基的強(qiáng)度和整體性。尋求一種新的有效工藝，對(duì)以后高等級(jí)公路橋頭軟基處理具有重要意義。
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”。
泡沫輕質(zhì)土具有如下工程特性：
輕質(zhì)性
輕質(zhì)性是現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土zui顯著的特性，與幾種常規(guī)土建材料相比，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的容重相對(duì)要低。（見下表）。
幾種主要土建材料的容重比較(單位：kN/m3)
水泥混凝土
路面底基層
路基填土
粉煤灰
中粗砂
泡沫輕質(zhì)土
25
21~22
19~20
12~16
18~20
3~12
②容重和強(qiáng)度可調(diào)節(jié)性
調(diào)整現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的組成成份比例，即調(diào)整配合比，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的容重和強(qiáng)度可根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。工程上，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的容重一般可在3~12kN/m3之間調(diào)節(jié)；而無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的調(diào)節(jié)范圍為0.3~5.0MPa。作為土工填筑材料，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度通常控制在0.3~1.2MPa。
③良好的施工性
現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的流動(dòng)性高，可通過軟管泵送，現(xiàn)場施工澆注點(diǎn)與制作點(diǎn)可分離，且澆注點(diǎn)占的施工空間極小，可在狹小空間內(nèi)施工。當(dāng)作為路基填筑的替代材料時(shí)，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土澆注施工無須振搗碾壓，施工便捷高效。良好施工性還體現(xiàn)在現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土基本可連續(xù)澆注施工，無須在施工過程中進(jìn)行特別的養(yǎng)生處理。
④良好的環(huán)保特性
可大量利用粉煤灰等工業(yè)廢渣做原材料，促進(jìn)資源的再生利用，有利于環(huán)保；與土工泡沫塑料相比，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土屬無機(jī)質(zhì)材料，無論用于地上，地下工程，其對(duì)環(huán)境均無污染作用，環(huán)保優(yōu)勢明顯；當(dāng)用于道路擴(kuò)建、山區(qū)陡峭路段等道路工程中，可節(jié)省土地資源，避免高填高挖等對(duì)環(huán)境的破壞，對(duì)保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境意義重大。
泡沫輕質(zhì)土用于軟基路橋過渡段的設(shè)計(jì)，主要圍繞工后沉降滿足規(guī)范要求，解決泡沫輕質(zhì)土的換填厚度和換填范圍的問題。這里，從軟基變形的理論來說明換填厚度；關(guān)于換填長度，則結(jié)合規(guī)范和相關(guān)研究文獻(xiàn)來論證。
珠三角的軟基一般由飽和軟土組成，通常為高壓縮性、高孔隙比和高含水量的淤泥或淤泥質(zhì)土。這類飽和軟土，其沉降變形的本質(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(shí)，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(gè)過程當(dāng)中，對(duì)工程起決定作用的主要是三個(gè)方面：
1、附加應(yīng)力
附加應(yīng)力的大小決定了軟土層zui終總沉降量的大�。寒�(dāng)附加應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力時(shí)，總沉降完成；故附加應(yīng)力越大，總沉降越大。
2、固結(jié)度
固結(jié)度Ut可用下式表達(dá):
(2-1)
式中 St 當(dāng)前t時(shí)刻已完成沉降；
S∞ zui終總沉降；
軟土層有效應(yīng)力；
軟土層附加應(yīng)力。
固結(jié)度的意義在于表征了當(dāng)前時(shí)刻已完成沉降占總沉降的比例。
3、工后沉降
設(shè)工后沉降為，可用下式表達(dá)：
(3-1)
可見，工后沉降其實(shí)就是扣除完工時(shí)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(diǎn)控制的指標(biāo)；從設(shè)計(jì)到施工，軟基路段的一個(gè)重要任務(wù)就是盡可能降低工后沉降，以確保公路工后的正常使用，并減少工后維修費(fèi)用。
當(dāng)然，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。
由式2-1及式3-1可知，可通過兩種途徑來降低工后沉降：
1、通過提高St來提高竣工時(shí)的固結(jié)度，以此控制工后沉降。
具體的實(shí)現(xiàn)方法為排水預(yù)壓法：通過設(shè)置豎向排水體如袋裝砂井或塑料排水板，通過堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓的方式來加快軟土層的固結(jié)速率，使竣工時(shí)的固結(jié)度達(dá)到足夠大，確保工后沉降滿足要求。該法的主要特點(diǎn)是具有較好的經(jīng)濟(jì)性，缺陷是需要足夠的預(yù)壓時(shí)間，且工后沉降大，這通常與項(xiàng)目的工期要求矛盾突出。
2、降低軟土層的附加應(yīng)力以降低總沉降，以此控制工后沉降。
實(shí)現(xiàn)方法有兩種方式：
方式一 樁式復(fù)合地基法
樁式復(fù)合地基是設(shè)置一定密度的攪拌樁、CFG樁或預(yù)應(yīng)力管樁等強(qiáng)度遠(yuǎn)較軟土層強(qiáng)度要高的樁體，將上覆荷載大部分轉(zhuǎn)移至這些樁體來承受，從而降低軟土層所承受的荷載和附加應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)控制工后沉降的方法。該工法的優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間短，效果顯著，但缺陷是造價(jià)偏高，同時(shí)，樁體施工對(duì)周邊的臨界結(jié)構(gòu)物（如橋臺(tái)、涵洞等結(jié)構(gòu)物）會(huì)產(chǎn)生側(cè)向擠出效應(yīng)，從而影響臨界結(jié)構(gòu)物的安全性。
方式二 輕路堤法
該工法直接降低路堤荷載和軟土層的附加應(yīng)力。傳統(tǒng)的輕路堤法有EPS路堤等。
泡沫輕質(zhì)土用于路橋過渡段填筑，屬于輕路堤法，其控制工后沉降的原理在于降低附加應(yīng)力；當(dāng)用于舊路改造項(xiàng)目時(shí)，如換填厚度適當(dāng)向原地面以下延伸，可使軟土層的附加應(yīng)力小于有效應(yīng)力，軟土層處于超固結(jié)狀態(tài)，從而確保工后沉降為0。汕頭市中山東路改造工程，即采用了泡沫輕質(zhì)土技術(shù)對(duì)全線軟基路堤橋臺(tái)兩側(cè)沿路線縱向各30m范圍的路基進(jìn)行了換填處理，其換填厚度向原地面以下延伸了1m，該范圍內(nèi)沒有進(jìn)行任何軟基處理，并取消了常規(guī)的橋頭搭板。一年多來的使用效果良好。
為緩解軟基路堤與橋梁等結(jié)構(gòu)物之間的差異沉降，通常在結(jié)構(gòu)物兩側(cè)的一定范圍內(nèi)設(shè)置路橋過渡段。公路路基規(guī)范規(guī)定，應(yīng)設(shè)置必要的工后沉降過渡段來緩解工后橋頭跳車現(xiàn)象。
根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)殘余沉降（簡稱工后沉降）應(yīng)滿足下表的要求：
容許工后沉降
橋臺(tái)與路堤相鄰處
涵洞或箱型通道處
一般路段
高速公路、一級(jí)公路
≤0.10m
≤0.20m
≤0.30m
二級(jí)公路（采用高級(jí)路面）
≤0.20m
≤0.30m
≤0.50m
關(guān)于路橋工后沉降過渡段的長度控制，國內(nèi)外大量的工程實(shí)踐和研究結(jié)果表明，應(yīng)以工后沉降允許值及工后允許縱坡變化率來確定。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究成果, 路橋過渡段差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表：
路橋過渡段的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)
道 路 等 級(jí)
設(shè)計(jì)車速（km/h）
縱坡相對(duì)差zui大值（‰）
高速公路
120
≤3.5
1級(jí)公路
100
≤4.4
2級(jí)公路
80
≤5.1
3級(jí)公路
40
≤8.0
4級(jí)公路
20
≤9.7
泡沫輕質(zhì)土的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是其澆筑后可固化直立，并且對(duì)橋臺(tái)的水平力幾乎為0，根據(jù)這一特點(diǎn)，可將橋臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括兩方面的內(nèi)容：1）橋臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化；2）橋臺(tái)樁基礎(chǔ)優(yōu)化。
就橋臺(tái)結(jié)構(gòu)而言，臺(tái)后直立填筑泡沫輕質(zhì)土與填筑常規(guī)放坡路堤，存在兩方面的優(yōu)化：1）由于直立填筑，橋臺(tái)耳墻可基本取消；2）由于直立填筑，對(duì)橋臺(tái)臺(tái)身無側(cè)向壓力，可取消橋臺(tái)臺(tái)身，近似按橋墩進(jìn)行橋臺(tái)設(shè)計(jì)。
就橋臺(tái)樁基礎(chǔ)而言，其優(yōu)化思路為：可考慮按單排樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，但樁徑與橋墩樁徑相同。
綜合比較
①工后沉降
采用泡沫輕質(zhì)土換填臺(tái)后原路基土，可zui大限度控制工后沉降。與水泥攪拌樁等方法相比，其施工不是隱蔽施工，具有很強(qiáng)的質(zhì)量可靠度，且適度向原地面以下?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。
②橋臺(tái)所承受的土壓
泡沫輕質(zhì)土因固化后可直立，其對(duì)橋臺(tái)的側(cè)向土壓力幾乎為0，這對(duì)于橋臺(tái)的受力是極其有利的。采用泡沫輕質(zhì)土后，橋臺(tái)及橋臺(tái)樁基可進(jìn)行簡化，由此節(jié)省了造價(jià)。并且由于城市橋梁有時(shí)需跨越地鐵等，基樁跨越距離較大，橋臺(tái)所承受的上部荷載非常大，臺(tái)后土壓力對(duì)橋臺(tái)的影響也極為不利，這是采用泡沫輕質(zhì)土的重要優(yōu)勢。
土壓接近為0的另一個(gè)有利因素是，施工時(shí)，擴(kuò)建段的橋臺(tái)樁基和橋臺(tái)可先行施工，由此大幅節(jié)省工期。如采用水泥攪拌樁等方法處理臺(tái)背，則不僅橋臺(tái)樁基和橋臺(tái)必須待水泥攪拌樁施工完畢才能施工，否則水泥攪拌樁施工導(dǎo)致的側(cè)向擠出壓力會(huì)嚴(yán)重威脅原有橋臺(tái)的安全，很可能會(huì)導(dǎo)致原有橋臺(tái)的側(cè)移甚至破壞。這一點(diǎn)，是水泥攪拌樁等其他軟基處理方案無法克服的缺陷，過往一些市政道路、高速公路建設(shè)在早期都出現(xiàn)過不少這類失敗的案例。
③施工工期
泡沫輕質(zhì)土施工一方面便捷高效，在澆筑完畢后7~14天即可進(jìn)行后續(xù)路面施工，與橋臺(tái)樁基及橋臺(tái)施工不存在先后次序等沖突（通常在軟基路段進(jìn)行結(jié)構(gòu)物施工時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行軟基處理，待軟基沉降穩(wěn)定后再進(jìn)行樁基及結(jié)構(gòu)物的施工），并且，由于采用泡沫輕質(zhì)土?xí)r，橋臺(tái)可采用單排樁柱式橋臺(tái)，比起雙排樁與薄壁式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁的施工時(shí)間可以減半，而且薄壁式臺(tái)身的施工時(shí)間也比柱式臺(tái)身更長，這些，決定了泡沫輕質(zhì)土方案具有較大的工期優(yōu)勢。根據(jù)測算，一個(gè)橋臺(tái)臺(tái)背的處理，采用泡沫輕質(zhì)土方案，其工期至少較水泥攪拌樁方案節(jié)省1~6個(gè)月。
④造價(jià)
因采用泡沫輕質(zhì)土換填和攪拌樁處理時(shí)橋臺(tái)的形式不同，故比較各方案的造價(jià)時(shí)，將橋臺(tái)的造價(jià)亦包含到比較表內(nèi)。橋臺(tái)由雙排樁變?yōu)閱闻艠�，薄壁臺(tái)身變?yōu)橹脚_(tái)身，無論是鉆孔灌注樁，承臺(tái)，還是臺(tái)身的施工，工程量都大為減少，施工工序也簡單化，故造價(jià)也因此減少。
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