2018浅谈泡沫轻质土在桥头软基处理的运用

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　　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。
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　　关键词：公路 桥梁 桥头跳车 泡沫 轻质土
　　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
　　25 21～22 19～20 12～16 18～20 3～12
　　
　　 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Ut可用下式表达:
　　 (2-1)
　　式中 St 当前t时刻已完成沉降；
　　S∞ 最终总沉降；
　　 软土层有效应力；
　　 软土层附加应力。
　　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
　　设工后沉降为，可用下式表达：
　　(3-1)
　　可见，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。
　　由式2-1及式3-1可知，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。
   　　 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。
　　关键词：公路 桥梁 桥头跳车 泡沫 轻质土
　　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）。
　　
　　 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Ut可用下式表达:
　　 (2-1)
　　式中 St 当前t时刻已完成沉降；
　　S∞ 最终总沉降；
　　 软土层有效应力；
　　 软土层附加应力。
　　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
　　设工后沉降为，可用下式表达：
　　(3-1)
　　可见，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。
　　由式2-1及式3-1可知，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。
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