泡沫轻质土在桥梁台后地基处理中的应用

章洪俊，张海波，林叶儿

（宁波市政工程建设集团股份有限公司，浙江宁波 315040）

1 概述

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。

泡沫轻质土具备优越的轻质性、自立性，优良的施工便捷性，良好容重和强度可调节性，以及良好的环保特性，因此被广泛应用于工程实体中。

2 泡沫轻质土的适用范围

泡沫轻质土适用于桥梁桥台台后地基处理解决桥头跳车问题，适用于一般道路、施工作业高度受限或桩基础加固地基无法实现、抢工期的地下管道、线缆无法拆迁的软基路段处理，适用于新建填海路段处理。

3 泡沫轻质土应用于桥梁台后地基处理中的工艺原理

软基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。

3.1 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。

3.2 固结度

固结度Ut可用式（1）表达：

式中：St为当前t时刻已完成沉降；S∞为最终总沉降；σ′为软土层有效应力；σ为软土层附加应力。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。

3.3 工后沉降

设工后沉降为△S，可用式（2）表达：

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，以确保道路工后的正常使用，并减少工后维修费用。

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。

桥梁台后泡沫轻质土地基处理施工原理是通过降低软土层的附加应力σ以降低总沉降S∞，以此控制工后沉降。

4 泡沫轻质土施工工艺流程及操作要点

4.1 桥梁台后泡沫轻质土的施工工艺流程

泡沫轻质土在生产施工过程中，每次起动机器后，均需对生产参数进行调整，以保证轻质土的湿密度与流量满足设计要求。具体泡沫轻质土施工工艺流程详见图1。

图1 泡沫轻质土工艺流程图

4.2 泡沫轻质土施工作业要点

4.2.1 制备泡沫轻质土主要材料

泡沫轻质土的生产原材料包括发泡剂、水泥和水，路基材料包括防渗土工膜、金属网，浇筑辅助材料包括木胶板、泡沫板等，现对主要材料进行概述。

4.2.1.1 发泡剂

（1）泡沫的质量以坚韧性、发泡倍数和泌水率等指标来鉴定。泡沫的坚韧性就是泡沫与水泥浆混合后在规定时间内不致破坏的特性，常以消泡试验后的沉陷距来确定；发泡倍数是泡沫体积大于泡沫剂水溶液体积的倍数；泌水率是指泡沫破坏后所产生泡沫剂水溶液体积。当发泡剂质量符合下列指标时，即可发泡用于生产泡沫轻质土（见表1）。

表1 发泡剂技术参数表

（2）消泡试验泡沫轻质土湿密度增加率不超过10%，标准沉陷距不超过5 mm。

（3）发泡剂严禁采用动物蛋白类发泡剂。

4.2.1.2 水泥

现浇泡沫轻质土所使用水泥的细度、凝结时间、安定性及强度应满足国家规范要求，水泥密度不低于2 700 kg/m3。施工中拟采用42.5 R普通硅酸盐水泥，且应符合《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）的规定。

4.2.1.3 粉煤灰

粉煤灰应采用F类粉煤灰，且应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）的规定；严禁采用C类粉煤灰作为泡沫轻质土的掺和料。

4.2.2 泡沫轻质土施工准备

施工前应根据设计要求进行泡沫轻质土配合比设计，试配试验时，应进行湿密度、流值（见图2）和消泡试验（见图3）。当流值满足要求、消泡试验确定的湿密度增加率满足要求时，应制取试件并进行养护。当消泡试验确定的湿密度增加率无法满足要求时，应调整发泡剂的稀释倍率或种类，或调整配合比组成材料的种类和用量，重新进行试配试验。当试配强度无法满足规范及设计要求时，应调整胶凝材料的用量、标号或品牌，重新进行试配试验。

图2 泡沫轻质土流值试验

图3 泡沫轻质土重度试验

施工前，应结合设备生产能力、工期要求等对设计的浇筑体进行浇筑区和浇筑层的划分，为浇筑施工做好相关规划。

施工前，应清除浇筑区基底杂物，尤其应排清基底的积水，当在地下水位以下浇筑时，应有降水措施，严禁在基底有水的状态下浇筑施工。

4.2.3 泡沫生成

（1）泡沫是由发泡剂稀释后加压缩空气经发泡枪生成（见图4），发泡剂的性能直接影响泡沫的稳定性，用于泡沫生成的发泡剂性能应该满足下列要求：

a.对环境应无不良影响，宜采用界面活性类发泡剂；

图4 发泡枪生成泡沫

b.在0℃以上的温度环境，发泡剂不应出现离析现象；

c.稀释倍率不宜小于100；

d.标准泡沫密度宜为40～60 kg/m3；

e.发泡剂所制作的泡沫应细密，经消泡试验确定的湿密度增加率不应超过10%。

（2）拌合水不应含有影响泡沫稳定性、泡沫轻质土的强度和耐久性的有机物、油污等杂质。

（3）发泡剂的稀释、起泡应采用设备自动化控制,泡沫应细密、稳定。

4.2.4 水泥浆制备

（1）水泥浆可以在现场拌合，也可使用拌合站集中供应，由于每立方米水泥浆含水量远大于混凝土的含水量，拌合站对水计量宜采用流量，而不宜采用重量，以加快水泥浆制备时间。

（2）泡沫轻质土对水泥浆中水泥强度无特别要求，但所用水泥必须先进行消泡试验，以确定其湿密度增加率是否满足要求。

（3）水泥浆制备应连续，避免轻质土浇筑过程中出现局部消泡、初凝现象，影响整体施工质量。

（4）水泥浆在现场应进行进一步搅拌，以保证其均匀，无沉积，同时应在出料口设置过滤网，防止较大颗粒材料堵塞泵管。

（5）施工过程中，应对每车水泥浆进行重度检测，确保水泥浆质量稳定。

4.2.5 现场浇筑施工

（1）泡沫轻质土单层浇筑厚度，应控制在0.5～1.0 m范围。

（2）分区模板安装要牢固，浇筑区间应采用塑料布进行密封，防止轻质土沿缝隙渗流。

（3）泡沫轻质土单个浇筑区、浇筑层的浇筑时间应控制在水泥浆初凝时间内，上层浇筑层仅当下层浇筑层终凝后方可浇筑施工。

（4）应尽可能沿浇筑区长轴方向自一端向另一端浇筑，如采用一条以上浇筑管浇筑，则可并排从一端开始浇筑，或采用对角浇筑方式。

（5）浇筑过程中，需要移动浇筑管时，应沿浇筑管放置的方向前后移动，而不宜左右移动浇筑管，如确实需要左右移动浇筑管时，则应将浇筑管尽可能提出当前已浇筑轻质土表面后再移动。

（6）进行扫平表面时，应尽量使浇筑口保持水平，并使浇筑口离当前浇筑轻质土表面尽可能低。

（7）尽量减少在已浇筑尚未固化的轻质土中来回走动。

图5、图6为泡沫轻质土正在浇筑和浇筑成型现场照片。

图5 泡沫轻质土正在浇筑

图6 泡沫轻质土浇筑成型

4.2.6 成品保护

泡沫轻质土浇筑完成待初凝后，应在表面覆盖塑料薄膜进行保湿养护，且至少养护3 d时间，在未达到设计强度前，不得进入下道工序。

5 泡沫轻质土工程应用实例

5.1 工程概况

宁波市解放桥拓宽工程是连接宁波市海曙区、江北区的重要过江通道。接坡段桥台为单排Φ800 mm钻孔灌注桩，接坡、道路沿线及桥址区为典型的软土地基，场地地势平坦，地貌类型属于滨海淤积平原。

5.2 工程实践应用成果

（1）解放桥拓宽桥梁两岸桥台台背后泡沫轻质土浇筑长度均为28.65 m，泡沫轻质土浇筑布置如图7所示。为了顺利缓和路桥结合段较大的沉降差，将泡沫轻质土厚度分三层台阶逐级递减分别为1.8 m、1.4 m和1.1 m，两岸共浇筑泡沫轻质土总方量合计为1 280 m3。因此，如按照常规填筑台后地基材料去推算，其密度平均值为20 kN/m3。该工程泡沫轻质土的密度为600 N/m3，共减少附加应力（20-0.6）×1 280=17 900（kN）。

图7 桥台台背接坡泡沫轻质土纵断面图（单位：cm）

（2）经过施工，泡沫轻质土的湿密度级别控制为D600,8 d抗压强度指标控制在不小于0.8 MPa；将泡沫标准密度控制在52 kg/m3，发泡倍率控制在1 150倍，消泡试验泡沫轻质土湿密度增加率控制在6%。

（3）在泡沫轻质土与道路结构层之间设置一层厚度为10～15 cm的C25素混凝土板，作为泡沫轻质土与道路结构层受力传载的过渡层，可以有效抵消泡沫轻质土结构强度较低的弱点，充分发挥泡沫轻质土轻质性和提高地基承载力的特点。

5.3 泡沫轻质土路基的实际工程效果

经过历时两年的沉降监测，得到以下结果，具体详见图8和图9。

图8 南岸接坡沉降观测图

图9 北岸接坡沉降观测图

从图8、图9可以看出，工程竣工完成后，路基的沉降变形主要发生在建成后的前5个月。这段时间沉降量相对较大，在之后的17个月里，沉降量逐渐趋于稳定，且越来越小。这样的结果表明，轻质土路堤远比普通填塘渣路堤的沉降量要小得多。这主要是因为泡沫轻质土轻质的特性，能够很大程度上减小对地基产生的附加应力，还有其本身的质密性及所具备的一定的抗压强度，因此，它又不会随着时间的推移而逐渐被压缩。再者，经过分析，随着台阶的延伸，路堤顶面的沉降从桥头处逐渐增大，实现了路桥过渡段沉降的平稳过渡。

6 结语

（1）泡沫轻质土工后沉降极小。

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，避免桥头跳车现象，也无渗水现象，提高了耐久性。因此，泡沫轻质土的应用较好地缓和了路桥结合段，大大减少了路面维修频率，增加了行车舒适度和安全度。因此，泡沫轻质土的应用既能够大大节约政府的道路养护成本，又能从一定程度上消除民众的负面看法，利于建设和谐社会。

（2）泡沫轻质土施工质量可靠。

与桩基础加固台后软土地基等方法相比，其施工不是隐蔽施工，且施工工艺简单，具有很强的质量可靠度。再者，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。

因此，采用泡沫轻质土处理桥梁台后的软弱地基对于减小路基沉降，减小桥台与台背路堤的差异沉降是十分有效的，从而实现了路桥接顺段的平稳过渡，对于防治桥头跳车等桥梁顽固病害是成效卓著的。