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泡沫轻质土工法简介

目录
1 泡沫轻质土工法简介 3
1.1 技术来源 3
1.2 国内外应用现状 3
1.3 泡沫轻质土工法基本原理 3
1.4 施工设备、工艺及主要性能 6
2 泡沫轻质土工法与常规工法的比较 8
3 泡沫轻质土工法的适用工况 8

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1 泡沫轻质土工法简介
1.1 技术来源
根据《现浇泡沫轻质土技术规程》（CECS 249：2008，下称《规程》）的定义，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”。
对于类似材料，国内的叫法普遍为泡沫混凝土。就硬化成型的过程而言，泡沫轻质土与泡沫混凝土并无本质区别。《规程》之所以称“泡沫轻质土”，一方面沿用了国内“泡沫混凝土”中“泡沫”一词的普遍叫法，另一方面，其更大程度是用于替代填土，对其性能要求更侧重于满足替代常规填土，而不是作为混凝土来使用。
国内最早将这一技术应用于基础设施工程的是陈忠平博士于2002年开始的。
1.2 国内外应用现状
上世纪七、八十年代，日本开始将泡沫轻质土大规模应用于替代填土的工程领域：1987年潢浜市内的公路桥维修工程中首次把泡沫轻质土作为填充材料来使用；次年作为道路工程的填土材料使用。此后，随着施工设备及技术标准的不断完善，应用范围迅速扩大，并出版了相关的技术规范。我国于2002年引进并发展了泡沫轻质土技术，目前已在包括北京奥运鸟巢、北京地铁奥运支线、京珠高速公路、汕头中山东路改造、广佛、佛开高速公路拓宽、河北沿海高速公路、广州亚运工程清河东路扩建改造等大量的基础设施建设工程中得到了成功的应用。
2008年11月，在陈忠平博士主导下，以广州大学、华鑫博越国际土木建筑工程技术(北京)有限公司为主编，完成了中国工程建设标准化协会标准《现浇泡沫轻质土技术规程》（CECS 249：2008），并于2009年3月出版、发布实施。
1.3 泡沫轻质土工法基本原理
（一） 软基沉降变形的本质
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：
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:
……………………………………………(1-1)
式中 当前t时刻已完成沉降； —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
设工后沉降基准期末的固结度位U1，施工期末的固结度为U2，工后沉降为，则工后沉降可用下式表达：
……………………………………… (1-2)
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。
（二） 控制工后沉降的途径
由式1-1及式1-2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U2，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，很多时候与工期的要求相矛盾。
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。该法的特点是时间短，效果显著，但缺陷是造价偏高，同时，桩体的施工会产生侧向挤出效应，对周边的临界结构物会带来不利的影响。
方式二 轻路堤法
该法直接降低路堤荷载和软土层的附加应力。传统的轻路堤法有粉煤灰路堤、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，如填筑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。汕头市中山东路改造工程，即采用了泡沫轻质土技术对全线软基路堤桥台两侧沿路线纵向各50m范围的路基进行了换填处理，其换填厚度向原地面以下延伸了1m，确保改造后的台背地基土处于超固结状态，避免了工后沉降，在该范围内没有进行任何软基处理，并取消了常规的桥头搭板。一年多来的使用效果良好（参见下图）。

图1 汕头中山东路改造前后实况图片（改造前，桥头搭板因沉降而断裂）

1.4 施工设备、工艺及主要性能
（一） 施工设备
泡沫轻质土施工设备以华鑫博越国际土木建筑工程技术(北京)有限公司的“泡沫轻质土制备输送站”最为先进，该设备具有如下特点：
1.移动便捷，可实现施工时的快速转场移动；
2.施工产能高。泡沫轻质土制备输送站可带两条施工线，其单条施工线的产能根据配合比的不同，高达60~90m3/h，整个输送站最大可实现120~180m3/h的施工能力。
3.设备运行稳定，施工质量可靠度高。由于设备采用了泡沫与水泥浆或水泥砂浆事后混合的方式，实现了泡沫轻质土施工配合比的高度稳定，施工质量高度稳定可靠。
4.采用软管管道泵送的方式，可实现长距离输送浇注，近水平输送距离高达300m左右。该特点使泡沫轻质土填筑路基时，基本可不修建或少修建施工临时便道，大大节省临时措施费。
（二） 施工工艺
泡沫轻质土的施工工艺流程主要包括四大步骤：1）泡沫的生成；2）水泥浆或水泥砂浆的制备；3）泡沫轻质土的生成即泡沫与水泥(砂)浆的混合；4）现场浇筑施工。

图2 泡沫轻质土浇筑施工前的工艺流程
（上为泡沫的生成流程，下为水泥(砂)浆及泡沫轻质土的生成流程）
（三） 主要性能
泡沫轻质土的主要性能如下：
1．轻质性：轻质性是泡沫轻质土最主要的特性。根据不同的工程需要，其重度可在4~12kN/m3的范围选择。
2．密度和强度的可调节性：根据不同的材料组成用量、不同的气泡率，可按工程需要调整密度和强度。
3. 良好的施工性: 采用管路泵送的方式现浇，可在狭小空间浇筑，自流平，自硬化，无需碾压或振捣，无需汽车运输。
4. 硬化后可自立，可垂直填筑。
5．属水泥类材料，与EPS轻质材料相比，具有更好的耐久性。
6．良好的环保特性：对环境无污染，且可利用粉煤灰等工业废渣，具有优越的环保特性。
2 泡沫轻质土工法与常规工法的比较
在软基道路应用上，泡沫轻质土天然地基工法与常规复合地基工法相比，具有如下优势：
1．对工后沉降的控制较常规工法更有优势，尤其是向原地面以下进行置换填筑时，可显著降低基底应力，有效控制工后沉降。
2．施工便捷高效，可大幅缩短施工工期。这主要体现在三个方面：1）较常规路基土填筑，泡沫轻质土施工准备期短，如常规路基填筑经常需要大量修筑施工便道，而泡沫轻质土填筑施工通过管道泵送实现，可不修或少修施工便道；2）泡沫轻质土施工可每天连续进行，无需因碾压问题而间断路基填筑；3）泡沫轻质土天然地基工法节省了复合地基桩基施工的时间。就一般的工程项目而言，复合地基从施工到检测合格，因龄期问题，一般都需要3~5个月才能完成。
3．可垂直填筑，节省永久占地或避免拆迁。
4．由于采用管道泵送浇筑，施工作业面小，可避免某些地段高压线、通讯管路等的拆迁。
5．常规复合地基工法多为隐蔽工程，施工质量难以保证。而泡沫轻质土工法属非隐蔽工程，施工质量较易控制，可靠度高。
3 泡沫轻质土工法的适用工况
通过前述泡沫轻质土工法与常规复合地基工法的技术比较，泡沫轻质土工法的适用工况表1。

表1 泡沫轻质土工法的适用工况及与常规工法的比较
工况
常规工法的缺陷
泡沫轻质土工法的优势
一般软基路段
1. 旋喷桩、搅拌桩、CFG桩因龄期强度、检测周期等原因工期漫长；且旋喷桩造价高
2. 预制管桩造价高
3. 常规路基填筑工期漫长，雨季几乎无法施工。
4. 复合地基属隐蔽工程，施工质量不易监控，可靠度低
1. 工期显著要短；
2. 综合造价较旋喷桩、预制管桩要低
3. 雨季的停雨间歇期可照样施工
4. 施工质量可靠度高，易于控制
新近填海路段
1. 复合地基属隐蔽工程，施工质量不易监控，可靠度低
2. 人工填土压实度不够、欠固结，工后沉降很难控制
泡沫轻质土路基联合大间距管桩，利用泡沫轻质土的半刚性，可将路基作为半刚性梁使用，最大限度控制工后沉降
施工作业高度受限软基路段
1.搅拌桩、CFG桩无法施工；
2.旋喷桩造价高，施工工期长；
3.工后沉降控制效果一般；
4.隐蔽工程，施工质量难以保证
1.造价较旋喷桩有明显优势
2.工后沉降控制更低；
3.施工不受高度限制；
4.工期短，施工质量可靠度高，易于控制
征地困难或拆迁困难软基路段
1.需要放坡施工，征地和拆迁无法避免
2.采用常规直立式路堤，稳定性、施工性无法保证
3.施工工期长
4.隐蔽工程，施工质量难以保证
1.直立填筑，避免征地或拆迁
2.施工便捷高效，工期短
3.路基稳定，有效控制工后沉降
4.施工质量易于控制，可靠度高
抢工期软基路段
施工及工法制约因素较多，工期无法保证
施工工期可大幅节省，施工质量高度可靠
地下管道、线缆无法迁移路段
1、复合地基施工容易造成管道位移产生的破坏
2、常规路基荷载对管道的压力可能导致破坏
3、如避开处理会形成不均匀沉降，对管道破坏更严重
1、无需做地基处理，最大限度保证管道维持原状；
2、路堤荷载小，可大幅降低管道承受的压力；
3、可大幅降低沉降，避免沉降对管道产生破坏
桥台台背高路堤软基路段
1、稳定性在路基填筑施工过程中难以保证
2、需要高强桥台结构
1、稳定性高，不可能失稳；
2、对桥台无侧压力，可对桥台结构进行大幅优化处理