氣泡混合輕質填土

Foamed Mixture Lightweight Soil and itsApplications

Zhongping Chen

（Guangdong Guanyue Highway&Bridge Company Limited Guangzhou 510630）

Abstract：Introduced to foamed mixture light-weight soil's concept, main characteristic and its applications in the highway.

Key words: foamed mixture light-weight soil; characteristic; applications.

輕質填土材料是人工制作的土工材料。其主要特點是容重比一般的土體小，而強度和變形特性可以達到甚至超過良好的土體，是工程界近年開發(fā)并在推廣的土建新技術。輕質材料的種類很多，按其容重可分為準輕質材料（如粉煤灰）；輕質材料（如氣泡混合輕質材料）及超輕質材料（如EPS）等。最早是使用粉煤灰、礦渣等材料制作輕質土；1972年挪威率先在公路填土中使用了泡沫塑料塊體，此后輕質材料得到了較為廣泛的應用。1980年代，日本又相繼將廢棄的泡沫塑料制成一定大小的顆粒，并按一定的比例與工程廢棄土混合制成了容重可自由調整的輕質土，而現在最新的輕質土材料是向土中混入一定比例的氣泡和固化材料制成容重和強度都可自由調整的氣泡混合輕質土。

氣泡混合輕質土就是在原料土中按照一定的比例添加固化劑、水和預先制作的氣泡群，進行充分的混合、攪拌后所形成的輕型土工材料，圖-1.1簡要地說明了氣泡混合輕質土的制作流程。

氣泡混合輕質填土1.1 原料土

原料土可以是工程廢棄土，也可以是細砂，但為了達到與固化劑及氣泡的充分混合，并確保氣泡混合輕質土的流動性，原料土的直徑宜小于5mm，對于不滿足要求的原料土，應先期進行解泥及必要的篩分處理。

氣泡混合輕質填土1.2 固化材料

固化材料可以分為主劑和輔劑兩種，主劑是主要起固結、加強土體骨架的作用，而輔劑是以催化、早凝為目的的固化材料；主劑以水泥類為主，常用的有火山灰水泥、普通硅酸鹽水泥、高爐硅酸鹽水泥等，這些材料加入土中后與水之間發(fā)生水和作用產生Ca(OH)2產物，Ca(OH)2與粘土顆粒發(fā)生離子交換形成固化物，達到加固土體骨架的作用，實踐證明，使用高爐水泥的效果更佳；輔劑是指石膏粉、硅粉等輔助材料，加入這些材料的目的在于減少主劑的用量，達到降低造價的目的。

氣泡混合輕質填土1.3 起泡劑

起泡劑主要有界面活性類、蛋白類、樹脂類材料等，通過將適量倍率稀釋后的起泡劑定量泵送到發(fā)泡裝置后，與壓縮空氣充分混合而產生大量的微小氣泡群。在這里，壓縮空氣是通過空壓機加壓，用減壓閥控制輸氣壓力，以穩(wěn)定的壓力和氣量向發(fā)泡裝置供氣；氣泡是由致密、直徑為30～300μ左右的氣泡群體組成，要求氣泡具有一定的穩(wěn)定性，與土混合后可在土中形成多量的微小孔隙。

氣泡混合輕質填土技術是當今軟基對策中的最有效的方法之一，該技術的突出特點是：

（1）填土荷載輕，具有良好的流動性和自立性，各種力學性能好，施工工期短。

（2）可大幅度地減輕施加于地基的附加應力，抑制軟基路堤的沉降和破壞，并增大穩(wěn)定、安全系數；

（3）減少作用于地下結構物上的土壓力，提高結構物使用的安全性及使用壽命；

（4）可較好地遏止橋涵連接路堤的差異沉降，避免垂直錯位，從消除高速公路中的橋頭跳車問題。

（5）運用于道路的擴幅改造時，可節(jié)省昂貴的用地、減少拆，并將對道路近傍結構物的影響降低到最低程度。

氣泡混合輕質土是人工制作的土工材料，其容重可以做得比一般的土體小得多，而其強度和變形特性可以達到甚至超過良好的土體，且便于施工等。其主要特性如下：

（1) 輕質性

氣泡混合輕質土內含有大量的微小氣泡群，其容重不但比一般的土體要小得多，而且通過調整土體中的氣泡和固化劑的含量，可以按照需要對氣泡混合輕質土的容重在5~16kN/m內進行必要的調整。

（2）強度的可調節(jié)性

和容重的可調節(jié)性原理一樣，通過改變各種成分的配合比，氣泡混合輕質土的強度的可以在300~1500kN/m的范圍內進行調整。

（3）高流動性

氣泡混合輕質土具有良好的流動性，可通過管道泵送，其最大輸送距離可達到1500米，最大泵送高度可達到30米。為防止泄漏，在進行氣泡混合輕質土的澆筑施工時，通常不得不砌一些必要而簡單的擋墻。

（4）固化后的自立性

由于使用水泥作為固化劑，通常在澆筑5個小時后就會開始固化，且固化后可以自立，可進行垂直填土，且對擋土結構物幾乎沒有推擠力。

（5）良好的施工性

由于其具有良好的流動性和固化后的自立性，且不需振搗和碾壓作業(yè)，可進行遠距離或在小空間內施工。此外，氣泡混合輕質土中混有大量的氣泡群，成品的體積可達到材料體積的3倍以上。

（6）耐久性

屬水泥類材料，與高分子材料相比，其耐久性，耐熱及抗油污能力強，具有水泥材料同等的耐久性。

（7）隔熱性

氣泡混合輕質土中含有大量的氣泡，具有良好的隔熱性。

氣泡混合輕質填土技術在公路建設中有著非常廣泛的應用，它為解決高等級公路軟基路堤中的橋涵跳車、公路路基加寬時新老路基的差異沉降、高填土路堤的穩(wěn)定性等世界性難題提供了一種極好的技術手段。運用這種技術能節(jié)省昂貴的用地、減少拆遷，充分有效地利用土地資源等。它主要應用于以下一些領域：

氣泡混合輕質填土路基加寬

隨著經濟的發(fā)展、車流量的不斷增加，常需對已通車的道路進行擴幅改造。與傳統(tǒng)的施工法相比，氣泡混合輕質填土技術主要有以下幾方面的優(yōu)點：

① 可進行垂直填土，節(jié)省昂貴的用地、減少拆遷，在舊路基礎上加寬幾乎不需征地（參照圖-3.1）；

② 在軟基路段進行擴幅填土時，可大幅度地降低填土荷重，減少新老路基的差異沉降及路基附近建筑物的沉降破壞

③ 施工性好。不需震搗，不需機械碾壓作業(yè)，振動、噪音低；

④ 施工時間短，不影響現有交通。

特別是在施工周期短、在用地昂貴的經濟發(fā)達地區(qū)、在建筑物及人口相對密集的地區(qū)進行道路加寬改造、增建公路或輕軌線路時，采用這種技術能最大限度地節(jié)省用地，降低工程整體造價，具有顯著的綜合經濟效益及社會效益。

氣泡混合輕質填土滑坡路段的路基填筑

修建通過滑坡地段的公路時，為了防止土塊的滑動，傳統(tǒng)的方法常常需要花費大量的費用和時間。氣泡混合輕質填土技術主要有以下幾方面的優(yōu)點（參照圖-3.4 ~ 圖-3.5）：

① 可降低填土荷重、減少土塊所承受的滑動力矩，提高路基的抗滑穩(wěn)定性；

圖-3.4 滑坡地段的填土原理圖

② 簡化擋土結構；

③ 避免原有地形、地貌的破壞，保護環(huán)境；

④ 施工性好。不需震搗，不需機械碾壓作業(yè)，振動、噪音低；

⑤ 提高工程質量，縮短工期，降低造價。

氣泡混合輕質填土陡峭及急轉彎地段的路基填筑

修建通過陡峭及急轉彎地段的公路時，傳統(tǒng)的施工法常常不得不進行大量的挖填方處理，原有的地形、地貌的破壞大；邊坡特別是高邊坡的穩(wěn)定性問題突出，邊坡的防護難度大；高填土的擋墻要求高，既費工又費時。采用氣泡混合輕質填土技術主要有以下幾方面的優(yōu)點（參照圖-3.6 ~ 圖-3.7）：

① 可降低填土荷重、減少填土路基自身的滑動力矩，提高路基的抗滑穩(wěn)定性；

② 簡化擋土結構；

③ 避免原有地形、地貌的破壞，保護環(huán)境；

④ 施工性好。不需震搗，不需機械碾壓作業(yè)；

⑤ 邊坡及擋墻的穩(wěn)定性問題??；

⑥ 施工工期短。

氣泡混合輕質填土隧道坑口的填筑

在開挖隧道時，隧道的入口處通常存在著偏土壓，山體容易坍塌等問題，給施工帶來極大的不便。由于氣泡混合輕質土具有容重小，強度及穩(wěn)定性好，且便于開挖等特點，如果使用氣泡混合輕質土在隧道的入口處構筑一定形狀的人造山后，再進行隧道的開挖，則可較好的解決上述困難。它主要有以下幾方面的優(yōu)點

① 減少隧道入口處的地形、地貌的破壞；

② 緩解隧道坑口偏土壓力的影響；

② 防止隧道坑口的山體坍塌，且便于施工。

氣泡混合輕質填土橋（涵）背的填土

通過軟基路段的公路中的橋（涵）跳車問題是一直未能解決的世界性難題，其主要原因可歸結為以下三個方面：

① 由于填土所產生的附加應力的作用，不良地基發(fā)生長時間而緩慢的沉降；

② 臺背填料自身的壓縮引起的沉降；

③ 橋頭與路基間的剛柔突變。

由于橋梁是支撐在巖層上的剛性結構，幾乎不發(fā)生沉降，而路堤是建在軟基上的柔性體，沉降穩(wěn)定所需要的時間長，兩者連接后不可避免地會產生差異沉降，長期以來只著眼于軟基的處理，忽視了減輕填土重量的研究，使問題得不到解決。采用氣泡混合輕質填土技術則可較好地解決上述困難。它主要有以下幾方面的優(yōu)點：

① 在橋（涵）背部設置適當形狀的楔形輕質土體，可大大緩減橋（涵）與路基間差異沉降的變化梯度，使橋基間差異沉降的變化緩慢化、均勻化，從根本上消除高速公路中的橋（涵）與路基間的跳車問題；

② 雖然氣泡混合輕質土的剛性比混凝土的小，但比優(yōu)質土的大得多，采用這種填料可在一定程度上緩解橋（涵）與路基間材料的剛性突變；

③ 徹底消除了填料自身的工后沉降問題；

④ 對地下結構物幾乎沒有土壓力的作用,可適度地簡化結構物的擋土結構，提高結構物的使用壽命。

⑤ 施工性好，不需震搗和機械碾壓作業(yè)；

⑥ 施工工期短。

氣泡混合輕質填土低填土路堤中軟基的換填

對于低填土路堤，通過適當的荷載設計計算，確定出氣泡混合輕質土的容重、強度及軟基的換填厚度，使換填過后的軟基在各種荷載作用下均能保持超固結狀態(tài)。既不需要進行任何其他的軟基處理，又能保證路堤的沉降穩(wěn)定，施工簡單方便

氣泡混合輕質填土地下空洞的填筑

在土建工程中，常常會遇到一些施工不便但又不得不填充的地下空洞。

由于氣泡混合輕質土具有良好的流動性、自硬性、施工過程中不需震搗和機械碾壓作業(yè)等特點，是狹窄空間及地下空洞填筑的極好材料。

氣泡混合輕質填土溶巖地區(qū)路基的填筑

我國許多地區(qū)處于溶巖分布區(qū)，地下溶洞多，分布的范圍廣且深度不等，溶洞的表面覆蓋層多為軟土層，承載能力小。在這些路段修建公路時，傳統(tǒng)的施工法難于解決路堤基礎的承載力不足（特別是高填土路堤）及通過大溶洞的橋梁樁基施工等難題。

我省正在修建的某高速公路的某橋梁樁基處的鉆孔柱狀地質圖，地表以下32.2~60.5米為溶洞，溶洞的上表面有近32米的覆蓋層，且為軟粘土與砂的夾層，原計劃在此處修建的一座大橋，因考慮到橋梁樁基施工的難度及施工過程中對其附近正在運營的公路橋梁樁基可能帶來的負面影響，原修建橋梁的方案不得不改為填筑路基，但由于填土較高，采用常規(guī)的填土施工法可能出現基礎的承載力不足及軟基的工后沉降大等問題；如果利用氣泡混合輕質土來進行這段路基的施工，則可以較好地解決其它方法所無法解決的難題：

① 將橋梁改為輕質路堤，原溶洞區(qū)域的樁基施工被取消；

② 氣泡混合輕質土路堤的容重可調整到一般路堤的四分之一，可克服基礎的承載力不足的問題；

③ 可大幅度的減少路堤的工后沉降問題；

④ 施工工期大大縮短。

(1) 三嶋他：気泡セメント軽量盛土工法FCB工法、「土木施工」第33巻9號、pp.37-44、1992

(2) 三嶋他：気泡混合軽量土を用いた高速道路の改筑工事、「土木技術」第49巻8號、pp.64-70、1994

(3) 橫田他：気泡モルタル工法、「土木技術」第51巻2號、pp.73-81、1996

(4) 岡田：赤羽駅付近立體交差化工事、「日経コンストラクション」3-11、pp.38-42、1994

(5) 古谷：軽量盛土材としての気泡モルタル、「土と基礎」Vol.37、pp.73-77、1989

(6) 赤井：エアミルクの高速道路における道路盛土への利用、「基礎工」Vol.18-№12、pp.49-49、1990

(7) 都筑：エアミルクの道路盛土への適用例、「基礎工」Vol.18-№12、pp.102-108、1990

(8) 三嶋他：気泡混合軽量盛土工法、「基礎工」Vol.22-№10、pp.16-21、1994

(9) 長尾他：気泡混合軽量土を用いた橋臺背面の土圧軽減工法、「基礎工」Vol.22-№10、 pp.71-75、1994

(10) 長尾他：気泡混合軽量土を用いた東名高速道路の拡幅工事、「基礎工」Vol.22-№10、pp.76-80、1994

(11) 張浩等：氣泡混合輕質土的關鍵技術開發(fā)及其在高等級公路上的應用，[北京科技廳科研課題立項報告]，2003

(12) 劉偉等：輕質土的關鍵技術開發(fā)及其施工工藝的研究，[交通部聯合攻關重點課題]，2003

《氣泡混合輕質填土新技術》簡明扼要地介紹了氣泡混合輕質土的基本概念、材料組成、制作、設計和施工方法，著重論述了這種新型輕質材料在公路加寬、橋臺臺背填土、滑坡路段的填筑、陡峭及急轉彎地填筑、隧道坑口的填筑、溶巖地區(qū)路基的填筑、地下空洞填充及作為寒冷地區(qū)道路隔熱材料等的具體應用，書中列舉了諸多有代表性的工程實例?！稓馀莼旌陷p質填土新技術》可供從事公路及土木工程領域的設計和施工技術人員及管理人員參考。

第1章 氣泡混合輕質土基本概念

1.1 氣泡混合輕質土主要成分及制作

1.2 氣泡混合輕質土優(yōu)點

1.3 與其他輕質土工材料比較

第2章 氣泡混合輕質土性能

2.1 基本性能

2.1.1 容重

2.1.2 透水性

2.1.3 隔熱性能

2.2 力學特性

2.2.1 無側限抗壓強度

2.2.2 抗拉強度

2.2.3 抗彎強度

2.2.4 附著強度

2.2.5 磨擦抵抗特性

2.2.6 三軸壓縮力學性能

2.3 耐久性

2.3.1 反復加載后的強度變化

2.3.2 干濕盾環(huán)對性能的影響

2.3.3 凍融循環(huán)對性能的影響

2.3.4 徐變特性

2.3.5 暴露試驗

第3章 氣泡混合輕質填土技術應用及綜合經濟評價

3.1 氣泡混合輕質填土技術在公路建設中的應用

3.1.1 用于道路加寬

3.1.2 用于橋臺背填土

3.1.3 用于軟基路堤的填筑

3.1.4 滑坡路段路堤的填筑

3.1.5 陡峭及急轉彎地段的填筑

3.1.6 隧道坑口的填筑

3.1.7 作為溶巖覆蓋層表面路堤的填料

3.1.8 作為寒冷地區(qū)道路的隔熱層

3.1.9 作為路面基層的填充料

3.1.10 地下空洞的填充

3.2 綜合技術經濟評價

3.2.1 公路工程項目成本的影響因素

3.2.2 不同工法的綜合技術經濟比較

3.2.3 結論

第4章 氣泡混合輕質填土設計

4.1 填土設計

4.1.1 填筑斷面設計原則

4.1.2 設計荷載

……

第5章 施工方法及質量控制

第6章 工程實踐

附表 部分工程實例簡介（日本1995年-1998年）

參考文獻

2100433B