泡沫輕質土技術簡介.doc

泡沫輕質土工法簡介目錄1 泡沫輕質土工法簡介31.1 技術來源31.2 國內外應用現(xiàn)狀31.3 泡沫輕質土工法基本原理31.4 施工設備、工藝及主要性能62 泡沫輕質土工法與常規(guī)工法的比較83 泡沫輕質土工法的適用工況891 泡沫輕質土工法簡介1.1 技術來源根據現(xiàn)澆泡沫輕質土技術規(guī)程（CECS 249：2008，下稱規(guī)程）的定義，泡沫輕質土是“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，并經物理化學作用硬化形成的一種輕質材料”。對于類似材料，國內的叫法普遍為泡沫混凝土。就硬化成型的過程而言，泡沫輕質土與泡沫混凝土并無本質區(qū)別。規(guī)程之所以稱“泡沫輕質土”，一方面沿用了國內“泡沫混凝土”中“泡沫”一詞的普遍叫法，另一方面，其更大程度是用于替代填土，對其性能要求更側重于滿足替代常規(guī)填土，而不是作為混凝土來使用。國內最早將這一技術應用于基礎設施工程的是陳忠平博士于2002年開始的。1.2 國內外應用現(xiàn)狀上世紀七、八十年代，日本開始將泡沫輕質土大規(guī)模應用于替代填土的工程領域：1987年潢浜市內的公路橋維修工程中首次把泡沫輕質土作為填充材料來使用；次年作為道路工程的填土材料使用。此后，隨著施工設備及技術標準的不斷完善，應用范圍迅速擴大，并出版了相關的技術規(guī)范。我國于2002年引進并發(fā)展了泡沫輕質土技術，目前已在包括北京奧運鳥巢、北京地鐵奧運支線、京珠高速公路、汕頭中山東路改造、廣佛、佛開高速公路拓寬、河北沿海高速公路、廣州亞運工程清河東路擴建改造等大量的基礎設施建設工程中得到了成功的應用。2008年11月，在陳忠平博士主導下，以廣州大學、華鑫博越國際土木建筑工程技術(北京)有限公司為主編，完成了中國工程建設標準化協(xié)會標準現(xiàn)澆泡沫輕質土技術規(guī)程（CECS 249：2008），并于2009年3月出版、發(fā)布實施。1.3 泡沫輕質土工法基本原理（一） 軟基沉降變形的本質軟基沉降變形的本質可用有效應力原理來說明：在附加應力的作用下，超孔隙水壓力不斷消散、有效應力不斷增長；與此同時，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。在這個過程當中，對工程起決定作用的主要是三個方面：1.附加應力附加應力的大小決定了軟土層最終總沉降量的大?。寒敻郊討θ哭D化為有效應力時，總沉降完成；故附加應力越大，總沉降越大。2.固結度固結度Ut可用下式表達:Ut=StS=(1-1)式中 St當前t時刻已完成沉降； S最終總沉降； 軟土層有效應力； 軟土層附加應力。固結度的意義在于表征了當前時刻已完成沉降占總沉降的比例。3.工后沉降設工后沉降基準期末的固結度位U1，施工期末的固結度為U2，工后沉降為S，則工后沉降可用下式表達： (1-2)工后沉降通常是軟基路段重點控制的指標；從設計到施工，軟基路段的一個重要任務就是盡可能降低工后沉降，以確保公路工后的正常使用，并減少工后維修費用。（二） 控制工后沉降的途徑由式1-1及式1-2可知，可通過兩種途徑來降低工后沉降：1.通過提高St來提高竣工時的固結度U2，以此控制工后沉降。具體的實現(xiàn)方法為排水預壓法：通過設置豎向排水體如袋裝砂井或塑料排水板，通過堆載預壓或真空預壓的方式來加快軟土層的固結速率，使竣工時的固結度達到足夠大，確保工后沉降滿足要求。該法的主要特點是具有較好的經濟性，缺陷是需要足夠的預壓時間，很多時候與工期的要求相矛盾。2.降低軟土層的附加應力以降低總沉降，以此控制工后沉降。實現(xiàn)方法有兩種方式：方式一 樁式復合地基法樁式復合地基是設置一定密度的攪拌樁、CFG樁或預應力管樁等強度遠較軟土層強度要高的樁體，將上覆荷載大部分轉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力，實現(xiàn)控制工后沉降的方法。該法的特點是時間短，效果顯著，但缺陷是造價偏高，同時，樁體的施工會產生側向擠出效應，對周邊的臨界結構物會帶來不利的影響。方式二 輕路堤法該法直接降低路堤荷載和軟土層的附加應力。傳統(tǒng)的輕路堤法有粉煤灰路堤、EPS路堤等。泡沫輕質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力；當用于舊路改造項目時，如填筑厚度適當向原地面以下延伸，可使軟土層的附加應力小于有效應力，軟土層處于超固結狀態(tài)，從而確保工后沉降為0。汕頭市中山東路改造工程，即采用了泡沫輕質土技術對全線軟基路堤橋臺兩側沿路線縱向各50m范圍的路基進行了換填處理，其換填厚度向原地面以下延伸了1m，確保改造后的臺背地基土處于超固結狀態(tài)，避免了工后沉降，在該范圍內沒有進行任何軟基處理，并取消了常規(guī)的橋頭搭板。一年多來的使用效果良好（參見下圖）。 圖1 汕頭中山東路改造前后實況圖片（改造前，橋頭搭板因沉降而斷裂）1.4 施工設備、工藝及主要性能（一） 施工設備泡沫輕質土施工設備以華鑫博越國際土木建筑工程技術(北京)有限公司的“泡沫輕質土制備輸送站”最為先進，該設備具有如下特點：1.移動便捷，可實現(xiàn)施工時的快速轉場移動；2.施工產能高。泡沫輕質土制備輸送站可帶兩條施工線，其單條施工線的產能根據配合比的不同，高達6090m3/h，整個輸送站最大可實現(xiàn)120180m3/h的施工能力。3.設備運行穩(wěn)定，施工質量可靠度高。由于設備采用了泡沫與水泥漿或水泥砂漿事后混合的方式，實現(xiàn)了泡沫輕質土施工配合比的高度穩(wěn)定，施工質量高度穩(wěn)定可靠。4.采用軟管管道泵送的方式，可實現(xiàn)長距離輸送澆注，近水平輸送距離高達300m左右。該特點使泡沫輕質土填筑路基時，基本可不修建或少修建施工臨時便道，大大節(jié)省臨時措施費。（二） 施工工藝泡沫輕質土的施工工藝流程主要包括四大步驟：1）泡沫的生成；2）水泥漿或水泥砂漿的制備；3）泡沫輕質土的生成即泡沫與水泥(砂)漿的混合；4）現(xiàn)場澆筑施工。 圖2 泡沫輕質土澆筑施工前的工藝流程（上為泡沫的生成流程，下為水泥(砂)漿及泡沫輕質土的生成流程）（三） 主要性能泡沫輕質土的主要性能如下：1輕質性：輕質性是泡沫輕質土最主要的特性。根據不同的工程需要，其重度可在412kN/m3的范圍選擇。2密度和強度的可調節(jié)性：根據不同的材料組成用量、不同的氣泡率，可按工程需要調整密度和強度。3. 良好的施工性: 采用管路泵送的方式現(xiàn)澆，可在狹小空間澆筑，自流平，自硬化，無需碾壓或振搗，無需汽車運輸。4. 硬化后可自立，可垂直填筑。5屬水泥類材料，與EPS輕質材料相比，具有更好的耐久性。 6良好的環(huán)保特性：對環(huán)境無污染，且可利用粉煤灰等工業(yè)廢渣，具有優(yōu)越的環(huán)保特性。2 泡沫輕質土工法與常規(guī)工法的比較在軟基道路應用上，泡沫輕質土天然地基工法與常規(guī)復合地基工法相比，具有如下優(yōu)勢：1對工后沉降的控制較常規(guī)工法更有優(yōu)勢，尤其是向原地面以下進行置換填筑時，可顯著降低基底應力，有效控制工后沉降。2施工便捷高效，可大幅縮短施工工期。這主要體現(xiàn)在三個方面：1）較常規(guī)路基土填筑，泡沫輕質土施工準備期短，如常規(guī)路基填筑經常需要大量修筑施工便道，而泡沫輕質土填筑施工通過管道泵送實現(xiàn)，可不修或少修施工便道；2）泡沫輕質土施工可每天連續(xù)進行，無需因碾壓問題而間斷路基填筑；3）泡沫輕質土天然地基工法節(jié)省了復合地基樁基施工的時間。就一般的工程項目而言，復合地基從施工到檢測合格，因齡期問題，一般都需要35個月才能完成。3可垂直填筑，節(jié)省永久占地或避免拆遷。4由于采用管道泵送澆筑，施工作業(yè)面小，可避免某些地段高壓線、通訊管路等的拆遷。5常規(guī)復合地基工法多為隱蔽工程，施工質量難以保證。而泡沫輕質土工法屬非隱蔽工程，施工質量較易控制，可靠度高。3 泡沫輕質土工法的適用工況通過前述泡沫輕質土工法與常規(guī)復合地基工法的技術比較，泡沫輕質土工法的適用工況表1。表1 泡沫輕質土工法的適用工況及與常規(guī)工法的比較工況常規(guī)工法的缺陷泡沫輕質土工法的優(yōu)勢一般軟基路段1. 旋噴樁、攪拌樁、CFG樁因齡期強度、檢測周期等原因工期漫長；且旋噴樁造價高2. 預制管樁造價高3. 常規(guī)路基填筑工期漫長，雨季幾乎無法施工。4. 復合地基屬隱蔽工程，施工質量不易監(jiān)控，可靠度低1. 工期顯著要短；2. 綜合造價較旋噴樁、預制管樁要低3. 雨季的停雨間歇期可照樣施工4. 施工質量可靠度高，易于控制新近填海路段1. 復合地基屬隱蔽工程，施工質量不易監(jiān)控，可靠度低2. 人工填土壓實度不夠、欠固結，工后沉降很難控制泡沫輕質土路基聯(lián)合大間距管樁，利用泡沫輕質土的半剛性，可將路基作為半剛性梁使用，最大限度控制工后沉降施工作業(yè)高度受限軟基路段1.攪拌樁、CFG樁無法施工；2.旋噴樁造價高，施工工期長；3.工后沉降控制效果一般；4.隱蔽工程，施工質量難以保證1.造價較旋噴樁有明顯優(yōu)勢2.工后沉降控制更低；3.施工不受高度限制；4.工期短，施工質量可靠度高，易于控制征地困難或拆遷困難軟基路段1.需要放坡施工，征地和拆遷無法避免2.采用常規(guī)直立式路堤，穩(wěn)定性、施工性無法保證3.施工工期長4.隱蔽工程，施工質量難以保證1.直立填筑，避免征地或拆遷2.施工便捷高效，工期短3.路基穩(wěn)定，有效控制工后沉降4.施工質量易于控制，可靠度高搶工期軟基路段施工及工法制約因素較多，工期無法保證施工工期可大幅節(jié)省，施工質量高度可靠地下管道、線纜無法遷移路段1、復合地基