摘要：近年来，泡沫轻质土在工程建设中逐步得到应用，尤其是在软基处理中，效果显著。泡沫轻质土具有环保节能的优点，而且价格低廉，应用于工程建设中可以提高强度，增强建筑物的整体性能，提高工程的施工速度与质量。
关键词：泡沫轻质土；工程；设计；施工
引言
泡沫轻质土是近年来我国在日本引进的一种施工技术，在我国公路建设中发挥了非常重要的作用，并且在很多工程领域中都得到了推广与应用，尤其是在软基处理中效果显著。文章中探讨了泡沫轻质土的应用原理、工艺特点，在满足地基处理的同时，带来高效的实施工期及便捷的施工，对泡沫轻质土在同类型路基处理应用中起到了较好的推广作用。
一、泡沫轻质土的制备
1.材料形成
泡沫轻质土，是通过物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，用机械方式充分发泡，按照一定比例与必须组分（水泥基胶凝材料、水、细粒砂或砂性土等）均匀混合并经物理、化学作用硬化形成的一种新型轻质材料。该材料与水泥稳定土类似，水泥是其形成强度的主要固化剂，亦可掺入石灰、粉煤灰及早强剂等外掺料。
泡沫轻质土的生产流程：泡沫的生成水泥砂浆的制备泡沫与水泥砂浆的拌合。形成的泡沫轻质土材料，其中气泡将各组分相互隔开，使得材料内部细孔分布均匀。通过改变各种成分的配合比，也可以调节泡沫轻质土的强度，用以满足设计强度要求。
泡沫轻质土内含大量的微小气泡群，其容重可以通过调整土体中的气泡和固化剂的配合比，按照需要使其容重控制在5-16kN/m3内进行调整。
2.泡沫轻质土生产过程中注意以下几个方面：
（1）选用良好性能的发泡剂，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。
（2）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。
（3）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。
二、泡沫轻质土的工程特性：
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)
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0.3~3.0MPa。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
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；当用于道路软基工程中，可节省土地资源，避免填方取土带来环境的破坏，对保护自然生态环境具有重大的意义。
三、泡沫轻质土的核心原理
本文从软基变形及轻质土减少附加荷载理论来说明换填厚度。
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。
泡沫轻质土用于软土地基处理，主要通过利用泡沫轻质土较小的容重，置换表面现状重度较大的土，使工程完成后，综合附加荷载比原土增加不大，甚至基本一致，使工程的工后沉降控制在规范允许范围内。泡沫轻质土的核心原理是在原土地基允许范围附加荷载范围内，计算泡沫轻质土应该换填厚度和换填范围问题，总体上计算式简易，应用容易得到推广。
四、泡沫轻质土的设计应用
1工法特点
泡沫轻质土工法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。
1)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：
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；
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；
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。
2)可垂直填筑，节省永久占地或避免拆迁。
3)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。
4)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。
2适用及受限范围
1）应用范围
一般软基路段、桥台台背高路堤软基路段、施工作业高度受限软基路段、征地困难或拆迁困难软基路段、抢工期软基路段地下管道、线缆无法迁移路段。
2）受限范围
由于泡沫轻质土容重比水浮力小，在当地下水位较高的地基中，浇筑泡沫轻质土受到浮力的影响，不能置换过厚的原土，否则存在板块上浮问题。因此泡沫轻质土处理在该类地基中换土厚度受到限制，从而降低了地基处理减载的效果，应用时应计算浮力的影响，权衡置换的厚度的平衡点，再换算该厚度所带来的减截是否可满足工程的应用。
3设计计算
3.1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:
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。
3.2控制工后沉降的途径
控制工后沉降的途径构筑物主要采用刚性桩（造价较高），而道路路基处理应用主要有下列三种途径：
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。
2）采用强度较大的桩体对原土作置换（控制一定的置换率），使桩与土以不同的应力比共同承担荷载，形成复合地基，提高地基的承载力，以此控制工后沉降。
3）降低软土层的附加应力，即轻路堤法（轻质土），以此控制工后沉降。（即本文研究的途径）
下文简单介绍三种处理途径的原理及特点：
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。此外，降水沉降固结法对周边建筑或现状路影响较大，应用受限条件较多。
②采用强度较大的桩体对原土作置换（控制一定的置换率），使桩与土以不同的应力比共同承担荷载，形成复合地基，提高地基的承载力，以此控制工后沉降。
利用搅拌桩、CFG桩或预应力管桩等强度远较软土层强度要高的桩体，将原软弱土置换，使桩及土以不同的应力比共同承担荷载，将上覆大部分荷载转移至这些桩体来承受，提高地基整体的承载力，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。
③降低软土层的附加应力，即轻路堤法（轻质土），以此控制工后沉降。
轻路堤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。而近年新型材料泡沫轻质土得到推广应用，泡沫水泥轻质土容重较土体容重小得多，其控制工后沉降的原理在于利用轻质土置换原土体，从而降低附加应力。
当对地基进行处理时，通过计算向原地面以下延伸换填计算所需要的厚度，利用较轻的容重减少了原软土上的荷载，完工后的工程外加荷载（如车辆荷载）加上被置换轻质土后，综合附加荷载控制在软土的承受范围内，从而确保工后沉降为满足规范要求。对桥头高填方路基，采用轻质土代替传统的路基土或中粗砂，大大减少填料自身附加荷载，可较好地控制桥头跳车问题。
泡沫轻质土施工简易、速度快，不需要机械压实，轻质土自固无侧限抗压强度大，路基处理一般控制到0.6~0.8MPa，容易满足工程的要求。在常规的软土路基处理、局部拓宽路基处理（压实机械工作面常常受限制）、桥头高填土方面具有较大的优势。
4实施工艺流程
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。
5效益分析
采用现浇泡沫轻质土可以降低软土地基或桥头高填方的综合成本，缩短引道施工周期，避免桥头路基沉降，可以减少施工对城市的污染。
1)加快了施工工期，采用水泥搅拌桩复合路基结构形式，施工周期大约为3个月的工程，采用现浇泡沫轻质土，施工周期仅为20天；
2)降低了综合成本，采用水泥搅拌桩复合路基结构形式，施工总成本约为179万的工程，采用现浇泡沫轻质土，施工总成本为120万，节约59万，若优化挡土墙及台背设计后，成本会进一步降低。
3)质量稳定，在采用泡沫轻质土的工程实例中，软土路基整体性好，沉降较少，桥头路基采用泡沫轻质土处理可较好地控制桥头跳车现象。此外，泡沫轻质土处理无渗水现象，工程耐久性得到提高。
4)对环境影响小，现浇泡沫轻质土采用商品水泥浆，现场加气泡后进行浇注，避免了水泥浆现场搅拌与灰土拌合、摊铺及碾压，对现场施工环境造成的影响降到了最低。
5)通过现浇泡沫轻质土在工程中的成功应用，并通过各科研、设计及施工单位的应用，泡沫轻质土作为新材料、新工艺在工程上的应用逐步得到推广。
参考文献：
[1]陈忠平，孙仲均，钱争晖.泡沫轻质土填充技术及应用[J].施工技术，2011（5）.
[2]马时冬.聚苯乙烯塑料泡沫轻质填土（SLS）的特性[J].岩土力学，2014（9）.
[3]王新岐.软土地区泡沫轻质土处理桥头路基试验研究[J].城市道桥与防洪，2012（10）.
[4]李斌，王小刚.现浇泡沫轻质土施工工法[J].山西建筑，2011（12）.
论文作者:俞宗荣
论文发表刊物:《防护工程》2019年第1期
论文发表时间:2019/5/15
标签：轻质论文; 泡沫论文; 应力论文; 容重论文; 路基论文; 荷载论文; 地基论文; 《防护工程》2019年第1期论文;