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.

轻质填土材料是人工制作的土工材料。其主要特点是容重比一般的土体小，而强度和变形特性可以达到甚至超过良好的土体，是工程界近年开发并在推广的土建新技术。轻质材料的种类很多，按其容重可分为准轻质材料（如粉煤灰）；轻质材料（如气泡混合轻质材料）及超轻质材料（如EPS）等。最早是使用粉煤灰、矿渣等材料制作轻质土；1972年挪威率先在公路填土中使用了泡沫塑料块体，此后轻质材料得到了较为广泛的应用。1980年代，日本又相继将废弃的泡沫塑料制成一定大小的颗粒，并按一定的比例与工程废弃土混合制成了容重可自由调整的轻质土，而现在最新的轻质土材料是向土中混入一定比例的气泡和固化材料制成容重和强度都可自由调整的气泡混合轻质土。

气泡混合轻质土就是在原料土中按照一定的比例添加固化剂、水和预先制作的气泡群，进行充分的混合、搅拌后所形成的轻型土工材料，图-1.1简要地说明了气泡混合轻质土的制作流程。

气泡混合轻质填土1.1 原料土

原料土可以是工程废弃土，也可以是细砂，但为了达到与固化剂及气泡的充分混合，并确保气泡混合轻质土的流动性，原料土的直径宜小于5mm，对于不满足要求的原料土，应先期进行解泥及必要的筛分处理。

气泡混合轻质填土1.2 固化材料

固化材料可以分为主剂和辅剂两种，主剂是主要起固结、加强土体骨架的作用，而辅剂是以催化、早凝为目的的固化材料；主剂以水泥类为主，常用的有火山灰水泥、普通硅酸盐水泥、高炉硅酸盐水泥等，这些材料加入土中后与水之间发生水和作用产生Ca(OH)2产物，Ca(OH)2与粘土颗粒发生离子交换形成固化物，达到加固土体骨架的作用，实践证明，使用高炉水泥的效果更佳；辅剂是指石膏粉、硅粉等辅助材料，加入这些材料的目的在于减少主剂的用量，达到降低造价的目的。

气泡混合轻质填土1.3 起泡剂

起泡剂主要有界面活性类、蛋白类、树脂类材料等，通过将适量倍率稀释后的起泡剂定量泵送到发泡装置后，与压缩空气充分混合而产生大量的微小气泡群。在这里，压缩空气是通过空压机加压，用减压阀控制输气压力，以稳定的压力和气量向发泡装置供气；气泡是由致密、直径为30～300μ左右的气泡群体组成，要求气泡具有一定的稳定性，与土混合后可在土中形成多量的微小孔隙。

气泡混合轻质填土技术是当今软基对策中的最有效的方法之一，该技术的突出特点是：

（1）填土荷载轻，具有良好的流动性和自立性，各种力学性能好，施工工期短。

（2）可大幅度地减轻施加于地基的附加应力，抑制软基路堤的沉降和破坏，并增大稳定、安全系数；

（3）减少作用于地下结构物上的土压力，提高结构物使用的安全性及使用寿命；

（4）可较好地遏止桥涵连接路堤的差异沉降，避免垂直错位，从消除高速公路中的桥头跳车问题。

（5）运用于道路的扩幅改造时，可节省昂贵的用地、减少拆，并将对道路近傍结构物的影响降低到最低程度。

气泡混合轻质土是人工制作的土工材料，其容重可以做得比一般的土体小得多，而其强度和变形特性可以达到甚至超过良好的土体，且便于施工等。其主要特性如下：

（1) 轻质性

气泡混合轻质土内含有大量的微小气泡群，其容重不但比一般的土体要小得多，而且通过调整土体中的气泡和固化剂的含量，可以按照需要对气泡混合轻质土的容重在5~16kN/m内进行必要的调整。

（2）强度的可调节性

和容重的可调节性原理一样，通过改变各种成分的配合比，气泡混合轻质土的强度的可以在300~1500kN/m的范围内进行调整。

（3）高流动性

气泡混合轻质土具有良好的流动性，可通过管道泵送，其最大输送距离可达到1500米，最大泵送高度可达到30米。为防止泄漏，在进行气泡混合轻质土的浇筑施工时，通常不得不砌一些必要而简单的挡墙。

（4）固化后的自立性

由于使用水泥作为固化剂，通常在浇筑5个小时后就会开始固化，且固化后可以自立，可进行垂直填土，且对挡土结构物几乎没有推挤力。

（5）良好的施工性

由于其具有良好的流动性和固化后的自立性，且不需振捣和碾压作业，可进行远距离或在小空间内施工。此外，气泡混合轻质土中混有大量的气泡群，成品的体积可达到材料体积的3倍以上。

（6）耐久性

属水泥类材料，与高分子材料相比，其耐久性，耐热及抗油污能力强，具有水泥材料同等的耐久性。

（7）隔热性

气泡混合轻质土中含有大量的气泡，具有良好的隔热性。

气泡混合轻质填土技术在公路建设中有着非常广泛的应用，它为解决高等级公路软基路堤中的桥涵跳车、公路路基加宽时新老路基的差异沉降、高填土路堤的稳定性等世界性难题提供了一种极好的技术手段。运用这种技术能节省昂贵的用地、减少拆迁，充分有效地利用土地资源等。它主要应用于以下一些领域：

气泡混合轻质填土路基加宽

随着经济的发展、车流量的不断增加，常需对已通车的道路进行扩幅改造。与传统的施工法相比，气泡混合轻质填土技术主要有以下几方面的优点：

① 可进行垂直填土，节省昂贵的用地、减少拆迁，在旧路基础上加宽几乎不需征地（参照图-3.1）；

② 在软基路段进行扩幅填土时，可大幅度地降低填土荷重，减少新老路基的差异沉降及路基附近建筑物的沉降破坏

③ 施工性好。不需震捣，不需机械碾压作业，振动、噪音低；

④ 施工时间短，不影响现有交通。

特别是在施工周期短、在用地昂贵的经济发达地区、在建筑物及人口相对密集的地区进行道路加宽改造、增建公路或轻轨线路时，采用这种技术能最大限度地节省用地，降低工程整体造价，具有显著的综合经济效益及社会效益。

气泡混合轻质填土滑坡路段的路基填筑

修建通过滑坡地段的公路时，为了防止土块的滑动，传统的方法常常需要花费大量的费用和时间。气泡混合轻质填土技术主要有以下几方面的优点（参照图-3.4 ~ 图-3.5）：

① 可降低填土荷重、减少土块所承受的滑动力矩，提高路基的抗滑稳定性；

图-3.4 滑坡地段的填土原理图

② 简化挡土结构；

③ 避免原有地形、地貌的破坏，保护环境；

④ 施工性好。不需震捣，不需机械碾压作业，振动、噪音低；

⑤ 提高工程质量，缩短工期，降低造价。

气泡混合轻质填土陡峭及急转弯地段的路基填筑

修建通过陡峭及急转弯地段的公路时，传统的施工法常常不得不进行大量的挖填方处理，原有的地形、地貌的破坏大；边坡特别是高边坡的稳定性问题突出，边坡的防护难度大；高填土的挡墙要求高，既费工又费时。采用气泡混合轻质填土技术主要有以下几方面的优点（参照图-3.6 ~ 图-3.7）：

① 可降低填土荷重、减少填土路基自身的滑动力矩，提高路基的抗滑稳定性；

② 简化挡土结构；

③ 避免原有地形、地貌的破坏，保护环境；

④ 施工性好。不需震捣，不需机械碾压作业；

⑤ 边坡及挡墙的稳定性问题小；

⑥ 施工工期短。

气泡混合轻质填土隧道坑口的填筑

在开挖隧道时，隧道的入口处通常存在着偏土压，山体容易坍塌等问题，给施工带来极大的不便。由于气泡混合轻质土具有容重小，强度及稳定性好，且便于开挖等特点，如果使用气泡混合轻质土在隧道的入口处构筑一定形状的人造山后，再进行隧道的开挖，则可较好的解决上述困难。它主要有以下几方面的优点

① 减少隧道入口处的地形、地貌的破坏；

② 缓解隧道坑口偏土压力的影响；

② 防止隧道坑口的山体坍塌，且便于施工。

气泡混合轻质填土桥（涵）背的填土

通过软基路段的公路中的桥（涵）跳车问题是一直未能解决的世界性难题，其主要原因可归结为以下三个方面：

① 由于填土所产生的附加应力的作用，不良地基发生长时间而缓慢的沉降；

② 台背填料自身的压缩引起的沉降；

③ 桥头与路基间的刚柔突变。

由于桥梁是支撑在岩层上的刚性结构，几乎不发生沉降，而路堤是建在软基上的柔性体，沉降稳定所需要的时间长，两者连接后不可避免地会产生差异沉降，长期以来只着眼于软基的处理，忽视了减轻填土重量的研究，使问题得不到解决。采用气泡混合轻质填土技术则可较好地解决上述困难。它主要有以下几方面的优点：

① 在桥（涵）背部设置适当形状的楔形轻质土体，可大大缓减桥（涵）与路基间差异沉降的变化梯度，使桥基间差异沉降的变化缓慢化、均匀化，从根本上消除高速公路中的桥（涵）与路基间的跳车问题；

② 虽然气泡混合轻质土的刚性比混凝土的小，但比优质土的大得多，采用这种填料可在一定程度上缓解桥（涵）与路基间材料的刚性突变；

③ 彻底消除了填料自身的工后沉降问题；

④ 对地下结构物几乎没有土压力的作用,可适度地简化结构物的挡土结构，提高结构物的使用寿命。

⑤ 施工性好，不需震捣和机械碾压作业；

⑥ 施工工期短。

气泡混合轻质填土低填土路堤中软基的换填

对于低填土路堤，通过适当的荷载设计计算，确定出气泡混合轻质土的容重、强度及软基的换填厚度，使换填过后的软基在各种荷载作用下均能保持超固结状态。既不需要进行任何其他的软基处理，又能保证路堤的沉降稳定，施工简单方便

气泡混合轻质填土地下空洞的填筑

在土建工程中，常常会遇到一些施工不便但又不得不填充的地下空洞。

由于气泡混合轻质土具有良好的流动性、自硬性、施工过程中不需震捣和机械碾压作业等特点，是狭窄空间及地下空洞填筑的极好材料。

气泡混合轻质填土溶岩地区路基的填筑

我国许多地区处于溶岩分布区，地下溶洞多，分布的范围广且深度不等，溶洞的表面覆盖层多为软土层，承载能力小。在这些路段修建公路时，传统的施工法难于解决路堤基础的承载力不足（特别是高填土路堤）及通过大溶洞的桥梁桩基施工等难题。

我省正在修建的某高速公路的某桥梁桩基处的钻孔柱状地质图，地表以下32.2~60.5米为溶洞，溶洞的上表面有近32米的覆盖层，且为软粘土与砂的夹层，原计划在此处修建的一座大桥，因考虑到桥梁桩基施工的难度及施工过程中对其附近正在运营的公路桥梁桩基可能带来的负面影响，原修建桥梁的方案不得不改为填筑路基，但由于填土较高，采用常规的填土施工法可能出现基础的承载力不足及软基的工后沉降大等问题；如果利用气泡混合轻质土来进行这段路基的施工，则可以较好地解决其它方法所无法解决的难题：

① 将桥梁改为轻质路堤，原溶洞区域的桩基施工被取消；

② 气泡混合轻质土路堤的容重可调整到一般路堤的四分之一，可克服基础的承载力不足的问题；

③ 可大幅度的减少路堤的工后沉降问题；

④ 施工工期大大缩短。

(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号、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、「土木技术」第49巻8号、pp.64-70、1994

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

(4) 冈田：赤羽駅付近立体交差化工事、「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、「土と基础」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、「基础工」Vol.18-№12、pp.49-49、1990

(7) 都筑：エアミルクの道路盛土への适用例、「基础工」Vol.18-№12、pp.102-108、1990

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

(9) 长尾他：気泡混合軽量土を用いた桥台背面の土圧軽减工法、「基础工」Vol.22-№10、 pp.71-75、1994

(10) 长尾他：気泡混合軽量土を用いた东名高速道路の拡幅工事、「基础工」Vol.22-№10、pp.76-80、1994

(11) 张浩等：气泡混合轻质土的关键技术开发及其在高等级公路上的应用，[北京科技厅科研课题立项报告]，2003

(12) 刘伟等：轻质土的关键技术开发及其施工工艺的研究，[交通部联合攻关重点课题]，2003

《气泡混合轻质填土新技术》简明扼要地介绍了气泡混合轻质土的基本概念、材料组成、制作、设计和施工方法，着重论述了这种新型轻质材料在公路加宽、桥台台背填土、滑坡路段的填筑、陡峭及急转弯地填筑、隧道坑口的填筑、溶岩地区路基的填筑、地下空洞填充及作为寒冷地区道路隔热材料等的具体应用，书中列举了诸多有代表性的工程实例。《气泡混合轻质填土新技术》可供从事公路及土木工程领域的设计和施工技术人员及管理人员参考。

第1章 气泡混合轻质土基本概念

1.1 气泡混合轻质土主要成分及制作

1.2 气泡混合轻质土优点

1.3 与其他轻质土工材料比较

第2章 气泡混合轻质土性能

2.1 基本性能

2.1.1 容重

2.1.2 透水性

2.1.3 隔热性能

2.2 力学特性

2.2.1 无侧限抗压强度

2.2.2 抗拉强度

2.2.3 抗弯强度

2.2.4 附着强度

2.2.5 磨擦抵抗特性

2.2.6 三轴压缩力学性能

2.3 耐久性

2.3.1 反复加载后的强度变化

2.3.2 干湿盾环对性能的影响

2.3.3 冻融循环对性能的影响

2.3.4 徐变特性

2.3.5 暴露试验

第3章 气泡混合轻质填土技术应用及综合经济评价

3.1 气泡混合轻质填土技术在公路建设中的应用

3.1.1 用于道路加宽

3.1.2 用于桥台背填土

3.1.3 用于软基路堤的填筑

3.1.4 滑坡路段路堤的填筑

3.1.5 陡峭及急转弯地段的填筑

3.1.6 隧道坑口的填筑

3.1.7 作为溶岩覆盖层表面路堤的填料

3.1.8 作为寒冷地区道路的隔热层

3.1.9 作为路面基层的填充料

3.1.10 地下空洞的填充

3.2 综合技术经济评价

3.2.1 公路工程项目成本的影响因素

3.2.2 不同工法的综合技术经济比较

3.2.3 结论

第4章 气泡混合轻质填土设计

4.1 填土设计

4.1.1 填筑断面设计原则

4.1.2 设计荷载

……

第5章 施工方法及质量控制

第6章 工程实践

附表 部分工程实例简介（日本1995年-1998年）

参考文献

2100433B