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陈忠平
（广东冠粤路桥有限公司 广州市 510630）
摘 要：介绍了目前常用的几种轻质材料的种类、性能及其在高等级公路中的应用，简要地分析了气泡混合轻质土的应用前景。
关键词：轻质材料；气泡混合轻质土；软基路堤；桥涵跳车。
Applications of the Light Filling-Soil Materials for Soft
Foundation Embankment at Advanced Grade Highway
Zhongping Chen
（Guangdong Guanyue Highway＆Bridge Company Limited Guangzhou 510630）
Abstract：Introduced at present kinds, capabilities and their applications in advanced grade of highway of several kinds light filling-soil materials in common use, and briefly analyzed the application foreground of foamed cement banking.
Key words：light filling-soil materials; foamed cement banking; soft foundation embankment; bumping at bridge-head.
陈忠平
（广东冠粤路桥有限公司 广州市 510630）
摘 要：介绍了目前常用的几种轻质材料的种类、性能及其在高等级公路中的应用，简要地分析了气泡混合轻质土的应用前景。
关键词：轻质材料；气泡混合轻质土；软基路堤；桥涵跳车。
Applications of the Light Filling-Soil Materials for Soft
Foundation Embankment at Advanced Grade Highway
Zhongping Chen
（Guangdong Guanyue Highway＆Bridge Company Limited Guangzhou 510630）
Abstract：Introduced at present kinds, capabilities and their applications in advanced grade of highway of several kinds light filling-soil materials in common use, and briefly analyzed the application foreground of foamed cement banking.
Key words：light filling-soil materials; foamed cement banking; soft foundation embankment; bumping at bridge-head.
陈忠平
（广东冠粤路桥有限公司 广州市 510630）
摘 要：介绍了目前常用的几种轻质材料的种类、性能及其在高等级公路中的应用，简要地分析了气泡混合轻质土的应用前景。
关键词：轻质材料；气泡混合轻质土；软基路堤；桥涵跳车。
Applications of the Light Filling-Soil Materials for Soft
Foundation Embankment at Advanced Grade Highway
Zhongping Chen
（Guangdong Guanyue Highway＆Bridge Company Limited Guangzhou 510630）
Abstract：Introduced at present kinds, capabilities and their applications in advanced grade of highway of several kinds light filling-soil materials in common use, and briefly analyzed the application foreground of foamed cement banking.
Key words：light filling-soil materials; foamed cement banking; soft foundation embankment; bumping at bridge-head.
0．前言
近年来，公路建设作为一项关系到国计民生的基础设施建设，得到了国家有关部门的大力支持，建设步伐尤为迅速，仅在短短的10年时间里，高速公路的总里程已突破2万公里，达到了世界第二。其中大部分高速公路集中在经济发展速度较快的东南部沿海，而这些地区水网发达，土层多为淤泥、淤泥质粘土、淤泥质亚粘土、淤泥质粉土及淤泥混砂层，属于饱和的正常压密软粘土，这类土具有含水量高、压缩性大、渗透系数小、灵敏度高、强度低和厚度不均等特点，传统的各种软基处理法只是单纯地从提高地基的承载力的角度上下工夫，而忽视了减轻填土荷载的研究，使得软基路堤、特别是
软基深、填土高的路堤的沉降和稳定问题长期得不到解决，工程的维修造价飚升。为解决这些技术难题，本文将对近年来国内外逐步发展起来的几种主要的轻质填土新材料及其特性进行介绍。
1． 轻质填土材料的基本概念
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被推广的土建新材料。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（即EPS），此后EPS在路堤填筑中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；最近，我司率先在国内开展了气泡混合轻质土（即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填土材料）的研究，取得了较好的效果。
2 轻质填土材料的种类及特性
2.1 粉煤灰
我国是一个粉煤灰排放量较大的国家，粉煤灰高达7000万T/年以上，大量的废灰堆放已出现了严重的污染和占地问题。
图-1 粉煤灰的压实性
图-2 粉煤灰的强度特性
前些年，我国在寻求粉煤灰处理和综合利用方面进行了大量的研究，在许多方面取得了较大的进展，如利用粉煤灰对高速公
路软基路堤进行填筑等，既缓解了环保及不合理占地的压力，也在一定程度上减少了路堤的工后沉降，提高了路堤的稳定性。作为准轻质填土材料的粉煤灰用作路堤填筑材料时，主要有以下几个方面的特点：
① 自硬性（火山灰质成分的水合反应）；
② 属废弃材料的再利用，有利于环保；
③ 需要进行碾压施工；
④ 其强度随着容重和含水比的变化而变化；
⑤ 由于材料的颗料呈中空状，容重（容重范围： g=12 ~16 kN/m3）比填土路堤的小，压实后的容重和强度随粉煤灰的种类与含水状态而变化（参照图-1~ 2）；
⑥ 易受水的冲刷。
粉煤灰被用作软基上路堤或桥涵背回填料时，可在一定程度减轻施加于路堤下软基的附加应力，抑制软基的破坏和沉降，提高路堤的稳定性等。但对于高填土路堤或在深厚软基上填筑路堤时，正如其特点⑤所述，它的容重还是过大，荷重的轻减效果极为有限。
2.2 聚苯乙烯泡沫塑料块（即Expanded Poly-Styrol， 简称EPS）
EPS属于超轻型高分子合成材料。1972年挪威道路研究所首次将1m厚的普通填料层换成EPS，较好地解决了软基路堤上的桥台跳车问题。从此EPS在许多国家的道路工程中得到了较为广泛的应用。
图-3 使用EPS填筑路堤的施工原理图
EPS材料的主要力学特性：
① 容重
容重随发泡率而变化，发泡率增加，容重减少。发泡率的变化范围为：34.5% ~
83.3%，容重的变化范围为：0.12 kN/m3 ~ 0.29kN/m3。
图-4 使用EPS填筑路堤的施工实例
② 压缩特性
根据JISK7220试验规程，对50×50×50mm的试样进行压缩试验的结果表明：压缩应变小于2%时，处于弹性状态，超过2%时进入塑性状态。 EPS与土不同，即使处于塑性状态，单轴压缩性也显著，不产生明显的剪切区域。压缩强度随容重的增加而增大。
③ 变形特性
压缩压力处于弹性区域内时，EPS几乎找不到永久的压缩蠕变。由试验可知，当5%应变的压缩强度小于1/2载荷时，不考虑压缩蠕变；EPS压缩屈服时或屈服后，仅在压缩方向的最大主应力变化显著，可认为无剪切区域。
④ 吸水性
EPS 吸水量与密度、水压及制造方法等有关。挪威国立公路研究所实验表明：在地下水位以下放置了九年的EPS的最大吸水量为体积的9%，而在发生周期性变化的反复干湿状态中，最大吸水量为体积的4%。因此，把EPS设置在地下水位附近或地下水位以下时，须考虑其吸水性，在容重中应考虑水的重量。
⑤ 热特性
EPS属料高分子合成材料，在高温下会发生软化、收缩（从80℃左右开始收缩，达100℃时热收缩急剧增大）。
⑥ 耐久性
大量的室内外实验表明：EPS材料自身具有良好的耐久性。但EPS属料高分子合成材料，受紫外线、高温及油污的影响大；也易受微生物等的影响。
使用超轻型材料EPS填筑路堤时，能大大地减轻施加于路堤下软基的附加应力，抑制软基的破坏和沉降，提高路堤的稳定性；且这种路堤对临近的结构物几乎没有侧压力；不需压实；也不需特殊的施工机械等（参照图-3 ~ 4）。但EPS材料自身的容重极小，其浮力的抵抗能力差，水位的变动对路堤的稳定性影响大；不能耐高温；油污和紫外线的影响大；不能消耗工程废弃土；特别是施工单价相当昂贵。
2.3 聚苯乙烯泡沫塑料块与土的夹层（即EPS-Sandwich工法）
正如2.2所述，EPS材料虽有许多良好的力学性能，但它是属于超轻型材料，用这种材料来填筑路堤时其浮力的抵抗能力差；不能消耗工程废弃土；施工单价过于昂贵等缺陷，给该技术的推广应用带来了较大的困难。而EPS-Sandwich工法则较好地克服了EPS工法的不足。
所谓EPS-Sandwich工法，就是将聚苯乙烯泡沫塑料块与工程废弃土夹层使用来构筑路堤的工法（参照图-5）。路堤中的各土层通过相邻的泡沫塑料块体中夹层土和若干连通的土柱连通为一体（参照图-6~ 7）。
图-5 EPS-Sandwich工法原理图（一）
图-6 EPS-Sandwich工法原理图（二）
路堤的形状由泡沫塑料块来决定；容重由泡沫塑料块和土的使用比例来控制。它充分地利用了EPS材料的轻质性、耐压缩性和变形特性，又考虑了土体有一定的自然容重的特点，路堤所受的荷载越大，各层之间的粘合性越好，抗剪能力越强。这种填土既不影响路堤的耐久性，又提高了路堤的稳定性及浮力抵抗能力，还能减少泡沫塑料块的使用量，达到较大幅度地降低造价的目的。
图-7 EPS-Sandwich工法的施工实例
与EPS工法相比，EPS-Sandwich工法主要有以下几个方面的优点：
① 容重比EPS的大，且可自由调整，其可调范围为：g=7~13 kN/m3；
② 能有效地消耗工程废弃土，有利于环保；
③ 路堤的稳定性能好、浮力抵抗能力强；
④ 在进行路堤的填筑时，与纯粹使用EPS材料相比，可降低造价一半以上。
2.4 泡沫塑料颗粒轻质土工法（即Stabilized Light Soil ，简称SLS）
泡沫塑料颗粒轻质土是指土与超轻型泡沫塑料颗粒（如泡沫聚苯乙烯、泡沫聚丙烯等材料）（参照图-8）及稳定性材料按照一定的比例混合而成的轻质填土材料（参照图-9）。符合路基填筑要求的工程废弃土及回收的泡沫塑料都可作为这种轻质土的原材料。在路堤填筑时，为了确保材料达到相应的强度要求，通常加入一定量的水泥作为稳定性材料。若加入纤维，则还可增强材料的韧性和抗腐蚀能力。
泡沫塑料颗粒混合轻质土可在工厂规模化生产，也可原地制成。为确保土、泡沫塑料颗粒及水泥稳定料的均匀分布，混合前应对土进行必要的解泥处理。
泡沫塑料颗粒混合轻质土的主要特性如下：
① 轻质性：容重可在g=8 ~13 kN/m3 之间按需调整；
② 强度的可调整性：通过改变水泥的添加量，无侧限抗压强度可在qu=0.05 ~ 1MPa范围内调整；
③ 变形挠度：在不加水泥等稳定性材料情况下，与一般砂土的变形挠度相同；
④ 防水性：泡沫塑料颗粒轻质土的透水性，与以土砂为原料土的透水性相比变化不大；
⑤ 可利用废弃土和废弃的泡沫塑料，有利于环保；
⑥ 浮力抵抗能力强；
⑦ 植被：在不添加水泥等稳定材料时，可在其上生长植被。
⑧ 与纯粹使用EPS相比可降低造价一半以上。
由于其施工方法近于一般土，加上其挠变及防水性能好，较适用于软基上的路堤（参照图- 10）及河流堤坝等的填筑。
图-8 泡沫塑料颗粒
图-9 泡沫塑料颗粒轻质土
图-10 泡沫塑料颗粒轻质土路堤施工实例
2.5 气泡混合轻质土工法（即Foamed Cement Banking，简称FCB）
气泡混合轻质土是由土、水泥、水和气泡等材料按照一定的比例混合而制成的轻型填土材料（参照图-11），其中主要材料
“土”可用现地发生土。
图-11 气泡混合轻质土的制作流程
其主要特点如下：
① 轻质性：通过改变气泡，土等的配合比，可使其容重在5 ~13 kN/m3范围内调整；
② 高流动性：通过泵压送的方式进行运送，最大运送距离可达到1500米；
③ 施工性：可在狭小空间内进行回填施工；不需机械碾压施工；不需震捣；施工工期短；
④ 固化后的自立性：可垂直填土；
⑤ 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。
⑥ 强度的可调节性：通过改变固化剂及气泡的配合比，其强度可在 300~1500kPa内自由调整；
⑦ 均质性：使用预发泡后混合的施工工艺，孔隙分布均匀；
⑧ 断热性：气泡混合轻量土的气泡量（空隙率）大，具有一定的断热材的机能；
⑨ 透水性：气泡混合轻量土的透水性很小；
⑩ 可就地利用工程废弃土；
由于气泡混合轻量土的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，固化后的自立性好，便于施工等，且施工单价比EPS便宜一半以上。它被广泛地用于软基上的路堤填筑、道路加宽及台背填土等，以减轻施加于软基的附加应力，抑制软基的破坏和沉降，从根本上解决高速公路软基路堤中的填挖方路堤、新旧路堤及路堤与结构物之间的差异沉降问题，减少地下结构物所承受的土压力、提高结构物的使用寿命。
3 轻质填土材料的应用前景
以上介绍了国内外最常用及最新的几种轻质土材料及其特性，在这些材料中，由我司开发的气泡混合轻质土具有良好的流动性及自硬性，可进行垂直填土等特点，在
以下一些情况下使用时具有其他方法无法替代的效果：
① 作为软基上路堤的填筑材料，可大幅度地减轻施加于地基的附加应力，抑制软基的破坏和沉降，增大道路的稳定、安全系数；
② 作为桥台等结构物背面的填筑材料，可大大地减轻路堤自重，降低地基应力，抑制软基的沉降，遏止桥涵连接路堤的沉降差，避免垂直错位，从根本上消除高速公路中的桥头跳车问题；抑制软基的侧移，使桥台等结构物几乎不承受土压力，提高结构物使用的安全性及使用寿命，从而可适度简化基础桩的结构设计。据初步调查，我省已投入运营的高速公路的维护管理费居高不下的主要原因是通过软基的桥头跳车问题、由于软基的沉降而引起地下结构物的侧移甚至破坏等问题没能找到行之有效的解决办法，每年为此付出的直接维修费用多达几亿元。所以仅软基这一领域就有着非常巨大的市场需求。
③ 在软基路段使用轻质土进行扩幅加宽填土，可大幅度地降低填土荷重，减少周围路基的沉降；且这种填土不需机械压实，施工时间短，振动、噪音低，可铅直填土等，特别适用于用地昂贵的道路改造及施工周期短的道路工程的加宽填土。这种填土材料还可用于挡土墙背的填土、陡峭地段的铅直填土、土坡稳定、埋管等工程的填土等，有着非常广泛的应用前景和社会经济效益。
参考文献
1. 陈忠平等：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
2. 陈忠平等：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，[广东省科技厅科研课题立项报告]，2003
3. 地基处理手册编写委员会，地基处理手册，北京：中国建筑工业出版社，1998
4. 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
5. 三嶋他：気泡混合軽量土を用いた高速道路の改築工事、「土木技術」第49巻8号、pp.64-70、1994
6. 横田他：気泡モルタル工法、「土木技術」第51巻2号、pp.73-81、1996
7. 岡田：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
8. 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
9. 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
10. 都築：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
11. 三嶋他：気泡混合軽量盛土工法、「基礎工」Vol.22-№10、pp.16-21、1994
12. 長尾他：気泡混合軽量土を用いた橋台背面の土圧軽減工法、「基礎工」Vol.22-№10、 pp.71-75、1994
13. 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
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