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现浇泡沫轻质土论文
现浇泡沫轻质土施工工法
-天津大道
【摘要】泡沫轻质土是“用物理方法将发泡剂水溶液制备成泡沫，与必须组分水泥基胶凝材料、水及可选组分集料、掺和料、外加剂按照一定的比例混合搅拌，并经物理化学作用硬化形成的一种轻质材料”。
该材料具有轻质、密度与强度可调、良好的施工性和环保性等特点，其性能偏重于替代常规填土，加快施工工期，减少工后沉降。
【关键词】泡沫轻质填土沉降
天津大道工程为连接天津市区与塘沽滨海新区的城市快速路工程，其中双港高架特大桥全长1879m，起点桥头引路过渡段位于现状大沽南路主车道，由于交通导行影响，若按原图纸设计施工水泥搅拌桩复合地基和8%灰土填筑，填土高度达4.1m，且距通车时间仅为3个月，填土无沉降期，势必导致工后引路沉降大，造成桥头跳车现象。
通过现浇泡沫轻质土的应用，按合同工期完成了天津大道起点桥头引路，最大限度减少了工后沉降，并能过对基底沉降，基底土压力、挡土墙和台背侧压力的观测，为以后优化桥头引路设计提供了可靠的技术数据，对大力推广现浇泡沫轻质土新材料和新工艺在国内的应用具有一定的意义。
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适用范围
桥台台背高路堤软基路段、一般软基路段、新近填海路段、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。
3工艺原理
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:
式中
当前t时刻已完成沉降；
—最终总沉降；
软土层有效应力；
软土层附加应力。
固结度的意义在于表征了当前时刻已完成沉降占总沉降的比例。
3）工后沉降
设工后沉降基准期末的固结度位U1，施工期末的固结度为U2，工后沉降为
，则工后沉降可用下式表达：
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
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。
2）降低软土层的附加应力
以降低总沉降
，以此控制工后沉降。
实现方法有两种方式：
桩式复合地基法和轻路堤法。
桩式复合地基是设置一定密度的搅拌桩、CFG桩或预应力管桩等强度远较软土层强度要高的桩体，将上覆荷载大部分转移至这些桩体来承受，从而降低软土层所承受的荷载和附加应力，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。
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。
泡沫轻质土用于路桥过渡段填筑，属于轻路堤法，其控制工后沉降的原理在于降低附加应力；当用于旧路改造项目时，如填筑厚度适当向原地面以下延伸，可使软土层的附加应力小于有效应力，软土层处于超固结状态，从而确保工后沉降为0。
4工艺流程及施工要点
4.1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。
图4-1现浇泡沫轻质土施工工艺流程图
4.2劳动组织
表4.2劳动组织
项目管理人员
生产工人
职务
人员数量
职务
人员数量
职能
类别
管理人员
生产工人
项目主管
1
材料员
1
现浇泡沫土施工
临时模板
1
5
技术主管
1
资料员
1
机械操作
1
3
施工主管
1
质检员
1
轻质土浇筑
1
4
试验员
1
后勤人员
1
施工员
1
安全员
1
合计
10
合计
15
4.3施工要点
4.3.1施工准备
1）施工前应根据设计要求进行泡沫轻质土配合比设计，试配试验时，应进行湿密度、流值和消泡试验，当流值满足要求、消泡试验确定的湿密度增加率满足要求时，应制取试件并进行养护，当消泡试验确定的湿密度增加率无法满足要求时，应调整发泡剂的稀释倍率或种类，或调整配合比组成材料的种类和用量，重新进行试配试验，当试配强度无法满足规范及设计要求时，应调整胶凝材料的用量、标号或品牌，重新进行试配试验。
表4.3.1天津大道工程双港高架桥泡沫轻质土施工配合比
配合比编号
泡沫轻质土单方材料组成
轻质土设计湿密度（kg/m3）
水泥浆单方材料组成
水泥浆
湿密度
（kg/m3）
水泥
（kg/m3）
粉煤灰
（kg/m3）
水
（kg/m3）
气泡
水泥
（kg/m3）
粉煤灰
（kg/m3）
水
（kg/m3）
CF310
217
93
210
67.6%
553.8
669.2
286.8
647.6
1603.5
C310
263.5
46.5
210
68.3%
554.1
830.9
146.6
662.2
1639.6
注：
CF310为一般部位泡沫土配合比，C310为顶层泡沫土配合比。
2）施工前，应结合设备生产能力、工期要求等对设计的浇筑体进行浇筑区和浇筑层的划分，为浇筑施工做好相关规划。
3）施工前，应清除浇筑区基底杂物，尤其应排清基底的积水，当在地下水位以下浇筑时，应有降水措施，严禁在基底有水的状态下浇筑施工。
4.3.2泡沫生成
1）泡沫是由发泡剂稀释后加压缩空气经发泡枪生成，发泡剂的性能直接影响泡沫的稳定性，用于泡沫生成的发泡剂性能应该满足下列要求：
a.对环境应无不良影响，宜采用界面活性类发泡剂。
b.在0℃以上的温度环境，发泡剂不应出现离析现象。
c.稀释倍率不宜小于100。
e.标准泡沫密度宜为40kg/m3～60kg/m3。
f.发泡剂所制作的泡沫应细密，经消泡试验确定的湿密度增加率不应超过10%。
2）拌合水不应含有影响泡沫稳定性、泡沫轻质土的强度和耐久性的有机物、油污等杂质。
3）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。
图4.3.2泡沫生成
4.3.2水泥浆制备
1）水泥浆可以在现场拌合，也可使用拌合站集中供应，由于每立水泥浆含水量远大于混凝土的含水量，拌合站对水计量宜采用流量，而不宜采用重量，以加快水泥浆制备时间。
2）泡沫轻质土对水泥浆中水泥强度无特别要求，但所用水泥必须先进行消泡试验，以确定其湿密度增加率是否满足要求。
3）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。
4）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。
5）施工过程中，应对每车水泥浆进行重度检测，确保水泥浆质量稳定。
4.3.3轻质土生成
轻质土是将气泡加压与水泥浆混合而成，施工过程中，每次起动机器后，需对生产参数进行调整，以保证轻质土的湿密度与流量满足设计要求。
4.3.4现场浇注
1）泡沫轻质土单层浇注厚度，应控制在0.5m～1.0m范围。
2）分区模板安装要牢固，浇注区间应采用塑料布进行密封，防止轻质土沿缝隙渗流。
3）泡沫轻质土单个浇注区、浇注层的浇注时间应控制在水泥浆初凝时间内，上层浇注层仅当下层浇注层终凝后方可浇注施工。
4）应尽可能沿浇筑区长轴方向自一端向另一端浇筑，如采用一条以上浇注管浇注，则可并排从一端开始浇注，或采用对角浇注方式。
5）浇筑过程中，需要移动浇注管时，应沿浇注管放置的方向前后移动，而不宜左右移动浇注管，如确实需要左右移动浇注管时，则应将浇注管尽可能提出当前已浇注轻质土表面后再移动。
6）进行扫平表面时，应尽量使浇筑口保持水平，并使浇注口离当前浇筑轻质土表面尽可能低。
7）尽量减少在已浇筑尚未固化的轻质土中来回走动。
图4.3.5轻质土浇注
4.3.5成品保护
1）当遇大雨、暴雨或持续时间较长的小雨天气时，未固化的泡沫轻质土表面应采取遮雨措施，防止雨水消泡。
2）泡沫轻质土浇筑硬化成型后，在强度未达到设计强度前，不宜直接进入使用状态。
3）泡沫轻质土浇筑至设计标高后，宜在表面覆盖塑料薄膜进行保湿养护。
5主要机具设备
5.1主要机具设备
表5.1主要施工机具设备
序号
名称
型号规格
单位
数量
用途
1
轻质土拌合设备
≥20kw
台
1
生产轻质土
2
输送泵
≥18kw
台
3
泵送轻质土
3
自动气泡发生器
≥40L/h
台
1
生产气泡
4
输送管
2寸
米
500
输送轻质土
5
空气压缩机
≥5.5kw
台
4
提供压缩空气生产气泡及加压泵送轻质土
5.2主要试验设备
表5.2主要试验仪器配置
序号
名称
型号规格
单位
数量
用途
1
空气压缩机
≥3kw
台
1
消泡试验
2
发泡罐
≥20L
台
1
3
发泡枪
≥40L/h
台
1
4
流值测试圆筒
个
1
流值检测
5
流值测试平板
件
1
流值检测
6
容量筒
1L
个
1
湿密度检测
7
试模
10×10×10cm
件
18
试块制作
8
游标卡尺
把
1
流值检测
6质量控制
为确保泡沫轻质土工程质量符合设计要求及有关规范的规定，实行以过程为主，工后检测为辅的方针，从人员、设备、材料、施工前的准备、工程施工过程等方面对工程质量进行预控。
6.1人员控制
1）实行岗位责任制，做到定机、定人、定岗、定责。
每处施工现场确定一名项目负责人，制定详细的操作手、自检人员岗位责任制。
2）凡参加泡沫轻质土施工的人员上岗前首先要了解、掌握、重温有关施工技术规范，明确岗位责任，做到未经培训不得上岗。
6.2设备控制
1）设备性能状态良好，配备有足够的易损件。
2）配备先进的自动计量工具，确保配合比准确。
6.3材料控制
施工中的水泥应经自检合格后方可进场，进场后的水泥应按批报检，抽检合格后方可投入使用，若采用商品水泥浆，则到场后按要求检测水泥浆比重，确保质量。
6.4过程质量控制
1）施工场地应平整，不得有积水；
2）根据施工工艺制定各项技术参数、施工要点，现场严格控制轻质土的流值及湿密度。
30施工中，应及时、认真地填写原始资料，若埋设检测仪器，应采取措施保护仪器不被破坏，观测数据应连续、准确。
6.5施工质量检验
施工质量检验指标为湿密度、流值和抗压强度，检测频率和检测依据执行现浇泡沫土技术规程。
7安全措施
1）轻质土施工人员、浇注作业人员在浇注作业时，必须穿工作鞋、戴保护手套及其他防护用品。
2）对于参观者和检查人员需配备相应的防护用具，严禁无关人员进入施工现场，所有现场的机械操作人员严禁酒后上岗。
3）现场道路的交叉口处、道路拐弯处应设立安全警告标志。
4）施工现场用电及设备应符合临时用电规范的有关要求。
8环保措施
1）在城市施工，水泥浆应尽量在搅拌站进行制备，防止在现场制备时污染环境。
若必须在现场制备，应安装储灰罐，建立拌合站，采用散装集料。
2）作业现场保持清洁整齐，水泥浆在储灰罐中集中拌制，施工过程中要经常检查管道的损坏状况，避免漏浆；施工完毕后不可随意排放多余泥浆。
建筑垃圾不乱堆、乱放，存放到指定的地点，做到垃圾日产日清。
3）若采用袋装水泥现场搅拌，对现场水泥应进行集中堆放，运输和卸运时防止遗洒尘扬。
9效益分析
采用现浇泡沫轻质土可以降低桥头引路施工综合成本，缩短引道施工周期，避免桥头路基沉降，特别是在天津市市政工程中的运用，可以减少施工对城市的污染，该技术为天津地区首次使用，树立了我公司在天津地区的良好形象。
1）加快了施工工期，若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，而采用现浇泡沫轻质土，施工周期仅为10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，而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，采用泡沫轻质土后，路基无沉降，避免了桥头跳车现象，也无渗水现象，提高了耐久性。
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本工程中的成功应用，并通过天津市各科研、设计及施工单位的观摩和学习，进一步推广了这种新材料、新工艺在后续设计、施工中的应用。
10工程实例
天津大道工程双港高架特大桥全长1879m，全桥共4个桥台，均属于软土地基处理，由于工期紧，交通导行压力大，主线0#桥台和上坡道0#桥台台背处理无法满足工期需求和工后沉降要求，对主线0#桥台采用现浇泡沫轻质土处理后，大大加快了施工进度，降低了工后沉降，同时通过对比下坡道6#桥台台背复合地基处理、上坡道0#台石灰粉煤灰二灰处理，分析沉降观测和土压力测试数据，更好地验证了现浇泡沫轻质土在道路软基换填处理中的优势，良好的质量保证、便捷的施工方法、快速的施工进度、扩大的综合效益，在未来的工程建设中，具有很高的市场前景和推广价值。
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