气泡混合轻质土用于高速公路拓宽工程的适用性研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

高速公路拓宽方式

从拼接方式上分类，高速公路拓宽方式有：①拼接式拓宽；②分离式拓宽；③混合式拓宽。从拓宽断面的形式上分为：①双侧（对称或非对称）拓宽；②单侧拓宽；③中央分隔带预留加宽；④混合拓宽。

1. 拼接式拓宽。拼接式拓宽方式是在原老路基的基础上先进行坡面处理然后加宽，多年服役的老路面层结构与拓宽路基上覆路面结构进行重新铺装形成整体。拼接式包括单侧、双侧和中央拓宽。如图1.1所示。这种在老路运行一段时间，其沉降已经稳定或基本稳定进行拼接。因此新旧路基下地基的受力特点及地质特性有很大不同；受到拓宽荷载的影响，不适当的处理方法会引起新老路基之间的不均匀沉降，导致新老路基结合处拉应力的产生，从而造成路面的开裂。这种拓宽方式对新路基下地基承载力改善、新旧路基结合面衔接及拓宽填料处理都有很高要求。这种方式是目前加宽改建工程中最常见的方式，也是研究新旧路基间协调变形及受力规律的重点。

欧美国家的部分高速公路在早期修建时就将中间带设计得较宽，方便了后期拓宽车道可利用中央分隔带宽度。而我国目前运营的高速加宽改建工程中，很少有建设初期将中央分隔带处预留出拓宽建设空间的工程，因此常采用完全拼接的单侧、双侧拓宽及分离式拓宽。不同的拓宽方式，拓宽路基填方作为边载对老路的附加作用不同，在新旧路基中产生的沉降、应力、侧向位移及孔压等也不同。

2）分离式拓宽。在老路一侧或两侧相邻的地方修建新车道，新旧路基分离设置，不存在与老路的衔接问题且新旧路基间没有直接作用，如图1 . 2所示。新建路基只是以边载形式引起旧路基沉降增加，且因距离稍远使其对老路扰动较小。为了尽量隔开新老路基的相互影响而降低不均匀沉降，可在新老地基之间喷射沉降隔离墙。该方式占用土地多，消耗的路堤填土多，经济效益相对来说比较差，因此大多用于受地形限制的高速公路中。

混合式。混合式拓宽方式是前述两种拓宽方式的综合利用。虽然这种方式具有分离式与拼接式的优点，但混合式会使得线路形成分合流段落，不同里程交通组织方式不统一，影响行车安全。

高速公路拓宽工程主要病害

大量的工程实践表明，软土地基上高速公路拓宽工程的主要病害表现为路基路面的损坏以及路面整体性能的下降，其主要形式就是新旧路基结合部位产生纵向裂缝。

(1)路基的损坏主要表现为新老路基问的差异沉降、沿新老路基结合面的滑移和新填路基的整体失稳。

(2)路基的差异变形会通过路面结构反映到路表上，导致路面结构的损坏。沥青路面会在结合

部产生纵向裂缝、面层破碎、结合料松散、道路横坡改变等。水泥混凝土路面会在结合面附近出现扩展的纵缝或横缝、错台。进一步发展会引起板底脱空，裂缝处板块断裂以及裂缝进一步扩展等现象。

(3)随着路面病害的产生和道路纵横坡的变化，道路结构性能和服务性能也随之下降，当路况指数(PCI)、结构承载力、平整度等下降到一定程度时，还将影响行车安全^[3]。

高速公路拓宽工程病害机理

影响旧路拓宽工程性状的主要因素有：新老路基间的差异沉降、新老路基之间的不良结合、路基路面整体抗变形能力、路基稳定性，以及水文、地质条件等。病害的发生往往不是由单个因素决定的，而是多种因素共同作用的结果，但新老路基间的差异沉降和新老路基的不良结合是导致相关病害产生的主要原因^[4]。

1. 新老路基间的差异沉降。这是路基拓宽工程产生纵向裂缝的最主要原因。老路基下部地基经过多年的固结压缩，沉降基本趋于稳定，而新路基下部地基因拓宽填土自重及附加荷载的影响，将会产生较大的沉降变形。从时间的角度，不同区域的地基将产生不均匀变形。通常高速公路拓宽工程，是在较繁忙线路，施工工期短暂，客观增加了控制工后差异沉降的难度。
2. 新老路基之间的不良结合。高速公路拓宽中，新老路基结合处最为薄弱，这一位置最容易发生路基病害。经过多年的实践证明，台阶开挖，辅以台阶内倾，能减轻新老路基间的不均匀沉降，现有拓宽中，大多采用此工艺，然而如若新老路基结合部开挖外露土体强度不足、开挖方式不合理或土工合成材料处治不当，拓宽段路基在工后可能产生沿交界面的滑移或蠕滑，反映到路面层位表现出来的便是路面的纵向裂缝，这种纵向裂缝是从里及外，当裂缝贯通至路表时外界自然水很容易沿裂缝下渗，进入路基本体，加速路基的变形和失稳破坏。

除以上设计技术原因外，施工方面的影响也是引起拓宽工程路基病害原因之一。这

类施工方面的影响包括以下几点：旧路开挖工程中，外露表面根植土、腐殖土、杂物的

清理不透彻；边坡开挖面过大、未及时回填新筑路基外露时问过长、临空面收到雨水冲

刷，新路填方数量不够；拓宽路基压实度未达标；填筑速率过快；施工阶段辅助排水措

施不到位等。^[5]

轻质材料研究

轻质填料常见种类与特点

轻质材料是指重度小于细粒土的材料，公路工程中，采用的轻质材料一般有三类：

粉煤灰、土工泡沫塑料(EPS)、泡沫轻质混凝土。粉煤灰材料在近些年的工程应用中已经逐渐开发成为一种良好的建筑材料，能够用于公路工程中路堤填筑的资源大量减少，而土工泡沫塑料(EPS)、泡沫轻质混凝土近年来的技术发展成熟，开始在公路工程领域受到重视。

粉煤灰是一种人工火山灰轻质材料，容重在12～16kN／m3，材料多取自电厂废料之中。与EPS和泡沫轻质混凝土对比，粉煤灰技术应用要更早一些，但是一方面由于能够利用在道路工程中的粉煤灰逐年减少；另一方面粉煤灰的轻质特性较EPS和泡沫轻质混凝土而言效果要差的多，现目前已经逐渐淡出了公路工程领域。

土工泡沫塑料(EPS)，是一种轻型高分子聚合物。自上世纪60年代在北欧地区问世以来，因其封闭空腔结构而具有的轻质、耐压、耐水特性受到工程界青睐。最初该材料作为普通路基土换填材料，用于解决路桥过渡段的不均匀沉降问题。瑞典、日本、荷兰等多个国家都有相关工程实例。我国道路工程首次采用EPS是在1995年为处理某高速公路桥头跳车问题。通常EPS材料都是以块体材料参与工作，类似于砖块结构，其制作过程简单，利用化学聚合过程得到固体原型，再通过发泡、成型和养生过程制成块体。常用的EPS块体密度为15～35 kg／m3，仅仅是砂土的1／50-1／100，回填工程中减载效果十分显著。EPS块体抗老化、抗疲劳、耐久性好，且自身不易发生压缩变形，作为路基结构压密变形小。由于是块体结构，适合大规模生产、运输、安装，施工方便，受外界条件干扰小。国内目前适用EPS解决的问题包括：①路堤与结构物的差异沉降；②低路堤残余沉降问题；③公路拓宽新老路基的差异沉降问题；④高填方涵洞或市政管网设施上覆土体的减载降荷。

泡沫轻质混凝土，系由水泥浆或水泥砂浆与细微气泡群按一定比例混合并经硬化形成的多孔水硬性轻质材料，因其具有自重轻、性能稳定、隔热性能好、环境影响低等特性，其填筑工程以降低荷重或土压力为目的，能够缩短施工工期，节约土地资源，已经广泛应用于软基路堤、基础处理、寒区道路处理等实际工程中。

泡沫轻质混凝土研究现状

针对 EPS 的不足之处，80 年代后期日本、荷兰等国研制出一种由气泡掺和而成的新型轻质填土材料。处于领先水平的日本对其基本特性和路用性能两方面进行了主要研究。基本特性方面，主要研究泡沫轻质土的容重、气泡率、强度特性之间的关系，应力-应变特点及压缩变形特性等；路用性能方面，主要研究泡沫轻质土的耐久性、稳定性及其工程效果。矢岛系统研究了气泡掺入量对泡沫轻质土强度特性的影响。瓦川善三等也对泡沫轻质土的单轴抗压强度进行了研究，认为其随水泥掺入量的增加而增大，而粉煤灰的掺入有助于提高其强度。安原一哉认为泡沫轻质土的力学性质与其内部结晶物有关，并通过显微镜、x 射线衍射等对其在空气、河水、海水三种养护方式下的内部结构进行研究，表明在龄期较短时，三种养护环境下其强度差别不大；随着龄期的延长，海水养护下的泡沫轻质土强度、刚度及密度均随龄期延长而增大，而空气养护下的泡沫轻质土则相反，并从微观角度做出了解释。日本不仅有所研究，且将其广泛应用于工程中：1988 年，日本的东名高速和京叶高速拓宽工程因施工场地狭窄，且为减轻地基变形对临近建筑的影响，在路床不同位置采用不同配比的泡沫轻质土进行拓宽并采用专门的防水措施来保证轻质土的工程指标要求。1996 年日本国道 1 号梅田管道沟工程采用泡沫轻质土作为 920m 地质条件较差的隧道周围填土，以降低上覆填土对隧道结构的压力。

我国于 2002 年引进并发展了泡沫轻质土技术，2003 年在广东中江高速公路中山新隆至港口段软基台背回填作了第一个试验段，并将其与常规填土从沉降及对桥台的侧向土压力等方面进行了比较。如今，泡沫轻质土在我国许多道路扩建的加宽路基填筑工程中得到了广泛应用，尤其是工期、施工场地受限及地基较为软弱的段落，具有广阔的应用前景。针对我国道路状况及环境特点，陈忠平博士从材料、工艺流程、生产设备等方面进行了研究开发并制定了相应的《现浇泡沫轻质土技术规程》，对泡沫轻质土的材料组分、工程设计、配合比要求、施工注意事项、质量检验以及必备的填料试验研究（包括湿密度及流值试验、消泡试验、力学性能试验、抗冻性试验等）给出了规范性的要求。此外，顾欢达等通过试验研究，认为水灰比是影响泡沫轻质土流动性的主要因素，掺入气泡会降低其流动性及材料的分离程度。张小平、李琪等对基质土为砂土的泡沫轻质土的密度及强度特性进行三轴压缩试验研究，表明主应力强度与围压大小有关，低围压下其强度随围压的增大而降低，高围压下其强度随围压的增大而提高。

因此，目前对泡沫轻质土的研究主要集中在其物理力学特性、制作施工工艺及各领域应用的简单汇总等，对其受力特性的研究也主要是软基上桥台台背回填工程的分析。而对各物理力学性能受不同因素的影响及在主要应用领域的力学机理等还未进行详细细致的阐述说明；在路基拓宽工程中泡沫轻质土加宽路基的新旧路基交界面受力、沉降、侧向位移以及对地基附加应力的分析尚未进行详细的相关研究。