概要 近年來，我國公路橋梁建設(shè)不斷蓬勃發(fā)展，珠三角地區(qū)交通建設(shè)亦緊鑼密鼓地展開。珠三角地區(qū)河涌密集，軟土地基分布廣泛，橋頭路基沉降引起的橋頭跳車成了普遍性的公路工程病害。針對橋頭跳車問題，國內(nèi)已進行了很多研究并形成的許多常用的處理方法，但仍然不能達(dá)到很理想的效果。近年來，作為新技術(shù)的泡沫輕質(zhì)土技術(shù)逐漸應(yīng)用于土木工程各領(lǐng)域的建設(shè)中，而引入泡沫輕質(zhì)土進行橋頭路基處理，成了緩解橋頭跳車現(xiàn)象的一個新方向，本文擬對此進行一些有益的探討。
關(guān)鍵詞：公路 橋梁 橋頭跳車 泡沫 輕質(zhì)土
上世紀(jì)七、八十年代，日本開始將泡沫輕質(zhì)土大規(guī)模應(yīng)用于替代填土的工程領(lǐng)域：1987年潢浜市內(nèi)的公路橋維修工程中首次把泡沫輕質(zhì)土作為填充材料來使用；次年作為道路工程的填土材料使用。此后，隨著施工設(shè)備及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，應(yīng)用范圍迅速擴大，并出版了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范。
我國于2002年引進并發(fā)展了泡沫輕質(zhì)土技術(shù)，目前已在包括北京奧運鳥巢、北京地鐵奧運支線、京珠高速公路、汕頭中山東路改造、廣佛、佛開高速公路拓寬、河北沿海高速公路等大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中得到了成功的應(yīng)用。
泡沫輕質(zhì)土是“用物理方法將發(fā)泡劑水溶液制備成泡沫，與必須組分水泥基膠凝材料、水及可選組分集料、摻和料、外加劑按照一定的比例混合攪拌，并經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成的一種輕質(zhì)材料”。
類似的材料有日本的“氣泡輕量土”，國內(nèi)的”泡沫混凝土”等。就硬化成型的過程而言，泡沫輕質(zhì)土、氣泡混合輕質(zhì)土與泡沫混凝土并無本質(zhì)區(qū)別。但泡沫輕質(zhì)土的原材料(如集料及摻和料)可用范圍更廣，力學(xué)性能介于土與混凝土之間，使用功能更側(cè)重于替代常規(guī)土或砂（不是作為混凝土）用于各種填充或充填。
泡沫輕質(zhì)土具有如下工程特性：
①輕質(zhì)性
輕質(zhì)性是現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土最顯著的特性，與幾種常規(guī)土建材料相比，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的容重相對要低。（見下表）。
幾種主要土建材料的容重比較(單位：kN/m3)
| 水泥混凝土 | 路面底基層 | 路基填土 | 粉煤灰 | 中粗砂 | 泡沫輕質(zhì)土 |
| 25 | 21~22 | 19~20 | 12~16 | 18~20 | 3~12 |
②容重和強度可調(diào)節(jié)性
調(diào)整現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的組成成份比例，即調(diào)整配合比，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的容重和強度可根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)。工程上，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的容重一般可在3~12kN/m3之間調(diào)節(jié)；而無側(cè)限抗壓強度的調(diào)節(jié)范圍為0.3~5.0MPa。作為土工填筑材料，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強度通?？刂圃?.3~1.2MPa。
③良好的施工性
現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土的流動性高，可通過軟管泵送，現(xiàn)場施工澆注點與制作點可分離，且澆注點占的施工空間極小，可在狹小空間內(nèi)施工。當(dāng)作為路基填筑的替代材料時，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土澆注施工無須振搗碾壓，施工便捷高效。良好施工性還體現(xiàn)在現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土基本可連續(xù)澆注施工，無須在施工過程中進行特別的養(yǎng)生處理。
④良好的環(huán)保特性
可大量利用粉煤灰等工業(yè)廢渣做原材料，促進資源的再生利用，有利于環(huán)保；與土工泡沫塑料相比，現(xiàn)澆泡沫輕質(zhì)土屬無機質(zhì)材料，無論用于地上，地下工程，其對環(huán)境均無污染作用，環(huán)保優(yōu)勢明顯；當(dāng)用于道路擴建、山區(qū)陡峭路段等道路工程中，可節(jié)省土地資源，避免高填高挖等對環(huán)境的破壞，對保護自然生態(tài)環(huán)境意義重大。
泡沫輕質(zhì)土用于軟基路橋過渡段的設(shè)計，主要圍繞工后沉降滿足規(guī)范要求，解決泡沫輕質(zhì)土的換填厚度和換填范圍的問題。這里，從軟基變形的理論來說明換填厚度；關(guān)于換填長度，則結(jié)合規(guī)范和相關(guān)研究文獻(xiàn)來論證。
珠三角的軟基一般由飽和軟土組成，通常為高壓縮性、高孔隙比和高含水量的淤泥或淤泥質(zhì)土。這類飽和軟土，其沉降變形的本質(zhì)可用有效應(yīng)力原理來說明：在附加應(yīng)力的作用下，超孔隙水壓力不斷消散、有效應(yīng)力不斷增長；與此同時，隨超孔壓的消散，軟土中的自由水不斷排出，由此，其體積壓縮，表現(xiàn)為沉降的發(fā)生。
在這個過程當(dāng)中，對工程起決定作用的主要是三個方面：
1、附加應(yīng)力
附加應(yīng)力的大小決定了軟土層最終總沉降量的大?。寒?dāng)附加應(yīng)力全部轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力時，總沉降完成；故附加應(yīng)力越大，總沉降越大。
2、固結(jié)度
固結(jié)度Ut可用下式表達(dá): (2-1)式中St 當(dāng)前t時刻已完成沉降； S∞ 最終總沉降；軟土層有效應(yīng)力； 軟土層附加應(yīng)力。
固結(jié)度的意義在于表征了當(dāng)前時刻已完成沉降占總沉降的比例。
3、工后沉降
設(shè)工后沉降為，可用下式表達(dá)(3-1)可見，工后沉降其實就是扣除完工時已完成沉降后的剩余沉降量。工后沉降通常是軟基路段重點控制的指標(biāo)；從設(shè)計到施工，軟基路段的一個重要任務(wù)就是盡可能降低工后沉降，以確保公路工后的正常使用，并減少工后維修費用。
當(dāng)然，這里的工后沉降系指工后總沉降；工程上，更多使用的概念是基準(zhǔn)期內(nèi)的工后殘余沉降。顯然，工后總沉降越小，基準(zhǔn)期內(nèi)的殘余沉降越小。
由式2-1及式3-1可知，可通過兩種途徑來降低工后沉降：
1、通過提高St來提高竣工時的固結(jié)度，以此控制工后沉降。
具體的實現(xiàn)方法為排水預(yù)壓法：通過設(shè)置豎向排水體如袋裝砂井或塑料排水板，通過堆載預(yù)壓或真空預(yù)壓的方式來加快軟土層的固結(jié)速率，使竣工時的固結(jié)度達(dá)到足夠大，確保工后沉降滿足要求。該法的主要特點是具有較好的經(jīng)濟性，缺陷是需要足夠的預(yù)壓時間，且工后沉降大，這通常與項目的工期要求矛盾突出。
2、降低軟土層的附加應(yīng)力以降低總沉降，以此控制工后沉降。
實現(xiàn)方法有兩種方式：
方式一 樁式復(fù)合地基法
樁式復(fù)合地基是設(shè)置一定密度的攪拌樁、CFG樁或預(yù)應(yīng)力管樁等強度遠(yuǎn)較軟土層強度要高的樁體，將上覆荷載大部分轉(zhuǎn)移至這些樁體來承受，從而降低軟土層所承受的荷載和附加應(yīng)力，實現(xiàn)控制工后沉降的方法。該工法的優(yōu)點是時間短，效果顯著，但缺陷是造價偏高，同時，樁體施工對周邊的臨界結(jié)構(gòu)物（如橋臺、涵洞等結(jié)構(gòu)物）會產(chǎn)生側(cè)向擠出效應(yīng)，從而影響臨界結(jié)構(gòu)物的安全性。
方式二 輕路堤法
該工法直接降低路堤荷載和軟土層的附加應(yīng)力。傳統(tǒng)的輕路堤法有EPS路堤等。
泡沫輕質(zhì)土用于路橋過渡段填筑，屬于輕路堤法，其控制工后沉降的原理在于降低附加應(yīng)力；當(dāng)用于舊路改造項目時，如換填厚度適當(dāng)向原地面以下延伸，可使軟土層的附加應(yīng)力小于有效應(yīng)力，軟土層處于超固結(jié)狀態(tài)，從而確保工后沉降為0。汕頭市中山東路改造工程，即采用了泡沫輕質(zhì)土技術(shù)對全線軟基路堤橋臺兩側(cè)沿路線縱向各30m范圍的路基進行了換填處理，其換填厚度向原地面以下延伸了1m，該范圍內(nèi)沒有進行任何軟基處理，并取消了常規(guī)的橋頭搭板。一年多來的使用效果良好。
為緩解軟基路堤與橋梁等結(jié)構(gòu)物之間的差異沉降，通常在結(jié)構(gòu)物兩側(cè)的一定范圍內(nèi)設(shè)置路橋過渡段。公路路基規(guī)范規(guī)定，應(yīng)設(shè)置必要的工后沉降過渡段來緩解工后橋頭跳車現(xiàn)象。
根據(jù)《公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，路面設(shè)計使用年限內(nèi)殘余沉降（簡稱工后沉降）應(yīng)滿足下表的要求：
容許工后沉降
| 橋臺與路堤相鄰處 | 涵洞或箱型通道處 | 一般路段 | |
| 高速公路、一級公路 | ≤0.10m | ≤0.20m | ≤0.30m |
| 二級公路（采用高級路面） | ≤0.20m | ≤0.30m | ≤0.50m |
關(guān)于路橋工后沉降過渡段的長度控制，國內(nèi)外大量的工程實踐和研究結(jié)果表明，應(yīng)以工后沉降允許值及工后允許縱坡變化率來確定。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究成果, 路橋過渡段差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)如表：
路橋過渡段的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)
| 道 路 等 級 | 設(shè)計車速（km/h） | 縱坡相對差最大值（‰） |
| 高速公路 | 120 | ≤3.5 |
| 1級公路 | 100 | ≤4.4 |
| 2級公路 | 80 | ≤5.1 |
| 3級公路 | 40 | ≤8.0 |
| 4級公路 | 20 | ≤9.7 |
泡沫輕質(zhì)土的一個顯著的特點是其澆筑后可固化直立，并且對橋臺的水平力幾乎為0，根據(jù)這一特點，可將橋臺進行優(yōu)化設(shè)計，包括兩方面的內(nèi)容：1）橋臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化；2）橋臺樁基礎(chǔ)優(yōu)化。
就橋臺結(jié)構(gòu)而言，臺后直立填筑泡沫輕質(zhì)土與填筑常規(guī)放坡路堤，存在兩方面的優(yōu)化：1）由于直立填筑，橋臺耳墻可基本取消；2）由于直立填筑，對橋臺臺身無側(cè)向壓力，可取消橋臺臺身，近似按橋墩進行橋臺設(shè)計。
就橋臺樁基礎(chǔ)而言，其優(yōu)化思路為：可考慮按單排樁基礎(chǔ)設(shè)計，但樁徑與橋墩樁徑相同。
綜合比較
①工后沉降
采用泡沫輕質(zhì)土換填臺后原路基土，可最大限度控制工后沉降。與水泥攪拌樁等方法相比，其施工不是隱蔽施工，具有很強的質(zhì)量可靠度，且適度向原地面以下?lián)Q填，可確保地基土在工程改造后處于超固結(jié)狀態(tài)，以盡可能避免工后沉降的發(fā)生。
②橋臺所承受的土壓
泡沫輕質(zhì)土因固化后可直立，其對橋臺的側(cè)向土壓力幾乎為0，這對于橋臺的受力是極其有利的。采用泡沫輕質(zhì)土后，橋臺及橋臺樁基可進行簡化，由此節(jié)省了造價。并且由于城市橋梁有時需跨越地鐵等，基樁跨越距離較大，橋臺所承受的上部荷載非常大，臺后土壓力對橋臺的影響也極為不利，這是采用泡沫輕質(zhì)土的重要優(yōu)勢。
土壓接近為0的另一個有利因素是，施工時，擴建段的橋臺樁基和橋臺可先行施工，由此大幅節(jié)省工期。如采用水泥攪拌樁等方法處理臺背，則不僅橋臺樁基和橋臺必須待水泥攪拌樁施工完畢才能施工，否則水泥攪拌樁施工導(dǎo)致的側(cè)向擠出壓力會嚴(yán)重威脅原有橋臺的安全，很可能會導(dǎo)致原有橋臺的側(cè)移甚至破壞。這一點，是水泥攪拌樁等其他軟基處理方案無法克服的缺陷，過往一些市政道路、高速公路建設(shè)在早期都出現(xiàn)過不少這類失敗的案例。
③施工工期
泡沫輕質(zhì)土施工一方面便捷高效，在澆筑完畢后7~14天即可進行后續(xù)路面施工，與橋臺樁基及橋臺施工不存在先后次序等沖突（通常在軟基路段進行結(jié)構(gòu)物施工時，應(yīng)先進行軟基處理，待軟基沉降穩(wěn)定后再進行樁基及結(jié)構(gòu)物的施工），并且，由于采用泡沫輕質(zhì)土?xí)r，橋臺可采用單排樁柱式橋臺，比起雙排樁與薄壁式橋臺，鉆孔灌注樁的施工時間可以減半，而且薄壁式臺身的施工時間也比柱式臺身更長，這些，決定了泡沫輕質(zhì)土方案具有較大的工期優(yōu)勢。根據(jù)測算，一個橋臺臺背的處理，采用泡沫輕質(zhì)土方案，其工期至少較水泥攪拌樁方案節(jié)省1~6個月。
④造價
因采用泡沫輕質(zhì)土換填和攪拌樁處理時橋臺的形式不同，故比較各方案的造價時，將橋臺的造價亦包含到比較表內(nèi)。橋臺由雙排樁變?yōu)閱闻艠?，薄壁臺身變?yōu)橹脚_身，無論是鉆孔灌注樁，承臺，還是臺身的施工，工程量都大為減少，施工工序也簡單化，故造價也因此減少。
