气泡混合轻质土在高寒地区小桥(涵)墩台基础中的应用研究

１４　内蒙古公路与运输　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　２０１１年第５期　文章编号：１００５—０５７４一（２０１１）０５—００１４—０３　气泡混合轻质土在高寒地区小桥（涵）墩台基础中的应用研究　杨志平　，杨月萍　（１．绥满国道主干线牙克石至海拉尔高速公路建设项目建管办，内蒙古海拉尔０２１００８；　２．内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司）　摘要：利用轻质气泡土作为高寒冻土地区小桥（涵）墩台基础的隔热、保温和承重材料，确定合理的气泡混凝土预　制块的配合比，设计合理的预制块尺寸，确定轻质土预制块作为小桥（涵）墩台基础隔热保温材料合理的铺设位置、厚　度、铺筑宽度等施工指标；提出轻质土用于冻土地基隔热保温的修筑技术。　关键词：气泡混合轻质土；高寒地区；小桥（涵）墩台基础；应用研究　中图分类号：Ｕ４４３．２　文献标识码：Ａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｌｉｇｈｔ—ｗｅｉｇｈｔ　ｓｏｉｌ　ｗｉｔｈ　ａｉｒ—ｂｕｂｂｌｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ａ　ｈｅａｔ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ，ｉｎｓｕｌ￣ｉｏｎ　ａｎｄ　ｂｅａｎｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｉｎ　ａｌｐｉｎｅ　ｆｒｏｚｅｎ　ｒｅｇｉｏｎ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｂｕｂｂｌｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｒｅｃａｓｔ　ｂｌｏｃｋ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｒａｔｉｏ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｒａｔｉｏｎａｌ　ｐｒｅｃａｓｔ　ｂｌｏｃｋ　ｓｉｚｅ，ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｐａｖｉｎｇ　ｌｏｃａｔｉｏｎ，ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｐａｖｉｎｇ　ｗｉｄｔｈ，ｏｆ　ｌｉｇｈｔ—ｗｅｉｇｈｔ　ｓｏｉｌ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｉｎｓｕｌｍｉｏｎ　ｉｎ　ｓｍａｌｌ　ｂｒｉｄｇｅｓ（ｃｕｌｖｅｒｔｓ）ｐｉｅｒ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｐｒｏｐｏｓｉｎｇ　ｌｉｇｈｔ—ｗｅｉｇｈｔ　ｓｏｉｌ　ｐａｖｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｈｅａｔ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｏｚｅｎ　ｓｏｉｌ　ｆｌ０ｕｎｄａｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｉｇｈｔ—ｗｅｉｇｈｔ　ｍｉｘｅｄ　ｓｏｉｌ　ｗｉｔｈ　ｓｉｒ—ｂｕｂｂｌｅ；ａｌｐｉｎｅ　ｒｅｇｉｏｎ；ｓｍａｌｌ　ｂｒｉｄｇｅｓ（ｃｕｌｖｅｔｒｓ）ｐｉｅｒ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　气泡混合轻质土系指水泥（固化材料）、水与原料　土（砂或砂性土或低液限土）按一定比例充分混合形　能有效防止冻土融沉。与传统施工方法相比，还可充　分有效地利用现地资源，避免不必要的石料开采，达到　保护环境、降低造价、提高工程质量的目的。本项目研　究成果可应用于高寒地区的公路建设，以减少公路小　桥涵因冻胀、冻拔、冻融引起的破坏。　１　中国冻土现状及研究地区概况　成浆体，然后再与一定比例的足够细小的稳定气泡群　发泡剂，充分混合搅拌形成流体，并最终凝固成型的一　种轻型填筑材料。其主要特性是容重小、隔热保温、具　流动性、固化后可直立等。本项目研究是为进一步延　伸扩大其应用范围。　我国西北、东北地区冬季气候寒冷，道路翻浆与地　基融沉等病害突出；西南地区沟谷纵横，桥涵、挡墙等　全球多年冻土的分布面积约占陆地面积的２３％，　主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等　地，其中我国的多年冻土分布面积约２　０６８　ｋｍ　，仅次　构造物较多，桥头跳车及挡墙填土冻胀造成挡墙开裂　破坏等现象屡见不鲜。对于此类问题的防治虽有多种　技术措施，但均有一定的适用性与局限性。本课题是　在之前研究的基础上，着重研究利用气泡混合轻质土　解决高寒地区小桥涵基础施工工程量比重较大，以及　因常规施工经常引起的冻胀、冻拔、冻融，致使公路小　桥（涵）墩台基础沉陷及破坏等公路病害。呼伦贝尔　地区冻土分布全境，在这些特殊的地质条件下修建公　路遇到的首要难题就是基础的温度稳定性。气泡混合　轻质土含有大量微小独立封闭的气泡群，容重小、导热　系数小，具有良好的隔热保温效果和轻质性能。气泡　于原苏联（１万ｋｍ　）和加拿大（３　９００～４　９００　ｋｍ　），约　为美国多年冻土面积（１　４００　ｋｍ　）的１．５倍，是世界上　第三冻土大国，占世界多年冻土分布面积的１０％，约　占我国国土面积的２１．５％。我国冻土可分为多年冻　土、季节冻土和瞬时冻土三大类（表１）。　呼伦贝尔市位于内蒙古东北端，气候寒冷，年平均　气温一２℃左右，具备了冻土形成和保持的条件，且分　布着较多的多年岛状冻土。地基的融沉与冻胀造成构　造物的破坏非常明显，因此选择呼伦贝尔市作为气泡　混合轻质土在小桥（涵）基础推广应用研究项目的依　托工程所在地具有典型的代表性，成果具备一定的适　用范围。　混合轻质土用于永久冻土或季节性冻土地区小桥　（涵）基础部分时，由于该材料的隔热保温抗冻性能，　２研究目的　第１２４期　杨志平等：气泡混合轻质土在高寒地区小桥（涵）墩台基础中的应用研究　１５　利用气泡混合轻质土轻质、隔热和具有一定强度　的性能，在满足公路小桥（涵）基础强度的前提下，作　为桥涵基础的一部分置于冻土地基之上，达到防止冻　土融化，提高地基承载力，防止或减少冻土地基的融沉　冻胀破坏，减少基础开挖量和圬工数量，降低成本。　３研究方法　①作为高寒地区地基冻土与小桥（涵）基础之间　的隔热填料，以切断结构及回填物与冻土之间随着季　节变化而发生的能量交换，解决寒冷地区小桥（涵）基　础融沉冻胀病害及减少大量的开挖和圬工工程量提供　一种新的技术手段。　②将轻质土应用于冻土带小桥（涵）基础的隔热　保温材料，进一步验证轻质土的隔热保温效果，确定合　理的铺筑范围、设计体系。　③合理确定预制块的几何形状和尺寸，确定埋置　深度和本身厚度、配合比设计及覆盖范围。　４气泡混合轻质土在冻土地区小桥（涵）墩台基础的　隔热保温试验　４．１冻土地区的主要公路病害与成因分析　冻土地区常见的道路破坏现象有融沉、冻胀、翻　浆、冰丘、冰锥、涎流冰及路面损坏等，融沉是冻土地区　公路的主要病害之一。在内蒙古呼伦贝尔多年冻土地　区，多年冻土已在部分区域消失，其分布具有不连续　性，冻土的厚度具有不均匀性，这直接导致了该地区道　路融沉的不均匀性。由厚层地下冰融化而产生的融沉　是多年冻土区造成小桥（涵）墩台基础沉降的主要破　坏原因之一。保护冻土、控制其融化速度，可以控制或　减少公路沉降病害。　轻质土隔热保温效果理论分析在已结课题《气泡　混合轻质土的应用技术研究》已详细论证，这里不再　赘述。　４．２气泡混合轻质土的适用范围　轻质土作为高寒冻土地区隔热保温材料，其应用特　点、适用范围在已完科研课题《气泡混合轻质土应用研　究》中已进行详细论证。本研究项目将其扩大到冻土地　区小桥（涵）墩台基础进行隔热保温、防止地基融沉。　４．３气泡混合轻质土构件及配合比设计　４．３．１实体预制规格　根据《气泡混合轻质土的应用技术研究》的有关研　究结论，在本研究项目中将该防融隔热材料置于地表面　以下的桥涵基础中，以方便装配、安装、运输为条件，根　据计算的防融隔热厚度制成块件砌体。本研究设计预　制块为５０　Ｏ１ＴＩ　ｘ　５０　ｅｍ×５０　ｃｍ实体预制块作为小桥　（涵）地基和常规桥涵基础材料之间的隔热防融材料。　４．３．２预制实体配合比　轻质土材料配合比设计是为了确保轻质土的强　度、厚度与容重。材料设计的主要内容是基于当地的　水泥标号、基底要求强度、土质等确定水泥、土、发泡　剂、水的用量及养生时问等。风积沙含量丰富地区可　采用１号配合比；有些冻土地区（比如大兴安岭地区）　没有风积沙材料，需采用２号配合比（表２）。　表２预制实体配合比　注：本配合比设计强度为０．５　ＭＰａ。　４．３．３预制块布设及质量控制　①铺筑位置。利用气泡混合轻质土隔热保温的　特性以及小桥（涵）基础满足强度及稳定性的力学要　求，轻质土预制块宜置于地表下１．５—２　ｍ处。　②轻质土厚度。根据轻质土隔热效果约为普通　土的４—５倍的研究结论（已结科研课题的结论），考　虑块体力学强度，块厚采用５０　ｅｍ，即相当于２～２．５　ｍ　土厚的隔热保温效果。本研究项目设计时确定轻质土　预制块厚度５０　ｅｍ，包括其上１．５　ｍ的覆盖土，效果相　当于３．５—４　ｍ的保温厚度。观测结果表明，此厚度完　全满足隔热保温效果。　③轻质土铺设平面边界。根据气泡混合轻质土隔　热保温特性和当地冻融深度（侧向理解为宽度），轻质土　预制块宜宽出混凝土基础部分１～１．５　ｍ。本研究保守　值１．５　ｍ。考虑小桥（涵）底冲刷，桥涵底为满铺。　１　６　内蒙古公路与运输　Ｈｉｇｈｗａｙｓ＆Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｉｎｎｅｒ　Ｍｏｎｇｏｌｉａ　２０１１年第５期　④轻质土强度。设定气泡混合轻质土预制块作　为基底，则设计强度（或允许承载力）本研究取０．５　ＭＰａ。　⑤轻质土预制块预制。严格按配合比设计要求　预制轻质土预制块。预制时现场取样制作试件作为无　侧限抗压强度的试样，以判别其强度与容重是否达到　设计指标要求，每天容重与强度试件的检测数量以３　个为宜。　⑥轻质土预制块施工质量检测与控制。　严格控制施工时间。基坑开挖完成后根据气温尽　快完成预制块安装和回填（包括侧面回填不少于２０　ｃｍ厚砂砾），以确保在此期间基底尽可能避免融化。　控制预制块安装质量。预制块安装要平整，安装　缝保证在５　ｍｍ以内。　回填土要回填密实、到位；施工过程中做好施工及　检测记录；做好后期地温计和沉降标的观测、记录工　作。　４．４试验监测　为了验证轻质土在小桥（涵）墩台基础中的隔热保　温效果，在呼伦贝尔市一公路施工段选择一座４　ｍ盖板　涵作为实验段，在涵台基底铺筑轻质土预制块进行隔热　保温监测，试验段的设计如图１所示。在隔热层对角线　上下边缘、１／４处底面布设地温计，以观测轻质土的隔　热保温效果。其中Ａｌｓｗｓ、Ｂｌｓｗｓ、Ｃｌｓｗｓ、Ｄｓｗｓ、Ｅｓｗｓ置　于隔热层预制块底部，Ａ２ｓｗｓ、Ｂ２ｓｗｓ、Ｃ２ｓｗｓ置于隔热层　预制块顶部，并设置沉降观测，观测期ｌ　ａ。各地温计的　监测结果：轻质土预制块隔热层下端观测期温度变化幅　度在０．９℃以内。沉降观测结果：本次与上次观测结果　≤１　ｍｍ，最后一次与第一次沉降差值≤２　ｍｍ。图２为　地温计布设图。　５结果分析　图３为地温监测结果，分析表明，轻质土预制块具　有良好的隔热保温效果：经历１　ａ的最高、最低温季节　后，轻质土预制块隔热层下端观测期温度变化幅度在　０．９ｃｃ以内，且随着时间的推移轻质土下的温度变化幅　／　／…　Ｉ　Ｉ　Ｉ　　Ｉｌ＼　＼　ｌ　，，Ｉ／／　ＨＩｌｌ　／／／／／　Ｉ／Ｉ／／　Ｐｏ　ｏ醒　魏ｕｕ。ｏｕ　ｕ。。０ｕ。。％。０ｕ　。０　０　％。。０ｕ　尸０。ｏ％　ｏ。　ｏｕ　。ｏｎｏｕ　ｏ。。　ｏ　ｏ。ｎｏｕ　ｕ　ｏ。　ｏ。　ｏ　ｕ。　。ｏ　。ｕ　ｏ。￣。。ｏ。　ｕ。　ｏ　ｏ。。ｏ。　Ｕ。ｏ。Ｕｕ。Ｃ（　／混凝土砂浆１ｏｃ皿／气泡混合轻质土５０ｃ埘　＼砂砾垫层找平层１ｏｃ珊　图１气泡混合轻质土预制块隔热保温层现场试验段铺筑结构图　Ｂ１　Ｅ　１／４　Ｃ１　图２地温计测温布设图　＼　划　赠　图３地温计监测结果　度更趋于平缓，确保了冻土地基温度的稳定，削减了因　温度变化引起的土的冻胀或融化。轻质土上端的温度　从铺筑完成后变化幅度约在ｌ２．５℃以内（上端测温仪　设置位置均位于路基覆盖土下，温差变化不大。若在　１．５　ｍ覆盖土情况下，其相对年温差要大）。外界气温　在２９一一３１ｃＣ之间变化，温差为６Ｏ℃。沉降观测结　果，沉降量趋于０。轻质土预制块隔热层试验盖板涵　于２００９年ｌＯ月完成盖板涵和路面施工，并开放交通，　至今已２　ａ，桥头与路面连接平整，状况良好。　６结语　气泡混合轻质土作为人造基础或构造物结构部　分，其隔热保温功能能防止基底冻层融化，使其保持高　强度和高承载力，这也正是构造物基础所需要的主要　特性。气泡混合轻质土应用于小桥（涵）基础在高寒　地区公路建设中确有很好的空间和前景，具有施工简　单、方便、工场化和快捷的特点，在节约成本的同时可　大大加快施工进度。　参考文献　『１］徐学祖．冻土物理学［Ｍ］．北京：科学出版社，２００１．　收稿１３期：２０１１—０９—３０