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摘要：本文介绍了气泡混合轻质土的概念、主要性能、施工方法及施工控制。并以气泡混合轻质土在钦州至崇左高速公路英明中桥中优化设计以及降低造价中应用为试验，对该技术的应用及工程效果作了详细地阐述。
关键词：气泡混合轻质填土技术；优化设计；节约投资；应用
作者简介：李晓明，男，（1981-），陕西扶风人，2003年毕业于长安大学，本科学历，广西交通投资集团金港高速公路有限公司工程师，主要从事高速公路的研究与管理。
1、工程概况
钦州至崇左高速公路起于钦州黄屋屯镇米标村南宁至北海高速公路K92+550处，沿线经过钦州市钦南区黄屋屯镇、钦北区大直镇、贵台镇，防城港市上思县公正乡、那琴乡、思阳镇、在妙镇，崇左市扶绥县东门镇、柳桥镇、江州区罗白乡、江州镇、濑湍镇，与南宁至友谊关高速公路K82+956处相接。路线全长约129公里，项目总用地15788亩。全线设置互通式立交7处，分离式立交13处，服务区2处、停车区3处，路基宽度26米，双向4车道，设计速度100KM/H。项目初步设计总投资63.8亿元。项目工期为3年。英明中桥位于钦州至崇左高速公路路线的K22+959.614桩号处，原设计80米跨径4跨的中桥，英明中桥由原来4跨变为2跨，取消第1跨和第4跨，由原来的80米减少到40米。
2 、 气泡混合轻质土的概念
气泡混合轻质土是指水泥、水、细砂或砂性土（也可以不加）和气泡按照一定的比例，经过充分混合、搅拌并最终凝固成型的一种轻型填筑材料（英文简称FCB）。
3 、 气泡混合轻质土的主要性能
3.1容重
气泡混合轻质土相对其他常规填筑材料具有明显的轻质性。目前，气泡混合轻质土的容重根据不同要求，可以在5~13KN/m3范围内调整。
容重是气泡混合轻质土的重要指标之一，它受气泡含有率的变化而变化，而气泡含有率受输送距离、浇筑厚度、固化过程中的消泡情况及压缩程度等条件的影响。
3.2抗压强度
气泡混合轻质土强度特性由原材料种类及配合比控制。原料土的性质及用量、水泥的种类及用量、气泡的含有率、水的用量、养护条件及龄期等对其强度都有影响。强度的大小根据需要可通过配合比的调整进行控制。目前，无侧限抗压强度的调节范围为0.3~5.0MPa，工程应用范围一般为0.5~1.5MPa。
3.3耐久性
通过干湿循环、冻融循环及耐疲劳等试验研究及已完工多年的工程实例表明，气泡混合轻质土具有良好的耐久性。
3.4施工特性
气泡混合轻质土具有高流动性、制作点与施工点分离、固化后能自立、不需养护、施工过程不需震捣等良好的施工性能。
4、產生桥头跳车的原因
软土地基上的桥头跳车是一个比较复杂的技术难题，通常受许多不确定因素的影响，如软土厚度及其性质、软基处理的效果、路基的填筑高度、台背填料的施工质量、设计参数、计算方式等，且其计算沉降量与实际沉降量常常很难于相符，甚至出入较大。
从地质条件看，中江高速公路属于超软弱地基，路堤填筑高，沉降量大的特点。如果采用常规填土的方法对此桥台背进行回填，必然会因土质不良造成的沉降、台背填料荷重过大及压缩引起路基的沉降，与结构物间的刚柔突变引起的沉陷等因素产生桥头跳车现象。
5、 气泡混合轻质土解决桥头跳车的机理
从理论上看，要缓解桥头跳车，就要使桥台与路基结合部附近沉降曲线的梯度缓慢化、均匀化，即应该在桥台与路基的结合部之间填充满足连续、均匀沉降要求的过渡段。根据桥台跳车产生的原因和钦州至崇左高速公路的地质情况，并结合气泡混合轻质土的轻质、能自立等特点，在桥台与路基的结合部之间换填成锲形轻质土就可以缓解桥头跳车。这是因为：
1）可大幅度地降低填土荷载，减少软基的附加应力，抑制软路基的沉降；
2）可以缓解桥台与路基结合部材料的刚性突变，起到均匀沉降要求的过渡段作用；
3）彻底消除填料的工后沉降，减少桥台的土压力及桩基所承受的弯距，抑制桥台及桩基的侧移，延长桥台结构物的使用寿命；
4）轻质土具有自立性，对桥台结构物几乎没有推挤作用。
6、施工概况
1）施工方案
在钦州至崇左高速公路工程中，气泡混合轻质土是一种最为先进的轻型填土技术。轻质填土是指通过使用一些特殊技术制造出容重小于一般土体的填土材料。气泡混合轻质土具有容重可以自由调整、流动性、自硬性等优点。由于其优良的力学性能和经济指标，在经济发达国家是一种深受欢迎并且被广泛使用的土建高新技术。气泡混合轻质土不仅具有轻质性(容重5~13kN/m3)、流动性(运送距离1500m)、固化后的自立性等特点，而且它的容重及压缩强度可通过配合比进行自由的调整。这种填土技术可大大地降低填土荷重，使填土更加均匀且不需碾压作业，具有施工噪音低，施工工期短等优点。
2）施工配合比
施工配合比 表1
7、 监测结果分析
为了检验采用气泡混合轻质土的效果，对上述工程进行了监测，测试桥台位置见图1。监测内容包括沉降观测和台背土压力观测，以下为监测结果。
对比两个桥台填土顶部距桥台2m处的
1）土体的沉降情况（见图1）
沉降观测结果可以看出：
①台背为普通土填筑的桥台背：其土体的沉降量远大于轻质土桥台背土体的沉降量，特别是在工后120天开始沉降非常大而快（从工后约120天到250天，这短短130天里，总的沉降量约为65mm，平均每天沉降量为0.5mm，并且沉降仍在继续发生（无最终稳定的沉降量）。
②台背为轻质土填筑的桥台背：其土体的沉降量明显比普通土小得多，特别是在工后120天开始尤其明显。当工后250天开始，其土体的沉降几乎不再发生（最终稳定的沉降量约为28mm），可以说沉降已基本完成。
2）两种不同填土对桥台产生的土压力情况（见图2）
图2不同填土的桥台土压力变化曲线
由上图2可以看出：
①用普通土填筑的桥台台背：其土压力与深度之间表现出良好的线性关系，即随着深度的增加，土压力也基本呈线性增加；
②用轻质土填筑的桥台台背：其土压力不会随深度的增加而增加，几乎为零，即对桥台台背几乎没有土压力。
8、数值分析
为进一步分析桥台、桩基与土的共同作用机理，对在相同地质条件下修建的桥台，而台背填土分别为传统的回填土和气泡混合轻质土，对这两种情况下桥台整体的顺桥向移动、台背填土的沉降进行了数值分析。
本次分析结果收敛时采用的有限元网格，如图4所示。共用9372个四节点平面应变单元（有的带有结点孔隙压力自由度的，有的没有）、梁单元和弹簧单元，共9423个节点。
固结分析按台背填土类型的不同，分别模拟以下的施工过程：
1）台背为普通填土：①填土预压；②软基在填土预压下固结；③当测量到的填土月沉降量小于3厘米时开始进行桩基和桥台的施工；④进行路面铺装并继续固结直到地基重新达到稳定；
2）台背填土为气泡混合轻质土：施工过程①、②和④同台背为普通填土的情形，但是步骤③改为：进行桩基和桥台的施工，并用气泡混合轻质土换填普通填土。
图3 有限元网格一
分析结果如下：
（1）桥台建成模拟50年后原地面的沉降
图4模拟原地面在桥台建成50年后的沉降分布图
如图 4所示为原地面在桥台建成50年后的沉降分布图。在图中横坐标为原地面的位置，纵坐标为沉降量。其中横坐标的50米位置即为桥台的中线位置，小于50米位置为桥台的桥梁一侧（后面简称为台前），大于50米位置为台后填土一侧（后面简称为台前）。
我们从图中可以发现：当台后的填土分别为普通填土和气泡混合轻质土时，对于桥台建成50年后台前原地面沉降的影响并不大，对台后原地面沉降影响较大，离开轻质土区域越远影响就越小。填筑气泡混合轻质土的工后沉降比填筑普通土的普遍小10～20cm，使桥台和路基的差异沉降变得和缓，起到一个协调变形的过渡段的作用，这就是气泡混合轻质土解决桥头跳车的机理。
（2）台后原地面上两点的沉降量随时间的变化规律
为了进一步了解由气泡混合轻质土换填普通填土后对于换填范围内地面沉降量的影响，在图6中绘出了台后距离桥台中线5.35米处（简称近点）和10.35米处（简称远点）两点的沉降量随时间变化的曲线。
图5 近点和远点的沉降图
从图5可以发现：近点在50年后的沉降量要小于远点。当台后的填土为气泡混合轻质土时，无论近点还是远点其沉降量均要小于台后的填土为普通填土时相应点处的沉降量。当用气泡混合轻质土换填普通填土时，近点和远点还在挖掉普通填土时有反弹。
（3）桥台建成50年后台背土压力分析
如图6所示为桥台建成50年后台背土压力分布图。从图中我们可以发现，当台背填土为气泡混合轻质土时，台背将没有土压力；而台背为普通填土时，台背的土压力随深度增加而增加，而且基本上呈线性关系。
图6 台背土压力
9减跨优化设计
1、英明中桥由原来4跨变为2跨，取消1号墩和3号墩，取消第2跨和第3跨上部构造。
2、保持0号台和4号台结构尺寸不变，0号台往崇左方向整体移20米，4号台往钦州方向整体移20米，标高根据纵坡做相应调整。
3、台后填气泡混合轻质土，取消搭板。
4、预算总节省投资控制80万左右，同时新材料也在高速路上得到了应用。
10 结语
通过钦州至崇左高速公路实例工程的现场监测和数值分析的结果比较，可以看出：
现场监测和数值分析的沉降、土压力图的曲线特性基本相似，即说明现场监测和数值分析出来的结论是一致的，也说明如下结论是正确的：
1、台背填土采用气泡混合轻质土时，可以减轻甚至消除修建在软弱地基上桥台在桥梁运营期间出现的桥头跳车现象；
2、当台背填土采用气泡混合轻质土时，可以大大降低桥台附近，台背填土一侧的原地面的沉降量；
3、气泡混合轻质土能够显著地降低填筑部位地基土的工后沉降量，协调路基和桥台的差异沉降，有效地消除或减缓桥头跳车现象；
4、由于轻质土固化后具有自立性，对桥台等结构物的侧向推挤力几乎为零。
5、气泡混合轻质土的不足之处就是没有大面积大范围进行推广使用，单价相对比较高昂，希望通过技术研究与改进降低单价，以便能够大面积的推广。
参考文献：
1.陈忠平，王树林，邓江气泡混合轻质填土新技术. 人民交通出版社. 2004.11
2 .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
3.普通轻质土配合比设计规程（JGJ55-2000）。北京：中国建筑工業出版社，2001
4.混凝土泵送施工技术规程（JGJ/T10-1995）。北京：中国建筑工业出版社，2003
5.实用土木工程手册（第二版），北京：人民交通出版社，1996
6.泵送混凝土的现场施工（2004）
关键词：气泡混合轻质填土技术；优化设计；节约投资；应用
作者简介：李晓明，男，（1981-），陕西扶风人，2003年毕业于长安大学，本科学历，广西交通投资集团金港高速公路有限公司工程师，主要从事高速公路的研究与管理。
1、工程概况
钦州至崇左高速公路起于钦州黄屋屯镇米标村南宁至北海高速公路K92+550处，沿线经过钦州市钦南区黄屋屯镇、钦北区大直镇、贵台镇，防城港市上思县公正乡、那琴乡、思阳镇、在妙镇，崇左市扶绥县东门镇、柳桥镇、江州区罗白乡、江州镇、濑湍镇，与南宁至友谊关高速公路K82+956处相接。路线全长约129公里，项目总用地15788亩。全线设置互通式立交7处，分离式立交13处，服务区2处、停车区3处，路基宽度26米，双向4车道，设计速度100KM/H。项目初步设计总投资63.8亿元。项目工期为3年。英明中桥位于钦州至崇左高速公路路线的K22+959.614桩号处，原设计80米跨径4跨的中桥，英明中桥由原来4跨变为2跨，取消第1跨和第4跨，由原来的80米减少到40米。
2 、 气泡混合轻质土的概念
气泡混合轻质土是指水泥、水、细砂或砂性土（也可以不加）和气泡按照一定的比例，经过充分混合、搅拌并最终凝固成型的一种轻型填筑材料（英文简称FCB）。
3 、 气泡混合轻质土的主要性能
3.1容重
气泡混合轻质土相对其他常规填筑材料具有明显的轻质性。目前，气泡混合轻质土的容重根据不同要求，可以在5~13KN/m3范围内调整。
容重是气泡混合轻质土的重要指标之一，它受气泡含有率的变化而变化，而气泡含有率受输送距离、浇筑厚度、固化过程中的消泡情况及压缩程度等条件的影响。
3.2抗压强度
气泡混合轻质土强度特性由原材料种类及配合比控制。原料土的性质及用量、水泥的种类及用量、气泡的含有率、水的用量、养护条件及龄期等对其强度都有影响。强度的大小根据需要可通过配合比的调整进行控制。目前，无侧限抗压强度的调节范围为0.3~5.0MPa，工程应用范围一般为0.5~1.5MPa。
3.3耐久性
通过干湿循环、冻融循环及耐疲劳等试验研究及已完工多年的工程实例表明，气泡混合轻质土具有良好的耐久性。
3.4施工特性
气泡混合轻质土具有高流动性、制作点与施工点分离、固化后能自立、不需养护、施工过程不需震捣等良好的施工性能。
4、產生桥头跳车的原因
软土地基上的桥头跳车是一个比较复杂的技术难题，通常受许多不确定因素的影响，如软土厚度及其性质、软基处理的效果、路基的填筑高度、台背填料的施工质量、设计参数、计算方式等，且其计算沉降量与实际沉降量常常很难于相符，甚至出入较大。
从地质条件看，中江高速公路属于超软弱地基，路堤填筑高，沉降量大的特点。如果采用常规填土的方法对此桥台背进行回填，必然会因土质不良造成的沉降、台背填料荷重过大及压缩引起路基的沉降，与结构物间的刚柔突变引起的沉陷等因素产生桥头跳车现象。
5、 气泡混合轻质土解决桥头跳车的机理
从理论上看，要缓解桥头跳车，就要使桥台与路基结合部附近沉降曲线的梯度缓慢化、均匀化，即应该在桥台与路基的结合部之间填充满足连续、均匀沉降要求的过渡段。根据桥台跳车产生的原因和钦州至崇左高速公路的地质情况，并结合气泡混合轻质土的轻质、能自立等特点，在桥台与路基的结合部之间换填成锲形轻质土就可以缓解桥头跳车。这是因为：
1）可大幅度地降低填土荷载，减少软基的附加应力，抑制软路基的沉降；
2）可以缓解桥台与路基结合部材料的刚性突变，起到均匀沉降要求的过渡段作用；
3）彻底消除填料的工后沉降，减少桥台的土压力及桩基所承受的弯距，抑制桥台及桩基的侧移，延长桥台结构物的使用寿命；
4）轻质土具有自立性，对桥台结构物几乎没有推挤作用。
6、施工概况
1）施工方案
在钦州至崇左高速公路工程中，气泡混合轻质土是一种最为先进的轻型填土技术。轻质填土是指通过使用一些特殊技术制造出容重小于一般土体的填土材料。气泡混合轻质土具有容重可以自由调整、流动性、自硬性等优点。由于其优良的力学性能和经济指标，在经济发达国家是一种深受欢迎并且被广泛使用的土建高新技术。气泡混合轻质土不仅具有轻质性(容重5~13kN/m3)、流动性(运送距离1500m)、固化后的自立性等特点，而且它的容重及压缩强度可通过配合比进行自由的调整。这种填土技术可大大地降低填土荷重，使填土更加均匀且不需碾压作业，具有施工噪音低，施工工期短等优点。
2）施工配合比
施工配合比 表1
7、 监测结果分析
为了检验采用气泡混合轻质土的效果，对上述工程进行了监测，测试桥台位置见图1。监测内容包括沉降观测和台背土压力观测，以下为监测结果。
对比两个桥台填土顶部距桥台2m处的
1）土体的沉降情况（见图1）
沉降观测结果可以看出：
①台背为普通土填筑的桥台背：其土体的沉降量远大于轻质土桥台背土体的沉降量，特别是在工后120天开始沉降非常大而快（从工后约120天到250天，这短短130天里，总的沉降量约为65mm，平均每天沉降量为0.5mm，并且沉降仍在继续发生（无最终稳定的沉降量）。
②台背为轻质土填筑的桥台背：其土体的沉降量明显比普通土小得多，特别是在工后120天开始尤其明显。当工后250天开始，其土体的沉降几乎不再发生（最终稳定的沉降量约为28mm），可以说沉降已基本完成。
2）两种不同填土对桥台产生的土压力情况（见图2）
图2不同填土的桥台土压力变化曲线
由上图2可以看出：
①用普通土填筑的桥台台背：其土压力与深度之间表现出良好的线性关系，即随着深度的增加，土压力也基本呈线性增加；
②用轻质土填筑的桥台台背：其土压力不会随深度的增加而增加，几乎为零，即对桥台台背几乎没有土压力。
8、数值分析
为进一步分析桥台、桩基与土的共同作用机理，对在相同地质条件下修建的桥台，而台背填土分别为传统的回填土和气泡混合轻质土，对这两种情况下桥台整体的顺桥向移动、台背填土的沉降进行了数值分析。
本次分析结果收敛时采用的有限元网格，如图4所示。共用9372个四节点平面应变单元（有的带有结点孔隙压力自由度的，有的没有）、梁单元和弹簧单元，共9423个节点。
固结分析按台背填土类型的不同，分别模拟以下的施工过程：
1）台背为普通填土：①填土预压；②软基在填土预压下固结；③当测量到的填土月沉降量小于3厘米时开始进行桩基和桥台的施工；④进行路面铺装并继续固结直到地基重新达到稳定；
2）台背填土为气泡混合轻质土：施工过程①、②和④同台背为普通填土的情形，但是步骤③改为：进行桩基和桥台的施工，并用气泡混合轻质土换填普通填土。
图3 有限元网格一
分析结果如下：
（1）桥台建成模拟50年后原地面的沉降
图4模拟原地面在桥台建成50年后的沉降分布图
如图 4所示为原地面在桥台建成50年后的沉降分布图。在图中横坐标为原地面的位置，纵坐标为沉降量。其中横坐标的50米位置即为桥台的中线位置，小于50米位置为桥台的桥梁一侧（后面简称为台前），大于50米位置为台后填土一侧（后面简称为台前）。
我们从图中可以发现：当台后的填土分别为普通填土和气泡混合轻质土时，对于桥台建成50年后台前原地面沉降的影响并不大，对台后原地面沉降影响较大，离开轻质土区域越远影响就越小。填筑气泡混合轻质土的工后沉降比填筑普通土的普遍小10～20cm，使桥台和路基的差异沉降变得和缓，起到一个协调变形的过渡段的作用，这就是气泡混合轻质土解决桥头跳车的机理。
（2）台后原地面上两点的沉降量随时间的变化规律
为了进一步了解由气泡混合轻质土换填普通填土后对于换填范围内地面沉降量的影响，在图6中绘出了台后距离桥台中线5.35米处（简称近点）和10.35米处（简称远点）两点的沉降量随时间变化的曲线。
图5 近点和远点的沉降图
从图5可以发现：近点在50年后的沉降量要小于远点。当台后的填土为气泡混合轻质土时，无论近点还是远点其沉降量均要小于台后的填土为普通填土时相应点处的沉降量。当用气泡混合轻质土换填普通填土时，近点和远点还在挖掉普通填土时有反弹。
（3）桥台建成50年后台背土压力分析
如图6所示为桥台建成50年后台背土压力分布图。从图中我们可以发现，当台背填土为气泡混合轻质土时，台背将没有土压力；而台背为普通填土时，台背的土压力随深度增加而增加，而且基本上呈线性关系。
图6 台背土压力
9减跨优化设计
1、英明中桥由原来4跨变为2跨，取消1号墩和3号墩，取消第2跨和第3跨上部构造。
2、保持0号台和4号台结构尺寸不变，0号台往崇左方向整体移20米，4号台往钦州方向整体移20米，标高根据纵坡做相应调整。
3、台后填气泡混合轻质土，取消搭板。
4、预算总节省投资控制80万左右，同时新材料也在高速路上得到了应用。
10 结语
通过钦州至崇左高速公路实例工程的现场监测和数值分析的结果比较，可以看出：
现场监测和数值分析的沉降、土压力图的曲线特性基本相似，即说明现场监测和数值分析出来的结论是一致的，也说明如下结论是正确的：
1、台背填土采用气泡混合轻质土时，可以减轻甚至消除修建在软弱地基上桥台在桥梁运营期间出现的桥头跳车现象；
2、当台背填土采用气泡混合轻质土时，可以大大降低桥台附近，台背填土一侧的原地面的沉降量；
3、气泡混合轻质土能够显著地降低填筑部位地基土的工后沉降量，协调路基和桥台的差异沉降，有效地消除或减缓桥头跳车现象；
4、由于轻质土固化后具有自立性，对桥台等结构物的侧向推挤力几乎为零。
5、气泡混合轻质土的不足之处就是没有大面积大范围进行推广使用，单价相对比较高昂，希望通过技术研究与改进降低单价，以便能够大面积的推广。
参考文献：
1.陈忠平，王树林，邓江气泡混合轻质填土新技术. 人民交通出版社. 2004.11
2 .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
3.普通轻质土配合比设计规程（JGJ55-2000）。北京：中国建筑工業出版社，2001
4.混凝土泵送施工技术规程（JGJ/T10-1995）。北京：中国建筑工业出版社，2003
5.实用土木工程手册（第二版），北京：人民交通出版社，1996
6.泵送混凝土的现场施工（2004）