胡曉瑩

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

1 土工泡沫的含義及基本性能

1.1 定義

土工泡沫是一種輕型高分子聚合物，它是采用聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑進(jìn)行加熱軟化，產(chǎn)生氣體，形成一種硬質(zhì)具有壁孔結(jié)構(gòu)的泡沫塑料。

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)Standard Specification for Rigid Cellular Polystyrene Geofoam（ASTM D6817/D6817M-17）中將聚苯乙烯土工泡沫定義為用于巖土工程中的剛性塊體或平面多孔聚合物材料，由聚苯乙烯樹脂珠或顆粒通過模塑膨脹成型而成（EPS）或通過擠壓膨脹而成（XPS）[1]。

聚苯乙烯土工泡沫是一種有機(jī)材料，具有可燃性，運(yùn)輸、儲(chǔ)存及使用中應(yīng)采取保護(hù)措施，遠(yuǎn)離明火、易燃物品及高溫?zé)嵩础?/p>

1.2 基本性能

Standard Specification for Rigid Cellular Polystyrene Geofoam（ASTM D6817/D6817M-17）中規(guī)定了聚苯乙烯土工泡沫的基本性能要求，如表1所示。

表1 聚苯乙烯土工泡沫的物理性能要求

由表1可知，一方面，由于土工泡沫密度小，其重量約為普通土體的1%，作為巖土工程回填材料時(shí)，可有效減小基礎(chǔ)底面壓力值。同時(shí)，其抗壓強(qiáng)度相對(duì)較大，且不受吸水、低溫、凍融循環(huán)等不利條件影響，可以滿足上部堆載要求[2]。另一方面，由于土工泡沫的泊松比在彈性范圍內(nèi)近似為0.07～0.11，其側(cè)向變形較小，故不易傳遞側(cè)向壓力[3]。

2013年，學(xué)者Ertugrul和Trandafir[4]針對(duì)土工泡沫對(duì)擋土墻側(cè)向土壓力的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。將EPS土工泡沫置于懸臂擋土墻與無黏性回填土之間，通過改變土工泡沫的厚度來監(jiān)測擋土墻不同標(biāo)高點(diǎn)位處的墻體位移以及側(cè)向土壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。圖1中，Z為監(jiān)測點(diǎn)位的標(biāo)高；h為擋土墻高度；σxx為側(cè)向土壓力；σyy為豎向覆土壓力；t為土工泡沫厚度。

圖1 土工泡沫對(duì)擋土墻側(cè)向土壓力影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Ertugrul和Trandafir的研究可知，當(dāng)擋土墻墻背后設(shè)置厚度為t的土工泡沫層時(shí)，擋土墻受到的側(cè)向土壓力相較于未設(shè)置土工泡沫的工況顯著減小。隨著土工泡沫厚度t的增大，側(cè)向土壓力逐漸減?。划?dāng)t與擋土墻高度h的比值達(dá)到0.14時(shí)，側(cè)向土壓力僅為無土工泡沫工況的50%左右。由此可見，土工泡沫的應(yīng)用可以有效卸載土壓力。

由于具備質(zhì)量輕、側(cè)向變形小等特性，土工泡沫在道路、堤壩、擋土墻、隧道、涵洞等工程領(lǐng)域具有較為廣泛的應(yīng)用。

2 土工泡沫項(xiàng)目應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目背景

某國際主題樂園位于上海市浦東區(qū)川沙縣，內(nèi)部分為7大主題園區(qū)，總占地面積約1.16km2。

樂園內(nèi)部設(shè)計(jì)有大量的景觀擋土墻，以供游客觀賞以及園內(nèi)各個(gè)主題園區(qū)的區(qū)塊分隔。一方面，由于此類主題樂園項(xiàng)目中通常有較多的游藝設(shè)施以及景觀種植池，場地內(nèi)密布大量的電氣、灌溉以及市政管線，極易與擋土墻基礎(chǔ)發(fā)生碰撞。另一方面，當(dāng)擋土墻作為景觀觀賞構(gòu)件呈現(xiàn)給游客時(shí)，墻厚不宜過大。因此，當(dāng)設(shè)計(jì)中面臨著基礎(chǔ)與墻厚均受限的情況時(shí)，可以考慮在擋土墻墻背后回填土工泡沫[5]。

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

現(xiàn)取園區(qū)場地中的一段高度為5m的擋土墻進(jìn)行計(jì)算分析，考慮到墻背后有大面積草木種植，種植土厚度要求不應(yīng)小于1.5m，因此在采用土工泡沫回填的方案中，土工泡沫的回填范圍需低于場地完成面以下1.5m。計(jì)算中，土壓力系數(shù)取0.5，填土的重度取18kN/m3。

（1）擋土墻墻背后回填土?；靥钔?xí)r擋土墻受力示意圖如圖2所示。擋土墻所受側(cè)向土壓力；擋土墻根部所受彎矩。

圖2 擋土墻受力示意圖（回填土）（單位：mm）

（2）擋土墻墻背后回填土工泡沫?；靥钔凉づ菽瓡r(shí)，擋土墻受力示意圖如圖3所示。設(shè)計(jì)中基于安全因素考慮，不計(jì)入土工泡沫對(duì)側(cè)向土壓力的卸載作用，僅考慮土工泡沫自身對(duì)墻體無側(cè)壓力作用。擋土墻所受側(cè)向土壓力擋土墻根部所受彎矩。

圖3 擋土墻受力示意圖（回填土工泡沫）（單位：mm）

由上述計(jì)算分析可知，擋土墻墻背后回填土工泡沫時(shí)，擋土墻所受的側(cè)向土壓力以及根部彎矩相較于回填土工況顯著減小。故擋土墻基礎(chǔ)尺寸、擋土墻厚度及配筋均可減小，不僅有利于場地設(shè)計(jì)各專業(yè)之間的協(xié)調(diào)布置，同時(shí)能夠降低鋼筋混凝土的用量及造價(jià)。

2.3 設(shè)計(jì)應(yīng)用

根據(jù)業(yè)主提供的技術(shù)規(guī)格書，該項(xiàng)目采用的土工泡沫塊體應(yīng)滿足以下設(shè)計(jì)要求：密度不低于20kg/m3；試件應(yīng)變5%對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度不小于100kPa。故選用EPS22型號(hào)的土工泡沫作為回填材料，且應(yīng)保證材料能夠滿足平整度及燃燒自滅性的要求[6]。

（1）土工泡沫深化。施工前需對(duì)土工泡沫回填進(jìn)行細(xì)部深化，如圖4所示。根據(jù)施工圖中的場地完成面標(biāo)高和基礎(chǔ)頂標(biāo)高確定土工泡沫的回填范圍，從而確定土工泡沫的層數(shù)以及每層塊體的尺寸。當(dāng)擋土墻背后填土的完成面標(biāo)高隨坡度變化較大時(shí)，可將土工泡沫隨坡按階梯狀鋪設(shè)，逐層深化，尺寸可按需求現(xiàn)場切割。施工時(shí)根據(jù)深化圖紙將土工泡沫塊體自下而上逐層錯(cuò)縫鋪設(shè)，底層土工泡沫塊體采用L型栓釘連接件與基底連接，頂層土工泡沫與表面填土之間可以針刺聚酯短纖維無紡布隔開，土工泡沫塊體之間采用具有一定強(qiáng)度的單面或雙面爪型連接件，連接件應(yīng)進(jìn)行防銹處理。

圖4 土工泡沫施工深化圖（單位：mm）

（2）土工泡沫排水。土工泡沫屬于輕質(zhì)材料，為避免水浮力產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效的排水措施。擋土墻背排水詳圖如圖5所示。此外，施工期間還應(yīng)做好防護(hù)措施，避免雨污水對(duì)土工泡沫塊體的浸泡。

圖5 土工泡沫排水做法圖

（3）土工泡沫回填。土工泡沫回填前，應(yīng)進(jìn)行場地平整，將原始場地內(nèi)的淤泥、腐殖土、雜草、耕植土等進(jìn)行清理和修整，場地壓實(shí)系數(shù)應(yīng)滿足規(guī)范要求?；靥顣r(shí)，土工泡沫應(yīng)鋪設(shè)在中粗砂墊層的施工基面上，施工基面必須保持干燥狀態(tài)；鋪設(shè)時(shí)，不允許任何重型機(jī)械直接在土工泡沫塊體上行駛；鋪設(shè)完成后應(yīng)進(jìn)行變形檢測，滿足技術(shù)規(guī)格要求后方能進(jìn)行上部種植土的回填工作。土工泡沫現(xiàn)場施工圖如圖6所示。

圖6 土工泡沫現(xiàn)場施工圖

3 土工泡沫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，土工泡沫被越來越多地運(yùn)用于道路、橋梁、巖土以及建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中。作為回填材料，土工泡沫具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）質(zhì)量輕，運(yùn)輸便捷，由自重產(chǎn)生的壓力?。唬?）無須專業(yè)施工設(shè)備，安裝方便，施工速度快；（3）吸水率低且不溶于水，可有效釋放靜水壓力，抗凍性好；（4）側(cè)向變形小，可有效卸載側(cè)向土壓力。

同時(shí)，土工泡沫也具有如下缺點(diǎn)：（1）可燃，不耐有機(jī)溶劑，不能直接暴露于明火中，需安全運(yùn)輸保存；（2）暴露在紫外線下會(huì)導(dǎo)致變色，施工時(shí)應(yīng)加以防護(hù)；（3）產(chǎn)品價(jià)格較高。

綜上，在未來的工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的工程概況，充分考慮土工泡沫的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

（1）土工泡沫質(zhì)量輕、抗壓強(qiáng)度大，作為巖土工程回填材料時(shí)，不僅可有效減小基礎(chǔ)底面壓力值，還能夠滿足上部堆載要求，且不受吸水、低溫、凍融循環(huán)等不利條件影響。（2）土工泡沫側(cè)向變形較小，不易傳遞側(cè)向壓力，用于擋土墻墻背回填時(shí)，可以顯著降低側(cè)向土壓力，從而縮小擋土墻基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)尺寸，有效避讓場地管線布置。（3）施工前需對(duì)土工泡沫回填進(jìn)行細(xì)部深化，確定土工泡沫的回填范圍，并采取有效的排水措施避免水浮力的影響。

目前，市場上的土工泡沫產(chǎn)品價(jià)格較高，同時(shí)國內(nèi)也沒有系統(tǒng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)定義土工泡沫的性能和計(jì)算，因此在我國土工泡沫的用途并沒有普及。由于土工泡沫作為回填材料不僅性能優(yōu)良，還具有熱傳導(dǎo)率極低、保溫隔熱性能良好的特點(diǎn)，在未來的研究中，若能有效地平衡工程復(fù)雜性以及建筑效果與工程造價(jià)的關(guān)系，土工泡沫技術(shù)將在建筑工程中得到更為廣泛的應(yīng)用[7]。