胡晓莹

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200092）

1 土工泡沫的含义及基本性能

1.1 定义

土工泡沫是一种轻型高分子聚合物，它是采用聚苯乙烯树脂加入发泡剂进行加热软化，产生气体，形成一种硬质具有壁孔结构的泡沫塑料。

美国材料与试验协会标准Standard Specification for Rigid Cellular Polystyrene Geofoam（ASTM D6817/D6817M-17）中将聚苯乙烯土工泡沫定义为用于岩土工程中的刚性块体或平面多孔聚合物材料，由聚苯乙烯树脂珠或颗粒通过模塑膨胀成型而成（EPS）或通过挤压膨胀而成（XPS）[1]。

聚苯乙烯土工泡沫是一种有机材料，具有可燃性，运输、储存及使用中应采取保护措施，远离明火、易燃物品及高温热源。

1.2 基本性能

Standard Specification for Rigid Cellular Polystyrene Geofoam（ASTM D6817/D6817M-17）中规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，其重量约为普通土体的1%，作为岩土工程回填材料时，可有效减小基础底面压力值。同时，其抗压强度相对较大，且不受吸水、低温、冻融循环等不利条件影响，可以满足上部堆载要求[2]。另一方面，由于土工泡沫的泊松比在弹性范围内近似为0.07～0.11，其侧向变形较小，故不易传递侧向压力[3]。

2013年，学者Ertugrul和Trandafir[4]针对土工泡沫对挡土墙侧向土压力的影响进行了实验研究。将EPS土工泡沫置于悬臂挡土墙与无黏性回填土之间，通过改变土工泡沫的厚度来监测挡土墙不同标高点位处的墙体位移以及侧向土压力，实验结果如图1所示。图1中，Z为监测点位的标高；h为挡土墙高度；σxx为侧向土压力；σyy为竖向覆土压力；t为土工泡沫厚度。

图1 土工泡沫对挡土墙侧向土压力影响实验结果

根据Ertugrul和Trandafir的研究可知，当挡土墙墙背后设置厚度为t的土工泡沫层时，挡土墙受到的侧向土压力相较于未设置土工泡沫的工况显著减小。随着土工泡沫厚度t的增大，侧向土压力逐渐减小；当t与挡土墙高度h的比值达到0.14时，侧向土压力仅为无土工泡沫工况的50%左右。由此可见，土工泡沫的应用可以有效卸载土压力。

由于具备质量轻、侧向变形小等特性，土工泡沫在道路、堤坝、挡土墙、隧道、涵洞等工程领域具有较为广泛的应用。

2 土工泡沫项目应用

2.1 项目背景

某国际主题乐园位于上海市浦东区川沙县，内部分为7大主题园区，总占地面积约1.16km2。

乐园内部设计有大量的景观挡土墙，以供游客观赏以及园内各个主题园区的区块分隔。一方面，由于此类主题乐园项目中通常有较多的游艺设施以及景观种植池，场地内密布大量的电气、灌溉以及市政管线，极易与挡土墙基础发生碰撞。另一方面，当挡土墙作为景观观赏构件呈现给游客时，墙厚不宜过大。因此，当设计中面临着基础与墙厚均受限的情况时，可以考虑在挡土墙墙背后回填土工泡沫[5]。

2.2 结构计算

现取园区场地中的一段高度为5m的挡土墙进行计算分析，考虑到墙背后有大面积草木种植，种植土厚度要求不应小于1.5m，因此在采用土工泡沫回填的方案中，土工泡沫的回填范围需低于场地完成面以下1.5m。计算中，土压力系数取0.5，填土的重度取18kN/m3。

（1）挡土墙墙背后回填土。回填土时挡土墙受力示意图如图2所示。挡土墙所受侧向土压力；挡土墙根部所受弯矩。

图2 挡土墙受力示意图（回填土）（单位：mm）

（2）挡土墙墙背后回填土工泡沫。回填土工泡沫时，挡土墙受力示意图如图3所示。设计中基于安全因素考虑，不计入土工泡沫对侧向土压力的卸载作用，仅考虑土工泡沫自身对墙体无侧压力作用。挡土墙所受侧向土压力挡土墙根部所受弯矩。

图3 挡土墙受力示意图（回填土工泡沫）（单位：mm）

由上述计算分析可知，挡土墙墙背后回填土工泡沫时，挡土墙所受的侧向土压力以及根部弯矩相较于回填土工况显著减小。故挡土墙基础尺寸、挡土墙厚度及配筋均可减小，不仅有利于场地设计各专业之间的协调布置，同时能够降低钢筋混凝土的用量及造价。

2.3 设计应用

根据业主提供的技术规格书，该项目采用的土工泡沫块体应满足以下设计要求：密度不低于20kg/m3；试件应变5%对应的抗压强度不小于100kPa。故选用EPS22型号的土工泡沫作为回填材料，且应保证材料能够满足平整度及燃烧自灭性的要求[6]。

（1）土工泡沫深化。施工前需对土工泡沫回填进行细部深化，如图4所示。根据施工图中的场地完成面标高和基础顶标高确定土工泡沫的回填范围，从而确定土工泡沫的层数以及每层块体的尺寸。当挡土墙背后填土的完成面标高随坡度变化较大时，可将土工泡沫随坡按阶梯状铺设，逐层深化，尺寸可按需求现场切割。施工时根据深化图纸将土工泡沫块体自下而上逐层错缝铺设，底层土工泡沫块体采用L型栓钉连接件与基底连接，顶层土工泡沫与表面填土之间可以针刺聚酯短纤维无纺布隔开，土工泡沫块体之间采用具有一定强度的单面或双面爪型连接件，连接件应进行防锈处理。

图4 土工泡沫施工深化图（单位：mm）

（2）土工泡沫排水。土工泡沫属于轻质材料，为避免水浮力产生的影响，设计时应采取有效的排水措施。挡土墙背排水详图如图5所示。此外，施工期间还应做好防护措施，避免雨污水对土工泡沫块体的浸泡。

图5 土工泡沫排水做法图

（3）土工泡沫回填。土工泡沫回填前，应进行场地平整，将原始场地内的淤泥、腐殖土、杂草、耕植土等进行清理和修整，场地压实系数应满足规范要求。回填时，土工泡沫应铺设在中粗砂垫层的施工基面上，施工基面必须保持干燥状态；铺设时，不允许任何重型机械直接在土工泡沫块体上行驶；铺设完成后应进行变形检测，满足技术规格要求后方能进行上部种植土的回填工作。土工泡沫现场施工图如图6所示。

图6 土工泡沫现场施工图

3 土工泡沫技术优缺点分析

目前，土工泡沫被越来越多地运用于道路、桥梁、岩土以及建筑结构领域中。作为回填材料，土工泡沫具有以下优点：（1）质量轻，运输便捷，由自重产生的压力小；（2）无须专业施工设备，安装方便，施工速度快；（3）吸水率低且不溶于水，可有效释放静水压力，抗冻性好；（4）侧向变形小，可有效卸载侧向土压力。

同时，土工泡沫也具有如下缺点：（1）可燃，不耐有机溶剂，不能直接暴露于明火中，需安全运输保存；（2）暴露在紫外线下会导致变色，施工时应加以防护；（3）产品价格较高。

综上，在未来的工程应用中，应根据不同的工程概况，充分考虑土工泡沫的优缺点进行设计。

4 结论

（1）土工泡沫质量轻、抗压强度大，作为岩土工程回填材料时，不仅可有效减小基础底面压力值，还能够满足上部堆载要求，且不受吸水、低温、冻融循环等不利条件影响。（2）土工泡沫侧向变形较小，不易传递侧向压力，用于挡土墙墙背回填时，可以显著降低侧向土压力，从而缩小挡土墙基础的设计尺寸，有效避让场地管线布置。（3）施工前需对土工泡沫回填进行细部深化，确定土工泡沫的回填范围，并采取有效的排水措施避免水浮力的影响。

目前，市场上的土工泡沫产品价格较高，同时国内也没有系统的规范标准定义土工泡沫的性能和计算，因此在我国土工泡沫的用途并没有普及。由于土工泡沫作为回填材料不仅性能优良，还具有热传导率极低、保温隔热性能良好的特点，在未来的研究中，若能有效地平衡工程复杂性以及建筑效果与工程造价的关系，土工泡沫技术将在建筑工程中得到更为广泛的应用[7]。