紅砂巖碎石土路基強夯加固工藝研究

劉城志

(湖南省高速公路集團有限公司， 湖南 長沙 410004)

紅砂巖是中國華中地區(qū)常見巖土材料，主要呈泥狀膠結(jié)結(jié)構，強度差異大、遇水易崩解、壓實質(zhì)量難控制，且采用紅砂巖填筑公路路基易產(chǎn)生工后沉降和不均勻沉降。針對紅砂巖路基填料的特殊性，選用強夯法加固紅砂巖路基，保證路基壓實質(zhì)量，減少土體空隙率，防止路基出現(xiàn)工后沉降和不均勻沉降。馮世進、謝為等研究了路基強夯加固效果影響因素，指出隨夯擊次數(shù)增加，夯沉量和影響深度逐漸增大；隨落距增大，夯坑深度和影響深度也逐漸增大。侯偉樂結(jié)合工程案例分析了強夯法在高速公路路基中的應用效果，表明強夯路基的壓實度和沉降量滿足設計要求。程磊、李綺依托高速公路路基工程，研究了強夯法在黃土路基中的應用，并制定了濕陷性黃土路基強夯作業(yè)標準。梅濤濤等對比研究了中、歐、美強夯法設計參數(shù)及土質(zhì)應用情況。黃達等的研究表明強夯加固碎石土地基的承載力良好，隨土石比降低，承載力逐漸提高，但后期出現(xiàn)差異沉降。仉文崗等分析了碎石土地基強夯加固效果，并提出了強夯效果綜合檢測法。張衡通過強夯法解決了雜填土承載力低、壓縮性高的難題。但由于中國地質(zhì)條件差異，強夯工藝缺少相應標準和理論依據(jù)，且強夯法在紅砂巖碎石土路基中應用較少。該文依托某山區(qū)高速公路路堤試驗段，對紅砂巖碎石土路基開展強夯加固工藝研究。

1 試驗段地質(zhì)及紅砂巖技術性質(zhì)

1.1 試驗段地質(zhì)概況

試驗段為高山深溝地貌，地形起伏較大，地質(zhì)構造簡單，多為單斜構造巖層；紅砂巖節(jié)理裂隙中含有大量孔隙水，受大氣降水和山間流水的影響，地下水豐富，場區(qū)含水量季節(jié)性變化明顯。

路基填料取自邊坡開挖和隧道渣，主要由根植土、亞黏土和紅砂巖等組成，紅砂巖含量為60%～80%。亞黏土呈褐紅色，主要為硬塑狀態(tài)，含有少量碎石；紅砂巖呈紫紅色，主要由石英、長石、蒙脫石等礦物組成，質(zhì)地偏硬，以弱風化類型為主，屬于第二類紅砂巖。

1.2 紅砂巖技術性質(zhì)

參照JTG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》測定紅砂巖化學成分、物理力學性質(zhì)，試驗段紅砂巖的性質(zhì)見表1～2，紅砂巖風化碎屑物顆粒組成見表3。

表1 紅砂巖的化學成分

表2 紅砂巖的物理力學性質(zhì)

表3 紅砂巖風化碎屑物的顆粒組成

由表2～ 3可知：紅砂巖的孔隙率高、強度較低、水穩(wěn)定性差，風化碎屑物粒徑不一，以0.25～2 mm為主。

1.3 紅砂巖的崩解處理

相關研究結(jié)果表明，紅砂巖遇水崩解后形成紅砂巖碎石土，崩解性消除，水穩(wěn)定性提高，滿足公路路基填料設計要求。因此，對填料場紅砂巖進行預崩解處理，在陽光和雨水等自然因素作用下使其崩解性消除，再運往工地填筑路基。紅砂巖預崩解處理階段至少連續(xù)10 d，其中晴天每天澆水1次，使其含水率為2.10%～2.60%。紅砂巖處理10 d后，若粒徑≥35 cm的紅砂巖塊表面出現(xiàn)大量裂縫，且用羊角錘輕敲產(chǎn)生碎屑和碎塊，則認為紅砂巖崩解處理完畢。

2 試驗方案

2.1 強夯設計方案

強夯加固紅砂巖碎石土路基設計方案見表4。結(jié)合工程實際和試驗段工程地質(zhì)條件，將試驗段劃分為A、B、C、D 4個試驗區(qū)段且面積均不小于15 m×30 m。最后2次夯擊量平均值≤6 cm時，停止夯擊。

表4 強夯設計方案

2.2 原位試驗方案

對強夯路基開展原位試驗，包括土體變形試驗、平板荷載試驗，評價紅砂巖碎石土路基強夯加固效果，確定合理的紅砂巖碎石土路基強夯加固工藝。

2.2.1 土體變形試驗

(1) 采用灌水法測定紅砂巖碎石土路基壓實度，分析夯擊能量對路基的加固效果。試坑尺寸為80 cm×80 cm×80 cm。

(2) 采用水準儀和塔尺測定路基夯沉量和夯坑周圍土體隆起量，分析夯擊次數(shù)對路基的加固效果。

2.2.2 平板荷載試驗

參照GB 50007-2011《建筑地基基礎設計規(guī)范》中平板荷載試驗方法，分別在強夯前后對路基進行試驗，研究強夯紅砂巖碎石土路基的承載力。試驗選用圓形剛性承壓板，直徑為40 cm；試坑寬度大于承壓板直徑的3倍；加載設備選用液壓千斤頂，量程為200 kN。試驗中，保證試坑表面壓實時的含水率，并用中砂抹平。壓縮模量E0按下式計算：

E0=0.785(1-μ2)pd/s

(1)

式中：μ為路基土泊松比，紅砂巖碎石土取0.27；p為上覆荷載(kPa)；d為承載板直徑(cm)；s為路基沉降量(mm)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 土體變形試驗

夯擊能量對紅砂巖碎石土路基壓實度的影響見圖1；路堤高度為6 m時，夯擊次數(shù)對單點夯沉量的影響見圖2。

由圖1、圖2可知：1) 紅砂巖碎石土填筑路基高度一致的情況下，隨夯擊能量增加，壓實度增大，說明路基加固效果不斷提高。路堤高度為6 m時，夯擊能量達到1 400 kN·m，D區(qū)段壓實度為94%，滿足JTG D30-2015《公路路基設計規(guī)范》中路堤壓實質(zhì)量要求。路堤高度為5 m時，夯擊能量只需達到1 200 kN·m時就能滿足壓實質(zhì)量要求；路堤高度為4 m時，夯擊能量達到1 000 kN·m時滿足壓實質(zhì)量要求。2)不同試驗區(qū)段累積夯沉量變化基本一致，單擊夯沉量隨夯擊次數(shù)增加而減小，說明路基密實度逐漸提高，強夯加固紅砂巖碎石土路基的效果良好，其中初始夯擊產(chǎn)生的夯沉量最大，至少為120 mm。在主夯階段，夯擊能量≤1 000 kN·m時，路基累積夯沉量不超過605 mm，且第5次后單擊夯沉量<6 cm；夯擊能量≥1 200 kN·m時，路基累積夯沉量在680 mm以上，且第6次后單擊夯沉量≤6 cm。在滿夯階段，夯擊能量≤1 000 kN·m時，路基初始單擊夯沉量≥6 cm，第2次后單擊夯沉量接近6 cm，說明路基壓實度有提升空間；夯擊能量≥1 200 kN·m時，路基初始單擊夯沉量<6 cm，說明主夯階段路基加固效果良好。

圖1 夯擊能量對紅砂巖碎石土路基壓實度的影響

圖2 夯擊次數(shù)對紅砂巖碎石土路基夯沉量的影響

另外，隨夯擊能量增加，夯坑1.5 m半徑范圍內(nèi)土體出現(xiàn)明顯裂縫和回彈，超過夯坑中心點3 m半徑范圍后，土體基本無變形；夯擊次數(shù)超過5次后，周圍土體隆起高度趨于穩(wěn)定，試驗區(qū)段A、B、C、D最大隆起高度分別約為主夯階段累積夯沉量的11%、12%、12%和14%。選用夯擊能量<1 200 kN·m 的強夯工藝加固6 m紅砂巖碎石土路基的效果不明顯，建議適當增加夯擊能量，但需注意過大夯擊能量對路基土體的破壞。

3.2 平板荷載試驗

試驗區(qū)段A、B、C、D強夯前后上覆荷載p與路基沉降量s的關系見圖3，壓縮模量見表5。

由圖3和表5可知：1) 紅砂巖碎石土路基強夯前，沉降量隨荷載增加逐漸增大，且增大趨勢比強夯后沉降量明顯，荷載為300 kPa時，平均沉降量為196 mm；路基強夯加固后，沉降量與上覆荷載近似成線性關系，沉降量增大趨勢緩慢，荷載增加50 kPa，沉降量不超過7 mm。說明強夯前路基較松散、承載力低，在荷載作用下產(chǎn)生較大變形；在強夯作用下，路基密實度顯著提高、承載力增強，路基變形顯著減小，強度得到提高。2) 紅砂巖碎石土路基強夯加固后，隨荷載增加，較大夯擊能量的路基產(chǎn)生的沉降量更小，但沉降量相差較小，荷載為300 kPa時產(chǎn)生的平均變形量約為37 mm，約為強夯前路基變形量的19%。表明路基強夯加固后承載力顯著提高，一定程度上減小了路基工后沉降和不均勻沉降。3) 隨夯擊能量增大，強夯加固后路基土體壓縮模量逐漸提高，與路基強夯前土體壓縮模量平均值1.95 MPa相比，試驗區(qū)段A、B、C、D的壓縮模量分別提高43%、88%、102%、111%。說明紅砂巖碎石土路基強夯加固后，壓縮模量顯著提高，壓縮性能得到明顯改善。但夯擊能量>1 200 kN·m后壓縮模量提高幅度較小。

圖3 上覆荷載與紅砂巖碎石土路基沉降量的關系

表5 強夯前后紅砂巖碎石土路基的壓縮模量

綜上，采用強夯法加固紅砂巖碎石土路基的效果良好，壓實度、承載力和強度提高。路堤填筑高度為4～5 m時，建議采用B區(qū)段強夯工藝；路堤填筑高度為5～6 m時，建議采用C區(qū)段強夯工藝。

4 結(jié)論

(1) 路堤填筑高度一致時，路基加固效果隨夯擊能量增加逐漸提高。路堤高度分別為4、5、6 m，夯擊能量分別達到1 000、1 200、1 400 kN·m時，壓實度在94%以上，滿足公路路堤壓實質(zhì)量要求。

(2) 夯擊能量一致時，單擊夯沉量隨夯擊次數(shù)增加而減小，路基密實度逐漸提高；夯擊能量越高，路基主夯階段產(chǎn)生的累積夯沉量越大，夯擊能量≥1 200 kN·m時，累積夯沉量在680 mm以上；隨夯擊能量增加，夯坑1.5 m半徑范圍內(nèi)土體出現(xiàn)明顯裂縫和回彈，且夯擊次數(shù)超過5次后，周圍土體變形趨于穩(wěn)定。

(3) 路基強夯加固后強度和承載力提高，變形量比強夯前顯著減小，荷載為300 kPa時產(chǎn)生的平均變形量約為強夯前路基變形量的19%；隨夯擊能量增大，強夯加固后路基土體壓縮模量逐漸提高，最大提高111%。

(4) 路堤填筑高度為4～5 m時，建議采用B區(qū)段強夯工藝；路堤填筑高度為5～6 m時，建議采用C區(qū)段強夯工藝。