鄂西南地區(qū)某高速公路紅黏土路基填筑指標(biāo)研究

張叢林， 周 亮， 牛蘭濤

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司， 湖北 武漢 430051)

0 引言

紅黏土是碳酸鹽巖經(jīng)紅土化作用形成的特殊性巖土，多分布于氣候濕熱地區(qū)。其主要礦物成分有高嶺石、伊利石和綠泥石，粒度組成具有高分散性，其中小于0.002 mm的膠粒含量約占40%～70%，具有含水率高、孔隙比大、液塑限高(液限一般大于45%)、水穩(wěn)性差等特點(diǎn)[1]，由于其特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，往往會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成不利影響。紅黏土在我國(guó)分布十分廣泛，尤以云貴高原、兩湖及兩廣等地最具代表性。近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路路網(wǎng)不斷延伸，工程項(xiàng)目也更加頻繁地遭遇到這種特殊性巖土，尤其在山區(qū)高速公路建設(shè)中，土地資源稀缺、交通不便，土方調(diào)用時(shí)通常需要盡可能達(dá)到填挖平衡。而在紅黏土發(fā)育區(qū)，直接利用其填筑路基時(shí)，擊實(shí)土料的CBR值一般小于3，且水穩(wěn)性差，很難達(dá)到規(guī)范對(duì)路基填料強(qiáng)度和壓實(shí)度的要求，考慮到道路施工質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)期間的使用安全，在以往工程項(xiàng)目中常棄之不用，造成土地資源浪費(fèi)。如何合理利用高速公路沿線紅黏土，為工程項(xiàng)目縮短建設(shè)工期、節(jié)省造價(jià)，同時(shí)保護(hù)好項(xiàng)目沿線的生態(tài)環(huán)境成為了一個(gè)亟待研究的課題。

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F10—2006)中規(guī)定：路堤采用特殊填料填筑或處于特殊氣候地區(qū)時(shí)，壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)試驗(yàn)在保證路基強(qiáng)度要求的前提下可適當(dāng)降低。但考慮到各地區(qū)紅黏土由于氣候、水文、地貌、地層巖性等差異導(dǎo)致的工程性質(zhì)的差異性，規(guī)范中并未明確壓實(shí)度降低的幅度。

針對(duì)該問(wèn)題許多專家進(jìn)行了廣泛而深入的研究：彭國(guó)喜等[2]以廣西柳武高速公路為背景，提出含礫高液限土以及細(xì)粒土質(zhì)礫可直接用作填料，對(duì)于低液限土，在CBR大于3的前提下，也可直接用作填料，但是對(duì)于高液限土，在滿足CBR大于3的同時(shí)還要經(jīng)過(guò)物理及化學(xué)處理才能用做路基填料；王林峰等[3]提出紅黏土CBR強(qiáng)度峰值所對(duì)應(yīng)的含水率約比最優(yōu)含水率高5%，在適宜含水率和適當(dāng)?shù)膿魧?shí)功作用下，紅黏土的CBR和壓實(shí)度都可以滿足規(guī)范的要求，可直接用于路基填筑；陳文軒等[4]對(duì)江西地區(qū)紅黏土進(jìn)行研究，得到填料的控制含水率可選擇最優(yōu)含水率，此時(shí)路基壓縮性很小，強(qiáng)度較高，可直接用于填筑二級(jí)及以下公路路堤、三級(jí)及以下公路下路床；宋常軍等[5]通過(guò)試驗(yàn)研究了湘西地區(qū)紅黏土直接填筑路堤的可行性，認(rèn)為紅黏土直接用作高速公路路基填料時(shí)，填筑含水率可控制在1.02～1.05倍的最佳含水率范圍內(nèi)，以壓實(shí)度為控制指標(biāo)時(shí)，建議下路堤壓實(shí)度控制在90%以上，上路堤壓實(shí)度控制在92%以上。

湖北省西南部(以下簡(jiǎn)稱鄂西南)廣泛分布著以灰?guī)r為主的碳酸鹽巖，在地質(zhì)歷史上形成了由多級(jí)巖溶臺(tái)面組成的巖溶地貌，該地區(qū)夏季晴熱酷暑，降雨量充沛，為碳酸鹽巖紅土化作用提供了溫床。本文以鄂西南地區(qū)某高速公路沿線紅黏土為研究對(duì)象，結(jié)合該地區(qū)高速公路建設(shè)，本著節(jié)約建設(shè)經(jīng)費(fèi)、保證施工質(zhì)量與工期的目的，通過(guò)擊實(shí)及CBR等試驗(yàn)，探索紅黏土直接用于路基填筑的控制指標(biāo)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 鄂西南紅黏土基本物理力學(xué)指標(biāo)

本次試驗(yàn)所用紅黏土取自鄂西南某高速公路K0+000～K15+800和K22+500～K25+000段，多呈棕黃色及紅褐色，如圖1。其基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1，天然含水率與液塑限分布見(jiàn)圖2、圖3。

圖1 路線區(qū)紅黏土典型照片

表1 紅黏土的基本物理性質(zhì)天然密度/(g·cm-3)天然孔隙比天然含水率/%液限/%塑限/%壓縮系數(shù)/MPa-1自由膨脹率/%1.661.22141.470.828.60.39953.1 注: 表內(nèi)數(shù)值為平均值。

圖2 紅黏土天然含水率分布圖

圖3 紅黏土液、塑限分布圖

從以上圖表可知，試驗(yàn)土樣具有高含水率、大孔隙比、高液塑限值和弱膨脹性等典型特征。

1.2 試驗(yàn)方案

首先按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40—2007)[6]進(jìn)行濕法重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)土料的最大干密度和最優(yōu)含水率；然后選取最大干密度及最優(yōu)含水率周圍的5個(gè)含水率點(diǎn)分別按3種不同的工況(98、60、30擊)進(jìn)行擊實(shí)，獲得不同擊實(shí)功條件下土樣的最大干密度與最優(yōu)含水率曲線。根據(jù)以往研究成果[7-9]，最優(yōu)含水率對(duì)應(yīng)的CBR值往往不是最大值，CBR最大值所對(duì)應(yīng)的含水率通常為最優(yōu)含水率約1.02～1.05倍。因此本次試驗(yàn)在濕法重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)(98擊)條件下分別選取1.02、1.03、1.04、1.05、1.06倍最優(yōu)含水率式樣進(jìn)行承載比CBR試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[10]規(guī)定：紅黏土作為路基填料時(shí)，宜采用濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)確定其填筑的最佳含水率和最大干密度。主要原因是紅黏土中黏土礦物含量較高，礦物顆粒周圍通過(guò)結(jié)合水及膠結(jié)物連接在一起，而烘箱烘干過(guò)程將蒸發(fā)結(jié)合水，造成黏土顆粒之間的粘結(jié)力消失，進(jìn)而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，由于這種結(jié)構(gòu)破壞具有不可逆性，因此干法擊實(shí)試驗(yàn)不適用于紅黏土[11]。濕法擊實(shí)試驗(yàn)則較好地保留了這部分結(jié)合水，其所取得的天然干密度及最優(yōu)含水率更有利于指導(dǎo)施工。

本次試驗(yàn)通過(guò)對(duì)比不同擊實(shí)功下土料的最優(yōu)含水率與最佳干密度分析擊實(shí)功對(duì)紅黏土的影響。試驗(yàn)得到的土料擊實(shí)曲線如圖4所示，其中標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)(98擊)得到的土料最大干密度為1.55 g /cm3、最優(yōu)含水率為25.8%。從圖中可以看出，隨著擊實(shí)功不斷增大，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率不斷降低、最大干密度不斷提高；含水率小于35%時(shí)，擊實(shí)功對(duì)最大干密度的影響顯著，含水率增加至35%以后，擊實(shí)功對(duì)最大干密度的影響已較小。由此可知，對(duì)于超出一定含水率界線的土樣(此處為35%)，無(wú)法有效地通過(guò)增加擊實(shí)功來(lái)提高土樣的壓實(shí)度。反映在路基填筑過(guò)程中，如果填料的含水率超過(guò)一定界線，則無(wú)法通過(guò)增加振動(dòng)碾壓強(qiáng)度來(lái)提高路基的壓實(shí)度，碾壓強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，填料無(wú)法繼續(xù)壓實(shí)，反而會(huì)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，形成所謂的“橡皮土”。

圖4 不同擊實(shí)功下的擊實(shí)曲線

2.2 CBR試驗(yàn)

本次試驗(yàn)按照濕法備樣，采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行擊實(shí)，得到CBR值、壓實(shí)度及含水率之間的關(guān)系曲線。圖5為含水率與CBR值的關(guān)系曲線，圖6為含水率與壓實(shí)度的關(guān)系曲線，其中壓實(shí)度選取2.1節(jié)中所確定的最大干密度計(jì)算，圖7為CBR值與壓實(shí)度的關(guān)系曲線圖。

圖5 含水率與CBR值的關(guān)系曲線

圖6 含水率與壓實(shí)度的關(guān)系曲線

圖7 壓實(shí)度與CBR值的關(guān)系曲線

由圖5可知： ① 最優(yōu)含水率所對(duì)應(yīng)的CBR值并非最大值，當(dāng)含水率為1.05倍最優(yōu)含水率時(shí)CBR值達(dá)到峰值；② 結(jié)合圖6可知，在最優(yōu)含水率時(shí)，土樣壓實(shí)度達(dá)到最大，隨著含水率不斷增大，壓實(shí)度及CBR值均逐漸減小，當(dāng)含水率超過(guò)33%后，壓實(shí)度及CBR值均急劇衰減，可見(jiàn)當(dāng)紅黏土的含水率超出一定范圍時(shí),呈現(xiàn)出水敏性，其強(qiáng)度受含水率影響明顯;③ 當(dāng)土料含水率達(dá)到1.05倍最優(yōu)含水率(即達(dá)到27.1%)時(shí)，相應(yīng)的壓實(shí)度為96.1%，但相比天然含水率仍超出14.3%。這表示天然狀態(tài)下的紅黏土需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間翻曬才可以達(dá)到最理想的含水率狀態(tài)，但根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)需要翻曬4～6 d，對(duì)于實(shí)際施工來(lái)說(shuō)可操作性不強(qiáng)，可見(jiàn)1.05倍最優(yōu)含水率無(wú)法用作填筑控制指標(biāo)；④ 由圖7可知：壓實(shí)度超過(guò)87.2%時(shí)，土料的CBR值均大于3%，而壓實(shí)度大于94.5%時(shí)，CBR值達(dá)到11.5%。說(shuō)明只要控制壓實(shí)度大于87.2%，則土料可滿足大多數(shù)公路工程的路基填筑。

規(guī)范[10]規(guī)定，對(duì)于高速公路和一級(jí)公路下路堤，填料壓實(shí)度不小于93%,且CBR不小于3；上路堤壓填料實(shí)度不小于94%，且CBR不小于4。從本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，以CBR值作為填筑標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)于下路堤可將填料壓實(shí)度下調(diào)5.8%，降低至87.2%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的CBR值為3.2；對(duì)于上路堤可將填料壓實(shí)度下調(diào)3.3%，降低至90.7%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的CBR值為4.1。

規(guī)范[10]同樣規(guī)定，對(duì)于高速公路和一級(jí)公路，下路床土體壓實(shí)度不小于96%，且CBR不小于5；上路床壓實(shí)度不小于96%，且CBR不小于8。從本次試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，下路床可以將填料壓實(shí)度降低至93.4%，對(duì)應(yīng)此時(shí)的CBR值為5.5；上路床可將填料壓實(shí)度降低至94.5%，對(duì)應(yīng)此時(shí)的CBR值為11.5。

按照以上控制指標(biāo)，在高速公路下路堤填筑時(shí)，可選擇38%的含水率作為填料控制含水率，此時(shí)只需將天然含水率下調(diào)3.1%；在上路堤填筑時(shí)，可選擇35%的含水率作為填料控制含水率，此時(shí)只需將天然含水率下調(diào)6.1%，實(shí)際操作中，將土料翻曬1～3 d即可滿足使用要求，工程實(shí)際可操作性大大增加；在下路床填筑時(shí)，填料控制含水率為33%，需將天然含水率下調(diào)9.1%；在上路床填筑時(shí)，填料控制含水率為30%，需將天然含水率下調(diào)12.1%，現(xiàn)場(chǎng)操作仍存在困難，此時(shí)選擇摻灰等改性處理措施更符合實(shí)際。

3 結(jié)論

本文以鄂西南地區(qū)某高速公路沿線紅黏土為研究對(duì)象，為研究其工程特性，分別進(jìn)行了土的常規(guī)6項(xiàng)試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)和CBR試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1)路線區(qū)紅黏土具有高含水率、大孔隙比、高液塑限、弱膨脹性，并且具有較強(qiáng)的水敏性等典型特征。

2)擊實(shí)試驗(yàn)成果表明，隨著擊實(shí)功的增大，填料的最優(yōu)含水率逐漸降低，對(duì)應(yīng)的最大干密度逐漸增大。但含水率增加至35%以后，擊實(shí)功對(duì)干密度影響已較小。因此當(dāng)填料含水率超過(guò)一定界限時(shí)，通過(guò)增加擊實(shí)功來(lái)提高土樣的壓實(shí)度已顯得不太有效。

3)該地區(qū)紅黏土最優(yōu)含水率對(duì)應(yīng)的CBR值并非最大值，當(dāng)含水率為1.05倍最優(yōu)含水率時(shí)，所對(duì)應(yīng)的CBR值最大，但相較其天然含水率仍然相差14.3%，如果以1.05倍最優(yōu)含水率作為路基填筑控制指標(biāo)，實(shí)際施工時(shí)難以有效實(shí)施。

4)以壓實(shí)度作為路基填筑控制指標(biāo)時(shí)，在高速公路上、下路堤填筑中，紅黏土均可直接用作路基填料。在上路堤填筑時(shí)，填料控制含水率可選擇35%；下路堤填筑時(shí)，填料的控制含水率可選擇38%。而用作上、下路床填筑時(shí)，選擇摻灰等改性處理措施更為實(shí)際。