公路項(xiàng)目黃土改良紅砂巖試驗(yàn)及路用性能分析

余武雄

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

我國(guó)長(zhǎng)江中下游地區(qū)分布大量紅砂巖地質(zhì)帶，受紅砂巖巖性影響，紅砂巖分布帶路基施工一直是公路工程施工難點(diǎn)，一方面紅砂巖工程性質(zhì)較差，一旦改良處理不到位，紅砂巖受環(huán)境水、空氣作用崩解、風(fēng)化，會(huì)造成道路塌陷、開裂等質(zhì)量病害，甚至造成路基垮塌等工程事故；另一方面，紅砂巖直接遺棄會(huì)造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)，且購方填筑會(huì)極大地增加施工成本[1-3]。為減少工程消耗與環(huán)境破壞，通過改良紅砂巖，使其達(dá)到路基填料標(biāo)準(zhǔn)，可有效減少廢方，降低工程成本。黃土作為一種分布廣泛的土體資源，因此進(jìn)行黃土改良紅砂巖研究，具有良好的經(jīng)濟(jì)及環(huán)保效益[4-5]。

1 工程概況

某公路沿線主要為黃河Ⅰ級(jí)階地地貌，地層主要由第四系全新統(tǒng)人工填土（）、沖積（）卵石及第三系古-始新統(tǒng)（E1-2）砂巖組成，其中砂巖主要為紅砂巖，層狀發(fā)育，巖體工程性質(zhì)較差，遇水易崩解，遇空氣易風(fēng)化、軟化崩解，崩解體呈散沙狀。紅砂巖屬軟質(zhì)巖，其巖性與其他顆粒及硬質(zhì)巖差異較大，其粒徑隨碾壓過程、裸露時(shí)長(zhǎng)、含水量變化較大，為減少挖方填料區(qū)巖土資源浪費(fèi)，降低購方、運(yùn)輸成本，擬加入一定改良劑，改良沿線紅砂巖工程性能，并通過相關(guān)試驗(yàn)判定改良巖土作為路基填料可行性。

經(jīng)初步研究，擬將黃土作為改良劑，通過擊實(shí)試驗(yàn)研究不同含水量、黃土摻量紅砂巖改良土最大干密度與最佳含水率之間的相關(guān)關(guān)系，確定改良土最佳含水率、最佳黃土摻量指標(biāo)，并對(duì)最優(yōu)配比改良土開展直剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)，探究最優(yōu)配比改良土強(qiáng)度與壓縮性能變化規(guī)律，評(píng)價(jià)改良土改良效果。

2 紅砂巖的結(jié)構(gòu)特征及崩解機(jī)理

2.1 紅砂巖的結(jié)構(gòu)特性

工程所在地天然紅砂巖，按結(jié)構(gòu)類別劃分，主要有粒狀碎屑結(jié)構(gòu)和泥狀結(jié)構(gòu)兩種；按巖石學(xué)分類方法，主要分為碎屑類巖、黏土類巖兩種。紅砂巖外觀呈紅色、紅褐色、褐色，其顏色差異主要受巖體中含鐵化合物成分含量影響。碎屑顆粒間膠結(jié)形式較多，主要有孔隙式膠結(jié)、基底式膠結(jié)、泥質(zhì)接觸式膠結(jié)等。巖體中鐵質(zhì)化合物，僅鐵質(zhì)碳酸鹽以膠結(jié)物形式存在，含鐵氧化物主要起浸染作用，對(duì)巖體工程性質(zhì)基本無影響[6]。

粒狀碎屑巖類中，黏土礦物含量約為5.5%～10.4%，其中高嶺石、伊利石、蒙脫石等礦物含量基本與普通風(fēng)化巖類似，巖體性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定。泥狀紅砂巖中，黏土礦物含量約為15%～50%，其中高嶺石含量一般約6.5%～41%，伊利石含量約為5.5%～11%，蒙脫石含量為3.5%～11%，此類巖體中親水礦物含量較大，遇水極易崩解軟化，若直接用于路基填筑，易造成路基水毀、垮塌等病害。

2.2 紅砂巖的崩解的機(jī)理

紅砂巖巖體中高嶺石、伊利石、蒙脫石等礦物親水性較強(qiáng)，且主要呈碎屑結(jié)構(gòu)，比表面積較大，巖體遇水時(shí)，在毛細(xì)作用下水分可沿孔隙向運(yùn)動(dòng)，造成礦物水脹，宏觀表現(xiàn)為巖體軟化、崩解破碎。特別是蒙脫石鍵力很弱，遇水分子中氧鍵作用斷裂，呈現(xiàn)較強(qiáng)膨脹性[7]。

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)：在中低溫環(huán)境下，當(dāng)水分子進(jìn)入紅砂巖巖體中親水礦物層次構(gòu)造時(shí)，紅砂巖會(huì)遇水膨脹，最終崩解；紅砂巖中親水礦物結(jié)構(gòu)空隙間的粒間水，也會(huì)造成紅砂巖膨脹；紅砂巖結(jié)構(gòu)裂隙在干濕循環(huán)作用下，結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育加劇，為巖體崩解提供了有利條件，巖體崩解時(shí)間受干濕循環(huán)作用頻率、巖體中親水礦物成分含量、親水礦物結(jié)構(gòu)影響較大。

3 試驗(yàn)方案

3.1 擊實(shí)試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)有研究資料，黃土改良紅砂巖改良土中，黃土摻配比例分別設(shè)置為20%、30%、40%、60%、80%。為提升試驗(yàn)結(jié)論適用性，選取案例工程沿線典型路段紅砂巖作為研究對(duì)象，將其余黃土充分混合，按照試驗(yàn)規(guī)程要求，開展黃土改良紅砂巖改良土重型擊實(shí)試驗(yàn)，研究改良土最大干密度-最佳含水率變化規(guī)律[8]。

將黃土與紅砂巖按摻配比例混合均勻后，取6 kg紅砂巖改良土，按照設(shè)計(jì)含水率噴水，并將噴水處理后的土樣悶置24 h。擊實(shí)筒內(nèi)徑為152 mm，高為116 mm，將改良土分5層填入，每層56擊，層間用拉毛器拉毛，開展重型擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)改良土擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制擊實(shí)曲線，得到改良土最大干密度、最佳含水率指標(biāo)。

3.2 直剪試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，確定黃土改良紅砂巖最佳黃土摻配比例為30%，最佳含水率為8%，按照此配比拌制改良土土樣，悶置24 h后，按標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)擊實(shí)，得到4組改良土試件，用于直剪試驗(yàn)。直剪試驗(yàn)儀器采用四聯(lián)應(yīng)變控制式直剪儀，按照試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，按0.8 mm/min剪切速率，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向力進(jìn)行快速剪切試驗(yàn)，改良土試塊在3～5 min內(nèi)被破壞，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制T—Δι曲線，確定對(duì)應(yīng)試件抗剪強(qiáng)度s值，并繪制出改良土庫侖強(qiáng)度包線。

3.3 壓縮試驗(yàn)

對(duì)最佳配比下黃土改良紅砂巖改良土進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)，揭露改良土壓縮特性[9]。

按上述直剪試驗(yàn)試件制備方法，制備3組試件，利用固結(jié)儀進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)加載按四級(jí)加載逐級(jí)加載，各級(jí)加載荷載分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，每級(jí)加載持載≥12 h，記錄試件變形數(shù)據(jù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 最大含水率和最大干密度關(guān)系分析

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，繪制出改良土干密度與含水率變化關(guān)系見圖1。由圖1可知：1）黃土改良紅砂巖最佳黃土摻量為30%，改良圖最佳含水率為8%，最大干密度為2.11 g/cm3；2）隨著黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之降低，最佳含水率隨之增加。

圖1 改良土干密度與含水率變化關(guān)系

根據(jù)上述分析可知，改良土最佳黃土摻量為30%，為進(jìn)一步確定最佳黃土摻量，分別對(duì)黃土摻量為20%、25%、35%改良土在不同含水率下進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果見圖2。

由圖2可知：1）改良土黃土摻量在20%～30%時(shí)，隨黃土摻量增大，改良土干密度隨之增加；2）黃土摻量在30%～35%時(shí)，隨黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之減小；3）各黃土摻量下，改良土干密度拐點(diǎn)均出現(xiàn)在含水率為8%處；4）由以上分析可知，改良土黃土摻量為30%，含水率為8%時(shí)，擊實(shí)效果最佳。

圖2 黃土摻量20%、25%、30%、35%改良土干密度與含水率變化關(guān)系

4.2 改良土抗剪強(qiáng)度分析

土體抗剪強(qiáng)度是橫梁巖土工程性能的核心力學(xué)指標(biāo)之一，其計(jì)算公式見式（1）：

由式（1）可知，土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ是影響土體抗剪強(qiáng)度的核心參數(shù)。土體內(nèi)摩擦角是反應(yīng)土體顆粒間摩擦特性的物理量，其主要包括土壤顆粒表面摩擦力、顆粒間咬合力；土體黏聚力主要反映土體顆粒間相互吸引產(chǎn)生的應(yīng)力。最優(yōu)配比改良土、工程所在地紅砂巖原狀土、直剪試驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2。對(duì)比表1、表2可知，相較于紅砂巖原狀土，黃土摻量為30%改良土黏聚力、內(nèi)摩擦角均顯著提高，究其原因可知，黃土提升了紅砂巖土體顆粒間膠結(jié)作用，增強(qiáng)了土體顆粒間摩擦力，表明摻入黃土改良紅砂巖的方法可有效提升紅砂巖土體抗剪強(qiáng)度，改良土庫倫強(qiáng)度包線圖見圖3。

表1 最優(yōu)配比混合料直剪試驗(yàn)結(jié)果

表2 原狀土直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖3 庫侖強(qiáng)度包線

4.3 改良土壓縮性能分析

摻入黃土改良紅砂巖改良土、工程所在地紅砂巖原狀土固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果分別見表3、表4。對(duì)比表3、表4可知，摻入黃土改良紅砂巖改良土壓縮性能顯著提高，改良土壓縮系數(shù)a為0.580 MPa-1、壓縮指數(shù)C為0.045，壓縮模量Es為21.230 MPa，可知改良土為低壓縮性土，改良效果良好。

表3 固結(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 紅砂巖原狀土壓縮性能指標(biāo)

由以上分析可知，改良土中黃土顆粒填充了紅砂巖土體孔隙，使紅砂巖孔隙率有所降低，改善了紅砂巖壓縮性能。

5 結(jié)論

該文以某高速公路工程為依托，運(yùn)用擊實(shí)試驗(yàn)，揭露了黃土改良紅砂巖改良土干密度、含水率隨黃土摻量變化的變化規(guī)律，利用直剪試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)的方法，對(duì)比分析了工程所在地紅砂巖原狀土、黃土改良紅砂巖改良土抗剪性能、壓縮性能，結(jié)論如下：

（1）擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，黃土改良紅砂巖改良土最佳黃土摻量為30%，最佳含水率為8%，最大干密度為2.11 g/cm3；黃土摻量小于30%時(shí)，隨黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之增加；黃土摻量大于30%時(shí)，隨黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之減小[10]。

（2）直剪試驗(yàn)結(jié)果表明，最佳配比下，黃土改良紅砂巖改良土黏聚力指標(biāo)、內(nèi)摩擦角指標(biāo)顯著優(yōu)于工程所在地紅砂巖原狀土，可知摻入30%黃土可顯著改善紅砂巖土體抗剪強(qiáng)度；固結(jié)壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，改良土壓縮性能指標(biāo)明顯優(yōu)于紅砂巖原狀土，摻入30%黃土改良后的改良土為低壓縮性土。

（3）最佳黃土摻配比例下，紅砂巖不良特性、路用性能顯著提升，其抗剪性能、壓縮性能符合路基填料性能要求。