實例探析高速公路紅粘土路基施工技術

冉利軍

(黔南州交通建設公司)

1 前言

紅粘土工程性質獨特，屬于典型的特殊土，紅粘土工程上的特殊性主要體現(xiàn)在其具有高含水量、高塑性比、較高的孔隙比、密度較低、壓實性較差的物理性質，但力學性質良好，其強度較高、中低壓縮性較好。因而在工程界，紅粘土常用于天然地基的處理和建筑材料上。廈蓉高速是一條連接廈門至成都、全長達2 295 km的國家級高速公路，2009年新開工建設。由于廈蓉高速跨越福建、江西、湖南、廣西、貴州和四川五省，其高速公路沿線均分布有紅粘土，初步估計路基填筑中涉及的紅粘土超過5 000萬m3。

2 紅粘土的工程特性

紅粘土WL一般大于50，多為沖積、沖洪形成，主要發(fā)育于地形舒緩、波狀起伏的剝蝕夷平臺地、巖溶盆地及巖溶谷地兩側丘陵坡腳，因為對工程性質復雜難以把握而易引發(fā)大量邊坡失穩(wěn)﹑地基不均勻變形、構筑物變形、路面開裂、隆起等工程病害。紅粘土上部由地表向下質地堅硬，厚度一般為10～20 m，最厚區(qū)域達到30 m，占紅粘土層的大部區(qū)域。由于紅粘土塑性比率較大，紅粘土可塑狀態(tài)，流塑狀態(tài)和軟塑狀態(tài)只占其中一小部分。紅粘土主要發(fā)育于近下槽底部和伏基巖面的溶蝕溝等處，多呈透鏡體狀。

紅粘土化學成分主要為二氧化硅和三氧化二鋁，成分比率取值一般在70%～76%，見表1所示。紅粘土成分中由于大量石英的存在，使得紅粘土具有較為穩(wěn)定的化學性質，其主要表現(xiàn)在具有很強的抵御水的能力，風化對其作用效果也不明顯。高嶺石水穩(wěn)性能較好，并且可塑性較低，壓縮性較小，親水性不良。綜上可以看出紅粘土具有土體液限指標高，塑性指數(shù)高、難失水的特點。

廈蓉高速寧道段地處湖南境內，全長91.73 km，沿線分布有大量高液限紅粘土，其公路沿線紅粘土具有以下顯著特征:土質較為均勻，土體質量較好較為細膩，粘性強。其粘粒含量高達89.2%，根據(jù)廈蓉高速寧道段施工單位提供的室內土工試驗數(shù)據(jù)紅粘土主要物理性質指標，見表2所示。由數(shù)據(jù)可知:紅粘土天然含水量隨地表深度的增大而增大，一般接近于土體塑限含水量。紅粘土孔隙比大約為1左右，飽和度較大，平均為88.6%，最大干密度范圍取值較大，為0.85 ～1.81 g/cm3。

紅粘土主要力學性質指標表見表3所示。根據(jù)室內土工試驗可以看出，廈蓉高速公路寧道段紅粘土具有以下力學特征:(1)壓縮模ES值平均為8.5MPa，屬于低壓縮性土;(2)自由膨脹率約為46.6%，可見紅粘土具有較強的抗剪強度指標，土體粘聚力值與粘性土相比取值較大。

表1 廈蓉高速紅粘土化學成分分析表

表2 廈蓉高速紅粘土主要物理性質表

表3 廈蓉高速紅粘土主要力學性質指標表

3 高速公路紅粘土路基施工要點

3.1 沖擊夯實、強夯處治

路基壓實的程度直接決定了路基的沉降量，在路基施工過程中為了使路基本體和地基的沉降量都達到最小，需要進行充分沖擊，形成一個有效整體并使其緊密結合以減小路基的沉降，避免路基結合部縱向裂縫的產(chǎn)生。遇到紅粘土地基時推薦使用沖擊碾壓夯實的方法對路基進行補強。沖擊碾壓施工可使原有路基與新建路基很好地結合，提高路基壓實度的同時增加了土體抗剪強度，使路基本體沉降達到最小，可避免結合部因碾壓不足出現(xiàn)不穩(wěn)定滑動面。

本著節(jié)約工程建設經(jīng)費，保證紅粘土路堤的施工質量和進度，項目部試驗室就紅粘土的最大干密度和最佳含水量干土法和濕土法試驗方法進行了大量比對試驗。

干法擊實試樣制備:取烘干代表性土樣，根據(jù)塑限預估最佳含水率，制備5個不同含水率的一組試樣，潤濕一晝夜，相鄰兩個含水率的差值為2%。

濕法擊實試樣制備:取天然含水量的土樣作為第一個擊實試樣，將其他土樣分別風干到幾個不同的含水量，含水量分別控制在2% ～3%左右，每個土樣應浸潤2晝夜使土樣均勻。

K53+500干法擊實試驗數(shù)據(jù)，見表4。

表4 K53+500干法擊實試驗數(shù)據(jù)

K53+500濕法擊實試驗數(shù)據(jù)見表5。

表5 K53+500濕法擊實試驗數(shù)據(jù)

圖1 干法擊實曲線

圖2 濕法擊實曲線

從以上實驗數(shù)據(jù)的比較知道，不同的擊實方法獲得的最大干密度和最佳含水量有明顯的差別，表明紅粘土的擊實特性與試樣制備過程中含水率的變化過程關系密切。造成這些不同的原因，從微觀上分析，干法制樣在烘干的過程中，破壞了紅粘土顆粒之間的結構，特別是顆粒之間的膠體也被破壞，極大的改變了紅粘土的特殊性。而濕法制樣僅僅是通過風干等方法降低含水率到一定程度，最大限度的保留了土中膠體物質及內在結構，并且濕法制樣和現(xiàn)場壓實時含水率的降低方法相同，相對來說更接近施工實際情況。

兩種方法在路基壓實的現(xiàn)場測試有很大的差別，比如路基壓實時測得土的干密度為1.58 g/cm3，用濕土法壓實度就是98%，但是用干土法數(shù)據(jù)就變成了96%，而98%才是實際的壓實度。如果用干土法的實驗結果就會給施工造成不必要的浪費。

因此，只有試樣的含水率變化過程與實際施工工藝一致的濕法擊實試驗結果，才能用來評判紅粘土的現(xiàn)場壓實質量，若采用干法擊實試驗獲得的最大干密度控制現(xiàn)場壓實度，將出現(xiàn)壓實良好的填土其檢測壓實度偏低的現(xiàn)象。

根據(jù)廈蓉高速公路寧道段的現(xiàn)場施工經(jīng)驗以及實驗相關數(shù)據(jù)，可知紅粘土路基在使用沖擊夯實時可使壓實度達到98%。在寧道段路基施工中，施工隊伍普遍采取了強夯機。在機械作業(yè)時牽引機帶動壓實機壓實輪滾動，使土體從上部至下部深層隨著壓力波的傳遞得到壓實。壓實輪輪廓以非圓曲線對地表施以揉壓。在施工前先選擇了具有代表性的路段作為試驗段，設置試驗段的目的是對機械的行走速度、影響深度、沉降量、行走遍數(shù)等進行實際分析歸納。對于廈蓉高速紅粘土路基的處理普遍采用25 t機械對深度為1.0 m填方段路基沖碾補壓，4層土體分成5～7遍重復碾壓。通過采用沖擊式壓路機對路基進行沖碾補壓施工，加速路基沉降使路基壓實度得到提高，最大限度地縮短了路基自然沉降的時間，節(jié)省了工期，提高了工作效率，有效地減少了路基的沉降變形。

3.2 路基邊坡穩(wěn)定處置

紅粘土天然含水量較高，土體基本接近飽和狀態(tài)，人工開挖形成邊坡后，坡面紅粘土臨空面附近土體表面隨著時間增長含水量將不斷降低，土顆粒外圍自然水膜變薄，土體失水，土顆粒間拉應力增大，產(chǎn)生土體收縮，進而形成初始裂縫區(qū)。紅粘土發(fā)育區(qū)，路基及邊坡施工應盡量避免在雨季進行，否則必須及時進行有效的防護、排水。初始裂縫的形成使得更深范圍的土體暴露，形成新的自然水膜，水膜形成后依舊接觸外部空氣，水膜變薄，水分向外逐漸轉移。這種反復發(fā)生的過程將使得臨空面土體裂縫進一步加劇，裂縫最終變得更深更寬，土體整體抗剪強度急劇降低，引起紅粘土體向臨空面塌落滑塌。為了穩(wěn)定紅粘土路基邊坡，應保證土體濕潤，防止土體產(chǎn)生失水收縮，必要時采取快速施工、快速封閉，保證紅粘土不發(fā)生失水。

[1]譚羅榮，孔令偉.特殊巖土工程地質學[M］.北京:科學出版社，2006.

[2]吳立堅，鐘發(fā)林，吳昌興，等.高液限土的路用特性研究[J］.巖土工程學報，2003，25(2):193-195.