紅黏土直接填筑路堤的控制指標探討

陳文軒 王保田 董 薇 范 磊

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，南京 210098)

紅黏土直接填筑路堤的控制指標探討

陳文軒1，2王保田1，2董 薇1，2范 磊1，2

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心，南京 210098)

紅黏土是一種特殊的路堤填料．紅黏土的物理性質(zhì)較差，但力學(xué)性質(zhì)比較好．路基施工規(guī)范表明，紅黏土用于直接填筑路堤時，可根據(jù)具體情況適當降低壓實度，但沒有給出明確的控制指標和標準．利用江西紅黏土進行直接填筑的控制指標和壓實度控制標準研究，試驗結(jié)果表明：紅黏土用于直接填筑路堤時，采用加州承載比(CBR)強度、抗剪強度、收縮系數(shù)、體縮率和干濕循環(huán)作用下的壓縮系數(shù)作為控制指標較為合適．本試驗所用江西地區(qū)紅黏土，用作填料在最優(yōu)含水率附近直接填筑時，壓實度可比規(guī)范要求的降低3%．

紅黏土； 直接填筑； 控制指標； 干濕循環(huán)； 壓實度

紅黏土作為一種特殊的土，其天然含水率高、液限高、壓實性差等不良物理性質(zhì)導(dǎo)致了其成為一種不良路堤填料．隨著我國高速公路的不斷建設(shè)和發(fā)展，在穿越紅黏土地區(qū)的道路工程中遇到了不少的紅黏土路基的設(shè)計與施工問題．紅黏土屬于高液限粘土，卻有著優(yōu)于一般高液限土的強度．

劉銀生[1]綜合高液限粘土的抗剪強度參數(shù)、CBR強度、壓縮系數(shù)以及壓實度等指標，分析了能夠?qū)⒏咭合尥林苯佑米髀坊盍系脑u價指標，用來指導(dǎo)現(xiàn)場填筑工作的開展．秦義保等[2]對高液限粘土的壓實特性進行了現(xiàn)場試驗，探討了含水率、擊實功與高液限粘土的穩(wěn)定性和強度的關(guān)系．Quinones[3]進行紅黏土的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗得出，紅黏土的紅土化過程和試驗方法是影響紅黏土壓實的兩個主要因素．Evans[4]通過對某地區(qū)的紅黏土開展研究，得出了該紅黏土的CBR強度隨含水率的變化規(guī)律，并且分析了不同的擊實方法對試樣CBR強度的影響．Graft等[5]指出紅黏土的CBR強度受壓實度和含水率的影響十分明顯．孔令偉等[6]認為紅黏土路基的壓實標準與施工工藝等問題在工程界存在長期的爭議，規(guī)范建議對于高含水率粘性土的壓實問題，可以在強度符合要求的情況下適當降低壓實度，但未提出明確的控制指標和降低標準．談云志等[7]針對湖南郴州地區(qū)的紅黏土，探討了壓實度降低的依據(jù)，給出了建議壓實度降低的標準．

在工程運用中，簡單把高液限土以及膨脹土的研究成果運用到高液限紅黏土的處理當中，勢必會造成浪費．對于地表及附近層的紅黏土，其平均的天然含水率一般接近最優(yōu)含水率[8]，無需改良，直接填筑．但將這些紅黏土用作路基填料時，會發(fā)現(xiàn)土體往往呈團塊狀，表面含水率較低，但土團里面含水率較高，施工時不易破碎，壓實性較差．《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF10-2006)[9]中規(guī)定，路堤采用特殊填料或處于特殊氣候地區(qū)時，壓實度標準根據(jù)試驗路在保證路基強度要求的前提下可適當降低．針對上述問題，比較不同壓實度下紅黏土的CBR強度、抗剪強度、壓縮系數(shù)、脹縮性指標和干濕循環(huán)作用對土體的強度及變形的影響，以此來確定紅黏土用于直接填筑的控制指標以及其壓實度降低的標準．

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

本次試驗所用的紅黏土屬于同江防護區(qū)紅黏土．取樣點位于吉水縣阜田鎮(zhèn)壇上村東南部，屬峽江水利樞紐庫區(qū)防護同江防護區(qū)同南新開河起點位置，屬灰?guī)r地區(qū)殘積紅黏土，呈黃褐色、棕黃色．試驗用紅黏土的物理性質(zhì)指標見表1．

表1 試驗用紅黏土的物理性質(zhì)指標

1.2 試驗方法

本次試驗所用紅黏土經(jīng)濕法重型擊實試驗，得出紅黏土最大干密度為1.80 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.5%．制備含水率為17.8%的紅黏土試樣，在不同壓實度條件下進行浸水CBR試驗、快剪試驗、壓縮試驗、收縮試驗和干濕循環(huán)試驗．

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 浸水CBR試驗

CBR值滿足填筑要求是土料用于路基填筑的必要條件．當初始含水率為17.8%時，在不同壓實度條件下，得到的土樣CBR強度見圖1．分析浸水CBR試驗結(jié)果，對比《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)[10]要求，可知不同壓實度下紅黏土CBR強度，均可滿足規(guī)范對于二級及二級以上公路路堤和三、四級公路下路床以及路堤的填筑要求．

圖1 CBR與壓實度關(guān)系曲線

2.2 快剪試驗

利用初始含水率為17.8%的重塑土樣，配置壓實度分別為93%、91%、89%和87%的環(huán)刀試樣(直徑為61.8 mm，高度為20 mm)．采用應(yīng)變控制式直剪儀對土樣進行快剪試驗，粘聚力隨壓實度變化曲線見圖2，內(nèi)摩擦角隨含水率的變化曲線見圖3．

圖2 粘聚力與壓實度關(guān)系圖

圖3 內(nèi)摩擦角與壓實度關(guān)系圖

由試驗結(jié)果可看出，隨著壓實度降低，重塑紅黏土的粘聚力和內(nèi)摩擦角均有所降低．但即使壓實度降低到87%，土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角仍然較大，抗剪強度仍能滿足路堤邊坡的穩(wěn)定性要求．

2.3 壓縮試驗

利用初始含水率為17.8%的重塑土樣，配置壓實度分別為93%、91%、89%和87%的環(huán)刀試樣(直徑為61.8 mm，高度為20 mm)．對不同壓實度的試樣進行不浸水條件下的壓縮性對比試驗．不浸水的壓縮試驗，采用的方法是直接把試樣放入固結(jié)儀，然后進行壓縮．試驗結(jié)束后，根據(jù)壓縮曲線，計算出壓縮系數(shù)α1-2，如表2所示．

表2 壓縮系數(shù)試驗指標

《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)[10]規(guī)定壓縮系數(shù)大于0.5 MPa-1的紅黏土不可以用于填筑路堤，試驗所用紅黏土在最優(yōu)含水率附近填筑時，即使壓實度降低到87%，仍然可以滿足規(guī)范對土體壓縮性的要求．

2.4 收縮試驗

本次試驗制備初始含水率為17.8%，壓實度分別為93%、91%、89%和87%的4組環(huán)刀試樣(直徑為61.8 mm，高度為20 mm)．根據(jù)試驗得到不同的收縮曲線，計算得到各項收縮特性指標的具體數(shù)值見表3．

表3 脹縮性試驗指標

由表3可以看出，對于重塑的紅黏土，同一初始含水率，不同的壓實度下的試樣，其體縮率、收縮系數(shù)不是固定值．壓實度越低，試樣的體縮率和收縮系數(shù)越大，但縮限的變化不明顯．

2.5 干濕循環(huán)試驗

利用初始含水率為17.8%的重塑土樣，配置不同的壓實度的環(huán)刀試樣進行干濕循環(huán)試驗．

試樣干濕循環(huán)過程為：對備好的環(huán)刀試樣，在室溫下自然風(fēng)干脫濕至預(yù)定含水率(縮限含水率)后，采用常溫下(通常室內(nèi)溫度大約20℃)浸水法直至試樣浸水至穩(wěn)定狀態(tài)(接近飽和狀態(tài))，該過程作為一次干濕循環(huán)．

2.5.1 干濕循環(huán)作用對紅黏土抗剪強度的影響

紅黏土抗剪強度，僅針對壓實度為93%和87%的試樣進行試驗．

由試驗結(jié)果可以得到干濕循環(huán)作用對不同壓實度的紅黏土試樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律，分別見圖4和圖5．

圖4 干濕循環(huán)作用下粘聚力變化曲線

圖5 干濕循環(huán)作用下內(nèi)摩擦角變化曲線

由試驗結(jié)果可以看出，干濕循環(huán)作用會使土體趨于松散，土體抗剪強度降低，且對土體粘聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響，這種作用對淺層紅黏土的強度和變形特性影響較大．

2.5.2 干濕循環(huán)作用對紅黏土壓縮特性的影響

對進行過6次干濕循環(huán)后的不同壓實度的飽和紅黏土試樣，進行壓縮特性對比試驗．根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算壓縮系數(shù)α1-2，如表4所示．

表4 壓縮系數(shù)試驗指標

由表4可以看出，經(jīng)過6次干濕循環(huán)后，土樣的壓縮系數(shù)比初始狀態(tài)的壓縮系數(shù)高很多．《公路路基設(shè)計規(guī)范》 (JTG D30-2015)[10]規(guī)定壓縮系數(shù)大于0.5 MPa-1的紅黏土不得用于填筑路堤，試驗結(jié)果表明壓實度低于89%的情況下，經(jīng)過反復(fù)的晴雨作用后的路基填土，將不能滿足規(guī)范對土體壓縮性的要求．

3 紅黏土填筑的探討

3.1 紅黏土用于直接填筑的控制指標的確定

通過上述試驗，比較不同壓實度條件下紅黏土試樣的CBR強度、抗剪強度、壓縮系數(shù)、收縮特性指標、干濕循環(huán)作用下土體的抗剪強度參數(shù)和壓縮系數(shù)．由試驗結(jié)果可知，紅黏土的CBR強度隨壓實度呈近似線性變化；在最優(yōu)含水率附近的紅黏土試樣，抗剪強度參數(shù)隨壓實度的降低而顯著減小，壓縮系數(shù)隨壓實度的降低而變化不明顯；收縮系數(shù)和體縮率指標隨壓實度的降低而增加；干濕循環(huán)作用下，不同壓實下的飽和紅黏土試樣，粘聚力顯著降低，內(nèi)摩擦角減小的幅度較??；飽和紅黏土的壓縮系數(shù)在干濕循環(huán)作用下顯著增大，隨著壓實度降低，壓縮系數(shù)變大．

根據(jù)這些試驗結(jié)果，建議將CBR強度、抗剪強度、收縮系數(shù)和體縮率、干濕循環(huán)作用下的壓縮系數(shù)這些指標作為紅黏土用于直接填筑的控制指標，這些指標隨壓實度變化比較敏感．土體的CBR強度應(yīng)滿足規(guī)范要求，抗剪強度指標要滿足邊坡穩(wěn)定性要求，土體收縮變形量要滿足工程要求，干濕循環(huán)作用下土體的壓縮系數(shù)宜小于0.5 MPa-1．

3.2 紅黏土路堤填筑壓實度降低標準的確定

本試驗所用江西地區(qū)的紅黏土，在最優(yōu)含水率附近時，可以用于直接填筑二級及二級以上公路路堤和三、四級公路下路床以及路堤，且可以在一定程度上降低壓實度標準．

壓實度降低后，路基土體的強度、壓縮性、收縮特性指標都受到不同程度的影響，土體在干濕循環(huán)作用下的強度和變形變化更為明顯．上述直接填筑的控制指標作為壓實度標準能否降低的依據(jù)是可行的，并可以根據(jù)影響程度來確定壓實度降低的界限值．

因此對于試驗所用的江西地區(qū)的紅黏土，填筑含水率控制在最優(yōu)含水率附近時，采用直接填筑的控制指標填筑路堤時，壓實度臨界值為89%，故取壓實度為90%，即壓實度可降低3%．

4 結(jié) 論

1)本試驗所用江西地區(qū)紅黏土，在最優(yōu)含水率附近直接填筑時，強度很大，壓縮性很小，依據(jù)規(guī)范要求，可作為填料直接用于填筑二級及二級以上公路路堤和三、四級公路下路床以及路堤．

2)通過干濕循環(huán)試驗得知，干濕循環(huán)作用會使土體趨于松散，土體抗剪強度降低，對土體粘聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響，這種作用對淺層紅黏土的強度和變形特性影響較大；干濕循環(huán)作用下，土體的壓縮特性受到顯著的影響，壓縮系數(shù)明顯增大．路堤填筑宜選擇在旱季連續(xù)施工，不能連續(xù)施工時應(yīng)在路基頂面及時作封蓋處理．

3)本試驗所用江西地區(qū)紅黏土，建議采用CBR強度、抗剪強度、收縮系數(shù)、體縮率和干濕循環(huán)作用下的壓縮系數(shù)作為判斷是否適用于直接填筑的控制指標．

4)提出了紅黏土路堤填筑壓實控制標準的具體值：本試驗所用江西地區(qū)紅黏土，在最優(yōu)含水率附近用作填料直接填筑時，壓實度可比規(guī)范要求的降低3%．

[1] 劉銀生．高液限粘土適于直接填筑分類指標研究[J]．公路工程，2004，29(1)：59-60．

[2] 秦義保，蘇 震．高液限粘土路基填筑的可行性研究[J]．廣西交通科技，2001，26(2)：67-69．

[3] Quinones P J. Compaction Characteristics of Tropically Weathered Soils[D]． Urbana Champaign： University of Illinois,1963．

[4] Evans E A. A Laboratory Investigation of Six Lateritic Gravels from Uganda[J]． Britsh Road Reserch Laboraty, Note, 1958, 3241：20．

[5] De Graft-Johnson, J.W.S.Bhatia, H. S.Gidigasu, M.D. The Engineering Characteristics of a Lateritic Residual Clay of Ghana for Earthdam Construction[A]．Symposium Earth Rockfill Dams[C].1968(1)：94-107．

[6] 孔令偉，陳正漢. 特殊土與邊坡技術(shù)發(fā)展綜述[J]．土木工程學(xué)報，2012(5)：141-161．

[7] 談云志，孔令偉，郭愛國,等. 紅黏土路基填筑壓實度控制指標探討[J]．巖土力學(xué)，2010，31(3)：851-855．

[8] 楊和平，鄭健龍，劉龍武. 高液限紅粘土路用性能研究[C]//全國公路科技創(chuàng)新高層論壇.2002．

[9] 中華人民共和國交通部.公路路基施工技術(shù)規(guī)范(JTGF10-2006)[S]．北京：人民交通出版社,2006．

[10] 中華人民共和國交通運輸部.公路路基設(shè)計規(guī)范(JTG D30-2015)[S]．北京：人民交通出版社,2015．

[責(zé)任編輯 王康平]

Discussion on Different Indices of Embankment Filled with Laterite Directly

Chen Wenxuan1，2Wang Baotian1，2Dong Wei1，2Fan Lei1，2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics & Embankment Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 2. Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

Laterite is a special embankment filling. The physical properties of laterite is poor; but the mechanical properties are better. There are clearly states in the technical specification of highway subgrades that it can decrease the compactness according to particular case by using laterite filling embankment directly; but it did not state clear compaction control standards. By using the laterite of Jiangxi Province, direct filling and compaction control standards are discussed. The test results show that the california bearing ratio(CBR) strength, shear strength, shrinkage, volume shrinkage coefficient and compressibility under the action of wetting and drying cycle can be used as the control indices for laterite. The laterite from Jiangxi province that used in this test, is used as a filler in the direct vicinity of the optimum moisture content filling, the compactness compared to regulatory requirements reduces by 3%.

Laterite; direct filling; different indices; wetting and drying cycle; compactness

2016-08-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費項目“卸荷條件下非貫通節(jié)理特征敏感性分析”(2016B43014)

陳文軒(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為軟土地基處理．E-mail：52769372@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.014

TU441.2

A

1672-948X(2017)02-0065-04