贛南花崗巖殘積土基本物理特性與路用性能研究

田朋飛，簡(jiǎn)文星，宋 治，蔣天嬌，林雨秋

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

我國(guó)東南地區(qū)花崗巖出露較多，經(jīng)過(guò)多年的風(fēng)化作用，常在地表形成厚層狀乃至巨厚層的風(fēng)化土層。由于母巖性質(zhì)與風(fēng)化程度的差異，花崗巖殘積土外觀一般呈黃褐色至紅褐色，既具有黏性土的一般特性，又具有粗粒土的某些特性[1]。我國(guó)南方地區(qū)鐵路、公路、市政等各類工程建設(shè)中經(jīng)常遇到花崗巖殘積土的處治問題，其結(jié)構(gòu)性明顯且物理力學(xué)指標(biāo)空間變異性大，具有卸荷易崩解、遇水易軟化等特點(diǎn)[2]，往往給工程建設(shè)特別是線性工程帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。郭林坪[3]、陳秋南[4]、孫銀磊[5]、肖晶晶[6]、戴繼[7]等對(duì)廈門、湖南、廣州、深圳、海南等地花崗巖殘積土的粒徑組成、結(jié)構(gòu)特征與力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行了深入研究。結(jié)果表明，花崗巖殘積土的顆粒級(jí)配與結(jié)構(gòu)特征對(duì)其壓縮特性、崩解特性及剪切特性等具有顯著影響，從而導(dǎo)致其工程性質(zhì)的地區(qū)性差異，工程建設(shè)中需要結(jié)合區(qū)域特征及土樣試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其進(jìn)行合理的處治與利用。

贛南山區(qū)位于江西省南部，區(qū)內(nèi)濕熱多雨，花崗巖廣泛出露，風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈，是江西花崗巖殘積土的主要分布區(qū)。贛南地勢(shì)廣闊，區(qū)內(nèi)多條公路的新建、改擴(kuò)建還在陸續(xù)進(jìn)行，與東南沿海地區(qū)花崗巖殘積土大量試驗(yàn)成果及工程實(shí)踐相比，目前針對(duì)贛南地區(qū)花崗巖殘積土路用性能及路基填筑問題的系統(tǒng)研究尚少。為獲取贛南花崗巖殘積土的基本路用性能，解決區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土的合理利用問題，本研究依托贛南安遠(yuǎn)至定南段高速公路項(xiàng)目，采用資料統(tǒng)計(jì)分析、室內(nèi)試驗(yàn)以及野外調(diào)研等手段，獲取贛南不同類型花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)特性及路用性能，提出區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土處治利用原則與路基填筑方案。相關(guān)成果可為贛南乃至我國(guó)南方地區(qū)花崗巖殘積土填料的合理處治利用以及路基病害防治提供重要的技術(shù)參考。

1 花崗巖殘積土成因

贛南地形地貌以山地、丘陵和盆地為主，其中山地和丘陵區(qū)域占該區(qū)總面積的83%。該區(qū)位于我國(guó)亞熱帶南部地區(qū)，屬于夏季高溫多雨，冬季干燥少雨的亞熱帶季風(fēng)氣候。據(jù)贛南安遠(yuǎn)至定南段高速公路項(xiàng)目勘察、施工及運(yùn)營(yíng)期間的降雨量統(tǒng)計(jì)結(jié)果(2014—2018年)，區(qū)內(nèi)暴雨頻繁，月降雨量最高可達(dá)570 mm(2015年5月)，雨季主要集中在每年的4—6月份，且春夏兩季的累計(jì)降雨量可占整年降雨量的近80%。

贛南花崗巖主要為加里東期花崗巖和燕山期花崗巖，其中加里東期花崗巖以富斜花崗巖、中-粗粒斜長(zhǎng)花崗巖為主，燕山期花崗巖則以黑云母花崗巖、二長(zhǎng)花崗巖以及二云母花崗巖為主。區(qū)內(nèi)花崗巖主要礦物成分為石英、鉀長(zhǎng)石和酸性斜長(zhǎng)石，由于石英和長(zhǎng)石膨脹系數(shù)相差近一倍，且該地區(qū)地處中亞熱帶南緣，氣溫較高，巖石內(nèi)往往滋生很多裂隙，無(wú)疑為花崗巖的物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化提供了良好的侵入渠道。野外調(diào)研發(fā)現(xiàn)，贛州南部縣區(qū)的花崗巖殘積土最為發(fā)育，區(qū)內(nèi)雨量十分充沛，溪水密布，河流縱橫，形成了良好的地表徑流和地下徑流條件，地表或接近地表的花崗巖在溫度變化、水分、大氣及生物的作用下產(chǎn)生物理和化學(xué)變化，往往在低山、丘陵地貌中形成巨厚層狀的紅褐色殘積土風(fēng)化層。

2 基本物理特性

2.1 粒度特征及礦物成分

選取贛州南部縣區(qū)10處花崗巖殘積土發(fā)育較好的地點(diǎn)進(jìn)行取樣，包括信豐縣(1，2，4號(hào)取樣點(diǎn))、龍南縣(3號(hào)取樣點(diǎn))、尋烏縣(5號(hào)取樣點(diǎn))與定南縣(6～10號(hào)取樣點(diǎn))，取樣深度為0.5～2 m。

2.1.1粒度特征與分類

采用篩析法和密度計(jì)法聯(lián)合測(cè)定各花崗巖殘積土土樣的粒度成分，測(cè)試結(jié)果見圖1。

圖1 贛南花崗巖殘積土的粒徑分布曲線圖Fig.1 Particle size distribution curves of granite residual soil in Southern Jiangxi Province

由圖1可以看出，各取樣點(diǎn)花崗巖殘積土的粒度特征差異明顯。如4號(hào)點(diǎn)的細(xì)礫含量約為30%，1，2號(hào)點(diǎn)土樣不含細(xì)礫；2號(hào)點(diǎn)的黏粒含量高達(dá)25%，而9號(hào)點(diǎn)的黏粒含量?jī)H為5.5%。顆粒級(jí)配往往是殘積土力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵影響因素[8]，部分粗粒土中、細(xì)砂含量較少，粒度組成呈現(xiàn)“兩頭多、中間少”的不良級(jí)配特征，不利于施工壓實(shí)；各取樣點(diǎn)處花崗巖殘積土的粗粒和細(xì)粒含量都很多，且有7處花崗巖殘積土的粗粒質(zhì)和細(xì)粒質(zhì)量同時(shí)超過(guò)了土樣全部質(zhì)量的40%，區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土將同時(shí)具有黏性土與粗粒土力學(xué)特征。

由于地域分布與工程建設(shè)要求的差異，我國(guó)的花崗巖殘積土按照工程性質(zhì)、區(qū)域特征等存在多種分類方法[9]。本研究根據(jù)上述花崗巖殘積土粒度特征的分析結(jié)果，考慮到各采樣點(diǎn)土樣均同時(shí)含有較多的粗顆粒和細(xì)顆粒成分，因此可參照公路工程領(lǐng)域廣泛使用的《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)推薦方法[10]，將贛南花崗巖殘積土定名為黏性土(1、2號(hào)取樣點(diǎn))、砂質(zhì)黏性土(3，7，9，10號(hào)取樣點(diǎn))和礫質(zhì)黏性土(4，5，6，8號(hào)取樣點(diǎn))。

2.1.2礦物成分

獲取贛南地區(qū)3種類型的花崗巖殘積土的代表性土樣，利用X射線衍射儀對(duì)每種試驗(yàn)樣品進(jìn)行3組掃描，根據(jù)X射線粉晶衍射圖可以得到花崗巖殘積土的主要礦物成分含量，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同類型花崗巖殘積土的礦物成分Fig.2 Mineral composition of different types of granite residual soil

從圖2可以看出，贛南花崗巖殘積土的主要礦物成分為石英以及高嶺石、伊利石等黏土礦物，與閩、粵地區(qū)相比，高嶺石含量稍少，風(fēng)化程度稍低。黏性土中黏土礦物(高嶺石與伊利石)含量最高，平均含量達(dá)到了80%；礫質(zhì)黏性土中石英礦物含量則相對(duì)較高，平均含量約為38.5%?？傮w來(lái)看，各類土樣中的黏土礦物的含量均超過(guò)60%，而花崗巖殘積土中的黏土礦物普遍存在浸水膨脹、崩解與失水干縮等特點(diǎn)[2]，填料的含水情況將對(duì)其路用工程特性造成較大影響。

2.2 結(jié)構(gòu)特征

2.2.1宏觀結(jié)構(gòu)

不同類型花崗巖殘積土樣品的顏色、顆粒粗細(xì)和原生結(jié)構(gòu)(孔隙)特征如下：

黏性土土樣均呈紅棕色，顆粒細(xì)，肉眼可見少量細(xì)小石英顆粒嵌擠在土體中，具有紅黏土的表觀特征；土顆粒之間黏結(jié)性較好，呈團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)，用手搓揉土塊土顆粒不易剝落，但切削過(guò)程中有掉塊現(xiàn)象，土體內(nèi)部存在部分微裂隙。

砂質(zhì)黏性土樣品呈棕褐色，顏色較深，肉眼可見煙灰色石英與云母，顆粒大小不一，呈斑狀結(jié)構(gòu)；土體中可見大量風(fēng)化嚴(yán)重的長(zhǎng)石顆粒，用手可揉搓為粉末；土樣整體上表現(xiàn)得較為松散，但部分土塊黏聚較好，呈明顯的砂性與黏性復(fù)合特征。

礫質(zhì)黏性土樣品呈棕黃色，肉眼可見大量的石英顆粒嵌擠在土體中，顆粒粗細(xì)分布不均，部分石英顆粒較粗，達(dá)到5 mm及以上，具有粗碎屑結(jié)構(gòu)；偶見長(zhǎng)石顆粒，但受風(fēng)化作用影響明顯，用手搓揉變?yōu)榉勰?；原生孔隙較多且貫通性強(qiáng)，表面顆粒易剝落，手可捏碎。

2.2.2微觀結(jié)構(gòu)

利用超高分辨掃描透射電子顯微鏡對(duì)花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，獲得3類贛南花崗巖殘積土的微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中3(a)，(c)，(e)為放大1 000倍電鏡圖片，3(b)，(d)，(f)為放大2 000倍電鏡圖片。

圖3 不同類型花崗巖殘積土的SEM圖片F(xiàn)ig.3 SEM images of different types of granite residual soil

由SEM試驗(yàn)結(jié)果可知，黏性土的高嶺石疊聚體往往被大量的膠結(jié)物質(zhì)所包裹，其上附著少數(shù)微碎屑顆粒，整體表現(xiàn)為凝塊狀結(jié)構(gòu)(圖3(a))，凝塊間以面-面接觸和邊-邊接觸的形式緊密排列在一起，較為致密，僅含少量的孔隙和裂隙，且孔隙貫通性較差，多被膠結(jié)物質(zhì)所填充(圖3(b))。

砂質(zhì)黏性土中以粉粒居多，膠結(jié)物質(zhì)有所減少，微裂隙已較為明顯(圖3(c))。圖中層次明顯的絲縷狀物質(zhì)初步判斷為伊利石與高嶺石，二者構(gòu)成的疊聚體以混層的形式構(gòu)成較大的團(tuán)聚體，表現(xiàn)為團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體含較多孔隙和裂隙，其上還附著有一些微碎屑顆粒(圖3(d))。

礫質(zhì)黏性土中高嶺石礦物薄片相對(duì)較小，其構(gòu)成的疊聚體呈團(tuán)片狀(圖3(e))，但疊聚體內(nèi)部存在明顯的孔隙，推測(cè)為溶蝕形成的微孔隙；片狀的高嶺石疊聚體則以面-面接觸的形式堆疊在一起，形成大量的架空孔隙。整體上來(lái)看，礫質(zhì)黏性土的土顆粒表現(xiàn)出蜂窩狀結(jié)構(gòu)，含有大量的細(xì)微孔隙，貫通性良好，結(jié)構(gòu)松散(圖3(f))。

結(jié)合其他地區(qū)花崗巖殘積土的SEM試驗(yàn)成果分析可知[4,11]，贛南地區(qū)花崗巖殘積土中的黏性土與廣州地區(qū)花崗巖殘積土較為類似，風(fēng)化程度高、結(jié)構(gòu)致密；而贛南分布最為廣泛的砂、礫質(zhì)黏性土與湖南地區(qū)相近，風(fēng)化程度稍低，具有明顯的疊層狀與蜂窩狀的微觀結(jié)構(gòu)，連通性好，易于崩解。

花崗巖殘積土的工程性質(zhì)的特殊性主要體現(xiàn)在浸水飽和及應(yīng)力變化條件下顆粒迅速崩解與強(qiáng)度的急劇衰減，而土樣“結(jié)構(gòu)性”的破壞正是這種特殊性的根源[7,12]。贛南不同類型花崗巖殘積土的宏、微觀結(jié)構(gòu)均存在明顯差異，不僅影響其原狀樣的破壞模式，也會(huì)引起重塑樣的應(yīng)力應(yīng)變特性[6]，在工程建設(shè)中需要根據(jù)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分類研究與處治。

3 路用性能

根據(jù)路基設(shè)計(jì)規(guī)范[13]對(duì)填料性質(zhì)的規(guī)定及路基填筑實(shí)踐，一般認(rèn)為花崗巖殘積土路用性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)為天然含水率、擊實(shí)性能與CBR強(qiáng)度。同時(shí)，也應(yīng)考慮花崗巖殘積土崩解性對(duì)其路用工程性質(zhì)的重要影響。

3.1 天然含水率

根據(jù)贛南安遠(yuǎn)至定南段高速公路勘察報(bào)告提供的基本物理力學(xué)指標(biāo)，按取樣先后順序進(jìn)行編號(hào)，將其中150余組土樣的天然含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理，形成圖4。

從圖4可以看出，不同類型的花崗巖殘積土，其天然含水率存在明顯差異，但大多處于20%～30%之間。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，152組土樣的天然含水率均值為25.04%，且近半數(shù)土樣天然含水率高于25%，而花崗巖殘積土的最優(yōu)含水率一般在10%～22%，即多數(shù)天然狀態(tài)的花崗巖殘積土施工時(shí)將難以壓實(shí)，需要采取相應(yīng)的處治措施。

以上含水率指標(biāo)未將土樣進(jìn)行分類，為獲取不同類型花崗巖殘積土天然含水情況及其他物理性質(zhì)指標(biāo)的差異，將贛州南部10處取樣點(diǎn)土樣的天然物理性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試與統(tǒng)計(jì)，見表1。

表1 不同類型花崗巖殘積土的天然物理性質(zhì)指標(biāo)

從表1可以發(fā)現(xiàn)，黏性土的天然含水率均在25%以上，滲透性能差，具有紅黏土特征；而砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土，由于結(jié)構(gòu)松散，天然密度相對(duì)較小，孔隙度與飽和滲透系數(shù)較大。風(fēng)化程度相對(duì)較低的砂、礫質(zhì)殘積土的土骨架間孔隙較多，表現(xiàn)出較大的孔隙度與飽和滲透系數(shù)，這兩類填料的雨水疏排性能較好，天然含水率明顯低于黏性土。

3.2 擊實(shí)性能

室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)均采用濕法風(fēng)干制樣，按照標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以獲取其最優(yōu)含水率與最大干密度，結(jié)果見表2。

由表2可知，不同類型的花崗巖殘積土的天然含水率與原狀樣的孔隙度有明顯差異。黏性土有著較高的天然含水率，呈凝塊結(jié)構(gòu)，擊實(shí)效果最差；礫質(zhì)黏性土的土體骨架呈蜂窩狀，孔隙大、貫通性好，天然含水率低且疏水效果明顯，擊實(shí)效果較好，最優(yōu)含水率最低；砂質(zhì)黏性土的天然含水率與孔隙特征介于以上二者之間，但顆粒級(jí)配較好，得到的最大干密度接近于礫質(zhì)黏性土。

根據(jù)路基設(shè)計(jì)要求[13]及填筑實(shí)踐，一般要求填料的含水率控制在最優(yōu)含水率±2%左右(粗粒土可據(jù)實(shí)際填筑情況控制在±3%～±5%)，可以達(dá)到較好的壓實(shí)效果。天然狀態(tài)下，黏性土與砂質(zhì)黏性土均無(wú)法達(dá)到填筑要求，需要采取處治措施；而礫質(zhì)黏性土只需機(jī)械翻拌后即可用于填筑。需要注意的是，部分礫質(zhì)黏性土與砂質(zhì)黏性土級(jí)配較差，過(guò)度碾壓將引起土樣結(jié)構(gòu)損傷，路肩部分的砂、礫質(zhì)填料容易松散，反而引起壓實(shí)度降低，施工時(shí)要注意壓實(shí)效果的實(shí)時(shí)檢測(cè)；黏性土達(dá)到某一壓實(shí)效果(高于90%壓實(shí)度)后，繼續(xù)增大壓實(shí)遍數(shù)，其內(nèi)摩擦角、黏聚力、承載能力等基本無(wú)變化[14]，因此可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整黏性土壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 不同類型花崗巖殘積土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 CBR強(qiáng)度

CBR強(qiáng)度反映了路基填料在局部荷載作用下的承載能力，路基填料適宜性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。徐立紅等[15]對(duì)贛南安遠(yuǎn)至定南段高速沿線30處花崗巖殘積土進(jìn)行了最優(yōu)含水率條件下的CBR強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明：(1)壓實(shí)度為93%時(shí)，CBR值小于4%的土樣占試樣總數(shù)的78.56%；(2)壓實(shí)度為94%時(shí)，CBR值位大于4%的占試樣總數(shù)的78.58%，其中CBR值位于4%～6%的土樣占試樣總數(shù)的57.14%；(3)壓實(shí)度為96%時(shí)，所有土樣的CBR值均大于5%，但僅有28.58%的土樣CBR值超過(guò)8%。

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，在最佳含水率狀態(tài)下的花崗巖殘積土大多可用于路堤以及下路床的填筑，但無(wú)法滿足高等級(jí)公路上路床填料的要求。填料翻曬條件是南方多雨地區(qū)路基施工質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素[16]，然而由于氣象條件及工程進(jìn)度的限制，贛南路基填料多在天然含水率附近填筑，因此應(yīng)當(dāng)考慮填料在實(shí)際填筑含水率下的CBR強(qiáng)度。利用CBR-1型承載比試驗(yàn)儀，分別測(cè)試了3種類型花崗巖殘積土在天然含水率附近的CBR強(qiáng)度，見表3。

表3 天然含水率下花崗巖殘積土CBR強(qiáng)度

從表3可以看出，在天然含水率附近將土樣充分擊實(shí)后，礫質(zhì)黏性土的CBR均值仍有5.4%，可用于路堤及下路床填筑；砂質(zhì)黏性土的CBR強(qiáng)度均值僅為2.2%，處治后方可用于路堤填筑；而天然含水率下的黏性土在擊實(shí)及貫入過(guò)程中有明顯的“彈簧”現(xiàn)象，具有典型的高液限紅黏土特征[15]。

總體而言，礫質(zhì)黏性土的路用性能較好，機(jī)械翻拌后即可直接填筑；而天然狀態(tài)下的砂質(zhì)黏性土與黏性土則應(yīng)采取相應(yīng)的處治措施。但部分含水率過(guò)高、CBR值較低的部分黏性土，填筑壓實(shí)困難，承載能力與水穩(wěn)能力較差且處治代價(jià)較大，不宜用于路基填筑。

3.4 崩解特性

為獲取贛南不同類型花崗巖殘積土崩解特性及其差異，制備3種類型的花崗巖殘積土在天然含水率附近的重塑樣品，分別在室內(nèi)使用靜水崩解試驗(yàn)儀器進(jìn)行崩解性能測(cè)試。試驗(yàn)以破碎土樣能否通過(guò)底部金屬網(wǎng)板作為崩解的標(biāo)準(zhǔn)，以試樣的重量損失率作為崩解率指標(biāo)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 花崗巖殘積土崩解時(shí)間-崩解率關(guān)系曲線Fig.5 Curves of disintegration time vs. disintegration rate of granite residual soil

從圖5中可知，在天然含水率附近3類花崗巖殘積土均有明顯的浸水崩解性。其中，黏性土完全崩解所用時(shí)間最長(zhǎng)，約17 min；砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土由于黏土礦物含量相對(duì)較少，土顆粒黏聚能力稍差，分別在10 min與7 min左右達(dá)到完全崩解；試樣崩解過(guò)程中均伴隨有明顯的氣泡產(chǎn)生，浸水時(shí)間達(dá)3 min后，氣泡逐漸停止。

結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象認(rèn)為，贛南花崗巖殘積土的崩解多為裂隙擴(kuò)張引起的崩解。土樣細(xì)微孔隙吸附效應(yīng)強(qiáng)，當(dāng)土體浸沒在水中時(shí)，水分會(huì)以較快的速度被吸入孔隙中，對(duì)土骨架進(jìn)行壓迫形成超張應(yīng)力，致使土體中原結(jié)構(gòu)缺陷發(fā)生擴(kuò)張進(jìn)而引起試樣崩解?？紤]到贛南近年來(lái)較多持續(xù)強(qiáng)降雨氣象特點(diǎn)，在花崗巖殘積土路基填筑及坡面防護(hù)中，均應(yīng)高度重視填料長(zhǎng)時(shí)間浸水崩解引起的坡面沖刷及滑塌問題。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)填筑效果

為考慮路基填料的實(shí)際壓實(shí)情況，分別選取3處試驗(yàn)路段研究礫質(zhì)黏性土(ω=20.1%)、砂質(zhì)黏性土(ω=25.2%)以及黏性土(4%水泥改良)的壓實(shí)情況。試驗(yàn)路段長(zhǎng)100 m，寬3 m，單層松鋪厚度20 cm；碾壓機(jī)具重22 t，速度2.07 km/h，激振力為351 kN，壓實(shí)效果如圖6所示。此外，經(jīng)8遍振動(dòng)碾壓后，礫質(zhì)黏性土、砂質(zhì)黏性土以及改良黏性土路基的實(shí)測(cè)CBR均值分別為8.7%，3.4%和31.5%。

圖6 花崗巖殘積土壓實(shí)效果Fig.6 Compaction effect of granite residual soil

此外，由測(cè)試結(jié)果可知，填料壓實(shí)度整體上隨碾壓遍數(shù)逐漸增大。礫質(zhì)黏性土在振動(dòng)碾壓下填筑效果較好，實(shí)測(cè)CBR值符合要求，因此實(shí)際填筑含水率適當(dāng)放寬；天然含水率過(guò)高的砂質(zhì)黏性土現(xiàn)場(chǎng)填筑效果很差，填筑使用時(shí)必須采取翻曬或改良措施；路用性能較差的黏性土經(jīng)無(wú)機(jī)結(jié)合料改良后，強(qiáng)度較高且壓實(shí)均勻性較好，表明摻拌無(wú)機(jī)結(jié)合料能有效處治路基過(guò)濕土問題。

由填料的室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)結(jié)果可知，不同類型花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)及路用性能差異較大，應(yīng)進(jìn)行分類研究與利用；天然狀態(tài)下部分填料強(qiáng)度不足、水穩(wěn)性不佳，容易引發(fā)路基病害，填筑時(shí)須采取相應(yīng)的處治方案。

4 路基病害與填料處治

4.1 常見路基病害

贛南溝壑縱橫，填方路段較多，受降雨因素影響，部分路段填料的實(shí)際填筑含水率高于最優(yōu)含水率，路基強(qiáng)度不足。在降雨等因素影響下，少數(shù)路基出現(xiàn)路床開裂、坡面沖刷甚至淺層滑塌等病害。結(jié)合區(qū)內(nèi)類似公路的水毀情況調(diào)查以及路基修筑初期的工程實(shí)踐，可將主要的路基病害概括如下：

(1)坡面沖刷破壞：路基邊坡沖刷失穩(wěn)破壞多從坡腳附近開始[17]，且多發(fā)生在壓實(shí)不足的砂質(zhì)填料層。砂質(zhì)填料孔隙度大、黏聚力差且級(jí)配不良，含水率較高時(shí)壓實(shí)困難，往往在坡體邊緣形成欠壓實(shí)區(qū)。加之路基填筑初期排水設(shè)施不完善，雨水向低洼處聚集，在坡面薄弱部位形成面蝕，且底部水流能量更大，小沖溝連接成片，導(dǎo)致大面積沖刷破壞，某路基的沖刷破壞如圖7(a)、(b)所示。

圖7 填方路基坡面沖刷破壞Fig.7 Erosion failure of filled subgrade slope

(2)路床開裂及淺層滑移破壞：砂質(zhì)黏性土與黏性土中黏土礦物含量高，具有浸水崩解及強(qiáng)度軟化的特點(diǎn)。在未鋪筑路面的路床表層，細(xì)?；◢弾r殘積土填料經(jīng)連續(xù)的干濕循環(huán)后，容易形成淺層裂縫，并隨雨水的侵蝕不斷擴(kuò)大。持續(xù)降雨期間，開裂后的路床將進(jìn)一步向下潛蝕，雨水在裂縫底部浸潤(rùn)聚集，推動(dòng)壓實(shí)度不足的路肩填土層，沿軟化后的界面垮塌，在路基邊緣形成小規(guī)模的淺層滑移破壞，其病害情況如圖8(a)、(b)所示。

圖8 路基開裂及滑移破壞Fig.8 Cracking and slip failure of subgrade

(3)路基不均勻沉降破壞：路基不均勻沉降破壞可分為縱向與橫向不均勻沉降。差異沉降大小與填土類型、填方厚度、壓實(shí)程度等因素有關(guān)；含水率較高的黏性土填料往往會(huì)加劇路基的塑性變形且不利于路基整體的變形穩(wěn)定[18]，厚層黏性土填筑路段為路基縱向不均勻沉降的易發(fā)區(qū)。

4.2 填料處治與填筑方案

4.2.1填料處治原則

根據(jù)高等級(jí)公路不同層位對(duì)填料性質(zhì)的要求，并結(jié)合填料路用性能試驗(yàn)成果以及路基病害成因的分析結(jié)果，可對(duì)贛南不同類型的花崗巖殘積土填料采取相應(yīng)的處治原則，見表4。

表4 贛南花崗巖殘積土處治與利用方案

4.2.2路基填筑方案

多雨地區(qū)花崗巖殘積土路基病害防治僅靠填料路用性能的改良是不夠的，還需結(jié)合區(qū)域氣象特點(diǎn)及路基病害成因，及時(shí)調(diào)整路基的填筑方案，并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，具體如下：

(1)坡面沖刷防護(hù)：①排水溝與坡面防護(hù)骨架應(yīng)在路基填筑成型后盡快協(xié)調(diào)施工，避免坡面沖刷侵蝕的大規(guī)模發(fā)展；②路基填筑時(shí)及時(shí)清理路肩邊緣及坡面處的松散填料，刷坡時(shí)保證坡面平整度，避免出現(xiàn)匯水坑槽；③坡面耕植土換填時(shí)應(yīng)清方整平，并盡量在春季或初夏進(jìn)行，避開連續(xù)降雨時(shí)節(jié)。

(2)淺層路基處治：①建議陡坡填方路基與填挖交界段均應(yīng)使用碎石盲溝，設(shè)置于下路床地面，必要時(shí)包裹透水土工布；②花崗巖殘積土路基在干濕循環(huán)下具有強(qiáng)崩解性，雨季填筑路基時(shí)，如路面無(wú)法及時(shí)鋪筑，上路床填土層均使用無(wú)機(jī)結(jié)合料改良；③路肩部分多為滑塌易發(fā)區(qū)，施工時(shí)要特別注意路肩壓實(shí)控制，同時(shí)也要避免砂土超壓；④當(dāng)坡頂?shù)孛娉霈F(xiàn)開裂時(shí)，要及時(shí)記錄其深度、連通性以及充水情況，并及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

(3)不均勻沉降防治：①高填路段填筑時(shí)除振動(dòng)碾壓外，應(yīng)分層沖擊碾壓，分層厚度不應(yīng)超過(guò)2 m；②差異沉降嚴(yán)重的橋臺(tái)錐坡及臺(tái)背過(guò)渡段盡量采用石渣或碎石土填筑，并執(zhí)行96區(qū)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)；③半挖半填、填挖交界路槽必須向下超挖1 m以上，并采用2～3層土工格柵加固；④高液限土用于路基填筑時(shí)，必須使用無(wú)機(jī)結(jié)合料改良，并且填筑高度不宜大于5 m；⑤土石混填路堤在低于路床0.5 m處應(yīng)使用符合路床要求的填料，并按96區(qū)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)填筑。

結(jié)合填料分類處治利用方法，將路基填筑方案改進(jìn)并用于后續(xù)填筑實(shí)踐中，以上多種病害均得到了有效緩解，實(shí)現(xiàn)了路基施工的順利推進(jìn)以及路基在持續(xù)降雨下的安全穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本研究對(duì)贛南地區(qū)廣泛分布的花崗巖殘積土的結(jié)構(gòu)特征、路用性能及路基病害等問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)贛南山區(qū)氣候濕熱、溪流密布，各類花崗巖殘積土分布廣泛，且均含有較多的黏土礦物；根據(jù)粒度特征，可將區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土分為黏性土、砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土。

(2)黏性土、砂質(zhì)黏性土與礫質(zhì)黏性土宏觀形貌差異明顯，且微觀上分別具有凝塊結(jié)構(gòu)、團(tuán)聚結(jié)構(gòu)與蜂窩狀結(jié)構(gòu)。填料粒徑組成與結(jié)構(gòu)特征決定了填料顆粒間的接觸方式、孔隙特征及雨水的滯排效果，并直接導(dǎo)致了其天然含水率、擊實(shí)效果、CBR強(qiáng)度及崩解特性的差異。

(3)天然狀態(tài)下，礫質(zhì)黏性土的擊實(shí)效果較好、試驗(yàn)路段實(shí)測(cè)CBR強(qiáng)度較高，而砂質(zhì)黏性路用性能不佳，需采取相應(yīng)處治措施；過(guò)濕黏性土經(jīng)摻和水泥改良后，整體填筑效果較好，表明無(wú)機(jī)結(jié)合料能有效處治路基過(guò)濕土問題。

(4)區(qū)內(nèi)花崗巖殘積土路基病害多與降雨情況及填料性質(zhì)有關(guān)，主要?jiǎng)澐譃槠旅鏇_刷破壞、路床開裂與淺層滑移破壞，以及路基不均勻沉降破壞。針對(duì)區(qū)域特點(diǎn)的填料分類處治利用方法與路基填筑方案的改進(jìn)可有效緩解以上多種路基病害。