強風化粉砂巖路用性能與壓實技術(shù)

皮 亮，吳玉財，羅軍淇

(廣東紫惠高速公路有限公司，廣州 510100)

0 概述

廣東省紫惠高速公路起點位于河源市紫金縣瓦溪鎮(zhèn)，對接河惠莞高速公路龍川至紫金段，終點位于惠州市惠陽區(qū)平潭鎮(zhèn)，與廣惠高速公路相接。項目區(qū)基巖主要為下侏羅系藍塘群粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖、泥巖、炭質(zhì)巖及其互層。藍塘群巖石多屬極軟巖，遇水極易崩解、軟化，局部軟巖有一定的膨脹性。由于該類軟巖在項目區(qū)廣泛存在，若采取大范圍棄土后借方，或采取摻雜水泥或石灰改良措施勢必增加較大工程費用，且大量棄方也將占用大批山林田地，對自然生態(tài)環(huán)境造成破壞。為控制工程造價，同時踐行“綠色公路”設計理念，土石方采取就地利用的方式，以路塹開挖土石方作為主要的路堤填料。因此，如何合理利用軟巖進行路堤填筑成為項目建設過程中亟需解決的問題。

軟巖在我國分布十分廣泛，但《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30-2015)和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG /T3610-2019)中，軟巖填料的使用受到嚴格限制。隨著我國高速鐵路和公路不斷快速發(fā)展，如何合理地利用軟巖進行路基填筑成為工程技術(shù)人員普遍關注的問題,國內(nèi)外學者并就如何利用軟巖填料填筑路堤進行了一系列研究。馮宗禹[1]等對軟巖作填料標準及改善處理問題進行了研究。方燾[2]等對軟巖路基的壓實特性進行研究分析，得出了軟巖路基的最佳含水量、最大干密度以及孔隙率與粗顆粒含量之間的關系。韋生根[3]依托貴州仁赤高速公路，對紅層軟巖的壓實措施進行了現(xiàn)場試驗和分析，并提出合適的紅層軟巖填方壓實措施。曾憲端[4]進行了室內(nèi)、室外紅層泥巖的碾壓特性試驗。劉新喜[5]等通過對強風化軟巖壓實特性試驗研究表明，強風化軟巖填料的承載比(CBR值)隨壓實度的增大而增大，該填料具有良好的壓實性能。向貴府[6]等針對昔格達地區(qū)的泥巖和砂質(zhì)泥巖填料進行了飽水前后的承載比(CBR)試驗及其相關性研究，認為主要影響因素為含泥量和含水率。周楊[7]對泥質(zhì)軟巖填筑路基施工技術(shù)進行了探討。鄭明新[8]等針對武廣客運鐵路專線沿線的軟質(zhì)千枚狀板巖和泥質(zhì)粉頁巖，結(jié)合風化軟巖巖塊力學強度和擊實試驗結(jié)果，初步判定了風化軟巖填筑路基的可行性，同時提出了軟巖填筑路基可行性的初步判定方法。王人杰[9]對石灰變質(zhì)軟巖填筑高速公路路基的壓實技術(shù)進行了探討，研究揭示軟質(zhì)巖石的壓實機理，并通過現(xiàn)場試驗提出了石灰變質(zhì)軟巖高速公路路基施工的資料控制指標。鄭明新[10]等針對考慮泥質(zhì)粉砂巖特性,設想當路堤較低時采用“砂礫墊層+邊溝”;當路堤較高時,采用包邊法進行路基設計,為軟巖填筑路基提供參考設計方案。

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的工程實踐和研究成果表明，經(jīng)過合理的壓實工藝控制和技術(shù)處治方案，在局部范圍軟巖仍舊能較好地作為路堤填料進行填筑使用。雖然當前軟巖作為路基填料，在工程中已有一些應用，但是像廣東紫惠高速公路利用軟巖大規(guī)模填筑路堤并不多見，這主要是因為軟巖種類較多，在物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理力學性質(zhì)方面，不同種類的軟巖既有共性，又有各自的特性。不同種類的軟巖，其路用性差別較大，應分類區(qū)別對待。

本文依托廣東紫惠高速公路項目，并與中國科學院武漢巖土力學研究所共同通過軟巖分布調(diào)查，取樣室內(nèi)試驗，以及現(xiàn)場填筑碾壓試驗，探討了藍塘系強風化粉砂巖填筑路堤的壓實關鍵技術(shù)，研究成果可為類似工程項目提供工程實踐經(jīng)驗。

1 強風化粉砂巖填料的工程特性

軟巖與一般硬質(zhì)填料不同，在碾壓過程中顆粒破碎非常明顯，與細粒土壓實特性差別較大，因此為充分分析紫惠高速公路侏羅系藍塘群粉砂巖填料的工程特性，本文進行了典型軟巖分布調(diào)查，查明軟巖分布區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境條件，并現(xiàn)場取樣進行強風化粉砂巖的物質(zhì)組成、易溶鹽和碳酸鈣含量、膨脹性、吸水性、液塑限，以及擊實試驗和CBR測試試驗等。試件取樣點位于廣東紫惠高速公路K38+300處路基中部，取樣和強風化粉砂巖現(xiàn)狀如圖1所示，具體室內(nèi)試驗主要在中國科學院武漢巖土力學研究所國家?guī)r土力學與工程重點試驗室和紫惠高速公路JS1試驗檢測中心完成。

圖1 強風化粉砂巖取樣

1.1 礦物成分組成

粉砂巖礦物組成通過X射線衍射儀進行分析，試驗結(jié)果表明紫惠高速公路侏羅系下藍塘群粉砂巖礦物成分主要由石英、白云母和高嶺石組成，具體含量見表1。

表1 粉砂巖礦物組成成分

1.2 易溶鹽總量和碳酸鈣含量

按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)測試方法，試驗測得粉砂巖的易溶鹽總量和碳酸鈣含量見表2。

表2 易溶鹽總量和碳酸鈣含量試驗結(jié)果

1.3 自由膨脹率

按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)測試方法，試驗測得粉砂巖的自由膨脹率為2%。

1.4 吸水率和飽和吸水率

按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)測試方法，粉砂巖吸水率和飽和吸水率試驗測試結(jié)果見表3。

表3 粉砂巖吸水率和飽和吸水率試驗結(jié)果

1.5 液限和塑限

采集典型的粉砂巖填料樣品，將其磨碎成細粒土，按《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)的要求分別進行液限、塑限試驗。試驗前將巖樣用木碾或粉碎機碾碎，過0.5mm篩，加水拌勻裝入容器，并置入保濕箱，濕潤時間不少于24h。粉砂巖填料的液限、塑限和塑性指數(shù)見表4。

表4 粉砂巖液限和塑限試驗結(jié)果

1.6 擊實試驗

按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)的試驗方法，對粉砂巖填料進行重型II -2擊實試驗。試筒直徑15.2cm，高17cm。試驗時將試樣分3層進行擊實，每層擊98次，允許最大粒徑40mm。試驗場地粉砂巖填料擊實試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 粉砂巖填料擊實曲線

由圖1可知，試驗場地粉砂巖填料的最佳含水率為10.6%，最大干密度為1.98 g/cm3。

1.7 承載比(CBR)測試

承載比(CBR)已作為一項重要指標在公路路基填料的選擇中得到廣泛應用。試驗場地粉砂巖填料的承載比(CBR)試驗結(jié)果見表5。

表5 粉砂巖填料CBR試驗結(jié)果

由表4可知，試驗場地粉砂巖填料在壓實度為93%時，CBR值可達到4.1%；壓實度為94%時，CBR值可達到4.6%；壓實度為96%時，CBR值可達到5.6%。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》(JTG D30-2015)相關規(guī)定，試驗場地粉砂巖填料的CBR值滿足規(guī)范對路堤和下路床填料的CBR技術(shù)要求。

2 強風化粉砂巖壓實關鍵參數(shù)

2.1 試驗段施工

通過廣東紫惠高速公路沿線侏羅系藍塘群粉砂巖室內(nèi)各指標試驗結(jié)果可知，該區(qū)域粉砂巖填料CBR值相對較低，但基本滿足路堤和下路床填筑的技術(shù)要求，而對于上路床為加強路基整體強度和剛度，項目在路床頂面30cm～80cm采用未篩分碎石處理。本文為研究特定性質(zhì)下的侏羅系藍塘群粉砂巖用于路堤和下路床填筑壓實工藝，選取在K36+842.5～K36+902.5(60m)作為試驗路段，從該路段93區(qū)頂面開始繼續(xù)填筑并進行試驗?，F(xiàn)場施工情況如圖3所示。

圖3 試驗段施工

廣東紫惠高速公路主線路堤94區(qū)厚度為70cm，96區(qū)厚度為120cm，94區(qū)按3層填筑，96區(qū)按5層填筑。軟巖的壓實關鍵參數(shù)主要表現(xiàn)在機械設備的選型、組合和碾壓方式，松鋪系數(shù)以及壓實遍數(shù)的確定。為分析藍塘系粉砂巖在填筑過程中壓實度與壓實遍數(shù)的相關性，試驗過程中，在94區(qū)第一層填料分別碾壓2遍、4遍、5遍、6遍、7遍后用灌砂法測試該層的壓實度；在94區(qū)第2和第3層填料碾壓7遍后采用灌砂法測試該層的壓實度；在96區(qū)第1層填料分別碾壓6遍、7遍、8遍、9遍后用灌砂法測定該層的壓實度；在96區(qū)其它各層填料分別碾壓9遍后采用灌砂法測試該層的壓實度。在壓實工藝方面，94區(qū)采用26t振動壓路機首先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強振4遍，最后靜壓1遍；96區(qū)采用26t振動壓路機首先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強振6遍，最后靜壓1遍。

2.2 填筑松鋪系數(shù)的確定

對于94區(qū)填料填筑松鋪厚度和松鋪系數(shù)的檢測，本次試驗利用94區(qū)第1層填料進行現(xiàn)場試驗確定，試驗隨機在填筑段內(nèi)選取4組測區(qū)，每組測區(qū)設置3個測點，測點分別位于左距路線中樁16.75m，中線位置和右距中樁16.75m處。檢測結(jié)果見表6。

表6 填料松鋪厚度和松鋪系數(shù)檢測結(jié)果

(續(xù)表6)

從表6可知，94區(qū)強風化粉砂巖填料平均松鋪厚度為29cm，平均松鋪系數(shù)為1.16。同樣對于96區(qū)填料填筑松鋪厚度和松鋪系數(shù)的測試，本次試驗利用96區(qū)第1層填料進行現(xiàn)場試驗確定，試驗確定得到96區(qū)強風化粉砂巖填料平均松鋪厚度為29.7cm，平均松鋪系數(shù)為1.18。

3 強風化粉砂巖壓實關鍵技術(shù)現(xiàn)場測試分析

軟巖的壓實關鍵體現(xiàn)在碾壓設備碾壓的遍數(shù)和與之對應的路堤壓實度，試驗主要采用的壓實設備為26t振動壓路機。此次試驗場地粉砂巖路堤壓實度，按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)中的灌砂法進行。94區(qū)和96區(qū)在距離路基左、右邊線1.5m處各設1個測試點，路基中部設置2個測試點。

3.1 粉砂巖94區(qū)

表7所示為94區(qū)第1層填料在碾壓3遍、4遍、5遍、6遍后各測點現(xiàn)場試驗過程中路堤壓實度的檢測結(jié)果；表8為94區(qū)各層在第3遍、4遍、5遍、6遍、7遍碾壓完成后路堤平均壓實度的檢測結(jié)果；圖4所示為94區(qū)路堤平均壓實度與碾壓遍數(shù)的關系曲線。

表7 94區(qū)第1層粉砂巖填料路堤壓實度測試結(jié)果 (單位：%)

表8 94區(qū)粉砂巖路堤平均壓實度測試結(jié)果

圖4 94區(qū)路堤平均壓實度-碾壓遍數(shù)關系曲線

從表7和表8可見，當利用藍塘系粉砂巖填料進行94區(qū)路堤填筑，使用26t振動壓路機組合時，填料松鋪厚度為29cm。開始碾壓前先采用推土機履帶對軟巖填料進行反復碾壓，使路堤填料最大粒徑小于150mm;再采用26t振動壓路機進行碾壓，施工時先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強振4遍，最后靜壓1遍。路堤壓實度滿足規(guī)范對上路堤壓實度不小于94%的要求。

3.2 粉砂巖96區(qū)

表9為96區(qū)第1層填料在碾壓6遍、7遍、8遍、9遍后各測點路堤壓實度的檢測結(jié)果;表10為96區(qū)各層在第6遍、7遍、8遍、9遍碾壓完成后路堤平均壓實度的檢測結(jié)果;圖4所示為94區(qū)路堤平均壓實度與碾壓遍數(shù)的關系曲線。

表9 96區(qū)第1層粉砂巖填料路堤壓實度檢測結(jié)果 (單位：%)

表10 96區(qū)粉砂巖路堤平均壓實度檢測結(jié)果

從表9、表10可見，利用藍塘系粉砂巖填料進行96區(qū)路堤填筑，使用26t振動壓路機組合時，填料松鋪厚度為29.7cm。開始碾壓前先采用推土機履帶對軟巖填料進行反復碾壓，使路堤填料最大粒徑小于100mm;再采用26t振動壓路機進行碾壓，施工時先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強振6遍，最后靜壓1遍。路堤壓實度滿足規(guī)范對下路床壓實度不小于96%的要求。

此外結(jié)合圖4和圖5可知，試驗場地強風化粉砂巖路堤填料不論是進行94區(qū)還是96區(qū)填筑時，試驗場地粉砂巖路堤填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實度的回歸關系可采用多項式函數(shù)y=A·x2+Bx+C表示，且填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實度相關系數(shù)達到0.986 1，兩者相關性良好。因此對于不同特性的軟巖填料，以及不同壓實機械設備，其平均碾壓遍數(shù)和平均壓實度的相關性、回歸關系可通過現(xiàn)場試驗確定，并預測達到相應壓實度所需要的碾壓遍數(shù)。

圖5 96區(qū)路堤平均壓實度-碾壓遍數(shù)關系曲線

4 結(jié)論

(1)利用藍塘系粉砂巖填料進行94區(qū)路堤填筑，使用26t振動壓路機壓實機械時，碾壓工藝為施工時先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強振4遍，最后靜壓1遍。路堤壓實度滿足規(guī)范對上路堤壓實度不小于94%的要求。

(2)利用藍塘系粉砂巖填料進行96區(qū)路堤填筑，使用26t振動壓路機壓實機械時，碾壓工藝為施工時先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強振6遍，最后靜壓1遍。路堤壓實度滿足規(guī)范對下路床壓實度不小于96%的要求。

(3)試驗場地藍塘系強風化粉砂巖路堤填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實度的回歸關系，可采用多項式函數(shù)y=A·x2+Bx+C表示，且填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實度相關系數(shù)達到0.986 1，兩者相關性良好。