紅砂巖路用性能試驗(yàn)與施工質(zhì)量控制研究

張澤豐，劉曙光，劉詠華，王 帆

湖南省通泰工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410018

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)周圍環(huán)境的要求越來越高，保護(hù)生態(tài)環(huán)境成為我國(guó)的一項(xiàng)重要國(guó)策。對(duì)于路基填土，由于其受周圍環(huán)境土壤質(zhì)量的影響，有必要從其他取料區(qū)域取用優(yōu)質(zhì)填土，而這將產(chǎn)生大量的廢棄土方，并占用大量耕地資源[1]。地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與公路及其他交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)密不可分，如何同時(shí)解決環(huán)保問題和變廢為寶，從而保證路基填筑的安全穩(wěn)定是一個(gè)重要的課題。

紅砂巖作為一種特殊的工程填土，會(huì)因環(huán)境因素的不同而表現(xiàn)出不同的工程性質(zhì)，總的來說，一般表現(xiàn)為遇水易崩解軟化、剛度較低、風(fēng)化程度高[2]。同時(shí)，由于成巖過程受到一定的化學(xué)和物理作用，導(dǎo)致其組成元素中高價(jià)鐵離子的成分含量較高，其性狀表現(xiàn)為紅褐色或暗紅色的沉積類巖土[3]。在相關(guān)規(guī)范中，未經(jīng)處治的紅砂巖被視為不良填料，但在湖南、四川等地，這一類土分布廣泛，在修筑高速公路時(shí)經(jīng)常需穿越紅砂巖地區(qū)。若采用借土換填的方式，顯然會(huì)帶來不同程度的環(huán)保問題，因而比較合理的方式是通過改良處治和質(zhì)量控制等實(shí)現(xiàn)對(duì)紅砂巖的科學(xué)利用、綜合治理[4]。但是，在已有文獻(xiàn)中提到，不同地區(qū)的紅砂巖填料，其工程性質(zhì)和崩解特性也各不相同，這導(dǎo)致在施工處治過程中需要做到因地制宜、一土一法，以避免在干濕循環(huán)下路基結(jié)構(gòu)出現(xiàn)強(qiáng)度衰減情況，進(jìn)而導(dǎo)致不均勻沉降和路面開裂等問題的出現(xiàn)。

文章結(jié)合湖南某高速公路的工程實(shí)例，通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)所取用紅砂巖的化學(xué)成分、工程特性和崩解特性進(jìn)行分析討論，并結(jié)合已有的工程經(jīng)驗(yàn)，提出對(duì)應(yīng)的紅砂巖路基處治與施工控制方法，從而節(jié)約建設(shè)成本、保護(hù)耕地，為后續(xù)類似的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 紅砂巖的基本物理性質(zhì)

1.1 化學(xué)成分分析

從取料場(chǎng)獲得紅砂巖樣品，并采用室內(nèi)的XRD衍射測(cè)試對(duì)土樣的礦物組成進(jìn)行定量分析，得到相應(yīng)測(cè)試的結(jié)果為石英占31.67%、高嶺土占8.29%，蒙脫石、伊利石和硬石膏等親水礦物含量則分別占17.34%、26.64%和16.06%。由上述礦物所對(duì)應(yīng)的化學(xué)成分可知，所測(cè)試的紅砂巖富含鐵元素（以Fe2O3為主），這是由紅砂巖的沉積歷史決定的，同時(shí)由于具有較多的蒙脫石、伊利石，這使得土樣的親水性較強(qiáng)，遇水易發(fā)生崩解。

1.2 顆粒篩分和擊實(shí)試驗(yàn)

土顆粒的粒徑分布也是影響紅砂巖工程性質(zhì)的重要因素，按照規(guī)范方法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取用的紅砂巖填料進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)，由顆粒分布可知，在填料中孔徑0.075～2mm范圍內(nèi)的顆粒含量占主要部分，計(jì)算所得曲線不均勻系數(shù)小于5.0，對(duì)應(yīng)曲率系數(shù)小于1.0，因而鑒定該土樣是不良級(jí)配。

為了進(jìn)一步確定紅砂巖填土的分類，通過重型擊實(shí)測(cè)定土樣的最佳含水率為12.73%，通過聯(lián)合測(cè)定儀，土樣塑限為19.61%，塑限指數(shù)為17.29。此外，土樣的最大干密度確定為19.21g/cm3，根據(jù)規(guī)范定名土樣為粉土質(zhì)砂。

1.3 CBR試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于路基填筑而言，土樣自身的強(qiáng)度也是非常重要的指標(biāo)，其中，CBR和壓實(shí)度是常用的施工控制指標(biāo)，為此，文章對(duì)紅砂巖進(jìn)行CBR試驗(yàn)，以獲得不同壓實(shí)度（93%和95%）下土樣材料的CBR值，分別為7.5%和8.3%?？梢姡捎玫募t砂巖填料的CBR強(qiáng)度基本滿足高速公路關(guān)于路床填筑的使用需求，但是若無法控制合適的含水率，則仍然容易受濕度影響而發(fā)生崩解和膨脹，因此，必須在施工中采取相應(yīng)措施。

2 紅砂巖的崩解特性與作用機(jī)理

為了確定紅砂巖遇水軟化的崩解特性，將紅砂巖試樣置于網(wǎng)板上，并放入透明玻璃桶中，注入清水，采用電子秤連接網(wǎng)板從而實(shí)現(xiàn)對(duì)崩解過程中的土樣進(jìn)行稱重，并換算崩解后的殘余土樣質(zhì)量占比情況。

不同壓實(shí)度情況下，室內(nèi)結(jié)果得到的崩解曲線如圖1所示。從圖1中變化趨勢(shì)可知，在浸入水的初始階段，水分通過孔隙進(jìn)入紅砂巖中，并將其內(nèi)部的空氣排出，此時(shí)試件的總體含水率呈上升的趨勢(shì)；同時(shí)，試件遇水崩解的速率較為緩慢，遠(yuǎn)低于試件的飽和速率，因而曲線上各測(cè)試點(diǎn)均大于100%初始質(zhì)量；直到浸水時(shí)長(zhǎng)4h左右達(dá)到最大值，無論是93%還是95%的壓實(shí)度，試件含水率都接近飽和，質(zhì)量百分比曲線開始下降，崩解速率逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)（約30h），土樣整體發(fā)生潰散崩解。

圖1 紅砂巖遇水崩解情況

根據(jù)已有的研究成果可知，對(duì)于紅砂巖而言，其主要礦物成分（如石英、伊利石等）均為親水材料，在浸水飽和的情況下，這些礦物與水結(jié)合發(fā)生物理變化而逐步溶于水中，這導(dǎo)致土樣的整體黏聚力減小、強(qiáng)度降低，從而最終發(fā)生崩解現(xiàn)象。對(duì)崩解后的殘余土樣進(jìn)行XRD衍射試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)崩解后的礦物成分組成沒有發(fā)生變化，僅含量發(fā)生了改變，即部分溶水礦物流失，這也說明了文章對(duì)崩解機(jī)理的解釋是合理的。因此，通過室內(nèi)試驗(yàn)可知，若要維持紅砂巖填料的穩(wěn)定性，在施工過程中就必須從兩方面入手進(jìn)行防治，一是減少或避免水分的浸入，以保證填料具有足夠的強(qiáng)度；二是通過物理或化學(xué)方法改變紅砂巖的礦物組成。

3 紅砂巖路基施工及質(zhì)量控制

首先，按照規(guī)范方法進(jìn)行崩解試驗(yàn)，以確定浸水后的紅砂巖性狀和抗壓強(qiáng)度，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)取樣的填料進(jìn)行測(cè)試，在24h后其強(qiáng)度已小于15MPa，土樣的性狀肉眼觀察為碎屑結(jié)構(gòu)，因而被認(rèn)定為Ⅱ類紅砂巖。盡管在前文中測(cè)定的CBR值基本滿足要求，但是在實(shí)際施工時(shí)仍然需要對(duì)紅砂巖進(jìn)行預(yù)處理，以降低或消除土樣的水活性。

為了得到合格的紅砂巖填料，在路基施工中，一般采用預(yù)崩解的方法進(jìn)行處治，即在填筑前先一步通過人工灑水的方法加快填土的崩解，使其易溶于水的部分隨水流失，以規(guī)避后續(xù)填筑或者運(yùn)營(yíng)期中的崩解病害。同時(shí)，將水分浸入紅砂巖中也有利于巖體的破碎，其強(qiáng)度降低和軟化后，更加有利于挖取和碾壓施工。但是需要注意的是，經(jīng)過預(yù)崩解的土樣需要及時(shí)將水排出，可采用耙壓的方式將土樣變得疏松，從而有利于水分的散發(fā)，并能夠排除土樣中存在的大顆粒，使級(jí)配更加合理。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)施工和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，在該工程中推薦采用3～4遍的耙壓，以調(diào)整土樣的級(jí)配，從而提高壓實(shí)后的填料強(qiáng)度。

由于所選土樣為Ⅱ類紅砂巖，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定采用4%的水泥摻比進(jìn)行路基施工。為了保障施工的質(zhì)量，在現(xiàn)場(chǎng)填筑采用灌砂法對(duì)改良填料的壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，觀察碾壓后路基的外觀，保證其碾壓表層光滑、平整，其顏色性狀類似于壓實(shí)后的低液限黏土，并確定機(jī)具壓實(shí)前后的沉降查是否滿足要求；同時(shí)，每層壓實(shí)后，沿著水平面約400～800m2設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，在工況條件復(fù)雜、填料高度較高的區(qū)域，還應(yīng)適當(dāng)加密測(cè)試點(diǎn)的數(shù)量。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工效果評(píng)價(jià)

在路基填筑完成后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)路基層頂面的回彈模量進(jìn)行測(cè)試，采用PFWD便攜式落錘彎沉儀得到模量結(jié)果，試驗(yàn)段共40個(gè)測(cè)試點(diǎn)，得到的路基回彈模量均大于60MPa。待土路基測(cè)試合格后，及時(shí)對(duì)路基進(jìn)行了封閉處理，以保證改良紅砂巖路基不受外界雨水的影響，并在每個(gè)斷面設(shè)置5個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)。在路基完工后，對(duì)彎沉情況進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，經(jīng)過1年半的自然固結(jié)，路基的最大累積彎沉約為1.63cm，并已經(jīng)基本穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

文章總結(jié)了紅砂巖的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和崩解特性演化規(guī)律，并基于現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)紅砂巖路基的施工方法和質(zhì)量控制進(jìn)行了探討，結(jié)果表明，紅砂巖處治的各項(xiàng)指標(biāo)滿足工程設(shè)計(jì)需求，并在實(shí)際工程應(yīng)用中表現(xiàn)效果良好。