公路填方路基軟巖改良土路用性能研究

王立雙

（邢臺市信都區(qū)地方道路管理站，河北 邢臺 054001）

0 引言

邢臺高速是河北省規(guī)劃網(wǎng)中的重要組成部分，沿線廣泛分布著崩解性強、遇水易軟化、工程性能不穩(wěn)定的泥巖、頁巖等水敏性軟巖，而在軟巖中添加石灰改良劑不僅能夠節(jié)約成本，還能夠提高軟巖填料路基的整體穩(wěn)定性。因此，本文以邢臺高速軟巖填筑工程為背景，對不同含水量及石灰摻量下軟巖改良填料的路用性能進行研究，為相關(guān)工程提供一定的參考。

1 工程概況

邢臺高速是河北省規(guī)劃網(wǎng)中的重要組成部分，對邢臺的經(jīng)濟建設(shè)有重要意義。邢臺高速位于滇中平原中部，和云貴高原及哀牢山緊緊相連，受到地質(zhì)構(gòu)造的影響，線路整體呈現(xiàn)南高北低的趨勢，沿線山區(qū)、平原相互交錯，地理環(huán)境復(fù)雜，線路最高處和最低處的高差甚至可以達到1500m。

邢臺高速填方段氣候以亞熱帶雨林氣候為主，平均日照時間較長，平均氣溫為20oC左右，最低氣溫達到2oC，最高氣溫可達到24oC。降雨主要集中在7～8月份，月降雨量280～320mm。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告可知，邢臺高速填方段由上至下的土層為第四系坡殘積層及侏羅系上統(tǒng)妥甸組泥巖層，其中第四系坡殘積層以粉質(zhì)黏土為主，層厚1～2m，侏羅系上統(tǒng)妥甸組泥巖層以紫紅色泥巖為主，巖體總體呈現(xiàn)破碎～較完整，巖質(zhì)較軟。

本文以邢臺高速K43+360—K43+460高填方路基段為試驗段，填方路基高程介于1324～1452m之間，構(gòu)造為侵蝕中山地貌區(qū)，無地表水，地下水類型以基巖裂隙水以及第四系孔隙為主，地下水埋深較深。路基現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性好，無崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，適宜施工。邢臺高速試驗段路基結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 路基結(jié)構(gòu)示意圖

（1）路基結(jié)構(gòu)：試驗段路面結(jié)構(gòu)從上到下依次為4cm細粒式瀝青混凝土、6cm中粒式瀝青混凝土、8cm粗粒式瀝青混凝土；基層結(jié)構(gòu)從上到下依次為：40cm水泥穩(wěn)定級配碎石、20cm級配碎石；路基結(jié)構(gòu)從上到下依次為0～30cm的上路床、30～80cm的下路床、80～150cm的上路堤以及150cm往下的下路堤。路基以下填筑60cm厚的硬質(zhì)巖石渣等透水性材料。

（2）邊坡結(jié)構(gòu)：該試驗段路基邊坡為3級邊坡，從上到下的邊坡高度依次為8m、8m、8m邊坡平臺為2m，坡率分別為1∶2、1∶1.75、1∶1.5，邊坡表面采用漿砌片石護坡，坡腳設(shè)置C20片石混凝土擋土墻。

2 公路填方路基軟巖改良土路用性能研究

2.1 軟巖改良機理分析

由于水敏性軟巖具有強度低，遇水易崩解軟化、吸水膨脹、失水收縮等特點，其工程穩(wěn)定性較差，因此在利用軟巖進行路基填筑時需要對軟巖進行相應(yīng)的處理，以提高其工程穩(wěn)定性。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTGD30—2015）可知，常見的水敏性軟巖改良方法有強夯法、換填法及添加改良劑法。

強夯法及換填法施工工期長且施工成本大，因此不建議使用，而添加改良劑法即在路基填料中添加石灰和粉煤灰等無機結(jié)合料。不僅可以降低軟件的水敏性，而且可以改善路基填料的級配，大大提高軟件填料的強度及整體穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于軟巖改良施工中，考慮到施工成本，選取石灰為改良劑，石灰的主要成分如表1所示。

表1 石灰化學(xué)成分

石灰作為水敏性軟巖改良劑的作用機理主要包括3個方面：水化反應(yīng)、離子交換及凝膠反應(yīng)。

（1）水化反應(yīng)：水化反應(yīng)是石灰作用機理的重要基礎(chǔ)，石灰中的氧化鈣和軟巖填料中的水發(fā)生水化反應(yīng)放熱，不僅降低軟巖填料中的部分水分，而且水化反應(yīng)生成的堿性物質(zhì)可以促進硅、鋁酸鹽的反應(yīng)，降低鐵離子含量，進而削減土顆粒間水膜的厚度，增加填料顆粒間的咬合力。

（2）離子交換：水化反應(yīng)發(fā)生后，生成大量的鈣離子，鈣離子的存在不僅可以改善土顆粒之間的性質(zhì)，而且可以有效降低顆粒的互斥性，從而提高土體的凝聚力。而且鈣離子本身存在一定的凝聚功能，將各種顆粒凝聚在一起，可以改善軟巖顆粒的結(jié)構(gòu)形式，增加填料的強度。

（3）膠凝反應(yīng)：氧化鈣和水反應(yīng)生成的氫氧化鈣，氫氧化鈣和空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸化合物，碳酸化合物以薄膜的形式附著在顆粒表面，再次和顆粒中的水反應(yīng)生成結(jié)晶體，與土顆粒形成的結(jié)晶體可以強化土體微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)晶體的形成可以減小顆粒之間的距離，提高填料強度。

2.2 軟巖改良路基填土路用性分析

對路基填土的路用性能分析主要包括CBR值及回彈模量。

2.2.1 CBR

CBR試驗也稱為承載比試驗，指對路基填料的貫入量為5mm的荷載值與標準碎石料的貫入量為5mm的荷載值之間的比值，比值越大表明紅黏土的承載力越高，試驗方案如下：

（1）制備試樣：制備含水量為15%、16%、17%、18%、19%、20%的試樣，每組試樣分別擊實20次、40次、60次，共18組試樣。

（2）浸泡試樣：將制備好的試樣浸泡在水中48h，水面沒過試件頂面25mm。

（3）貫入試驗：將浸泡后試樣表面的水分擦干后，放在強度儀上面，將貫入桿與試樣中心水平，然后開始施加荷載，直至貫入量為5mm，記錄此時的貫入荷載p即可，并根據(jù)式（1）得到不同含水量下紅黏土的CBR值。

2.2.2 回彈模量

便攜式落錘彎沉儀簡稱PFWD，是對落錘彎沉儀進一步改進的動態(tài)彈性模量快速檢測設(shè)備。PFWD的工作原理為：首先將便攜式落錘彎沉儀放到已布置測點上，剔除測點下部的較大顆粒，然后將落錘提升至一定高度后釋放，在落錘的自重作用下，沖擊荷載會通過滑桿底部的承載板傳遞至路基表面，在外部荷載的作用下，路基填料會出現(xiàn)一定的豎向位移，作用到路基表面的沖擊荷載與豎向位移被PF?WD中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（壓力與位移傳感器）記錄，并根據(jù)式（2），得到路基的動態(tài)回彈模量。

式（2）中：p為落錘對承載板的沖擊荷載（kPa）；δ為承載板半徑，一般為15cm；μ為路基填料泊松比；l為在沖擊荷載作用下承載板的沉降值（mm）。

2.3 軟巖改良填料承載及回彈模量特性研究

2.3.1 軟巖改良填料承載比特性研究

不同擊實次數(shù)下CBR隨含水量變化曲線如圖2所示。

圖2 不同擊實次數(shù)下CBR隨含水量變化曲線

由圖2可知，水敏性軟巖改良填料的CBR隨著含水量的增加而增加，且相同含水量條件下，擊實次數(shù)越多，水敏性軟巖改良填料的CBR值越大，其中當含水量為14%，擊實次數(shù)為98下時水敏性軟巖改良填料的CBR值最大，最大值為6.2%。因此，在實際路基填筑過程中，為滿足CBR值大于3%的要求，應(yīng)將水敏性軟巖素土填料的含水率控制在10%～15%之間，且保證路基碾壓工藝能夠滿足施工規(guī)范。

2.3.2 軟巖填料回彈模量特性研究

摻灰量分別為3%、5%、7%、9%條件下，軟巖改良填料的回彈模量進行分析，不同摻灰量條件下軟件改良填料回彈模量的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，石灰摻量為3%時，軟件改良填料的回彈模量為116.5MPa；石灰摻量為5%時，軟件改良填料的回彈模量為149.7MPa；石灰摻量為7%時，軟件改良填料的回彈模量為180MPa；石灰摻量為9%時，軟件改良填料的回彈模量為166.8MPa。石灰含量由0%增加到9%的過程中，軟巖改良填料的回彈模量分別增加43.2MPa、32.9MPa、30.6MPa、-13.2MPa，表明在軟巖中摻加石灰能夠有效改善軟巖填料的路用性能，但不能一味地增加石灰摻量，當石灰摻量達到7%左右時，改善效果最好。

圖3 不同摻灰量條件下軟件改良填料回彈模量的變化曲線

3 結(jié)論

本文以邢臺高速K43+360—K43+460高填方路基段為試驗段，以CBR值及回彈模量值為指標，對不同工況下軟巖改良填料的路用性能進行研究，得到以下結(jié)論：

（1）水敏性軟巖改良填料的CBR隨著含水量的增加而增加，且相同含水量條件下，擊實次數(shù)越多，水敏性軟巖改良填料的CBR值越大。

（2）軟巖中摻加石灰能夠有效改善軟巖填料的路用性能，但不能一味增加石灰摻量，當石灰摻量達到7%左右時，改善效果最好。