探討路基工程紅砂巖填料特性及其路用改良技術(shù)

潘吉?jiǎng)P

摘要 紅砂巖在我國分布廣泛，由于其巖性特質(zhì)，紅砂巖分布區(qū)域內(nèi)常出現(xiàn)因紅砂巖崩解造成的工程破壞問題。為解決該類質(zhì)量問題，文章以實(shí)體工程為依托，論述了紅砂巖的結(jié)構(gòu)特征，分析了紅砂巖的崩解機(jī)理、工程力學(xué)性能差異，總結(jié)了紅砂巖填料路用改良技術(shù)，提出了紅砂巖路基的質(zhì)控標(biāo)準(zhǔn)，旨在為同類巖性工況公路路基施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞 紅砂巖特性;路用性能;改良技術(shù);施工工藝;質(zhì)量控制與檢測

中圖分類號 U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0181-03

0 引言

紅砂巖在我國南部省區(qū)分布廣泛，巖質(zhì)主要表現(xiàn)為粒狀碎屑結(jié)構(gòu)、泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)。此類巖石強(qiáng)度會(huì)受到體內(nèi)膠結(jié)物質(zhì)含量、風(fēng)化程度影響，表現(xiàn)出較大的強(qiáng)度差異。受其巖性影響，多數(shù)紅砂巖暴露在空氣中后，會(huì)受大氣作用、濕度循環(huán)變化作用，出現(xiàn)崩解、泥化，導(dǎo)致巖土物理性質(zhì)、力學(xué)特性發(fā)生變化，導(dǎo)致以該類巖土作為填料的結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。對于該類巖土分布區(qū)域，若采用換填法施工，工藝成本過高，且不易控制土方平衡。通過對該類巖土巖性進(jìn)行研究，探索針對該類巖土的路用改良技術(shù)，是解決該類巖土區(qū)域工程破壞的有效途徑[1-3]?；诖耍撐囊阅彻窞橐劳?，通過試驗(yàn)的手段，對紅砂巖的崩塌機(jī)理、巖性特性、力學(xué)性能等展開研究，并提出路用改良技術(shù)，可有效保證此類巖土工況下的公路工程質(zhì)量，提升工程效益。

1 紅砂巖的結(jié)構(gòu)特征及礦物成分

1.1 紅砂巖的結(jié)構(gòu)特性

對工程所在地的紅砂巖進(jìn)行取樣分析鑒定，揭露的紅砂巖天然結(jié)構(gòu)主要有兩類，一類為粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，包括泥沙質(zhì)巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖等;一類為泥狀膠結(jié)結(jié)構(gòu)，主要包括泥巖、頁巖等[4-5]。紅砂巖中含有豐富的鐵類氧化物，以二價(jià)鐵離子為主，使紅砂巖整體呈紅色、深紅色、褐色，含鐵氧化物主要以浸染物形式存在，僅少數(shù)以鐵質(zhì)碳酸鹽膠結(jié)物形式存在，對巖石的工程性質(zhì)無明顯影響。碎屑顆粒間主要膠結(jié)形式有孔隙式膠結(jié)、基底式膠結(jié)、泥質(zhì)接觸式膠結(jié)等。

1.2 紅砂巖的主要礦物化學(xué)成分

紅砂巖主要礦物成分占比見表1。

（1）粒狀碎屑類紅砂巖，粘土礦物含量較小，蒙脫石、伊利石等總體含量較小，雖然該類礦物親水性較強(qiáng)，其含量變化可對粒狀碎屑類紅砂巖工程性能造成影響，但總體影響相對較小，該類巖石總體工程性質(zhì)與普通風(fēng)化砂巖類似，工程性質(zhì)主要受風(fēng)化程度影響。

（2）泥狀膠結(jié)類紅砂巖，粘土礦物含量較大，該類巖石水穩(wěn)性差，受蒙脫石、伊利石含量影響，工程性質(zhì)變化較大，當(dāng)親水性巖土含量較高時(shí)，該類巖土極易崩解，導(dǎo)致以該類巖土為填料的路基破壞。

2 紅砂巖的崩解的機(jī)理

紅砂巖中粘土礦物含量較高，粘土礦物比表面積較大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性，在有水環(huán)境下，礦物吸水膨脹，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)崩碎、軟化;特別是蒙脫石親水性較強(qiáng)，礦物分子鍵力很弱，在水分子氧鍵作用下，分子鍵極易斷裂，表現(xiàn)出較強(qiáng)的膨脹性[6]。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在中低溫試驗(yàn)條件下，當(dāng)水分進(jìn)入紅砂巖親水礦物構(gòu)造時(shí)，礦物成分發(fā)生體積膨脹;親水礦物空隙間形成的粒間水，也會(huì)導(dǎo)致巖體體積膨脹;在反復(fù)干濕環(huán)境作用下，巖體內(nèi)外部吸水、失水速率差，導(dǎo)致內(nèi)外部膨脹速率差異，造成結(jié)構(gòu)崩解;崩解時(shí)間隨干濕循環(huán)頻率、巖體中礦物成分、礦物結(jié)構(gòu)差異變化。

3 紅砂巖的分類

鑒于不同類紅砂巖結(jié)構(gòu)特征、礦物成分含量差異較大，導(dǎo)致不同類紅砂巖工程性能、力學(xué)性能差異顯著。該文從工程適用性的角度，按不同類紅砂巖浸水崩解特性差異、單軸極限抗壓強(qiáng)度差異，將紅砂巖分為三類，對其工程分類，及各類巖體力學(xué)性能、濕化耐久性、浸水膨脹性等工程性能展開試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見表2～5。

分析表2～5的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：

（1）一類紅砂巖：巖體內(nèi)親水礦物含量較高，巖塊天然單軸抗壓極限強(qiáng)度小于15 MPa，浸水分解特性較強(qiáng)，試塊在105 ℃試驗(yàn)環(huán)境下烘干，浸水24 h后，巖體完全崩解，呈泥狀或渣狀。

（2）二類紅砂巖：巖體內(nèi)親水礦物含量稍低，天然單軸抗壓強(qiáng)度略小于或稍大于15 MPa，在同等試驗(yàn)條件、試驗(yàn)流程下，崩解總量小于1%，巖塊強(qiáng)度較高，具有較為優(yōu)良的工程性能。

4 紅砂巖工程性能改良技術(shù)及工藝原理

基于上述對紅砂巖成分及工程性能的試驗(yàn)研究，提出采用下述5種紅砂巖路用性能改良策略，保證路基強(qiáng)度和水穩(wěn)性能：

（1）鑒于紅砂巖具有較強(qiáng)浸水崩解特性，為避免紅砂巖填料填筑后，在環(huán)境水作用下崩解，造成路基破壞，對紅砂巖采取工前預(yù)崩解措施，消除紅砂巖水活性。

（2）為避免紅砂巖工后崩解，造成路基破壞，采用機(jī)械反復(fù)耙壓紅砂巖，使紅砂巖得到充分破碎，保證路基壓實(shí)性[7]。

（3）向紅砂巖中添加摻料，中和或稀釋巖體中對巖土工程有害的礦物成分，改善巖體浸水崩解膨脹性能;根據(jù)Ⅰ、Ⅱ類紅砂巖中有害礦物成分，合理確定摻料摻配比例，對其性能進(jìn)行改良。

（4）采用強(qiáng)振重壓壓實(shí)對紅砂巖填料路基，使環(huán)境水無法滲入路堤，減少環(huán)境水對紅砂巖填料的不良作用[8]。

（5）對Ⅰ、Ⅱ類紅砂巖填料進(jìn)行路用性能改良，保證其工程性能可有效滿足高速公路路堤填筑需求，改良工藝見圖1。

5 紅砂巖試驗(yàn)路段填筑實(shí)踐

5.1 試驗(yàn)路堤填筑技術(shù)方案

為驗(yàn)證該文所提出的紅砂巖填料改良技術(shù)的適用性、可靠性，以某高速一段路基展開試驗(yàn)路施工，該段路基長460 m、寬42 m、路堤平均填高6 m，其中Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類紅砂巖填料路段長分別為260 m、180 m、120 m。

為保證填筑路堤水穩(wěn)性能、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，除采用Ⅲ類紅砂巖作為填料填筑的20 m路段外，其余路段在路基頂面以下30 cm厚度范圍內(nèi)，填筑塑指>8的中性粘性土，形成有效的路堤隔水封閉層，防止地表水浸滲紅砂巖路堤[9-10]。

5.2 紅砂巖路基的質(zhì)量檢測及控制

路基施工完畢后，經(jīng)現(xiàn)場采用灌砂法、水袋法等方法進(jìn)行多點(diǎn)檢測測試，試驗(yàn)段全線壓實(shí)度達(dá)標(biāo)，局部路段超出相關(guān)規(guī)范要求。為進(jìn)一步測試該文提出的紅砂巖路基改良技術(shù)施工下的路基強(qiáng)度性能，在試驗(yàn)段進(jìn)行大量的現(xiàn)場回彈模量檢測、野外CBR值試驗(yàn)，結(jié)果見表6。

由表6可知，該經(jīng)改良后的紅砂巖路基強(qiáng)度符合高速公路工程要求。經(jīng)工后連續(xù)一年的沉降觀測，Ⅰ類、Ⅱ類紅砂巖路基沉降量分別在2.2 cm、2.6 cm以下，網(wǎng)絡(luò)層粘土沉降量為2.1 cm，表明該工程采用的紅砂巖路用改良技術(shù)可靠性較高，可保證紅砂巖路基穩(wěn)定性。

6 結(jié)論

綜上，該文提出的紅砂巖路用改良技術(shù)具有較強(qiáng)的可靠性，可有效保證高速公路紅砂巖路基穩(wěn)定性。紅砂巖改良及紅砂巖路基施工工藝總結(jié)如下：

（1）對剛爆破開挖出的紅砂巖，應(yīng)采取預(yù)崩解措施，消除紅砂巖水活性。

（2）經(jīng)預(yù)崩解后，采用機(jī)械反復(fù)耙壓紅砂巖填料，使紅砂巖得到充分破碎，并根據(jù)所采用的紅砂巖填料有害礦物成分，向其中摻入摻料，有效中和或稀釋有害成分;采用強(qiáng)振重壓的壓實(shí)工藝，對紅砂巖路基進(jìn)行碾壓施工，保證路基壓實(shí)性。

（3）路基頂面以下30 cm厚度范圍內(nèi)，填筑塑指>8的中性粘性土，碾壓密實(shí)，隔絕紅砂巖路堤水通路，防止地表水、雨水等浸滲路堤。

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