紅砂巖直接填筑高速公路下路床的可行性探析

李海英 ，羅桂林，鐘雯

（1.安徽省高等級(jí)公路工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230031；2.長沙華南土木工程監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410004；3.南華大學(xué)，湖南 衡陽 421001）

1 工程概況

湖南省常祁高速公路是規(guī)劃建設(shè)的華容至常寧高速公路的南段，也是茶陵至常寧高速公路的西段。該高速西接益婁衡高速，東接京港澳復(fù)線，全線位于衡陽盆地內(nèi)，起于祁東縣歸陽鎮(zhèn)，終于常寧市蓬塘鄉(xiāng)，設(shè)計(jì)速度為100km/h，主線全長32.123km，分布為紫紅色、紅褐色至灰白色，泥質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)或硅鈣質(zhì)膠結(jié)的紅砂巖。常祁高速公路沿線分布的紅砂巖與其他常用的路基填料相比，強(qiáng)度差別大，大部分強(qiáng)度低、易風(fēng)化，具有明顯的崩解特性，填筑后路基自穩(wěn)能力較差，若處理不當(dāng)，路基易出現(xiàn)沉陷等病害。

2 公路路基施工技術(shù)規(guī)范對(duì)路床填筑的要求和常祁高速公路路床填料短缺的矛盾

紅砂巖作為路基填料的適應(yīng)性研究，前人已經(jīng)做了許多工作。崩解后的紅砂巖抗剪強(qiáng)度高，抗?jié)B能力強(qiáng)，壓縮性低，CRB值高，滿足路基填料的指標(biāo)要求，但新的《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610－2019）第 4.2.2條第（3）點(diǎn)要求路床、零填、填挖結(jié)合部位和挖方路段路床存在易崩解或易風(fēng)化巖石時(shí)應(yīng)進(jìn)行挖除換填（80cm～120cm）。為此本項(xiàng)目路床（-20cm～-120cm）、低填淺挖路基、橫向填挖交界處、縱向填挖交界處原設(shè)計(jì)均采用7%摻灰土進(jìn)行填筑。但摻配土源外購路程較遠(yuǎn)（最近的也有13.68km）、運(yùn)量大，既增加工程成本、影響工程進(jìn)度和工期，又要廢棄紅砂巖，棄土場和借土將占用大量土地，環(huán)保、水土保持和國土資源等問題突出，工程質(zhì)量、進(jìn)度難以保障。因此，針對(duì)常祁高速公路特殊的施工環(huán)境和現(xiàn)場實(shí)際，需要進(jìn)一步對(duì)紅砂巖的功能進(jìn)行評(píng)測，尋求最優(yōu)方案進(jìn)行填筑，解決原設(shè)計(jì)路床填料短缺的矛盾[1]。

3 常祁高速公路沿線紅砂巖的分類特性

根據(jù)在常祁高速公路沿線挖方段和采石場系統(tǒng)取樣100個(gè)，進(jìn)行105℃烘干后浸水24h崩解試驗(yàn)和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，各類紅砂巖的分類特征見表1。

各類紅砂巖試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表表1

根據(jù)表1特征，結(jié)合前人的研究成果[2]，常祁高速公路紅砂巖的工程地質(zhì)特性和施工特點(diǎn)，可分為“巖土”和“巖石”二大類。

①“巖土”類紅砂巖：表1所述的一、二類紅砂巖，其強(qiáng)度低，在重型壓路機(jī)的振動(dòng)下能夠解小，可通過壓實(shí)度來進(jìn)行檢測，一般參照填土或土石混填路堤進(jìn)行施工；一、二類紅砂巖遇水容易崩解，未經(jīng)處理和改良，不得用于路床填筑[3]。

②“巖石”類紅砂巖：表1所述的三類紅砂巖，其強(qiáng)度較高，浸水不崩解或僅在棱角處有少量崩解，主要通過壓實(shí)遍數(shù)、沉降量來進(jìn)行檢測，一般參照填石路堤進(jìn)行施工。

4 常祁高速公路下路床試驗(yàn)路段的填料優(yōu)化和試驗(yàn)段結(jié)果

為解決常祁高速公路路床填料短缺問題，根據(jù)三類紅砂巖強(qiáng)度較高，不崩解或僅在棱角處少量崩解的特點(diǎn)，對(duì)三類紅砂巖進(jìn)行預(yù)處理后破碎，利用破碎后未篩分的三類紅砂巖直接填筑下路床及低填淺挖路段，試驗(yàn)路段驗(yàn)證情況如下。

為了和原設(shè)計(jì)的7%摻灰土填料進(jìn)行對(duì)比，本項(xiàng)目同時(shí)施工了以破碎三類紅砂巖未篩分碎石為填料的下路床試驗(yàn)路段和以7%摻灰土為填料的下路床試驗(yàn)路段。其中紅砂巖填料的下路床試驗(yàn)路 段 選 在 K2+600～K2+800，長 度200m，摻灰土填料的下路床試驗(yàn)路段選在 K2+800～K2+900，長度 100m，該段路床填方在地質(zhì)條件、斷面形式等均具有代表性，適宜作為路床填方的試驗(yàn)路段。

4.1 三類紅砂巖為填料的下路床試驗(yàn)段

①根據(jù)紅砂巖的特性采用一體式鉤機(jī)、挖機(jī)開挖、自卸汽車運(yùn)輸。試驗(yàn)路段施工前，先安排經(jīng)培訓(xùn)的工人在采石場精選出較好的三類紅砂巖，進(jìn)行機(jī)械（炮機(jī)）破碎到規(guī)定規(guī)格（粒徑0～10cm），進(jìn)行崩解處理（預(yù)處理）后，按照試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行含水量試驗(yàn)、表觀密度試驗(yàn)、顆粒大小分析試驗(yàn)等符合要求后，運(yùn)往工地填筑。

②填筑以機(jī)械作業(yè)為主，人工配合。利用全站儀放出路基中線，每20m一樁，測出中樁標(biāo)高，并根據(jù)填土高度放出施工邊線和邊溝線，用石灰將試驗(yàn)段中線、邊線標(biāo)出。然后按每40m（縱向）1個(gè)橫斷面測7-11點(diǎn)，確定初始高程（H0）。在松鋪層初平后與下承層測點(diǎn)對(duì)應(yīng)，測高程（H），用羊足碾碾壓一遍或振動(dòng)壓路機(jī)碾壓一遍測對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程（H1），再用羊足碾碾壓一遍和振動(dòng)壓路機(jī)碾壓一遍測對(duì)應(yīng)點(diǎn)的高程（H2），反復(fù)碾壓直到填筑層壓到終壓時(shí)止，測對(duì)應(yīng)點(diǎn)高程（Hi）。

本試驗(yàn)路段采用灌水法測壓實(shí)干密度：挖大坑法，采用孔隙指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，確定相應(yīng)的施工工藝參數(shù)與壓實(shí)沉降差作為下路床施工時(shí)的壓實(shí)質(zhì)量檢測控制指標(biāo)。

主要施工程序如下圖。

主要施工程序

③沉降差的評(píng)定方法

現(xiàn)場資料：有效測點(diǎn)n和不合格數(shù)m。

計(jì)算不合格率m/n和計(jì)算公式0.05+0.3596/√n

評(píng)定：

a.沉降差管理標(biāo)準(zhǔn)值為△H=△Ho+2σ，碾壓兩遍后檢測的沉降差小于△H值即為合格。

b.如果 m/n＞0.5+0.3596/√n，則認(rèn)為該段壓實(shí)不符合要求，需要處理；如果m/n＜0.5+0.3596/√n，則認(rèn)為該段符合壓實(shí)要求。

c.如果單個(gè)測點(diǎn)的沉降差大于最大容許值△H1，需要對(duì)該處進(jìn)行局部補(bǔ)充碾壓。

④質(zhì)量控制要點(diǎn)

a.嚴(yán)格控制松鋪厚度，采用220馬力后掛三齒的推土機(jī)推平、勻松、來回“耙壓”遍數(shù)不小于3遍，經(jīng)“耙壓”后的紅砂巖填料最大粒徑不得超過10cm，個(gè)別超粒徑的填料，應(yīng)人工挑選出來，嚴(yán)格控制填料最大粒徑。測量松鋪石方的平均高程，計(jì)算平均松鋪厚度。

b.嚴(yán)格含水量控制，在碾壓前要檢測含水量，紅砂巖填料在碾壓前含水量應(yīng)控制在最佳含水量±2%范圍內(nèi)，確保填料的含水量處于最佳狀態(tài)，當(dāng)含水量超出最佳含水量的±2%時(shí)，應(yīng)采用翻曬或?yàn)⑺M(jìn)行調(diào)整。

c.碾壓遍數(shù)的控制，紅砂巖碎石土路床整平后效果應(yīng)該達(dá)到表面平順，碾壓區(qū)工作面無多余石料堆放，才能進(jìn)行下一步碾壓施工工序；紅砂巖碎石土填筑壓實(shí)使用18t拖式振動(dòng)羊足碾（激振力50t）與18t自行式振動(dòng)壓路機(jī)組合。

d.檢測，對(duì)完成路段應(yīng)進(jìn)行回彈彎沉值檢測和壓實(shí)度檢測，壓實(shí)度采用灌水法進(jìn)行，含水量用酒精燃燒法或烘干法測試。施工過程中還要對(duì)比壓實(shí)度（壓實(shí)遍數(shù)）和沉降差的相關(guān)性。

⑤試驗(yàn)段檢測結(jié)果

a.平均松鋪厚度：39.5cm，松鋪系數(shù)：1.16；壓實(shí)遍數(shù)：先初平1遍，羊足碾碾壓2遍，行駛速度控制在2.5km/h，18t自行式振動(dòng)壓路機(jī)強(qiáng)振3遍，最后靜壓1遍，振動(dòng)碾壓速度應(yīng)控制在3.1km/h。

b.現(xiàn)場碾壓完成后，實(shí)測壓實(shí)度代表值為96.7%，對(duì)應(yīng)的沉降差評(píng)定值為2.02mm，實(shí)測彎沉代表值108.66（0.01mm），未超過設(shè)計(jì)容許彎沉值179.01（0.01mm）要求[4]。

4.2 7%摻灰土為填料的下路床試驗(yàn)段（原設(shè)計(jì)圖紙推薦的填料方案）

①外購?fù)猎催\(yùn)距16.7km，石灰需要從郴州市桂陽縣或耒陽市購買，運(yùn)到施工現(xiàn)場需要580元/t（生石灰）。試驗(yàn)段采用路拌法施工，生石灰充分消解需要2天時(shí)間，路拌翻拌需要3－4次，才能使石灰與土拌和均勻。

②碾壓時(shí)，采用振動(dòng)壓路機(jī)先靜壓一遍，然后再振壓至壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范要求止。碾壓時(shí)先慢后快、先輕后重、由兩側(cè)至中間、由低到高，輪跡重疊1/2，最大速度不超過4km/h，碾壓時(shí)應(yīng)確保均勻，無漏壓、無死角、無明顯輪跡；碾壓開始后，試驗(yàn)工程師在碾壓第二遍過后，每碾壓一遍檢測一次壓實(shí)度，并將檢測結(jié)果及時(shí)通知路基負(fù)責(zé)人并做好記錄。

③機(jī)械組合：1臺(tái)挖掘機(jī)、8臺(tái)自卸車、1臺(tái)三鏵犁、1臺(tái)旋耕機(jī)、1臺(tái)推土機(jī)、1臺(tái)裝載機(jī)、1臺(tái)平地機(jī)、1臺(tái)18t振動(dòng)壓路機(jī)、1臺(tái)25t振動(dòng)壓路機(jī)、1臺(tái)灑水車。

④試驗(yàn)結(jié)果

a.最大干密度：1.79g/cm3。最佳含水量：15.5%。含水量控制在最佳含水量±2%左右時(shí)，下路床第六遍壓實(shí)后的壓實(shí)度能夠達(dá)到驗(yàn)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，第六遍壓實(shí)后壓實(shí)度平均為97.4%，最低96.1%；松鋪系數(shù)1.311。

b.壓實(shí)遍數(shù)和壓實(shí)度檢測情況對(duì)比見表2。

碾壓遍數(shù)和壓實(shí)度檢測結(jié)果對(duì)比表 表2

c.下路床實(shí)測彎沉代表值139.04（0.01mm），盡管仍未超過設(shè)計(jì)容許彎沉值179.01（0.01mm）要求，卻比三類紅砂巖填料填筑的下路床彎沉代表值要大許多。

5 結(jié)論

①經(jīng)過試驗(yàn)路段的施工驗(yàn)證和對(duì)比，三類紅砂巖由于強(qiáng)度較高、不崩解或極少量的崩解，破碎后，可直接用作下路床填料。

②在路床填料嚴(yán)重短缺的地區(qū)，如果三類紅砂巖較多，分選較容易，可以推廣在下路床和淺挖低填路段直接使用。

③三類紅砂巖直接用做路床填料的質(zhì)量控制關(guān)鍵：

三類紅砂巖的野外標(biāo)志明顯，工人分選熟練；

部分棱角處有少量浸水能崩解的三類紅砂巖需進(jìn)行預(yù)處理，崩解掉較軟弱部分；

三類紅砂巖的破碎質(zhì)量，特別是破碎后的粒徑應(yīng)控制在10cm以內(nèi)；

施工機(jī)械組合的選擇也非常關(guān)鍵，推薦使用常祁高速公路試驗(yàn)路段的機(jī)械組合：18t拖式振動(dòng)羊足碾（激振力50t）與18t自行式振動(dòng)壓路機(jī)組合。

④踐行綠色工地理念，充分利用挖余紅砂巖中三類紅砂巖替代7%摻灰土作為高速公路下路床填料是可行的，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。