紅土粒料公路路基基層的改良試驗研究

曹義茂

(中鐵十八局集團 天津國際工程分公司，天津 河西 300222)

前言

天然紅土粒料通常為紅棕色，是黏性土和碎礫石的混合料，具有較高含水率、較多黏性土、同時含有大量粒徑不同的碎礫石，強度較高等特點，這些利于施工，作為公路底基應(yīng)用比較廣泛。然而紅土粒料也存在低抗剪強度、低壓縮性和高孔隙率、高液限的缺點，路用性能不佳，不能滿足基層施工的需要。為滿足基層施工則需要對路基路面按照工程實際要求和紅土粒料自身特性并結(jié)合施工方案進行設(shè)計，對紅土粒料進行改良，確保公路工程底基具有足夠的強度和穩(wěn)定性。

本文以某公路工程地基基礎(chǔ)作為研究對象，對原始天然紅土粒料采取4種配比改良方案，在確保滿足級配要求的基礎(chǔ)上，開展液塑限和CBR等關(guān)鍵指標檢測，研究4種配比改良方案下紅土粒料地基基礎(chǔ)的特性。另外為提高路基承載能力，以路邦土壤固化劑作為添加劑進行試驗，分析土壤固化劑添加不同占比和不同放置時間情況下，土壤固化劑對基層紅土極限干密度、含水率、抗剪強度值、壓縮性、滲透性等物理力學(xué)的影響。經(jīng)試驗，采用摻砂石骨料與路邦土壤固化劑雙摻技術(shù)對紅土粒料性能進行改良，以確保其具有良好的級配及路用性能，滿足路基要求，研究成果可為類似路基設(shè)計、施工等提供借鑒。

1 基層和底基層紅土原材料要求

紅土基層屬于路基基層粒料類級配型基層。在公路路基基層施工中，通常設(shè)置基層和底基層厚度一般都為150 mm，基層和底基層紅土粒料相關(guān)要求如表1、表2所示。

表1 紅土(底)基層粒料級配要求

表2 紅土(底)基層其他指標要求

2 公路路基紅土粒料取樣測試及級配改良試驗

2.1 紅土粒料取樣測試

某公路總長18 km，路面寬7.3 m，兩側(cè)各1.5 m寬碎石路肩。路面構(gòu)造自上到下依次是：瀝青、碎石層、MC1瀝青封層、紅土基層、底基層和一般填土。其中紅土基層及底基層填筑量分別約2.8萬 m3。

根據(jù)《公路巖土工程試驗規(guī)范》(JTG E40—2007)，對原始紅土粒料進行取樣測試分析，結(jié)果為：天然密度1.79 g/cm3、含水率28.9%、塑限37%、液限60%、塑性指數(shù)23，路用性能不佳。原始紅土粒料級配示意圖見圖1。

圖1 原始紅土粒料級配示意圖

從圖1分析，該公路項目的紅土粒料，粒徑小于0.075 mm的細顆粒含量大于1/5，含量偏高；而粒徑為0.042 5～2 mm的中值紅土顆粒小于1/10，原始級配不佳，沒有滿足規(guī)范要求，不能滿足路基基層的需要，必須進行有效改良。

為確保道路工程質(zhì)量，選取0.5 km長路基段，進行紅土攤鋪試驗。拌和站采用袋裝水泥確保供應(yīng)，當(dāng)氣候炎熱時，施工時間必須嚴格控制在水泥終凝時間之內(nèi)。根據(jù)我國《公路巖土工程試驗規(guī)范》(JTG E40—2007)，紅土粒料的取樣和篩析試驗表明，其原始級配不佳，未滿足規(guī)范要求。同時，攤鋪試驗顯示，紅土粒料路用性能不佳，不能滿足工程需要，必須進行有效改良。

2.2 紅土粒料改良及改良特性

將原始紅土粒料和粗、細粒碎石以及砂制定4種配合比方案進行改良，方案見表3。

表3 紅土粒料改良方案

按照不同改良方案繪制粒徑曲線見圖2。由圖2可見，4種改良方案曲線變化比較平緩，極大改善了中等粒徑粒料缺乏、斷層比較明顯的情況，保證級配趨于完善，符合規(guī)范的要求。

圖2 不同改良方案粒徑曲線

2.3 塑限、液限以及塑性指數(shù)對比分析

按我國《公路巖土工程試驗規(guī)范》(JTG E40—2007)進行試驗，紅土粒料及經(jīng)4種不同砂石骨料摻量改良的紅土粒料的塑限、液限以及塑性指數(shù)見圖3。由圖3可以看出，紅土粒料經(jīng)改良后，塑限、液限和塑性指數(shù)降低。摻30%粗粒碎石以及20%砂的方案3相關(guān)指標降低幅度最為明顯，液限由59.49%降低到16.19%，塑限從36.69%降低到10.49%，塑性指數(shù)由22.79降低到5.69。這說明摻30%粗粒碎石以及20%砂，紅土粒料的液塑限降低幅度最為顯著，各項指標呈現(xiàn)最佳狀態(tài)。

圖3 液塑限及塑性指數(shù)對比圖

2.4 CBR值對比分析

分別對紅土粒料及4種改良后的紅土粒料實施擊實試驗，相關(guān)CBR值見圖4。由圖4表明，紅土粒料通過改良以后，CBR值增加的幅度都比較大，通過比較，方案3 CBR值增加幅度最為明顯，CBR值由12.09%提升至65.49%，提升幅度達53.4%。紅土粒料通過添加含量30%粗粒碎石和含量20%砂，紅土粒料擊實特性被顯著改良，明顯提升了其綜合路用性能，符合基層填料要求。

圖4 CBR值對比圖

2.5 良好改良效果因素分析

方案3的改良效果優(yōu)于其他3種方案，故工程的紅土粒料摻30%粗粒碎石以及20%砂進行改良。現(xiàn)分析改良效果的主要引起因素：

①降低親水性。紅土粒料中細黏土顆粒含量豐富，具有較好的親水性，但液限和塑限偏高。摻入礫石以及砂后，有效降低了紅土粒料的親水性，降低了液塑限和塑性指數(shù)[1]。

②改善顆粒級配。紅土粒料的級配不佳，比如粒徑中值不全、細顆粒含量偏高、斷齒比較嚴重等。摻入改良骨料顆粒后，能有效規(guī)避這些弊端，使粒料級配更為合理，增強其路用性能。紅土粒料改良后，優(yōu)化了骨架結(jié)構(gòu)，提高了骨架強度，使其路用性能得到有效提升[2]。

3 土壤固化劑加固處理

為增強路基承載能力、提升路基水穩(wěn)性能、增加道路運營周期，采用路邦土壤固化劑進行加固處理。路邦土壤固化劑是一種濃縮狀態(tài)下沒有揮發(fā)性、阻燃性強、易與水相融的液體。為獲得不同固化劑添加質(zhì)量比與放置時間對路基加固效果，設(shè)計了6組試驗(見表4)，并對6組試驗的試件依次開展直剪、擊實、滲透和壓縮試驗。

表4 試驗分組

3.1 固化劑對紅土粒料抗剪強度的影響

采用應(yīng)變控制直剪儀進行直剪試驗[3]，剪切速度低于6 r/min。按設(shè)計的6組試驗制備好試件，在保濕筒中養(yǎng)護7 d，再直剪試驗。6組試驗的紅土粒料抗剪強度與法向應(yīng)力關(guān)系如圖5所示。

圖5 抗剪強度與法向應(yīng)力關(guān)系變化曲線

由圖5可知，把土壤固化劑添加到紅土粒料中，試件的抗剪強度增大；試件靜置的時間愈久，試件的抗剪強度愈強；靜置時間相同的試件，添加的土壤固化劑越多，試件的抗剪強度愈強。同時，通過延長靜置時間比提高土壤固化劑添加質(zhì)量比更能有效增強試件的抗剪強度。

3.2 固化劑對紅土粒料壓縮特性的影響

用無側(cè)限壓縮儀進行壓縮特性試驗[4]。按設(shè)計的6組試驗制備好試件，在保濕筒中養(yǎng)護7 d，再進行無側(cè)限壓縮試驗，分析各組試件孔隙比隨法向應(yīng)力變化情況如圖6所示。

圖6 紅土壓縮試驗曲線

由圖6可知，添加土壤固化劑，紅土的壓縮系數(shù)顯著降低，壓縮模量顯著提高；隨土壤固化劑添加質(zhì)量比的增大以及靜置時間的延長，紅土粒料的壓縮系數(shù)漸漸下降，但壓縮模量卻隨之提升；紅土粒料孔隙率隨法向應(yīng)力的提高而下降的趨勢漸漸放緩。同時，與提高土壤固化劑添加質(zhì)量比相比，通過延長靜置時間更能顯著降低紅土粒料的壓縮系數(shù)。

3.3 固化劑對紅土粒料擊實特性影響

采用標準擊實儀進行擊實試驗[5]，將試樣分為三層依次裝入，各層均25擊。不同固化劑添加質(zhì)量比的紅土粒料擊實特性見圖7，不同靜置時間的紅土粒料擊實特性如圖8所示。

圖7 不同固化劑質(zhì)量比的紅土擊實特性

圖8 不同靜置時間下紅土擊實特性

由圖7、圖8可知，添加土壤固化劑后，紅土粒料的最大干密度及最佳含水量都有所提升；土壤固化劑質(zhì)量比一樣，靜置時間愈久，紅土粒料的最佳含水量就愈高，最大干密度反而越低；土壤固化劑質(zhì)量比愈高，紅土粒料的最大干密度愈大，而最佳含水量愈小。

3.4 固化劑對紅土粒料滲透特性的影響

采用變水頭滲透儀進行滲透特性試驗[6]。依照設(shè)計試驗方案制得試件后，在保濕缸里養(yǎng)護7 d，再對6組試件進行滲透試驗，滲透系數(shù)如表4所示。

表4 試件滲透系數(shù)值 cm/s

由表4可知，紅土粒料添入固化劑后，其滲透系數(shù)顯著降低；試件的滲透性隨靜置時間的延長，下降幅度就愈明顯；土壤固化劑質(zhì)量比愈高，試件滲透性愈低。同時，增加靜置時間比增加土壤固化劑質(zhì)量比，更能明顯地降低滲透系數(shù)。

3.5 土壤固化劑加固紅土粒料的原因

通過試驗發(fā)現(xiàn)，添入土壤固化劑后，不僅有效提升了紅土粒料的壓縮模量、抗剪強度、最大干密度以及最佳含水率，而且能促使?jié)B透系數(shù)顯著降低；試件的滲透性隨靜置時間的增加降低愈多。究其原因，添加固化劑后的中等透水性紅土粒料成為復(fù)合土體，透水性變?nèi)酰患t土粒料發(fā)生膠結(jié)，造成其孔隙率減小、壓縮性降低、壓縮模量增大；隨時間的增加，復(fù)合土體的一體性及膠結(jié)作用越強。

4 工程效果

通過對比試驗，紅土粒料摻入30%粗粒碎石以及20%砂、摻加質(zhì)量比為1：100的土壤固化劑并靜置1.5 d的方案是提高路用綜合性能的最佳方案，采取該方案施工后，經(jīng)檢測，工程路基關(guān)鍵指標均符合規(guī)范要求。通車1年，路面沒有出現(xiàn)開裂、坍陷等公路病害，應(yīng)用效果頗佳。

結(jié)語

道路工程施工中，通過試驗比選，紅土粒料摻入30%粗粒碎石以及20%砂，能最優(yōu)改善紅土粒料的級配及擊實特性，提高路基填料性能，確保填料符合要求。在此基礎(chǔ)上，為獲得不同固化劑添加質(zhì)量比與放置時間對路基加固效果，設(shè)計了6組試驗，并對6組試驗的試件進行直剪、壓縮、擊實和滲透試驗，試驗發(fā)現(xiàn)，添加土壤固化劑質(zhì)量比為1：100并靜置1.5 d對提高路基填料的抗剪強度、降低壓縮性和滲透性等效果最佳；本工程條件，增加土壤固化劑靜置時間改良填料性能優(yōu)于增大添加質(zhì)量比。工程實踐證明，采用摻砂石骨料及土壤固化劑的雙摻技術(shù)用于改良公路底基紅土粒料路用性能是可行的，可為同類工程提供借鑒。