高速公路路基土體為紅砂巖時的改良試驗研究

摘要：高速公路路基工程在紅砂巖區(qū)域施工之前，采集紅砂巖的樣本，對其強度、干濕循環(huán)崩解、承載比以及礦物成分等方面進行室內特性試驗和分析，對紅砂巖的兩種改良方式進行研究和分析。通過測算抗壓強度值、對紅砂巖分別摻入石灰和水泥進行改良試驗，得出水泥對紅砂巖的改良效果最佳、改良后的紅砂巖可用于高速公路路基工程的結論。

關鍵詞：紅砂巖路基；CBR試驗；抗壓強度

0 引言

隨著我國交通運輸行業(yè)的迅猛發(fā)展，大量的高速公路成功建成且開通運營[1-2]。路基是高速公路工程中主要的組成部分之一，其施工技術已非常成熟，但國內大多數(shù)高速公路施工沿線的路基填料均較為復雜，因此需采取多填料組合或改良的方式進行路基填筑[3-4]。我國存在大量紅砂巖地區(qū)，由于紅砂巖在風化前后強度差異較大，且受大氣環(huán)境影響容易發(fā)生崩解破碎，成為影響高速公路路基修建的重要因素之一[5-6]。本文主要以某高速公路工程為研究對象，對該工程中的紅砂巖進行室內試驗和研究，并提出相應的改良方法。

1 紅砂巖特性研究

1.1 紅砂巖試驗樣本

本文所用紅砂巖試驗樣本均取自某高速公路。圖1所示為紅砂巖風化崩解前后的試驗樣本，其中圖1a為風化崩解前的紅砂巖樣本，圖1b為風化崩解后的紅砂巖樣本。

1.2 強度試驗和分析

紅砂巖的強度關系到高速公路路基的承載能力和公路運輸?shù)陌踩?。本文對由紅砂巖制成的標準試件進行單軸抗壓強度試驗，其標準試件的長、寬、高均為50mm，共取3組標準試件進行單軸抗壓強度試驗，試驗結果如表1所示。

由1表可知，標準試件1、2、3單軸抗壓強度的飽和狀態(tài)分別比干燥狀態(tài)降低了34.8%、42.3%和35.6%。從3組標準試件的平均值來看，飽和狀態(tài)和干燥狀態(tài)試件的單軸抗壓強度平均值分別為10.80MPa和17.33MPa，飽和狀態(tài)的單軸抗壓強度平均值比干燥狀態(tài)的平均值降低了37.7%。分析認為，紅砂巖在飽和狀態(tài)的抗壓強度損失超過35%，因此飽和狀態(tài)的紅砂巖在該高速公路路基工程施工中不可直接用作路床材料。

1.3 干濕循環(huán)崩解試驗和分析

采用干濕循環(huán)方法對紅砂巖進行崩解試驗。試驗過程如下：先將紅砂巖試樣在水中浸泡48h，再將浸泡好的試件放入105℃烤箱內烤干，直至自然冷卻至室內溫度，以上為1次全過程干濕循環(huán)。紅砂巖崩解實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，在經(jīng)歷1次干濕循環(huán)之后，紅砂巖的質量損失為1.07%。在經(jīng)歷6次干濕循環(huán)之后，紅砂巖的質量損失為9.27%。這說明紅砂巖的質量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而減小。在2～4次干濕循環(huán)過程中，其質量損失越來越大。在循環(huán)5～6次時，其質量損失逐漸趨于平穩(wěn)。分析認為，浸水崩解破壞是紅砂巖路基強度破壞的根本原因，在該高速公路路基工程施工中遇到紅砂巖路基時，必須要進行土體改良才可應用H6dphTWIV/ErKp0Bz+hgDA==到工程施工當中。

1.4 CBR試驗和分析

通過承載比（CBR）試驗，檢測紅砂巖的強度指標，在此基礎上對紅砂巖的強度指標進行分析評價。紅砂巖試件取壓實度100%和最佳含水率，對3個紅砂巖試件進行CBR試驗的結果如表3所示。

由表3可知，在壓實度100%和最佳含水率的條件下，紅砂巖平均CBR值為6.64%，小于《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）要求的8%以上。同時，試驗得到紅砂巖的自由膨脹率平均值為0.92%，小于該規(guī)范要求膨脹率大于40%的規(guī)定。分析認為，該施工地區(qū)風化后紅砂巖的強度，不能滿足該高速公路路基工程路基填料要求，若要使用需采用一定的方法進行改良。

1.5 紅砂巖礦物成分分析

有關試驗表明，蒙脫石含量大小是影響紅砂巖遇水崩解特性的重要原因之一。為了獲取該該高速公路施工地區(qū)紅砂巖的礦物成分，采用X衍射進行檢測，檢測結果如表4所示。

由表4可知，該施工地區(qū)紅砂巖的主要礦物成分中，含有大量的蒙脫石，其含量為5.07%，由此說明該施工地區(qū)的紅砂巖具有遇水崩解破壞的特性。分析認為，該風化后的紅砂巖不能直接用于高速公路路基工程，需進行相應改良處理。

2 紅砂巖改良試驗與分析

2.1 兩種改良方式比較

通過上述試驗和分析可知，該高速公路施工地區(qū)風化后的紅砂巖在雨水的侵蝕下會發(fā)生崩解破壞，從而影響路基的強度。因此，要采用合適的改良劑進行紅砂巖改良。

有關研究表明，石灰和水泥不僅價格低廉，而且具有較好的改良土體的特性。鑒于此，本文分別采用石灰和水泥作為改良劑，并通過室內試驗來確定改良劑最優(yōu)摻入比。摻入不同比例的石灰或水泥（P.O42.5型普通硅酸鹽水泥）進行擊實試驗，得到不同的改良土最優(yōu)含水率和最大干密度。兩種改良方式的擊實試驗結果如表5所示。

2.2 兩種改良方式分析

2.2.1 石灰改良方式

由表5可知，采用石灰改良土體時，隨著石灰摻入比率的增大，改良土體的最優(yōu)含水率不斷增大，最大干密度不斷降低。石灰的摻入比為4%、6%、8%和10%時，對應的改良土體最大含水率依次增大了5.58%、7.19%、13.30%和17.70%，最大干密度依次減小了1.99%、2.99%、3.98%和4.98%。

分析認為，由于生石灰中的氧化鈣與土中的水發(fā)生化學反應，消耗了大量的水分。同時，石灰與水產生的氫氧化鈉與土體中的礦物質發(fā)生反應并與土體發(fā)生一定程度的膠結，造成土體干密度下降。

2.2.2 水泥改良方式

采用水泥改良土，隨著水泥摻入比的增大，改良土體的最優(yōu)含水率也不斷增大，最大干密度也不斷降低，水泥的摻入比為3%、4%、5%和6%時，對應的改良土體最大含水率依次增大了1.07%、1.93%、2.79%和5.79%，最大干密度依次減小了0.50%、1.49%、2.49%和2.99%。這主要是水泥中的礦物質與土體中的水發(fā)生一系列化學反應，產生的化學物通過包裹土體顆粒形成膠體，從而減小了土體的干密度。

2.3 測算抗壓強度試驗值

依據(jù)表5中的兩種改良方式的擊實試驗，得出不同摻入比率時的最優(yōu)含水率和最大干密度結果。壓實度取96%制作紅砂巖改良試件，并進行無側限抗壓強度試驗，以判定改良后的紅砂巖土體能否滿足路基強度要求。

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》，高速公路路床7d無側限抗壓強度值在0.4～0.6MPa之間效果最佳，本文取7d無側限抗壓強度值為0.5MPa作為判斷標準。此外，施工現(xiàn)場7d無側限抗壓強度值，一般約等于室內7d無側限抗壓強度值的60%。因此，如果紅砂巖試件的無側限抗壓強度滿足高速公路路床要求，其室內試驗得到的7d無側限抗壓強度值應不小于0.83MPa。

2.4 石灰改良效果

石灰改良紅砂巖無側限抗壓強度隨齡期變化曲線如圖2所示。當石灰摻入比率小于8%時，隨著石灰摻入量的增大，改良土體的無側限抗壓強度明顯增大，尤其是石灰摻入比由6%增大至8%時增幅明顯。

但是當石灰摻入比由8%增大至10%時，改良土體無側限抗壓強度不增反降。此外，4種不同石灰改良紅石巖土的7d無側限抗壓強度均小于0.83MPa，這說明采用適量的石灰摻入比率可以增大紅砂巖改良土強度，但滿足不了高速公路路床的需要。

2.5 水泥改良效果

水泥改良紅砂巖無側限抗壓強度隨齡期變化曲線如圖3所示。隨著水泥摻入量的不斷增大，改良土體無側限抗壓強度不斷增大，且水泥摻入比為4%、5%和6%時改良土體7d無側限抗壓強度均大于0.83MPa。

分析認為，水泥改良劑的效果相對更好，且從經(jīng)濟的角度來講，水泥摻入比為4%時即可滿足高速公路路床需要。

2.6 試驗結論

采用石灰改良劑時，隨著石灰摻入比的增大，改良土的最優(yōu)含水率均增大，最大干密度均降低。適當?shù)氖覔饺氡嚷士梢栽龃蠹t砂巖改良土強度，但滿足不了高速公路路床的需要。

隨著水泥摻入量的不斷增大，改良土無側限抗壓強度不斷增大，水泥摻入比為4%、5%和6%時，改良土7d無側限抗壓強度均可以滿足工程要求。水泥改良劑的效果相對更好，且從經(jīng)濟的角度來講，采取水泥摻入比率為4%時即可滿足高速公路路床建設的需要。

3 結束語

本文采用室內試驗的方法，得出了紅砂巖具有遇水崩解破壞的相關特性。本文的試驗研究結果表明，高速公路工程遇到紅砂巖地區(qū)時，需要采用改良劑對紅砂巖進行處理后才可用于路基施工。采用水泥改良劑對紅砂巖進行處理的效果最優(yōu)、經(jīng)濟效益最好，在紅砂巖地區(qū)進行高速公路路基工程施工時，具有較高的應用價值。

參考文獻

[1] 李軍，胡園園.裝配式型鋼支撐在基坑工程中的應用[J].江蘇建筑，2022（3）：114-117.

[2] 李亞文，李夢飛，蔡敏，等.裝配式H型鋼支撐軸壓承載力研究[J].工程與建設，2022，36（1）：20-22.

[3] 周虔.裝配式預應力張弦梁鋼支撐體系在深基坑支護設計及施工中的應用研究[J].江西建材，2022（1）：200-202.

[4] 陳震，趙貴生，王家瑞，等.裝配式鋼支撐技術在某深基坑案例應用分析[J].安徽建筑，2021，28（3）：122+148.