，，，

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068； 2.中交云南高速公路發(fā)展有限公司，云南 昆明 650500；3.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

紅粘土是一種特殊的路基填筑材料，具有含水率高、液限高、施工壓實(shí)困難等特點(diǎn)，工程中往往難以達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度要求。但紅粘土卻具有較好的力學(xué)性能，如果處理得當(dāng)，可以作為路基填料使用。劉龍武等[1]依托耒宜高速公路，提出能夠直接用作填料的紅粘土的最大干密度和天然含水率可分別取為1.54 g/cm3和27.3%。曾靜等[2]依托竹城高速公路，提出高液限與高塑性指數(shù)的紅粘土只要合理控制其碾壓含水率，能夠獲得較高的壓實(shí)度，可以直接作為路基填料。談云志[3]依托廈門至成都高速公路郴州段，提出紅粘土路堤的壓實(shí)度可降低2.5%，填筑含水率應(yīng)控制在35%左右。吳立堅(jiān)等[4]依托福建某高速公路，提出當(dāng)松鋪厚度在20 cm左右，碾壓含水率在25%～32%時(shí)，紅粘土可以直接用于下路堤填筑。龔先兵[5]依托夏蓉高速公路，提出紅粘土在合理的施工控制下，可以用于路基填筑。

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[6]建議特殊路基在保證路基強(qiáng)度要求的前提下可適當(dāng)?shù)亟档蛪簩?shí)度，但降低的依據(jù)和范圍都沒有明確的規(guī)定。紅粘土路基壓實(shí)很難達(dá)到規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)度要求，工程中要適量降低壓實(shí)度要求。云南地區(qū)紅粘土分布廣泛，多條在建公路穿越紅粘土發(fā)育地區(qū)，但由于地質(zhì)、氣候、形成條件等因素的不同，不同地區(qū)的紅粘土的工程性質(zhì)也存在一定差異，因此，需結(jié)合云南紅粘土的工程特性，針對云南紅粘土的路基壓實(shí)工藝及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)開展研究。

1 云南紅粘土基本土性指標(biāo)

云南紅粘土土樣取自蒙文硯高速公路K38+540～K38+760段，紅粘土的基本土性指標(biāo)如表1～表3，圖1、圖2。

表1 基本物理指標(biāo)%液限塑限塑性指數(shù)60 532 528

表2 顆粒組成%各粒徑(mm)占百分比>0 0750 075～0 002<0 00216 180 63 3

表3 標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)成果擊實(shí)方法最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%干法1 66721 7濕法1 64223 5

圖1 含水率與干密度關(guān)系曲線(干法)

圖2 含水率與干密度關(guān)系曲線(濕法)

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出：云南紅粘土液限高，粒徑大部分集中于0.075～0.002 mm，屬于細(xì)粒土。由濕法重型擊實(shí)試驗(yàn)得出的最大干密度要小于干法重型擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度，而前者的最佳含水率要大于后者的，其最大干密度相差0.025 g/cm3，最佳含水率相差1.8%。同時(shí)，擊實(shí)曲線也有著明顯的不同。濕法擊實(shí)曲線比較平緩，意味著土樣可以在一個較寬的含水率范圍內(nèi)達(dá)到要求的壓實(shí)度，從而有利于實(shí)際施工中控制含水率。究其原因是由于土體內(nèi)部存在結(jié)合水，而濕法所得出的最佳含水率包括了其內(nèi)部的結(jié)合水含量，更加準(zhǔn)確地反映了紅粘土礦物成份與結(jié)合水的特性。在實(shí)際施工中由于紅粘土的天然含水率都會比較高，壓實(shí)前必須經(jīng)過晾曬，降低其含水率后才能進(jìn)行碾壓。所以濕法得出的結(jié)果能更好地指導(dǎo)實(shí)際施工。

2 云南紅粘土路基填筑方案

云南紅粘土路基試驗(yàn)段選取蒙文硯高速公路K38+540～K38+760段，路基填筑方案見圖3。路床及上路堤(0～1.5 m)采用非紅粘土填料(碎石、砂礫等)進(jìn)行填筑，1.5 m以下的紅粘土路堤采用粘土包邊處理。紅粘土路堤兩側(cè)包邊厚度為2.5 m，內(nèi)部填料為夯實(shí)的紅粘土，采用水平分層填筑，分層碾壓。為了加強(qiáng)地基排水功能，在底部鋪設(shè)一層碎石料墊層，碎石墊層的厚度為50 cm，碎石墊層上鋪設(shè)一層防滲土工布。

圖3 紅粘土路基示意圖

3 云南紅粘土路基壓實(shí)參數(shù)與壓實(shí)工藝

3.1 壓實(shí)參數(shù)

3.1.1 碾壓含水率

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，紅粘土濕法重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)的最佳含水率為23.5%，取土場處紅粘土天然含水率為30%～35%?？紤]到紅粘土在較低含水率范圍內(nèi)進(jìn)行壓實(shí)時(shí)，增加了晾曬成本，因此，在滿足路基下路堤最小強(qiáng)度要求下，現(xiàn)場紅粘土路基填筑含水率控制在27%～29%之間。

3.1.2 松鋪厚度

由于云南紅粘土的天然含水率高于碾壓含水率，碾壓之前需要翻曬，翻曬機(jī)械為旋耕機(jī)，旋耕機(jī)的有效翻曬深度為25 cm左右。因此現(xiàn)場控制松鋪厚度為25 cm。

3.1.3 碾壓遍數(shù)控制

為了研究不同工況下紅粘土的壓實(shí)效果，設(shè)計(jì)了3種工況。工況1：振動壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振4遍，弱振2遍；工況2：振動壓路機(jī)靜壓1遍，強(qiáng)振6遍；工況3：振動壓路機(jī)靜壓1遍，弱振1遍，再強(qiáng)振4～6遍?，F(xiàn)場實(shí)測壓實(shí)度和CBR如表4所示。

從表4可以看出，云南紅粘土直接用作路基下路堤填料時(shí)，壓實(shí)度隨著碾壓遍數(shù)的增加而增大，在靜壓1遍后強(qiáng)振6遍工況下，路基壓實(shí)度可以達(dá)到90.3%；在靜壓1遍弱振1遍后強(qiáng)振4遍的工況下，路基壓實(shí)度可以達(dá)到91.5%，在靜壓1遍強(qiáng)振4遍弱振2遍后壓實(shí)度可以達(dá)到90.4%，且由室內(nèi)CBR試驗(yàn)插值可知，壓實(shí)度在87.3%時(shí)，CBR值為3.5%，滿足規(guī)范規(guī)定的下路堤最小強(qiáng)度要求。紅粘土路基最終選用靜壓1遍、弱振1遍、強(qiáng)振6遍進(jìn)行碾壓。

表4 現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)結(jié)果碾壓遍數(shù)/遍平均含水率/%干密度/(g·cm-3)壓實(shí)度/%CBR/%靜1+強(qiáng)1+弱229 61 43287 33 5靜1+強(qiáng)2+弱229 61 47389 85 8靜1+強(qiáng)3+弱229 61 47890 16 1靜1+強(qiáng)4+弱229 61 48390 46 5靜壓1+強(qiáng)振129 41 45788 84 9靜壓1+強(qiáng)振229 41 46189 15 2靜壓1+強(qiáng)振429 41 47890 16 1靜壓1+強(qiáng)振629 41 48190 36 7靜1+弱1+強(qiáng)229 21 47289 85 8靜1+弱1+強(qiáng)429 21 50291 57 4靜1+弱1+強(qiáng)629 21 49591 77 1 注：試驗(yàn)段樁號為K38+540～K38+760；松鋪厚度25cm；最大干密度1．64g/cm3；最佳含水率23．5%。

3.2 壓實(shí)工藝

紅粘土路基壓實(shí)工藝見圖4。在已滿足沉降要求的碎石墊層上鋪設(shè)一層防滲土工布后，在鋪好的土工布上松鋪厚度25 cm的素紅粘土，并測定天然含水率，然后用推土機(jī)進(jìn)行粗平，再用平地機(jī)進(jìn)行精平，使鋪土厚度基本一致，表面平整。晾曬時(shí)使用旋耕機(jī)進(jìn)行翻拌，翻拌頻率2～3次/d，翻拌深度為25 cm，保證翻曬到位，避免填料含水率不均勻。經(jīng)檢驗(yàn)填料含水率滿足碾壓要求時(shí)，使用光輪振動碾按照先兩側(cè)后中間，先慢后快的原則進(jìn)行碾壓。

圖4 紅粘土路基壓實(shí)工藝

4 云南紅粘土路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

施工規(guī)范建議在保證紅粘土路基強(qiáng)度的前提下適當(dāng)?shù)亟档蛪簩?shí)度，但降低的依據(jù)和范圍都沒有明確的規(guī)定。本文把路基土體的強(qiáng)度、壓縮性指標(biāo)隨壓實(shí)度的變化規(guī)律作為降低的依據(jù)，并把壓實(shí)度降低后各指標(biāo)值變化不敏感的臨界點(diǎn)或者滿足規(guī)范規(guī)定的下限值作為壓實(shí)度降低的界限值，在此基礎(chǔ)上，提出云南紅粘土路基壓實(shí)的合理控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.1 強(qiáng)度(CBR值)

云南紅粘土CBR值與壓實(shí)度關(guān)系如圖5所示。從中可以看出，CBR值隨壓實(shí)度的增大而增加。含水率在20.5%～32.0%范圍內(nèi)，在擊實(shí)功(50擊)作用下，CBR值均能滿足下路堤最低要求值(3%)，當(dāng)壓實(shí)度93%，對應(yīng)的CBR值為6.1%；當(dāng)壓實(shí)度為90%，對應(yīng)的CBR值為4.2%，意味著壓實(shí)度從93%降低到90%時(shí)，強(qiáng)度(CBR)可以滿足規(guī)范要求。

圖5 CBR與壓實(shí)度關(guān)系曲線

4.2 壓縮性

在含水率為26.5%時(shí)，配置壓實(shí)度90%、93%、96%的環(huán)刀試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，整理數(shù)據(jù)得出：其壓縮系數(shù)a1-2分別為0.08、0.07、0.07 MPa-1，壓縮系數(shù)與壓實(shí)度的關(guān)系如圖6所示。從中可以看出，壓縮系數(shù)隨著壓實(shí)度的增加而減小，壓實(shí)度90%時(shí)，壓縮系數(shù)為0.08 MPa-1，壓實(shí)度93%時(shí)，壓縮系數(shù)為0.07 MPa-1，均遠(yuǎn)小于0.5 MPa-1，且壓實(shí)度對于壓縮系數(shù)的影響非常有限，即使壓實(shí)度從93%降低到90%時(shí)，壓縮系數(shù)僅僅增加了0.01 MPa-1。

圖6 壓縮系數(shù)與壓實(shí)度關(guān)系曲線

4.3 脹縮性

由于路基在運(yùn)營過程中受到降雨和蒸發(fā)的影響，路基土表面長期處于反復(fù)的脹縮效應(yīng)中，為了了解路基土體在環(huán)境作用下的脹縮特征，在做浸水CBR試驗(yàn)時(shí)測量了試件飽水后的膨脹率，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)填料含水率控制在27%～29%范圍時(shí)，任何壓實(shí)度下的膨脹率都很小，都小于0.1%，由此可見，在較高含水率下壓實(shí)路基，壓實(shí)度對膨脹率的影響非常有限，因此，適當(dāng)降低壓實(shí)度對路基的脹縮性影響較小。

當(dāng)路基壓實(shí)度降低后，路基土體的強(qiáng)度、壓縮性和脹縮性均受到不同程度的影響，但影響最大的為路基強(qiáng)度值，因此在使用紅粘土作為路基填料時(shí)，壓實(shí)度的降低主要依據(jù)為強(qiáng)度要滿足規(guī)范規(guī)定的最小值。云南紅粘土直接作為下路堤填料時(shí)，當(dāng)含水率控制在27%～29%范圍時(shí)，壓實(shí)度可以降低至90%，壓實(shí)度90%為該紅粘土路基質(zhì)量控制的下限值。

5 云南紅粘土路基壓實(shí)效果

采用DCP測量路基強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。根據(jù)美國AASHTO相關(guān)規(guī)定：DCP測試結(jié)果與CBR之間存在如下關(guān)系：

式中：PR為貫入比率,mm·(錘擊次數(shù))-1;CBR為加州承載比,%。

由表5可以知道：云南紅粘土用作路基下路堤填料時(shí)，經(jīng)過壓實(shí)后，采用DCP測試的路基CBR值均很高，最小的CBR值為15%，最大的CBR值可以達(dá)到59%，遠(yuǎn)高于規(guī)范規(guī)定的下路堤最小強(qiáng)度要求。

表5 云南紅粘土路堤DCP檢測結(jié)果貫入深度/mm貫入次數(shù)/次貫入比率/(mm·次-1)CBR/%貫入深度/mm貫入次數(shù)/次貫入比率/(mm·次-1)CBR/%3002611 538193002711 112203002611 53819300378 108293002213 63615300605 000533002512 00018300476 383393002313 04316300535 66046300329 37524300565 35749300319 67723300654 615593002611 53819300595 08552

由于云南紅粘土具有較高的強(qiáng)度，這一點(diǎn)在室內(nèi)CBR試驗(yàn)也得到了驗(yàn)證。在試件含水率20.5%～32%范圍內(nèi)，CBR值均滿足規(guī)范規(guī)定的下路堤最小強(qiáng)度要求。且在土樣含水率大于26%時(shí)，同時(shí)也可以獲得較好的水穩(wěn)性。從現(xiàn)場修筑的試驗(yàn)路來看，當(dāng)天然含水率高于碾壓含水率8%以內(nèi)時(shí)，控制好松鋪厚度，采用旋耕機(jī)進(jìn)行翻曬，翻曬頻率2～3次/d，2 d之內(nèi)含水率可以達(dá)到碾壓含水率。通過壓實(shí)后，路基獲得了較高的強(qiáng)度。因此對于云南紅粘土，筆者認(rèn)為可以直接作為路堤填料，不需要進(jìn)行改性處理。

6 結(jié)論

1) 紅粘土濕法擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確地反映了紅粘土特性，可以更好地指導(dǎo)實(shí)際施工。

2) 紅粘土屬于特殊土，針對其天然含水率、液限高、難以壓實(shí)的特點(diǎn)，工程中在保證強(qiáng)度的前提下壓實(shí)度可以適當(dāng)降低，允許降低的幅度應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)路確定。根據(jù)壓實(shí)度與強(qiáng)度、壓縮系數(shù)和膨脹率關(guān)系，云南紅粘土路堤壓實(shí)度的下限值可為90%。

3) 當(dāng)云南紅粘土碾壓含水率為27%～29%范圍時(shí)，經(jīng)過靜壓1遍、弱振1遍、強(qiáng)振6遍的施工工藝，壓實(shí)度可以達(dá)到91%，同時(shí)可以獲得較高CBR值和較好的水穩(wěn)定性，有利于路基長期穩(wěn)定性，因此云南紅粘土在合適的施工工藝下不需要改良，可以直接作為下路堤填料。

[1] 劉龍武，楊和平，康石磊,等.紅粘土填料的路用性質(zhì)研究[J].公路,2002(6)：126-128.

[2] 曾靜，鄧志斌，蘭霞,等.竹城公路高液限土的路用性能的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2006(1)：89-92.

[3] 談云志.壓實(shí)紅粘土的工程特性與濕熱耦合效應(yīng)研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2009.

[4] 吳立堅(jiān)，鐘發(fā)林，吳昌興.高液限土路用特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2003,25(2)：193-195.

[5] 龔先兵.湖南寧道高速公路紅粘土路基填筑[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2010(3)：90-92.

[6] JTG D30—2015,公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] 吳福泉，孫從青，詹試青.紅粘土的擊實(shí)特性與力學(xué)強(qiáng)度特性[J].湖南交通科技，2017(3)：25-27.

[8] 郭彪，李亞軍，葉咸，等.干濕效應(yīng)作用下改良紅粘土路基長期性能試驗(yàn)研究[J].公路工程，2017(5)：273-277.