黃志勤，余云燕

（蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730000）

紅層泥巖是紅色黏土沉積巖和碎屑的總稱(chēng)，研究表明，中國(guó)紅層泥巖面積超過(guò)80 萬(wàn)km，甘肅紅層泥巖分布面積約7.96 萬(wàn)km，約占全國(guó)紅層面積的10%。路基作為公路基礎(chǔ)，須具備強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，并能抵抗各種自然因素的影響，因此對(duì)填料的選用有嚴(yán)格的控制要求。甘肅地區(qū)紅層填料易風(fēng)化、遇水易軟化、水敏性強(qiáng)，相比常用填料，其工程性質(zhì)并不理想。紅層是蘭州新區(qū)機(jī)場(chǎng)高速公路建設(shè)中不可避免的區(qū)域性巖體，而整條線路都使用優(yōu)質(zhì)填料并不符合經(jīng)濟(jì)要求，因此，通過(guò)改良使紅層泥巖的力學(xué)性能達(dá)到路基填料的標(biāo)準(zhǔn)，是研究的焦點(diǎn)問(wèn)題。眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)蘭州地區(qū)的紅層泥巖進(jìn)行了研究。羅崇亮等取蘭州地區(qū)紅層泥巖為研究對(duì)象，通過(guò)常規(guī)三軸試驗(yàn)，深入研究含水率會(huì)對(duì)試樣破壞狀態(tài)產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明：含水率低于最優(yōu)含水率時(shí)，破壞形式為剪切破壞；含水率高于最優(yōu)含水率時(shí)，破壞形式為鼓狀破壞；同時(shí)含水率增加，黏聚力和內(nèi)摩擦角變小。余云燕等分析了蘭州地區(qū)紅層泥巖的基本物理力學(xué)性質(zhì)，并與其他地區(qū)紅層進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)紅層泥巖土液限較低，最優(yōu)含水率低于西南地區(qū)同類(lèi)型土，礦物成分主要為石英石和石灰石。朱彥鵬等針對(duì)蘭州原狀紅層土，按深度和方位不同劃分組進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果顯示，抗剪強(qiáng)度隨豎向壓力增大而增大，黏聚力隨埋深深度增加先增大后減。中國(guó)川藏和部分南方地區(qū)紅層泥巖的研究成果如下，徐華等取川藏鐵路成雅段原狀紅層黏土進(jìn)行物理改良，摻料為固定級(jí)配的弱風(fēng)化紅層泥巖碎石，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)顯示原狀土和摻碎石兩組填料級(jí)配均良好，原狀土與碎石質(zhì)量比為1∶1 時(shí)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較大。馮強(qiáng)以四川地區(qū)紅層泥巖土為研究對(duì)象，分析其遇水后的膨脹性和軟化性，并通過(guò)擊實(shí)、承載比和三軸試驗(yàn)，得到最大干密度和CBR 值，并劃分填料等級(jí)。張中云等對(duì)遂渝鐵路沿線紅層泥巖開(kāi)展路堤離心模型試驗(yàn)，得到施工期沉降、工后沉降與時(shí)間的關(guān)系，并與非改良紅層泥巖的離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。熊力通過(guò)試驗(yàn)分析了湖南地區(qū)紅層軟巖崩解規(guī)律，建立紅層軟巖崩解的能量耗散模型，認(rèn)為飽和液對(duì)紅砂巖的崩解有較強(qiáng)抑制作用。祝艷波等選用石灰、粉煤灰和水泥對(duì)宜巴高速公路紅層泥巖土進(jìn)行化學(xué)改良，評(píng)價(jià)不同改良填料的水穩(wěn)定性和承載比，并對(duì)不同摻料的改良效果進(jìn)行等級(jí)劃分，結(jié)果表明：水泥改良效果最好，石灰和粉煤灰改良效果次之。

現(xiàn)階段關(guān)于蘭州境內(nèi)的紅層研究?jī)H限于研究素土物理力學(xué)性質(zhì)，改良研究更為稀缺，故本文選取蘭州新區(qū)機(jī)場(chǎng)附近的紅層泥巖為試驗(yàn)土樣，依托實(shí)際項(xiàng)目，確定合適的粉煤灰改良摻量，通過(guò)大量室內(nèi)試驗(yàn)，研究紅層填料在不同粉煤灰摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期下的改良效果。

1 試驗(yàn)材料及其物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)材料取自蘭州新區(qū)某公路基邊坡表層，為不規(guī)則塊狀，顏色為淡棕紅色，改良材料為粉煤灰廢渣，取自蘭州某工廠，呈灰白色粉末狀。

1.1 基本物理力學(xué)性質(zhì)

參照J(rèn)TG 3430—2020《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)。結(jié)果如表1 所示。

表1 基本物理力學(xué)性質(zhì)

1.2 易溶鹽試驗(yàn)

控制浸提液的土水比例及浸泡時(shí)間，進(jìn)行易溶鹽總量測(cè)定，可得出酸堿度（pH）及陰陽(yáng)離子含量，紅層泥巖以及粉煤灰pH 值分別為7.93 和10.36，偏堿性，離子含量如表2 所示。粉煤灰浸出的含水溶鹽中Na+K和Ca占比高，分別為0.656%和0.265%，二者可以交換紅層中的SO離子，促使土顆?？焖倌郏行岣咄馏w強(qiáng)度同時(shí)也抑制了變形。

表2 易溶鹽試驗(yàn)結(jié)果

2 紅層泥巖改良試驗(yàn)

2.1 改良試驗(yàn)方案

將紅層泥巖與粉煤灰質(zhì)量比例按照49∶1、24∶1、47∶3、23∶2、9∶1 混合（摻粉煤灰量2%、4%、6%、8%、10%），先通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)獲得各填料的最優(yōu)含水率和最大干密度后，再進(jìn)行固結(jié)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

配置土樣含水率范圍為12%～24%，通過(guò)試驗(yàn)得知，粉煤灰摻量為2%時(shí)，最優(yōu)含水率為18.94%，最大干密度為1.772 g/cm，粉煤灰摻量的增加使最大干密度逐漸降低，最優(yōu)含水率逐漸增加，粉煤灰摻量為10%時(shí)，最優(yōu)含水率為19.62%，最大干密度為1.748 g/cm。粉煤灰中的高價(jià)陽(yáng)離子可置換出紅層泥巖中原有的低價(jià)陽(yáng)離子，使土體發(fā)生離子交換反應(yīng)。

2.3 固結(jié)試驗(yàn)

考慮到2%間隔的粉煤灰摻量對(duì)土的樣影響不明顯，故對(duì)2%、6%、10%摻量的改良填料開(kāi)展后續(xù)的研究。改良試樣按養(yǎng)護(hù)時(shí)間分別為0 d、7 d、14 d、28 d 進(jìn)行4 組試驗(yàn)，壓縮系數(shù)與養(yǎng)護(hù)天數(shù)關(guān)系如圖1所示。

圖1 壓縮系數(shù)與養(yǎng)護(hù)天數(shù)關(guān)系

粉煤灰摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，均會(huì)使改良土的壓縮系數(shù)不斷減小。10%粉煤灰摻量（28 d）壓縮系數(shù)最小，為0.14。

2.4 無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)

改良土分別養(yǎng)護(hù)7 d、14 d、28 d，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系

以28 d 養(yǎng)護(hù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，素土強(qiáng)度為0.139 MPa，粉煤灰摻量2%組強(qiáng)度為0.217 MPa，與素土組相比增長(zhǎng)56.1%，摻量6%組0.232 MPa，與2%組相比增長(zhǎng)6.9%，摻量10%組強(qiáng)度為0.24 MPa，較6%組增長(zhǎng)3.4%，可見(jiàn)粉煤灰對(duì)紅層泥巖土強(qiáng)度改量敏感度在6%摻量后減弱，且6%組較素土增長(zhǎng)66.9%，效果明顯；以10%的粉煤灰摻量組數(shù)據(jù)分析，養(yǎng)護(hù)0 d強(qiáng)度為0.16 MPa，7 d 組強(qiáng)度為0.204 MPa，同比增長(zhǎng)27.5%，14 d 組強(qiáng)度為0.218 MPa，較7 d 組增長(zhǎng)了6.9%，而28 d 組強(qiáng)度為0.24 MPa，較14 d 組增長(zhǎng)10.1%，可見(jiàn)粉煤灰對(duì)紅層泥巖土強(qiáng)度改良敏感度在7 d 后減弱；綜合對(duì)比3 種摻量改良土的強(qiáng)度，可見(jiàn)10%粉煤灰摻量的改良土強(qiáng)度最大，28 d 養(yǎng)護(hù)效果最好。

3 結(jié)論

本文借助有關(guān)項(xiàng)目背景，選取粉煤灰為紅層泥巖改良摻料，探究紅層泥巖在不同粉煤灰摻量的影響下，最大干密度、壓縮系數(shù)和抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，找出最優(yōu)配比，得到以下結(jié)論。

粉煤灰改良紅層泥巖的效果明顯，摻入粉煤灰，可有效降低土體塑性指數(shù)、提高最優(yōu)含水率。粉煤灰的化學(xué)成分中可以用來(lái)作為離子交換的高價(jià)離子，使土顆?？焖倌郏行岣咄馏w強(qiáng)度，抑制脹縮變形。但需養(yǎng)護(hù)才可逐步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

粉煤灰摻入后，壓縮系數(shù)變小。改良土的壓縮系數(shù)與粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間負(fù)相關(guān)。粉煤灰摻量為10%、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d 時(shí)壓縮系數(shù)最小，為0.14。

在改良材料粉煤灰摻入后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著提高，且與粉煤灰摻量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間均正相關(guān)。粉煤灰摻量為10%、養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d 時(shí)改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，為0.24 MPa。