公路路基工程改良紅黏土試驗分析

駱楊靜

（核工業長沙中南建設工程檢測有限公司）

0 引言

從土體特性角度分析，紅黏土液限值較高，水敏感性強，在含水率變化的情況下，紅黏土表現出明顯的膨脹、收縮特性，因此，未經處治的紅黏土無法直接用于路基填筑，其承載強度及荷載穩定性也不滿足設計及規范要求。而經石灰處治的紅黏土在壓實度達標的前提下，可用于路基填筑。為了明確石灰改良紅黏土的相關工藝及施工控制參數，特以湖南省內某公路施工項目為研究案例，在此高速線路趙家村王五嗲屋后面K8+660 的位置，采集現場路基土樣，通過室內試驗，給出了石灰的最佳摻量及含水率的合理范圍，為現場施工提供參數支撐。

1 材料物理性能

紅黏土廣泛分布于我國南方地區，為了客觀、真實地反映紅黏土路基施工過程中存在的問題，室內試驗選取湖南省某公路施工項目現場紅黏土路基土體，通過室內試驗得到紅黏土的各項參數，詳見表1。經試驗測定，該紅黏土液限值較高，且黏土顆粒占比達52.3%，屬于高液限黏土。紅黏土組分分析詳見表2。本項目擬采用石灰處治工藝，石灰有效成分為CaO、MgO，占比分別為72.4%、4.1%。

表1 紅黏土土樣物理特性

表2 紅黏土土樣礦物組成

2 室內試驗研究

為了制定最合理的石灰處治方案，以最大程度提高紅黏土的改良效果，擬通過相關室內試驗，給出最佳的石灰摻量和含水率指標，同時與素土干、濕法擊實試驗結果對比，得出相應的施工控制工藝。

2.1 擊實試驗

紅黏土路基壓實施工中，應以素土含水率及干密度指標為控制標準，采取室內擊實試驗獲取土樣的擊實曲線，擊實曲線如圖1。為了對比不同工法對擊實曲線的影響，本試驗對比了干法和濕法兩種工況。

圖1 擊實試驗結果

由實驗可知：

⑴干法工藝對應的最佳含水率（OMC） 指標為30.6%,干密度最大值（MDD）為1540㎏/m3；

⑵濕法工藝對應的干密度最大值（MDD）為1430㎏/m3，相應的最佳含水率（OMC）指標為32.1%。經對比分析發現，干法工藝對應的最佳含水率指標明顯小于濕法工藝，但其干密度最大值大于濕法工藝；

⑶由于紅黏土中的黏土類礦物占比超過一半，黏土在長期的沉積過程中，吸收了大量的結合水，而干法工藝的土樣烘干過程破壞了土體內部的穩定結構，相反，濕法工藝則不會破壞土體的結合水。

2.2 直剪試驗

通過分析室內擊實試驗結果，能夠大體框定紅黏土改良后的含水率范圍。但工程實踐表明，采用干法擊實工藝，其壓實度指標一般無法滿足設計及規范要求。室內試驗擬以濕法工藝對應的最佳含水率（OMC=32.1%）為基礎，進一步細化含水率梯度，即：28%、30%、32%、34%、36%，分別對每一種含水率指標摻入不同比例的石灰改良材料，石灰比例設計定為：0%、4%、8%、12%、16%，充分拌和后制作試驗樣本。

為了進一步分析紅黏土路基填筑材料的強度指標，擬采用ZJ-4 型四聯直剪儀進行室內試驗，該儀器的應力測定覆蓋范圍為50～400kPa，本次試驗設定加載梯度為：50kPa、100kPa、150kPa、200kPa 四級，剪切速率控制在0.8mm/min 左右，強度試驗結果詳見表3、表4。

表3 石灰摻量及含水率指標對紅黏土粘聚力的影響

表4 石灰摻量及含水率指標對紅黏土內摩擦角的影響

由表3、表4 可知：

⑴石灰材料對紅黏土強度指標的改善效果顯著，在含水率相同的前提下，經石灰改良的紅黏土粘聚力指標可提高17%～42%，內摩擦角ψmax 由起始的35.38°提升至37.45°，改性石灰摻量從0%提高至12%后，土體粘聚力指標c 及內摩擦角均相應提高，當改性石灰摻量達到16%時，上述指標開始拐頭下降。

⑵土體含水率指標對改性紅黏土的抗剪切性能影響程度與擊實試驗結果一致，當石灰摻量較低時（4%摻量），各參數（c 和ψ）峰值點出現在OMC 附近，隨著石灰摻量的進一步提高，各參數（c 和ψ）變化趨勢類似，其最佳含水率指標提高至34%～36%。

2.3 CBR 試驗

CBR 試驗也是表征路基承載能力的重要試驗之一，結合室內擊實試驗和OMC 指標，擬設定0%、4%、8%、12%、16%五個石灰摻量目標值，分別制作CBR 試驗試件，CBR試驗結果詳見圖2。

圖2 生石灰質量比

由圖2 可知，經石灰改良后的紅黏土，其CBR 指標提高明顯，當石灰摻量介于8%～12%內時，試件的CBR指標達到峰值，其承載強度較素土提高了15.3 倍，其強度指標滿足公路路基施工規范要求。

綜合分析直剪試驗和CBR 試驗結果，認為石灰摻量的最佳范圍應介于8%～12%之間。

2.4 無側限抗壓強度試驗

除了CBR 指標外，無側限抗壓強度也是表征路基強度的另一大重要指標，為了分析含水率指標對改良紅黏土強度的影響，本次試驗設定的石灰摻量為12%。

無側限抗壓強度試驗流程：經室內擊實試驗明確紅黏土最佳含水率條件下的干密度指標；制作壓實度分別為90%、92%、94%、96%、98%的柱體試驗試件，試件在恒濕條件下養生7 天，采用UTM 伺服儀進行無側限加載試驗，試驗儀加載行程參數為1mm/min，試驗結果詳見圖3。

由圖3 可知，含水率及壓實度影響下的無側限抗壓強度變化趨勢如下：①經石灰改良的紅黏土的最大無側限抗壓強度指標可達到1.0MPa 左右，試驗論證了壓實度指標對改良紅黏土強度的影響；②通過分析含水率指標對強度的影響規律可以看出，當石灰摻量為12%時，對應的最佳含水率指標介于34%～36%之間。

圖3 含水率對無側限抗壓強度的影響

3 結論

以各項試驗結果為基準，得到以下施工控制方案：

⑴紅黏土路基填筑應優先選用濕法擊實工藝，并以該工藝得到的最佳含水率為設計參考值；

⑵紅黏土的最佳含水率應控制在OMC+2%～OMC+4%范圍內，為了覆蓋因水分蒸發導致的含水率下降，在指標選取時應堅持“就高不就低”的原則；

⑶改良石灰的摻量推薦值應介于10%～12%之間；

⑷在紅黏土改良實踐中，石灰摻量并非越高越好，如本試驗采集的高液限紅黏土試驗樣本，石灰摻量最佳范圍應介于8%～12%之間。