紅砂巖直接填筑高速公路下路床的可行性探析

李海英 ，羅桂林，鐘雯

（1.安徽省高等級公路工程監理有限公司，安徽 合肥 230031；2.長沙華南土木工程監理有限公司，湖南 長沙 410004；3.南華大學，湖南 衡陽 421001）

1 工程概況

湖南省常祁高速公路是規劃建設的華容至常寧高速公路的南段，也是茶陵至常寧高速公路的西段。該高速西接益婁衡高速，東接京港澳復線，全線位于衡陽盆地內，起于祁東縣歸陽鎮，終于常寧市蓬塘鄉，設計速度為100km/h，主線全長32.123km，分布為紫紅色、紅褐色至灰白色，泥質、鈣質、鐵質或硅鈣質膠結的紅砂巖。常祁高速公路沿線分布的紅砂巖與其他常用的路基填料相比，強度差別大，大部分強度低、易風化，具有明顯的崩解特性，填筑后路基自穩能力較差，若處理不當，路基易出現沉陷等病害。

2 公路路基施工技術規范對路床填筑的要求和常祁高速公路路床填料短缺的矛盾

紅砂巖作為路基填料的適應性研究，前人已經做了許多工作。崩解后的紅砂巖抗剪強度高，抗滲能力強，壓縮性低，CRB值高，滿足路基填料的指標要求，但新的《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610－2019）第 4.2.2條第（3）點要求路床、零填、填挖結合部位和挖方路段路床存在易崩解或易風化巖石時應進行挖除換填（80cm～120cm）。為此本項目路床（-20cm～-120cm）、低填淺挖路基、橫向填挖交界處、縱向填挖交界處原設計均采用7%摻灰土進行填筑。但摻配土源外購路程較遠（最近的也有13.68km）、運量大，既增加工程成本、影響工程進度和工期，又要廢棄紅砂巖，棄土場和借土將占用大量土地，環保、水土保持和國土資源等問題突出，工程質量、進度難以保障。因此，針對常祁高速公路特殊的施工環境和現場實際，需要進一步對紅砂巖的功能進行評測，尋求最優方案進行填筑，解決原設計路床填料短缺的矛盾[1]。

3 常祁高速公路沿線紅砂巖的分類特性

根據在常祁高速公路沿線挖方段和采石場系統取樣100個，進行105℃烘干后浸水24h崩解試驗和單軸抗壓強度試驗后，對試驗結果進行分類統計，各類紅砂巖的分類特征見表1。

各類紅砂巖試驗結果統計表表1

根據表1特征，結合前人的研究成果[2]，常祁高速公路紅砂巖的工程地質特性和施工特點，可分為“巖土”和“巖石”二大類。

①“巖土”類紅砂巖：表1所述的一、二類紅砂巖，其強度低，在重型壓路機的振動下能夠解小，可通過壓實度來進行檢測，一般參照填土或土石混填路堤進行施工；一、二類紅砂巖遇水容易崩解，未經處理和改良，不得用于路床填筑[3]。

②“巖石”類紅砂巖：表1所述的三類紅砂巖，其強度較高，浸水不崩解或僅在棱角處有少量崩解，主要通過壓實遍數、沉降量來進行檢測，一般參照填石路堤進行施工。

4 常祁高速公路下路床試驗路段的填料優化和試驗段結果

為解決常祁高速公路路床填料短缺問題，根據三類紅砂巖強度較高，不崩解或僅在棱角處少量崩解的特點，對三類紅砂巖進行預處理后破碎，利用破碎后未篩分的三類紅砂巖直接填筑下路床及低填淺挖路段，試驗路段驗證情況如下。

為了和原設計的7%摻灰土填料進行對比，本項目同時施工了以破碎三類紅砂巖未篩分碎石為填料的下路床試驗路段和以7%摻灰土為填料的下路床試驗路段。其中紅砂巖填料的下路床試驗路 段 選 在 K2+600～K2+800，長 度200m，摻灰土填料的下路床試驗路段選在 K2+800～K2+900，長度 100m，該段路床填方在地質條件、斷面形式等均具有代表性，適宜作為路床填方的試驗路段。

4.1 三類紅砂巖為填料的下路床試驗段

①根據紅砂巖的特性采用一體式鉤機、挖機開挖、自卸汽車運輸。試驗路段施工前，先安排經培訓的工人在采石場精選出較好的三類紅砂巖，進行機械（炮機）破碎到規定規格（粒徑0～10cm），進行崩解處理（預處理）后，按照試驗規范標準進行含水量試驗、表觀密度試驗、顆粒大小分析試驗等符合要求后，運往工地填筑。

②填筑以機械作業為主，人工配合。利用全站儀放出路基中線，每20m一樁，測出中樁標高，并根據填土高度放出施工邊線和邊溝線，用石灰將試驗段中線、邊線標出。然后按每40m（縱向）1個橫斷面測7-11點，確定初始高程（H0）。在松鋪層初平后與下承層測點對應，測高程（H），用羊足碾碾壓一遍或振動壓路機碾壓一遍測對應點的高程（H1），再用羊足碾碾壓一遍和振動壓路機碾壓一遍測對應點的高程（H2），反復碾壓直到填筑層壓到終壓時止，測對應點高程（Hi）。

本試驗路段采用灌水法測壓實干密度：挖大坑法，采用孔隙指標進行檢驗，確定相應的施工工藝參數與壓實沉降差作為下路床施工時的壓實質量檢測控制指標。

主要施工程序如下圖。

主要施工程序

③沉降差的評定方法

現場資料：有效測點n和不合格數m。

計算不合格率m/n和計算公式0.05+0.3596/√n

評定：

a.沉降差管理標準值為△H=△Ho+2σ，碾壓兩遍后檢測的沉降差小于△H值即為合格。

b.如果 m/n＞0.5+0.3596/√n，則認為該段壓實不符合要求，需要處理；如果m/n＜0.5+0.3596/√n，則認為該段符合壓實要求。

c.如果單個測點的沉降差大于最大容許值△H1，需要對該處進行局部補充碾壓。

④質量控制要點

a.嚴格控制松鋪厚度，采用220馬力后掛三齒的推土機推平、勻松、來回“耙壓”遍數不小于3遍，經“耙壓”后的紅砂巖填料最大粒徑不得超過10cm，個別超粒徑的填料，應人工挑選出來，嚴格控制填料最大粒徑。測量松鋪石方的平均高程，計算平均松鋪厚度。

b.嚴格含水量控制，在碾壓前要檢測含水量，紅砂巖填料在碾壓前含水量應控制在最佳含水量±2%范圍內，確保填料的含水量處于最佳狀態，當含水量超出最佳含水量的±2%時，應采用翻曬或灑水進行調整。

c.碾壓遍數的控制，紅砂巖碎石土路床整平后效果應該達到表面平順，碾壓區工作面無多余石料堆放，才能進行下一步碾壓施工工序；紅砂巖碎石土填筑壓實使用18t拖式振動羊足碾（激振力50t）與18t自行式振動壓路機組合。

d.檢測，對完成路段應進行回彈彎沉值檢測和壓實度檢測，壓實度采用灌水法進行，含水量用酒精燃燒法或烘干法測試。施工過程中還要對比壓實度（壓實遍數）和沉降差的相關性。

⑤試驗段檢測結果

a.平均松鋪厚度：39.5cm，松鋪系數：1.16；壓實遍數：先初平1遍，羊足碾碾壓2遍，行駛速度控制在2.5km/h，18t自行式振動壓路機強振3遍，最后靜壓1遍，振動碾壓速度應控制在3.1km/h。

b.現場碾壓完成后，實測壓實度代表值為96.7%，對應的沉降差評定值為2.02mm，實測彎沉代表值108.66（0.01mm），未超過設計容許彎沉值179.01（0.01mm）要求[4]。

4.2 7%摻灰土為填料的下路床試驗段（原設計圖紙推薦的填料方案）

①外購土源運距16.7km，石灰需要從郴州市桂陽縣或耒陽市購買，運到施工現場需要580元/t（生石灰）。試驗段采用路拌法施工，生石灰充分消解需要2天時間，路拌翻拌需要3－4次，才能使石灰與土拌和均勻。

②碾壓時，采用振動壓路機先靜壓一遍，然后再振壓至壓實度達到規范要求止。碾壓時先慢后快、先輕后重、由兩側至中間、由低到高，輪跡重疊1/2，最大速度不超過4km/h，碾壓時應確保均勻，無漏壓、無死角、無明顯輪跡；碾壓開始后，試驗工程師在碾壓第二遍過后，每碾壓一遍檢測一次壓實度，并將檢測結果及時通知路基負責人并做好記錄。

③機械組合：1臺挖掘機、8臺自卸車、1臺三鏵犁、1臺旋耕機、1臺推土機、1臺裝載機、1臺平地機、1臺18t振動壓路機、1臺25t振動壓路機、1臺灑水車。

④試驗結果

a.最大干密度：1.79g/cm3。最佳含水量：15.5%。含水量控制在最佳含水量±2%左右時，下路床第六遍壓實后的壓實度能夠達到驗評標準的要求，第六遍壓實后壓實度平均為97.4%，最低96.1%；松鋪系數1.311。

b.壓實遍數和壓實度檢測情況對比見表2。

碾壓遍數和壓實度檢測結果對比表 表2

c.下路床實測彎沉代表值139.04（0.01mm），盡管仍未超過設計容許彎沉值179.01（0.01mm）要求，卻比三類紅砂巖填料填筑的下路床彎沉代表值要大許多。

5 結論

①經過試驗路段的施工驗證和對比，三類紅砂巖由于強度較高、不崩解或極少量的崩解，破碎后，可直接用作下路床填料。

②在路床填料嚴重短缺的地區，如果三類紅砂巖較多，分選較容易，可以推廣在下路床和淺挖低填路段直接使用。

③三類紅砂巖直接用做路床填料的質量控制關鍵：

三類紅砂巖的野外標志明顯，工人分選熟練；

部分棱角處有少量浸水能崩解的三類紅砂巖需進行預處理，崩解掉較軟弱部分；

三類紅砂巖的破碎質量，特別是破碎后的粒徑應控制在10cm以內；

施工機械組合的選擇也非常關鍵，推薦使用常祁高速公路試驗路段的機械組合：18t拖式振動羊足碾（激振力50t）與18t自行式振動壓路機組合。

④踐行綠色工地理念，充分利用挖余紅砂巖中三類紅砂巖替代7%摻灰土作為高速公路下路床填料是可行的，具有較好的經濟性。