公路項目黃土改良紅砂巖試驗及路用性能分析

余武雄

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

我國長江中下游地區分布大量紅砂巖地質帶，受紅砂巖巖性影響，紅砂巖分布帶路基施工一直是公路工程施工難點，一方面紅砂巖工程性質較差，一旦改良處理不到位，紅砂巖受環境水、空氣作用崩解、風化，會造成道路塌陷、開裂等質量病害，甚至造成路基垮塌等工程事故；另一方面，紅砂巖直接遺棄會造成環境污染、資源浪費，且購方填筑會極大地增加施工成本[1-3]。為減少工程消耗與環境破壞，通過改良紅砂巖，使其達到路基填料標準，可有效減少廢方，降低工程成本。黃土作為一種分布廣泛的土體資源，因此進行黃土改良紅砂巖研究，具有良好的經濟及環保效益[4-5]。

1 工程概況

某公路沿線主要為黃河Ⅰ級階地地貌，地層主要由第四系全新統人工填土（）、沖積（）卵石及第三系古-始新統（E1-2）砂巖組成，其中砂巖主要為紅砂巖，層狀發育，巖體工程性質較差，遇水易崩解，遇空氣易風化、軟化崩解，崩解體呈散沙狀。紅砂巖屬軟質巖，其巖性與其他顆粒及硬質巖差異較大，其粒徑隨碾壓過程、裸露時長、含水量變化較大，為減少挖方填料區巖土資源浪費，降低購方、運輸成本，擬加入一定改良劑，改良沿線紅砂巖工程性能，并通過相關試驗判定改良巖土作為路基填料可行性。

經初步研究，擬將黃土作為改良劑，通過擊實試驗研究不同含水量、黃土摻量紅砂巖改良土最大干密度與最佳含水率之間的相關關系，確定改良土最佳含水率、最佳黃土摻量指標，并對最優配比改良土開展直剪試驗、壓縮試驗，探究最優配比改良土強度與壓縮性能變化規律，評價改良土改良效果。

2 紅砂巖的結構特征及崩解機理

2.1 紅砂巖的結構特性

工程所在地天然紅砂巖，按結構類別劃分，主要有粒狀碎屑結構和泥狀結構兩種；按巖石學分類方法，主要分為碎屑類巖、黏土類巖兩種。紅砂巖外觀呈紅色、紅褐色、褐色，其顏色差異主要受巖體中含鐵化合物成分含量影響。碎屑顆粒間膠結形式較多，主要有孔隙式膠結、基底式膠結、泥質接觸式膠結等。巖體中鐵質化合物，僅鐵質碳酸鹽以膠結物形式存在，含鐵氧化物主要起浸染作用，對巖體工程性質基本無影響[6]。

粒狀碎屑巖類中，黏土礦物含量約為5.5%～10.4%，其中高嶺石、伊利石、蒙脫石等礦物含量基本與普通風化巖類似，巖體性質相對穩定。泥狀紅砂巖中，黏土礦物含量約為15%～50%，其中高嶺石含量一般約6.5%～41%，伊利石含量約為5.5%～11%，蒙脫石含量為3.5%～11%，此類巖體中親水礦物含量較大，遇水極易崩解軟化，若直接用于路基填筑，易造成路基水毀、垮塌等病害。

2.2 紅砂巖的崩解的機理

紅砂巖巖體中高嶺石、伊利石、蒙脫石等礦物親水性較強，且主要呈碎屑結構，比表面積較大，巖體遇水時，在毛細作用下水分可沿孔隙向運動，造成礦物水脹，宏觀表現為巖體軟化、崩解破碎。特別是蒙脫石鍵力很弱，遇水分子中氧鍵作用斷裂，呈現較強膨脹性[7]。

試驗過程中發現：在中低溫環境下，當水分子進入紅砂巖巖體中親水礦物層次構造時，紅砂巖會遇水膨脹，最終崩解；紅砂巖中親水礦物結構空隙間的粒間水，也會造成紅砂巖膨脹；紅砂巖結構裂隙在干濕循環作用下，結構裂隙發育加劇，為巖體崩解提供了有利條件，巖體崩解時間受干濕循環作用頻率、巖體中親水礦物成分含量、親水礦物結構影響較大。

3 試驗方案

3.1 擊實試驗

根據現有研究資料，黃土改良紅砂巖改良土中，黃土摻配比例分別設置為20%、30%、40%、60%、80%。為提升試驗結論適用性，選取案例工程沿線典型路段紅砂巖作為研究對象，將其余黃土充分混合，按照試驗規程要求，開展黃土改良紅砂巖改良土重型擊實試驗，研究改良土最大干密度-最佳含水率變化規律[8]。

將黃土與紅砂巖按摻配比例混合均勻后，取6 kg紅砂巖改良土，按照設計含水率噴水，并將噴水處理后的土樣悶置24 h。擊實筒內徑為152 mm，高為116 mm，將改良土分5層填入，每層56擊，層間用拉毛器拉毛，開展重型擊實試驗。根據改良土擊實試驗數據，繪制擊實曲線，得到改良土最大干密度、最佳含水率指標。

3.2 直剪試驗

根據擊實試驗結果，確定黃土改良紅砂巖最佳黃土摻配比例為30%，最佳含水率為8%，按照此配比拌制改良土土樣，悶置24 h后，按標準重型擊實試驗擊實，得到4組改良土試件，用于直剪試驗。直剪試驗儀器采用四聯應變控制式直剪儀，按照試驗規程規定，按0.8 mm/min剪切速率，分別施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向力進行快速剪切試驗，改良土試塊在3～5 min內被破壞，根據試驗數據繪制T—Δι曲線，確定對應試件抗剪強度s值，并繪制出改良土庫侖強度包線。

3.3 壓縮試驗

對最佳配比下黃土改良紅砂巖改良土進行固結壓縮試驗，揭露改良土壓縮特性[9]。

按上述直剪試驗試件制備方法，制備3組試件，利用固結儀進行固結壓縮試驗，試驗加載按四級加載逐級加載，各級加載荷載分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，每級加載持載≥12 h，記錄試件變形數據。

4 試驗結果分析

4.1 最大含水率和最大干密度關系分析

根據擊實試驗結果，繪制出改良土干密度與含水率變化關系見圖1。由圖1可知：1）黃土改良紅砂巖最佳黃土摻量為30%，改良圖最佳含水率為8%，最大干密度為2.11 g/cm3；2）隨著黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之降低，最佳含水率隨之增加。

圖1 改良土干密度與含水率變化關系

根據上述分析可知，改良土最佳黃土摻量為30%，為進一步確定最佳黃土摻量，分別對黃土摻量為20%、25%、35%改良土在不同含水率下進行擊實試驗，結果見圖2。

由圖2可知：1）改良土黃土摻量在20%～30%時，隨黃土摻量增大，改良土干密度隨之增加；2）黃土摻量在30%～35%時，隨黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之減小；3）各黃土摻量下，改良土干密度拐點均出現在含水率為8%處；4）由以上分析可知，改良土黃土摻量為30%，含水率為8%時，擊實效果最佳。

圖2 黃土摻量20%、25%、30%、35%改良土干密度與含水率變化關系

4.2 改良土抗剪強度分析

土體抗剪強度是橫梁巖土工程性能的核心力學指標之一，其計算公式見式（1）：

由式（1）可知，土體黏聚力c、內摩擦角φ是影響土體抗剪強度的核心參數。土體內摩擦角是反應土體顆粒間摩擦特性的物理量，其主要包括土壤顆粒表面摩擦力、顆粒間咬合力；土體黏聚力主要反映土體顆粒間相互吸引產生的應力。最優配比改良土、工程所在地紅砂巖原狀土、直剪試驗結果分別見表1、表2。對比表1、表2可知，相較于紅砂巖原狀土，黃土摻量為30%改良土黏聚力、內摩擦角均顯著提高，究其原因可知，黃土提升了紅砂巖土體顆粒間膠結作用，增強了土體顆粒間摩擦力，表明摻入黃土改良紅砂巖的方法可有效提升紅砂巖土體抗剪強度，改良土庫倫強度包線圖見圖3。

表1 最優配比混合料直剪試驗結果

表2 原狀土直剪試驗結果

圖3 庫侖強度包線

4.3 改良土壓縮性能分析

摻入黃土改良紅砂巖改良土、工程所在地紅砂巖原狀土固結試驗結果分別見表3、表4。對比表3、表4可知，摻入黃土改良紅砂巖改良土壓縮性能顯著提高，改良土壓縮系數a為0.580 MPa-1、壓縮指數C為0.045，壓縮模量Es為21.230 MPa，可知改良土為低壓縮性土，改良效果良好。

表3 固結試驗數據

表4 紅砂巖原狀土壓縮性能指標

由以上分析可知，改良土中黃土顆粒填充了紅砂巖土體孔隙，使紅砂巖孔隙率有所降低，改善了紅砂巖壓縮性能。

5 結論

該文以某高速公路工程為依托，運用擊實試驗，揭露了黃土改良紅砂巖改良土干密度、含水率隨黃土摻量變化的變化規律，利用直剪試驗、壓縮試驗的方法，對比分析了工程所在地紅砂巖原狀土、黃土改良紅砂巖改良土抗剪性能、壓縮性能，結論如下：

（1）擊實試驗結果表明，黃土改良紅砂巖改良土最佳黃土摻量為30%，最佳含水率為8%，最大干密度為2.11 g/cm3；黃土摻量小于30%時，隨黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之增加；黃土摻量大于30%時，隨黃土摻量增加，改良土最大干密度隨之減小[10]。

（2）直剪試驗結果表明，最佳配比下，黃土改良紅砂巖改良土黏聚力指標、內摩擦角指標顯著優于工程所在地紅砂巖原狀土，可知摻入30%黃土可顯著改善紅砂巖土體抗剪強度；固結壓縮試驗結果表明，改良土壓縮性能指標明顯優于紅砂巖原狀土，摻入30%黃土改良后的改良土為低壓縮性土。

（3）最佳黃土摻配比例下，紅砂巖不良特性、路用性能顯著提升，其抗剪性能、壓縮性能符合路基填料性能要求。