云南红粘土路基压实工艺及压实标准研究

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(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710068； 2.中交云南高速公路发展有限公司，云南 昆明 650500；3.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

红粘土是一种特殊的路基填筑材料，具有含水率高、液限高、施工压实困难等特点，工程中往往难以达到规定的压实度要求。但红粘土却具有较好的力学性能，如果处理得当，可以作为路基填料使用。刘龙武等[1]依托耒宜高速公路，提出能够直接用作填料的红粘土的最大干密度和天然含水率可分别取为1.54 g/cm3和27.3%。曾静等[2]依托竹城高速公路，提出高液限与高塑性指数的红粘土只要合理控制其碾压含水率，能够获得较高的压实度，可以直接作为路基填料。谈云志[3]依托厦门至成都高速公路郴州段，提出红粘土路堤的压实度可降低2.5%，填筑含水率应控制在35%左右。吴立坚等[4]依托福建某高速公路，提出当松铺厚度在20 cm左右，碾压含水率在25%～32%时，红粘土可以直接用于下路堤填筑。龚先兵[5]依托夏蓉高速公路，提出红粘土在合理的施工控制下，可以用于路基填筑。

《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[6]建议特殊路基在保证路基强度要求的前提下可适当地降低压实度，但降低的依据和范围都没有明确的规定。红粘土路基压实很难达到规范规定的压实度要求，工程中要适量降低压实度要求。云南地区红粘土分布广泛，多条在建公路穿越红粘土发育地区，但由于地质、气候、形成条件等因素的不同，不同地区的红粘土的工程性质也存在一定差异，因此，需结合云南红粘土的工程特性，针对云南红粘土的路基压实工艺及压实标准开展研究。

1 云南红粘土基本土性指标

云南红粘土土样取自蒙文砚高速公路K38+540～K38+760段，红粘土的基本土性指标如表1～表3，图1、图2。

表1 基本物理指标%液限塑限塑性指数60 532 528

表2 颗粒组成%各粒径(mm)占百分比>0 0750 075～0 002<0 00216 180 63 3

表3 标准重型击实试验成果击实方法最大干密度/(g·cm-3)最佳含水率/%干法1 66721 7湿法1 64223 5

图1 含水率与干密度关系曲线(干法)

图2 含水率与干密度关系曲线(湿法)

由以上试验结果可以得出：云南红粘土液限高，粒径大部分集中于0.075～0.002 mm，属于细粒土。由湿法重型击实试验得出的最大干密度要小于干法重型击实试验的最大干密度，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%。同时，击实曲线也有着明显的不同。湿法击实曲线比较平缓，意味着土样可以在一个较宽的含水率范围内达到要求的压实度，从而有利于实际施工中控制含水率。究其原因是由于土体内部存在结合水，而湿法所得出的最佳含水率包括了其内部的结合水含量，更加准确地反映了红粘土矿物成份与结合水的特性。在实际施工中由于红粘土的天然含水率都会比较高，压实前必须经过晾晒，降低其含水率后才能进行碾压。所以湿法得出的结果能更好地指导实际施工。

2 云南红粘土路基填筑方案

云南红粘土路基试验段选取蒙文砚高速公路K38+540～K38+760段，路基填筑方案见图3。路床及上路堤(0～1.5 m)采用非红粘土填料(碎石、砂砾等)进行填筑，1.5 m以下的红粘土路堤采用粘土包边处理。红粘土路堤两侧包边厚度为2.5 m，内部填料为夯实的红粘土，采用水平分层填筑，分层碾压。为了加强地基排水功能，在底部铺设一层碎石料垫层，碎石垫层的厚度为50 cm，碎石垫层上铺设一层防渗土工布。

图3 红粘土路基示意图

3 云南红粘土路基压实参数与压实工艺

3.1 压实参数

3.1.1 碾压含水率

根据室内试验结果，红粘土湿法重型标准击实试验的最佳含水率为23.5%，取土场处红粘土天然含水率为30%～35%。考虑到红粘土在较低含水率范围内进行压实时，增加了晾晒成本，因此，在满足路基下路堤最小强度要求下，现场红粘土路基填筑含水率控制在27%～29%之间。

3.1.2 松铺厚度

由于云南红粘土的天然含水率高于碾压含水率，碾压之前需要翻晒，翻晒机械为旋耕机，旋耕机的有效翻晒深度为25 cm左右。因此现场控制松铺厚度为25 cm。

3.1.3 碾压遍数控制

为了研究不同工况下红粘土的压实效果，设计了3种工况。工况1：振动压路机静压1遍，强振4遍，弱振2遍；工况2：振动压路机静压1遍，强振6遍；工况3：振动压路机静压1遍，弱振1遍，再强振4～6遍。现场实测压实度和CBR如表4所示。

从表4可以看出，云南红粘土直接用作路基下路堤填料时，压实度随着碾压遍数的增加而增大，在静压1遍后强振6遍工况下，路基压实度可以达到90.3%；在静压1遍弱振1遍后强振4遍的工况下，路基压实度可以达到91.5%，在静压1遍强振4遍弱振2遍后压实度可以达到90.4%，且由室内CBR试验插值可知，压实度在87.3%时，CBR值为3.5%，满足规范规定的下路堤最小强度要求。红粘土路基最终选用静压1遍、弱振1遍、强振6遍进行碾压。

表4 现场碾压试验结果碾压遍数/遍平均含水率/%干密度/(g·cm-3)压实度/%CBR/%静1+强1+弱229 61 43287 33 5静1+强2+弱229 61 47389 85 8静1+强3+弱229 61 47890 16 1静1+强4+弱229 61 48390 46 5静压1+强振129 41 45788 84 9静压1+强振229 41 46189 15 2静压1+强振429 41 47890 16 1静压1+强振629 41 48190 36 7静1+弱1+强229 21 47289 85 8静1+弱1+强429 21 50291 57 4静1+弱1+强629 21 49591 77 1 注：试验段桩号为K38+540～K38+760；松铺厚度25cm；最大干密度1．64g/cm3；最佳含水率23．5%。

3.2 压实工艺

红粘土路基压实工艺见图4。在已满足沉降要求的碎石垫层上铺设一层防渗土工布后，在铺好的土工布上松铺厚度25 cm的素红粘土，并测定天然含水率，然后用推土机进行粗平，再用平地机进行精平，使铺土厚度基本一致，表面平整。晾晒时使用旋耕机进行翻拌，翻拌频率2～3次/d，翻拌深度为25 cm，保证翻晒到位，避免填料含水率不均匀。经检验填料含水率满足碾压要求时，使用光轮振动碾按照先两侧后中间，先慢后快的原则进行碾压。

图4 红粘土路基压实工艺

4 云南红粘土路基压实标准

施工规范建议在保证红粘土路基强度的前提下适当地降低压实度，但降低的依据和范围都没有明确的规定。本文把路基土体的强度、压缩性指标随压实度的变化规律作为降低的依据，并把压实度降低后各指标值变化不敏感的临界点或者满足规范规定的下限值作为压实度降低的界限值，在此基础上，提出云南红粘土路基压实的合理控制标准。

4.1 强度(CBR值)

云南红粘土CBR值与压实度关系如图5所示。从中可以看出，CBR值随压实度的增大而增加。含水率在20.5%～32.0%范围内，在击实功(50击)作用下，CBR值均能满足下路堤最低要求值(3%)，当压实度93%，对应的CBR值为6.1%；当压实度为90%，对应的CBR值为4.2%，意味着压实度从93%降低到90%时，强度(CBR)可以满足规范要求。

图5 CBR与压实度关系曲线

4.2 压缩性

在含水率为26.5%时，配置压实度90%、93%、96%的环刀试样进行固结试验，整理数据得出：其压缩系数a1-2分别为0.08、0.07、0.07 MPa-1，压缩系数与压实度的关系如图6所示。从中可以看出，压缩系数随着压实度的增加而减小，压实度90%时，压缩系数为0.08 MPa-1，压实度93%时，压缩系数为0.07 MPa-1，均远小于0.5 MPa-1，且压实度对于压缩系数的影响非常有限，即使压实度从93%降低到90%时，压缩系数仅仅增加了0.01 MPa-1。

图6 压缩系数与压实度关系曲线

4.3 胀缩性

由于路基在运营过程中受到降雨和蒸发的影响，路基土表面长期处于反复的胀缩效应中，为了了解路基土体在环境作用下的胀缩特征，在做浸水CBR试验时测量了试件饱水后的膨胀率，试验结果表明：当填料含水率控制在27%～29%范围时，任何压实度下的膨胀率都很小，都小于0.1%，由此可见，在较高含水率下压实路基，压实度对膨胀率的影响非常有限，因此，适当降低压实度对路基的胀缩性影响较小。

当路基压实度降低后，路基土体的强度、压缩性和胀缩性均受到不同程度的影响，但影响最大的为路基强度值，因此在使用红粘土作为路基填料时，压实度的降低主要依据为强度要满足规范规定的最小值。云南红粘土直接作为下路堤填料时，当含水率控制在27%～29%范围时，压实度可以降低至90%，压实度90%为该红粘土路基质量控制的下限值。

5 云南红粘土路基压实效果

采用DCP测量路基强度，试验结果如表5所示。根据美国AASHTO相关规定：DCP测试结果与CBR之间存在如下关系：

式中：PR为贯入比率,mm·(锤击次数)-1;CBR为加州承载比,%。

由表5可以知道：云南红粘土用作路基下路堤填料时，经过压实后，采用DCP测试的路基CBR值均很高，最小的CBR值为15%，最大的CBR值可以达到59%，远高于规范规定的下路堤最小强度要求。

表5 云南红粘土路堤DCP检测结果贯入深度/mm贯入次数/次贯入比率/(mm·次-1)CBR/%贯入深度/mm贯入次数/次贯入比率/(mm·次-1)CBR/%3002611 538193002711 112203002611 53819300378 108293002213 63615300605 000533002512 00018300476 383393002313 04316300535 66046300329 37524300565 35749300319 67723300654 615593002611 53819300595 08552

由于云南红粘土具有较高的强度，这一点在室内CBR试验也得到了验证。在试件含水率20.5%～32%范围内，CBR值均满足规范规定的下路堤最小强度要求。且在土样含水率大于26%时，同时也可以获得较好的水稳性。从现场修筑的试验路来看，当天然含水率高于碾压含水率8%以内时，控制好松铺厚度，采用旋耕机进行翻晒，翻晒频率2～3次/d，2 d之内含水率可以达到碾压含水率。通过压实后，路基获得了较高的强度。因此对于云南红粘土，笔者认为可以直接作为路堤填料，不需要进行改性处理。

6 结论

1) 红粘土湿法击实试验结果更准确地反映了红粘土特性，可以更好地指导实际施工。

2) 红粘土属于特殊土，针对其天然含水率、液限高、难以压实的特点，工程中在保证强度的前提下压实度可以适当降低，允许降低的幅度应根据试验路确定。根据压实度与强度、压缩系数和膨胀率关系，云南红粘土路堤压实度的下限值可为90%。

3) 当云南红粘土碾压含水率为27%～29%范围时，经过静压1遍、弱振1遍、强振6遍的施工工艺，压实度可以达到91%，同时可以获得较高CBR值和较好的水稳定性，有利于路基长期稳定性，因此云南红粘土在合适的施工工艺下不需要改良，可以直接作为下路堤填料。

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[3] 谈云志.压实红粘土的工程特性与湿热耦合效应研究[D].北京：中国科学院研究生院，2009.

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