公路填方路基软岩改良土路用性能研究

2022-05-12王立双

交通世界 2022年12期

王立双

（邢台市信都区地方道路管理站，河北邢台 054001）

0 引言

邢台高速是河北省规划网中的重要组成部分，沿线广泛分布着崩解性强、遇水易软化、工程性能不稳定的泥岩、页岩等水敏性软岩，而在软岩中添加石灰改良剂不仅能够节约成本，还能够提高软岩填料路基的整体稳定性。因此，本文以邢台高速软岩填筑工程为背景，对不同含水量及石灰掺量下软岩改良填料的路用性能进行研究，为相关工程提供一定的参考。

1 工程概况

邢台高速是河北省规划网中的重要组成部分，对邢台的经济建设有重要意义。邢台高速位于滇中平原中部，和云贵高原及哀牢山紧紧相连，受到地质构造的影响，线路整体呈现南高北低的趋势，沿线山区、平原相互交错，地理环境复杂，线路最高处和最低处的高差甚至可以达到1500m。

邢台高速填方段气候以亚热带雨林气候为主，平均日照时间较长，平均气温为20oC左右，最低气温达到2oC，最高气温可达到24oC。降雨主要集中在7～8月份，月降雨量280～320mm。根据工程地质勘察报告可知，邢台高速填方段由上至下的土层为第四系坡残积层及侏罗系上统妥甸组泥岩层，其中第四系坡残积层以粉质黏土为主，层厚1～2m，侏罗系上统妥甸组泥岩层以紫红色泥岩为主，岩体总体呈现破碎～较完整，岩质较软。

本文以邢台高速K43+360—K43+460高填方路基段为试验段，填方路基高程介于1324～1452m之间，构造为侵蚀中山地貌区，无地表水，地下水类型以基岩裂隙水以及第四系孔隙为主，地下水埋深较深。路基现状边坡稳定性好，无崩塌等不良地质现象，适宜施工。邢台高速试验段路基结构如图1所示。

图1 路基结构示意图

（1）路基结构：试验段路面结构从上到下依次为4cm细粒式沥青混凝土、6cm中粒式沥青混凝土、8cm粗粒式沥青混凝土；基层结构从上到下依次为：40cm水泥稳定级配碎石、20cm级配碎石；路基结构从上到下依次为0～30cm的上路床、30～80cm的下路床、80～150cm的上路堤以及150cm往下的下路堤。路基以下填筑60cm厚的硬质岩石渣等透水性材料。

（2）边坡结构：该试验段路基边坡为3级边坡，从上到下的边坡高度依次为8m、8m、8m边坡平台为2m，坡率分别为1∶2、1∶1.75、1∶1.5，边坡表面采用浆砌片石护坡，坡脚设置C20片石混凝土挡土墙。

2 公路填方路基软岩改良土路用性能研究

2.1 软岩改良机理分析

由于水敏性软岩具有强度低，遇水易崩解软化、吸水膨胀、失水收缩等特点，其工程稳定性较差，因此在利用软岩进行路基填筑时需要对软岩进行相应的处理，以提高其工程稳定性。根据《公路路基设计规范》（JTGD30—2015）可知，常见的水敏性软岩改良方法有强夯法、换填法及添加改良剂法。

强夯法及换填法施工工期长且施工成本大，因此不建议使用，而添加改良剂法即在路基填料中添加石灰和粉煤灰等无机结合料。不仅可以降低软件的水敏性，而且可以改善路基填料的级配，大大提高软件填料的强度及整体稳定性，被广泛应用于软岩改良施工中，考虑到施工成本，选取石灰为改良剂，石灰的主要成分如表1所示。

表1 石灰化学成分

石灰作为水敏性软岩改良剂的作用机理主要包括3个方面：水化反应、离子交换及凝胶反应。

（1）水化反应：水化反应是石灰作用机理的重要基础，石灰中的氧化钙和软岩填料中的水发生水化反应放热，不仅降低软岩填料中的部分水分，而且水化反应生成的碱性物质可以促进硅、铝酸盐的反应，降低铁离子含量，进而削减土颗粒间水膜的厚度，增加填料颗粒间的咬合力。

（2）离子交换：水化反应发生后，生成大量的钙离子，钙离子的存在不仅可以改善土颗粒之间的性质，而且可以有效降低颗粒的互斥性，从而提高土体的凝聚力。而且钙离子本身存在一定的凝聚功能，将各种颗粒凝聚在一起，可以改善软岩颗粒的结构形式，增加填料的强度。

（3）胶凝反应：氧化钙和水反应生成的氢氧化钙，氢氧化钙和空气中的二氧化碳反应生成碳酸化合物，碳酸化合物以薄膜的形式附着在颗粒表面，再次和颗粒中的水反应生成结晶体，与土颗粒形成的结晶体可以强化土体微观结构，结晶体的形成可以减小颗粒之间的距离，提高填料强度。

2.2 软岩改良路基填土路用性分析

对路基填土的路用性能分析主要包括CBR值及回弹模量。

2.2.1 CBR

CBR试验也称为承载比试验，指对路基填料的贯入量为5mm的荷载值与标准碎石料的贯入量为5mm的荷载值之间的比值，比值越大表明红黏土的承载力越高，试验方案如下：

（1）制备试样：制备含水量为15%、16%、17%、18%、19%、20%的试样，每组试样分别击实20次、40次、60次，共18组试样。

（2）浸泡试样：将制备好的试样浸泡在水中48h，水面没过试件顶面25mm。

（3）贯入试验：将浸泡后试样表面的水分擦干后，放在强度仪上面，将贯入杆与试样中心水平，然后开始施加荷载，直至贯入量为5mm，记录此时的贯入荷载p即可，并根据式（1）得到不同含水量下红黏土的CBR值。

2.2.2 回弹模量

便携式落锤弯沉仪简称PFWD，是对落锤弯沉仪进一步改进的动态弹性模量快速检测设备。PFWD的工作原理为：首先将便携式落锤弯沉仪放到已布置测点上，剔除测点下部的较大颗粒，然后将落锤提升至一定高度后释放，在落锤的自重作用下，冲击荷载会通过滑杆底部的承载板传递至路基表面，在外部荷载的作用下，路基填料会出现一定的竖向位移，作用到路基表面的冲击荷载与竖向位移被PF⁃WD中的数据采集系统（压力与位移传感器）记录，并根据式（2），得到路基的动态回弹模量。

式（2）中：p为落锤对承载板的冲击荷载（kPa）；δ为承载板半径，一般为15cm；μ为路基填料泊松比；l为在冲击荷载作用下承载板的沉降值（mm）。

2.3 软岩改良填料承载及回弹模量特性研究

2.3.1 软岩改良填料承载比特性研究

不同击实次数下CBR随含水量变化曲线如图2所示。

图2 不同击实次数下CBR随含水量变化曲线

由图2可知，水敏性软岩改良填料的CBR随着含水量的增加而增加，且相同含水量条件下，击实次数越多，水敏性软岩改良填料的CBR值越大，其中当含水量为14%，击实次数为98下时水敏性软岩改良填料的CBR值最大，最大值为6.2%。因此，在实际路基填筑过程中，为满足CBR值大于3%的要求，应将水敏性软岩素土填料的含水率控制在10%～15%之间，且保证路基碾压工艺能够满足施工规范。

2.3.2 软岩填料回弹模量特性研究

掺灰量分别为3%、5%、7%、9%条件下，软岩改良填料的回弹模量进行分析，不同掺灰量条件下软件改良填料回弹模量的变化曲线如图3所示。

由图3可知，石灰掺量为3%时，软件改良填料的回弹模量为116.5MPa；石灰掺量为5%时，软件改良填料的回弹模量为149.7MPa；石灰掺量为7%时，软件改良填料的回弹模量为180MPa；石灰掺量为9%时，软件改良填料的回弹模量为166.8MPa。石灰含量由0%增加到9%的过程中，软岩改良填料的回弹模量分别增加43.2MPa、32.9MPa、30.6MPa、-13.2MPa，表明在软岩中掺加石灰能够有效改善软岩填料的路用性能，但不能一味地增加石灰掺量，当石灰掺量达到7%左右时，改善效果最好。