红土粒料公路路基基层的改良试验研究

曹义茂

(中铁十八局集团 天津国际工程分公司，天津 河西 300222)

前言

天然红土粒料通常为红棕色，是黏性土和碎砾石的混合料，具有较高含水率、较多黏性土、同时含有大量粒径不同的碎砾石，强度较高等特点，这些利于施工，作为公路底基应用比较广泛。然而红土粒料也存在低抗剪强度、低压缩性和高孔隙率、高液限的缺点，路用性能不佳，不能满足基层施工的需要。为满足基层施工则需要对路基路面按照工程实际要求和红土粒料自身特性并结合施工方案进行设计，对红土粒料进行改良，确保公路工程底基具有足够的强度和稳定性。

本文以某公路工程地基基础作为研究对象，对原始天然红土粒料采取4种配比改良方案，在确保满足级配要求的基础上，开展液塑限和CBR等关键指标检测，研究4种配比改良方案下红土粒料地基基础的特性。另外为提高路基承载能力，以路邦土壤固化剂作为添加剂进行试验，分析土壤固化剂添加不同占比和不同放置时间情况下，土壤固化剂对基层红土极限干密度、含水率、抗剪强度值、压缩性、渗透性等物理力学的影响。经试验，采用掺砂石骨料与路邦土壤固化剂双掺技术对红土粒料性能进行改良，以确保其具有良好的级配及路用性能，满足路基要求，研究成果可为类似路基设计、施工等提供借鉴。

1 基层和底基层红土原材料要求

红土基层属于路基基层粒料类级配型基层。在公路路基基层施工中，通常设置基层和底基层厚度一般都为150 mm，基层和底基层红土粒料相关要求如表1、表2所示。

表1 红土(底)基层粒料级配要求

表2 红土(底)基层其他指标要求

2 公路路基红土粒料取样测试及级配改良试验

2.1 红土粒料取样测试

某公路总长18 km，路面宽7.3 m，两侧各1.5 m宽碎石路肩。路面构造自上到下依次是：沥青、碎石层、MC1沥青封层、红土基层、底基层和一般填土。其中红土基层及底基层填筑量分别约2.8万 m3。

根据《公路岩土工程试验规范》(JTG E40—2007)，对原始红土粒料进行取样测试分析，结果为：天然密度1.79 g/cm3、含水率28.9%、塑限37%、液限60%、塑性指数23，路用性能不佳。原始红土粒料级配示意图见图1。

图1 原始红土粒料级配示意图

从图1分析，该公路项目的红土粒料，粒径小于0.075 mm的细颗粒含量大于1/5，含量偏高；而粒径为0.042 5～2 mm的中值红土颗粒小于1/10，原始级配不佳，没有满足规范要求，不能满足路基基层的需要，必须进行有效改良。

为确保道路工程质量，选取0.5 km长路基段，进行红土摊铺试验。拌和站采用袋装水泥确保供应，当气候炎热时，施工时间必须严格控制在水泥终凝时间之内。根据我国《公路岩土工程试验规范》(JTG E40—2007)，红土粒料的取样和筛析试验表明，其原始级配不佳，未满足规范要求。同时，摊铺试验显示，红土粒料路用性能不佳，不能满足工程需要，必须进行有效改良。

2.2 红土粒料改良及改良特性

将原始红土粒料和粗、细粒碎石以及砂制定4种配合比方案进行改良，方案见表3。

表3 红土粒料改良方案

按照不同改良方案绘制粒径曲线见图2。由图2可见，4种改良方案曲线变化比较平缓，极大改善了中等粒径粒料缺乏、断层比较明显的情况，保证级配趋于完善，符合规范的要求。

图2 不同改良方案粒径曲线

2.3 塑限、液限以及塑性指数对比分析

按我国《公路岩土工程试验规范》(JTG E40—2007)进行试验，红土粒料及经4种不同砂石骨料掺量改良的红土粒料的塑限、液限以及塑性指数见图3。由图3可以看出，红土粒料经改良后，塑限、液限和塑性指数降低。掺30%粗粒碎石以及20%砂的方案3相关指标降低幅度最为明显，液限由59.49%降低到16.19%，塑限从36.69%降低到10.49%，塑性指数由22.79降低到5.69。这说明掺30%粗粒碎石以及20%砂，红土粒料的液塑限降低幅度最为显著，各项指标呈现最佳状态。

图3 液塑限及塑性指数对比图

2.4 CBR值对比分析

分别对红土粒料及4种改良后的红土粒料实施击实试验，相关CBR值见图4。由图4表明，红土粒料通过改良以后，CBR值增加的幅度都比较大，通过比较，方案3 CBR值增加幅度最为明显，CBR值由12.09%提升至65.49%，提升幅度达53.4%。红土粒料通过添加含量30%粗粒碎石和含量20%砂，红土粒料击实特性被显著改良，明显提升了其综合路用性能，符合基层填料要求。

图4 CBR值对比图

2.5 良好改良效果因素分析

方案3的改良效果优于其他3种方案，故工程的红土粒料掺30%粗粒碎石以及20%砂进行改良。现分析改良效果的主要引起因素：

①降低亲水性。红土粒料中细黏土颗粒含量丰富，具有较好的亲水性，但液限和塑限偏高。掺入砾石以及砂后，有效降低了红土粒料的亲水性，降低了液塑限和塑性指数[1]。

②改善颗粒级配。红土粒料的级配不佳，比如粒径中值不全、细颗粒含量偏高、断齿比较严重等。掺入改良骨料颗粒后，能有效规避这些弊端，使粒料级配更为合理，增强其路用性能。红土粒料改良后，优化了骨架结构，提高了骨架强度，使其路用性能得到有效提升[2]。

3 土壤固化剂加固处理

为增强路基承载能力、提升路基水稳性能、增加道路运营周期，采用路邦土壤固化剂进行加固处理。路邦土壤固化剂是一种浓缩状态下没有挥发性、阻燃性强、易与水相融的液体。为获得不同固化剂添加质量比与放置时间对路基加固效果，设计了6组试验(见表4)，并对6组试验的试件依次开展直剪、击实、渗透和压缩试验。

表4 试验分组

3.1 固化剂对红土粒料抗剪强度的影响

采用应变控制直剪仪进行直剪试验[3]，剪切速度低于6 r/min。按设计的6组试验制备好试件，在保湿筒中养护7 d，再直剪试验。6组试验的红土粒料抗剪强度与法向应力关系如图5所示。

图5 抗剪强度与法向应力关系变化曲线

由图5可知，把土壤固化剂添加到红土粒料中，试件的抗剪强度增大；试件静置的时间愈久，试件的抗剪强度愈强；静置时间相同的试件，添加的土壤固化剂越多，试件的抗剪强度愈强。同时，通过延长静置时间比提高土壤固化剂添加质量比更能有效增强试件的抗剪强度。

3.2 固化剂对红土粒料压缩特性的影响

用无侧限压缩仪进行压缩特性试验[4]。按设计的6组试验制备好试件，在保湿筒中养护7 d，再进行无侧限压缩试验，分析各组试件孔隙比随法向应力变化情况如图6所示。

图6 红土压缩试验曲线

由图6可知，添加土壤固化剂，红土的压缩系数显著降低，压缩模量显著提高；随土壤固化剂添加质量比的增大以及静置时间的延长，红土粒料的压缩系数渐渐下降，但压缩模量却随之提升；红土粒料孔隙率随法向应力的提高而下降的趋势渐渐放缓。同时，与提高土壤固化剂添加质量比相比，通过延长静置时间更能显著降低红土粒料的压缩系数。

3.3 固化剂对红土粒料击实特性影响

采用标准击实仪进行击实试验[5]，将试样分为三层依次装入，各层均25击。不同固化剂添加质量比的红土粒料击实特性见图7，不同静置时间的红土粒料击实特性如图8所示。

图7 不同固化剂质量比的红土击实特性

图8 不同静置时间下红土击实特性

由图7、图8可知，添加土壤固化剂后，红土粒料的最大干密度及最佳含水量都有所提升；土壤固化剂质量比一样，静置时间愈久，红土粒料的最佳含水量就愈高，最大干密度反而越低；土壤固化剂质量比愈高，红土粒料的最大干密度愈大，而最佳含水量愈小。

3.4 固化剂对红土粒料渗透特性的影响

采用变水头渗透仪进行渗透特性试验[6]。依照设计试验方案制得试件后，在保湿缸里养护7 d，再对6组试件进行渗透试验，渗透系数如表4所示。

表4 试件渗透系数值 cm/s

由表4可知，红土粒料添入固化剂后，其渗透系数显著降低；试件的渗透性随静置时间的延长，下降幅度就愈明显；土壤固化剂质量比愈高，试件渗透性愈低。同时，增加静置时间比增加土壤固化剂质量比，更能明显地降低渗透系数。

3.5 土壤固化剂加固红土粒料的原因

通过试验发现，添入土壤固化剂后，不仅有效提升了红土粒料的压缩模量、抗剪强度、最大干密度以及最佳含水率，而且能促使渗透系数显著降低；试件的渗透性随静置时间的增加降低愈多。究其原因，添加固化剂后的中等透水性红土粒料成为复合土体，透水性变弱；红土粒料发生胶结，造成其孔隙率减小、压缩性降低、压缩模量增大；随时间的增加，复合土体的一体性及胶结作用越强。

4 工程效果

通过对比试验，红土粒料掺入30%粗粒碎石以及20%砂、掺加质量比为1：100的土壤固化剂并静置1.5 d的方案是提高路用综合性能的最佳方案，采取该方案施工后，经检测，工程路基关键指标均符合规范要求。通车1年，路面没有出现开裂、坍陷等公路病害，应用效果颇佳。

结语

道路工程施工中，通过试验比选，红土粒料掺入30%粗粒碎石以及20%砂，能最优改善红土粒料的级配及击实特性，提高路基填料性能，确保填料符合要求。在此基础上，为获得不同固化剂添加质量比与放置时间对路基加固效果，设计了6组试验，并对6组试验的试件进行直剪、压缩、击实和渗透试验，试验发现，添加土壤固化剂质量比为1：100并静置1.5 d对提高路基填料的抗剪强度、降低压缩性和渗透性等效果最佳；本工程条件，增加土壤固化剂静置时间改良填料性能优于增大添加质量比。工程实践证明，采用掺砂石骨料及土壤固化剂的双掺技术用于改良公路底基红土粒料路用性能是可行的，可为同类工程提供借鉴。