紅砂巖路用性能試驗與施工質量控制研究

張澤豐，劉曙光，劉詠華，王 帆

湖南省通泰工程有限公司，湖南 長沙 410018

隨著國民經濟的飛速發展，人們對周圍環境的要求越來越高，保護生態環境成為我國的一項重要國策。對于路基填土，由于其受周圍環境土壤質量的影響，有必要從其他取料區域取用優質填土，而這將產生大量的廢棄土方，并占用大量耕地資源[1]。地方經濟的發展與公路及其他交通基礎設施的建設密不可分，如何同時解決環保問題和變廢為寶，從而保證路基填筑的安全穩定是一個重要的課題。

紅砂巖作為一種特殊的工程填土，會因環境因素的不同而表現出不同的工程性質，總的來說，一般表現為遇水易崩解軟化、剛度較低、風化程度高[2]。同時，由于成巖過程受到一定的化學和物理作用，導致其組成元素中高價鐵離子的成分含量較高，其性狀表現為紅褐色或暗紅色的沉積類巖土[3]。在相關規范中，未經處治的紅砂巖被視為不良填料，但在湖南、四川等地，這一類土分布廣泛，在修筑高速公路時經常需穿越紅砂巖地區。若采用借土換填的方式，顯然會帶來不同程度的環保問題，因而比較合理的方式是通過改良處治和質量控制等實現對紅砂巖的科學利用、綜合治理[4]。但是，在已有文獻中提到，不同地區的紅砂巖填料，其工程性質和崩解特性也各不相同，這導致在施工處治過程中需要做到因地制宜、一土一法，以避免在干濕循環下路基結構出現強度衰減情況，進而導致不均勻沉降和路面開裂等問題的出現。

文章結合湖南某高速公路的工程實例，通過室內試驗對所取用紅砂巖的化學成分、工程特性和崩解特性進行分析討論，并結合已有的工程經驗，提出對應的紅砂巖路基處治與施工控制方法，從而節約建設成本、保護耕地，為后續類似的工程應用提供技術參考。

1 紅砂巖的基本物理性質

1.1 化學成分分析

從取料場獲得紅砂巖樣品，并采用室內的XRD衍射測試對土樣的礦物組成進行定量分析，得到相應測試的結果為石英占31.67%、高嶺土占8.29%，蒙脫石、伊利石和硬石膏等親水礦物含量則分別占17.34%、26.64%和16.06%。由上述礦物所對應的化學成分可知，所測試的紅砂巖富含鐵元素（以Fe2O3為主），這是由紅砂巖的沉積歷史決定的，同時由于具有較多的蒙脫石、伊利石，這使得土樣的親水性較強，遇水易發生崩解。

1.2 顆粒篩分和擊實試驗

土顆粒的粒徑分布也是影響紅砂巖工程性質的重要因素，按照規范方法對現場取用的紅砂巖填料進行顆粒篩分試驗，由顆粒分布可知，在填料中孔徑0.075～2mm范圍內的顆粒含量占主要部分，計算所得曲線不均勻系數小于5.0，對應曲率系數小于1.0，因而鑒定該土樣是不良級配。

為了進一步確定紅砂巖填土的分類，通過重型擊實測定土樣的最佳含水率為12.73%，通過聯合測定儀，土樣塑限為19.61%，塑限指數為17.29。此外，土樣的最大干密度確定為19.21g/cm3，根據規范定名土樣為粉土質砂。

1.3 CBR試驗結果

對于路基填筑而言，土樣自身的強度也是非常重要的指標，其中，CBR和壓實度是常用的施工控制指標，為此，文章對紅砂巖進行CBR試驗，以獲得不同壓實度（93%和95%）下土樣材料的CBR值，分別為7.5%和8.3%。可見，所采用的紅砂巖填料的CBR強度基本滿足高速公路關于路床填筑的使用需求，但是若無法控制合適的含水率，則仍然容易受濕度影響而發生崩解和膨脹，因此，必須在施工中采取相應措施。

2 紅砂巖的崩解特性與作用機理

為了確定紅砂巖遇水軟化的崩解特性，將紅砂巖試樣置于網板上，并放入透明玻璃桶中，注入清水，采用電子秤連接網板從而實現對崩解過程中的土樣進行稱重，并換算崩解后的殘余土樣質量占比情況。

不同壓實度情況下，室內結果得到的崩解曲線如圖1所示。從圖1中變化趨勢可知，在浸入水的初始階段，水分通過孔隙進入紅砂巖中，并將其內部的空氣排出，此時試件的總體含水率呈上升的趨勢；同時，試件遇水崩解的速率較為緩慢，遠低于試件的飽和速率，因而曲線上各測試點均大于100%初始質量；直到浸水時長4h左右達到最大值，無論是93%還是95%的壓實度，試件含水率都接近飽和，質量百分比曲線開始下降，崩解速率逐漸占據主導地位，隨著時間的延長（約30h），土樣整體發生潰散崩解。

圖1 紅砂巖遇水崩解情況

根據已有的研究成果可知，對于紅砂巖而言，其主要礦物成分（如石英、伊利石等）均為親水材料，在浸水飽和的情況下，這些礦物與水結合發生物理變化而逐步溶于水中，這導致土樣的整體黏聚力減小、強度降低，從而最終發生崩解現象。對崩解后的殘余土樣進行XRD衍射試驗，發現崩解后的礦物成分組成沒有發生變化，僅含量發生了改變，即部分溶水礦物流失，這也說明了文章對崩解機理的解釋是合理的。因此，通過室內試驗可知，若要維持紅砂巖填料的穩定性，在施工過程中就必須從兩方面入手進行防治，一是減少或避免水分的浸入，以保證填料具有足夠的強度；二是通過物理或化學方法改變紅砂巖的礦物組成。

3 紅砂巖路基施工及質量控制

首先，按照規范方法進行崩解試驗，以確定浸水后的紅砂巖性狀和抗壓強度，對于現場取樣的填料進行測試，在24h后其強度已小于15MPa，土樣的性狀肉眼觀察為碎屑結構，因而被認定為Ⅱ類紅砂巖。盡管在前文中測定的CBR值基本滿足要求，但是在實際施工時仍然需要對紅砂巖進行預處理，以降低或消除土樣的水活性。

為了得到合格的紅砂巖填料，在路基施工中，一般采用預崩解的方法進行處治，即在填筑前先一步通過人工灑水的方法加快填土的崩解，使其易溶于水的部分隨水流失，以規避后續填筑或者運營期中的崩解病害。同時，將水分浸入紅砂巖中也有利于巖體的破碎，其強度降低和軟化后，更加有利于挖取和碾壓施工。但是需要注意的是，經過預崩解的土樣需要及時將水排出，可采用耙壓的方式將土樣變得疏松，從而有利于水分的散發，并能夠排除土樣中存在的大顆粒，使級配更加合理。經過現場施工和測試經驗，在該工程中推薦采用3～4遍的耙壓，以調整土樣的級配，從而提高壓實后的填料強度。

由于所選土樣為Ⅱ類紅砂巖，根據室內試驗確定采用4%的水泥摻比進行路基施工。為了保障施工的質量，在現場填筑采用灌砂法對改良填料的壓實度進行檢測，觀察碾壓后路基的外觀，保證其碾壓表層光滑、平整，其顏色性狀類似于壓實后的低液限黏土，并確定機具壓實前后的沉降查是否滿足要求；同時，每層壓實后，沿著水平面約400～800m2設置一個檢測點，在工況條件復雜、填料高度較高的區域，還應適當加密測試點的數量。

4 現場施工效果評價

在路基填筑完成后，對現場路基層頂面的回彈模量進行測試，采用PFWD便攜式落錘彎沉儀得到模量結果，試驗段共40個測試點，得到的路基回彈模量均大于60MPa。待土路基測試合格后，及時對路基進行了封閉處理，以保證改良紅砂巖路基不受外界雨水的影響，并在每個斷面設置5個沉降觀測點。在路基完工后，對彎沉情況進行持續觀測，經過1年半的自然固結，路基的最大累積彎沉約為1.63cm，并已經基本穩定。

5 結束語

文章總結了紅砂巖的室內試驗結果和崩解特性演化規律，并基于現場施工經驗對紅砂巖路基的施工方法和質量控制進行了探討，結果表明，紅砂巖處治的各項指標滿足工程設計需求，并在實際工程應用中表現效果良好。