高速公路含紅黏土路段路基穩(wěn)定性及改良措施研究

甘軍玉 郭雷 劉峰 馬吉坤 李明宇 于文寶 張帥

摘 要：針對(duì)紅黏土作為路基填料時(shí)具有含水量高、液限和塑限值高以及遇水易軟化等特點(diǎn)，以某高速公路路基現(xiàn)場(chǎng)紅黏土樣品為研究對(duì)象，通過擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)評(píng)價(jià)了紅黏土的穩(wěn)定性，并提出了采用固化劑HRT-3進(jìn)行改良的措施。結(jié)果表明：紅黏土的天然承載性能和穩(wěn)定性較差，通過加入固化劑HRT-3能夠很好地提高其承載能力。當(dāng)固化劑HRT-3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，紅黏土的最佳含水率明顯降低;擊實(shí)試驗(yàn)曲線隨含水率的變化趨勢(shì)明顯趨于平緩;紅黏土的CBR值指標(biāo)顯著提高，最大值可以達(dá)到55%以上;紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，經(jīng)過5次干濕循環(huán)試驗(yàn)后其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍能維持在3 MPa以上，改良效果顯著。

關(guān)鍵詞：高速公路路基;紅黏土;承載性能;改良措施;固化劑

中圖分類號(hào)：U213.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2022）02-0185-05

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)也在不斷的完善，據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2016年為止，我國(guó)的高速公路總里程數(shù)已經(jīng)達(dá)到了12萬多 km，位居世界第一，這為加快我國(guó)全面建成小康社會(huì)的進(jìn)程提供了很好的助力。然而我國(guó)地域遼闊，在很多高速公路的建設(shè)過程中均會(huì)不可避免的穿越一定的紅黏土層，紅黏土由于具有較高的液限值，并且天然含水率較高、孔隙大以及結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，極容易遇水膨脹，再加上旱季以及雨季的輪番交替，對(duì)高速公路含有紅黏土層的路基容易產(chǎn)生嚴(yán)重的開裂破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致其承載性能降低，容易造成高速公路建設(shè)工程的隱患，甚至可能危及行車安全[1-4]。因此，開展高速公路含紅黏土路段路基穩(wěn)定性及改良措施研究具有十分重要的意義。

目前，針對(duì)含紅黏土層路基材料的改良措施主要包括化學(xué)改良和物理改良，其中化學(xué)改良方法是指在紅黏土填料中添加一定的添加劑（如石灰、水泥、礦渣、粉煤灰、固化劑以及其他化學(xué)活性物質(zhì)等），讓填料與添加劑在混合過程中發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一種或多種新的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)填料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行填充或改變，從而提高紅黏土填料的工程性能，達(dá)到化學(xué)改良的目的[5-10]。水泥和石灰改良紅黏土的研究報(bào)道相對(duì)較多，并取得了比較多的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，在高速公路含紅黏土層路段路基的現(xiàn)場(chǎng)施工中也得到了良好的應(yīng)用效果。而針對(duì)固化劑對(duì)紅黏土的改良方面的研究及報(bào)道則相對(duì)較少，固化劑改良紅黏土通常具有適應(yīng)性強(qiáng)、成型快、強(qiáng)度高、施工簡(jiǎn)單以及成本較低的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)的水泥和石灰等添加劑相比，具有更加廣闊的研究及應(yīng)用前景[11-12]。因此，本文以某高速公路路基中的紅黏土為研究對(duì)象，通過擊實(shí)試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來評(píng)價(jià)含紅黏土路基的穩(wěn)定性，并測(cè)定了加入固化劑HRT-3改良措施后紅黏土的性能變化情況，為高速公路含紅黏土路段路基的改良技術(shù)研究提供一定的參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

（1）紅黏土：取自于某高速公路路基施工現(xiàn)場(chǎng)，其基本物性參數(shù)見表1;具體礦物組成見表2;

（2）固化劑HRT-3：實(shí)驗(yàn)室自制，主要成分由激發(fā)劑、穩(wěn)定劑、表面活性劑、催化劑以及其他電解質(zhì)類物質(zhì)組成，外觀呈黑褐色，pH值測(cè)試結(jié)果呈弱堿性，易溶于水。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)方法參照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的擊實(shí)試驗(yàn)部分，以含水率和干密度為控制指標(biāo)，采用干法和濕法兩種不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 承載比試驗(yàn)

紅黏土承載比（CBR）試驗(yàn)方法參照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的承載比試驗(yàn)部分，將制備好的試件浸水飽和4 d，以模擬路基材料在使用過程中的最嚴(yán)苛環(huán)境，在此過程中施加一定的載荷以模擬路面結(jié)構(gòu)在土基上的附加應(yīng)力，考察不同含水量條件下3種不同擊實(shí)功（98擊、50擊和30擊）的CBR值。

1.2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法參照中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》中土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)部分，在擊實(shí)試驗(yàn)中確定最佳含水量后，制備不同壓實(shí)度的柱狀試件，在恒濕狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)7 d，然后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，測(cè)定試件在每次干濕循環(huán)試驗(yàn)后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 改良措施前紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

按照1.2.1中的試驗(yàn)方法，測(cè)定了紅黏土樣品在不同含水率下的干密度值，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在不同含水率時(shí)濕法試驗(yàn)獲得的干密度值均明顯小于干法試驗(yàn)，在干法試驗(yàn)條件下，最優(yōu)含水率為21.8%，最大干密度為1.75 g/cm3，而在濕法試驗(yàn)條件下，最優(yōu)含水率則為24.6%，最大干密度為1.66 g/cm3。然而由于干法試驗(yàn)過程中使黏土顆粒之間的部分膠結(jié)物質(zhì)受到破壞，使土體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被打破，并且此過程往往不可逆，因此，濕法擊實(shí)試驗(yàn)通常更符合現(xiàn)場(chǎng)施工工況環(huán)境。

2.1.2 固化劑改良后紅黏土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

按照1.2.1中的試驗(yàn)方法，在紅黏土中摻入不同加量的固化劑HRT-3，然后再測(cè)定其在不同含水率下的干密度值，采用濕法工況進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著固化劑HRT-3摻量的逐漸增大，最優(yōu)含水率明顯降低，而最大干密度值則有所降低，當(dāng)固化劑HRT-3的摻量為5%時(shí)，最優(yōu)含水率可以降低至15.9%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最大干密度為1.60 g/cm3。另外，固化劑HRT-3的摻量越大，擊實(shí)試驗(yàn)曲線則越趨于平緩，這說明經(jīng)過固化劑HRT-3改良后的紅黏土對(duì)路基中含水率變化所產(chǎn)生的影響逐漸減弱，能夠有效降低自然環(huán)境改變所帶來的含水率變化對(duì)紅黏土路基穩(wěn)定性的影響，使其能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的工況環(huán)境。

2.2 CBR試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 改良措施前紅黏土CBR試驗(yàn)結(jié)果

按照1.2.2中的試驗(yàn)方法，測(cè)定了紅黏土樣品在不同含水率下的CBR值，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，紅黏土試樣的CBR值隨著含水率的逐漸增大呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，在整個(gè)變化過程中，存在一個(gè)最佳的含水率使CBR值達(dá)到最大，并且擊實(shí)功越大，CBR值就越大，在3種不同的擊實(shí)功作用下，當(dāng)含水率為21.8%，CBR值均可以達(dá)到最大值。而當(dāng)含水率達(dá)到30%左右時(shí)，3種擊實(shí)功作用下的CBR值均小于3%。

2.2.2 固化劑改良后紅黏土CBR試驗(yàn)結(jié)果

按照1.2.2中的試驗(yàn)方法，在紅黏土中摻入不同加量的固化劑HRT-3，然后再測(cè)定紅黏土樣品在不同含水率下的CBR值，擊實(shí)功選擇為98擊，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

由圖4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，紅黏土樣品經(jīng)過固化劑HRT-3改良措施后，其CBR值指標(biāo)明顯提高，并且隨著固化劑HRT-3加量的增大，CBR值增大的幅度越大。當(dāng)固化劑HRT-3的加量大于5%時(shí)，紅黏土樣品達(dá)到最大CBR值的含水率可以降低至15%左右，且其CBR值可以達(dá)到55%以上，與未改良前相比，提升明顯。這說明紅黏土中摻入固化劑HRT-3是一種有效的改良措施，能夠顯著提高紅黏土的承載性能。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 改良措施前紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

按照1.2.3中的試驗(yàn)方法，測(cè)定了紅黏土樣品在改良措施前的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與干濕循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系，選擇含水率為24.6%，壓實(shí)系數(shù)為0.95，試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的不斷增多，原始紅黏土樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值逐漸降低，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次時(shí)，紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值由初始的0.82 MPa降低至0.43 MPa，降低幅度達(dá)到47.6%，抗壓強(qiáng)度明顯降低，需要對(duì)其進(jìn)行改良以適應(yīng)高速公路路基施工的要求。

2.3.2 固化劑改良后紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

按照1.2.3中的試驗(yàn)方法，在紅黏土中摻入不同加量的固化劑HRT-3，然后再測(cè)定紅黏土樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值與干濕循環(huán)次數(shù)之間關(guān)系，選擇含水率為24.6%，壓實(shí)系數(shù)為0.95，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

由圖6試驗(yàn)結(jié)果可以看出，與未改良前的紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果相似，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增大，摻入不同加量固化劑HRT-3改良后紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均逐漸降低，但與未改良時(shí)相比，其抗壓強(qiáng)度值均明顯提高，并且隨著固化劑HRT-3加量的不斷增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值逐漸升高，當(dāng)固化劑HRT-3加量大于5%時(shí)，紅黏土試件經(jīng)過5次干濕循環(huán)試驗(yàn)后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值仍能達(dá)到3 MPa以上，改良效果顯著。

3 結(jié)語

對(duì)高速公路路基中的紅黏土穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，主要包括擊實(shí)試驗(yàn)、CBR值試驗(yàn)以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并采用固化劑HRT-3對(duì)其進(jìn)行改良，主要得到以下結(jié)論：

（1）濕法擊實(shí)試驗(yàn)條件下得到的最大干密度明顯低于干法擊實(shí)試驗(yàn)，最佳含水率也有較大的區(qū)別，濕法擊實(shí)試驗(yàn)更符合現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際;固化劑HRT-3改良后紅黏土的最大干密度有所降低，而最佳含水率也明顯降低，并且固化劑HRT-3的摻量越大，擊實(shí)試驗(yàn)曲線則越趨于平緩;

（2）紅黏土試樣的初始CBR值隨著含水率的逐漸增大呈現(xiàn)出“先升高后降低”的趨勢(shì)，最佳含水率為21.8%，當(dāng)含水率增大至30%左右時(shí)，3種擊實(shí)功作用下的CBR值均小于3%;固化劑HRT-3改良后紅黏土的CBR值指標(biāo)明顯提高，當(dāng)固化劑HRT-3的加量大于5%時(shí)，紅黏土樣品的最大CBR值可以達(dá)到55%以上，承載性能明顯提高;

（3）干濕循環(huán)次數(shù)越多，紅黏土樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值越低，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到5次時(shí)，紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值降低幅度可以達(dá)到47.6%;固化劑HRT-3改良后紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯提高，并且固化劑HRT-3的加量越大，提升幅度越大，當(dāng)固化劑HRT-3加量大于5%時(shí)，5次干濕循環(huán)試驗(yàn)后紅黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值仍能達(dá)到3 MPa以上，改良效果較好。

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