红黏土直接填筑路堤的控制指标探讨

陈文轩 王保田 董 薇 范 磊

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 2. 河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心，南京 210098)

红黏土直接填筑路堤的控制指标探讨

陈文轩1，2王保田1，2董 薇1，2范 磊1，2

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 2. 河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心，南京 210098)

红黏土是一种特殊的路堤填料．红黏土的物理性质较差，但力学性质比较好．路基施工规范表明，红黏土用于直接填筑路堤时，可根据具体情况适当降低压实度，但没有给出明确的控制指标和标准．利用江西红黏土进行直接填筑的控制指标和压实度控制标准研究，试验结果表明：红黏土用于直接填筑路堤时，采用加州承载比(CBR)强度、抗剪强度、收缩系数、体缩率和干湿循环作用下的压缩系数作为控制指标较为合适．本试验所用江西地区红黏土，用作填料在最优含水率附近直接填筑时，压实度可比规范要求的降低3%．

红黏土； 直接填筑； 控制指标； 干湿循环； 压实度

红黏土作为一种特殊的土，其天然含水率高、液限高、压实性差等不良物理性质导致了其成为一种不良路堤填料．随着我国高速公路的不断建设和发展，在穿越红黏土地区的道路工程中遇到了不少的红黏土路基的设计与施工问题．红黏土属于高液限粘土，却有着优于一般高液限土的强度．

刘银生[1]综合高液限粘土的抗剪强度参数、CBR强度、压缩系数以及压实度等指标，分析了能够将高液限土直接用作路基填料的评价指标，用来指导现场填筑工作的开展．秦义保等[2]对高液限粘土的压实特性进行了现场试验，探讨了含水率、击实功与高液限粘土的稳定性和强度的关系．Quinones[3]进行红黏土的室内和现场试验得出，红黏土的红土化过程和试验方法是影响红黏土压实的两个主要因素．Evans[4]通过对某地区的红黏土开展研究，得出了该红黏土的CBR强度随含水率的变化规律，并且分析了不同的击实方法对试样CBR强度的影响．Graft等[5]指出红黏土的CBR强度受压实度和含水率的影响十分明显．孔令伟等[6]认为红黏土路基的压实标准与施工工艺等问题在工程界存在长期的争议，规范建议对于高含水率粘性土的压实问题，可以在强度符合要求的情况下适当降低压实度，但未提出明确的控制指标和降低标准．谈云志等[7]针对湖南郴州地区的红黏土，探讨了压实度降低的依据，给出了建议压实度降低的标准．

在工程运用中，简单把高液限土以及膨胀土的研究成果运用到高液限红黏土的处理当中，势必会造成浪费．对于地表及附近层的红黏土，其平均的天然含水率一般接近最优含水率[8]，无需改良，直接填筑．但将这些红黏土用作路基填料时，会发现土体往往呈团块状，表面含水率较低，但土团里面含水率较高，施工时不易破碎，压实性较差．《公路路基施工技术规范》(JTGF10-2006)[9]中规定，路堤采用特殊填料或处于特殊气候地区时，压实度标准根据试验路在保证路基强度要求的前提下可适当降低．针对上述问题，比较不同压实度下红黏土的CBR强度、抗剪强度、压缩系数、胀缩性指标和干湿循环作用对土体的强度及变形的影响，以此来确定红黏土用于直接填筑的控制指标以及其压实度降低的标准．

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本次试验所用的红黏土属于同江防护区红黏土．取样点位于吉水县阜田镇坛上村东南部，属峡江水利枢纽库区防护同江防护区同南新开河起点位置，属灰岩地区残积红黏土，呈黄褐色、棕黄色．试验用红黏土的物理性质指标见表1．

表1 试验用红黏土的物理性质指标

1.2 试验方法

本次试验所用红黏土经湿法重型击实试验，得出红黏土最大干密度为1.80 g/cm3，最优含水率为17.5%．制备含水率为17.8%的红黏土试样，在不同压实度条件下进行浸水CBR试验、快剪试验、压缩试验、收缩试验和干湿循环试验．

2 试验结果及分析

2.1 浸水CBR试验

CBR值满足填筑要求是土料用于路基填筑的必要条件．当初始含水率为17.8%时，在不同压实度条件下，得到的土样CBR强度见图1．分析浸水CBR试验结果，对比《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[10]要求，可知不同压实度下红黏土CBR强度，均可满足规范对于二级及二级以上公路路堤和三、四级公路下路床以及路堤的填筑要求．

图1 CBR与压实度关系曲线

2.2 快剪试验

利用初始含水率为17.8%的重塑土样，配置压实度分别为93%、91%、89%和87%的环刀试样(直径为61.8 mm，高度为20 mm)．采用应变控制式直剪仪对土样进行快剪试验，粘聚力随压实度变化曲线见图2，内摩擦角随含水率的变化曲线见图3．

图2 粘聚力与压实度关系图

图3 内摩擦角与压实度关系图

由试验结果可看出，随着压实度降低，重塑红黏土的粘聚力和内摩擦角均有所降低．但即使压实度降低到87%，土体的粘聚力和内摩擦角仍然较大，抗剪强度仍能满足路堤边坡的稳定性要求．

2.3 压缩试验

利用初始含水率为17.8%的重塑土样，配置压实度分别为93%、91%、89%和87%的环刀试样(直径为61.8 mm，高度为20 mm)．对不同压实度的试样进行不浸水条件下的压缩性对比试验．不浸水的压缩试验，采用的方法是直接把试样放入固结仪，然后进行压缩．试验结束后，根据压缩曲线，计算出压缩系数α1-2，如表2所示．

表2 压缩系数试验指标

《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)[10]规定压缩系数大于0.5 MPa-1的红黏土不可以用于填筑路堤，试验所用红黏土在最优含水率附近填筑时，即使压实度降低到87%，仍然可以满足规范对土体压缩性的要求．

2.4 收缩试验

本次试验制备初始含水率为17.8%，压实度分别为93%、91%、89%和87%的4组环刀试样(直径为61.8 mm，高度为20 mm)．根据试验得到不同的收缩曲线，计算得到各项收缩特性指标的具体数值见表3．

表3 胀缩性试验指标

由表3可以看出，对于重塑的红黏土，同一初始含水率，不同的压实度下的试样，其体缩率、收缩系数不是固定值．压实度越低，试样的体缩率和收缩系数越大，但缩限的变化不明显．

2.5 干湿循环试验

利用初始含水率为17.8%的重塑土样，配置不同的压实度的环刀试样进行干湿循环试验．

试样干湿循环过程为：对备好的环刀试样，在室温下自然风干脱湿至预定含水率(缩限含水率)后，采用常温下(通常室内温度大约20℃)浸水法直至试样浸水至稳定状态(接近饱和状态)，该过程作为一次干湿循环．

2.5.1 干湿循环作用对红黏土抗剪强度的影响

红黏土抗剪强度，仅针对压实度为93%和87%的试样进行试验．

由试验结果可以得到干湿循环作用对不同压实度的红黏土试样的粘聚力和内摩擦角的影响规律，分别见图4和图5．

图4 干湿循环作用下粘聚力变化曲线

图5 干湿循环作用下内摩擦角变化曲线

由试验结果可以看出，干湿循环作用会使土体趋于松散，土体抗剪强度降低，且对土体粘聚力的影响大于对内摩擦角的影响，这种作用对浅层红黏土的强度和变形特性影响较大．

2.5.2 干湿循环作用对红黏土压缩特性的影响

对进行过6次干湿循环后的不同压实度的饱和红黏土试样，进行压缩特性对比试验．根据试验数据计算压缩系数α1-2，如表4所示．

表4 压缩系数试验指标

由表4可以看出，经过6次干湿循环后，土样的压缩系数比初始状态的压缩系数高很多．《公路路基设计规范》 (JTG D30-2015)[10]规定压缩系数大于0.5 MPa-1的红黏土不得用于填筑路堤，试验结果表明压实度低于89%的情况下，经过反复的晴雨作用后的路基填土，将不能满足规范对土体压缩性的要求．

3 红黏土填筑的探讨

3.1 红黏土用于直接填筑的控制指标的确定

通过上述试验，比较不同压实度条件下红黏土试样的CBR强度、抗剪强度、压缩系数、收缩特性指标、干湿循环作用下土体的抗剪强度参数和压缩系数．由试验结果可知，红黏土的CBR强度随压实度呈近似线性变化；在最优含水率附近的红黏土试样，抗剪强度参数随压实度的降低而显著减小，压缩系数随压实度的降低而变化不明显；收缩系数和体缩率指标随压实度的降低而增加；干湿循环作用下，不同压实下的饱和红黏土试样，粘聚力显著降低，内摩擦角减小的幅度较小；饱和红黏土的压缩系数在干湿循环作用下显著增大，随着压实度降低，压缩系数变大．

根据这些试验结果，建议将CBR强度、抗剪强度、收缩系数和体缩率、干湿循环作用下的压缩系数这些指标作为红黏土用于直接填筑的控制指标，这些指标随压实度变化比较敏感．土体的CBR强度应满足规范要求，抗剪强度指标要满足边坡稳定性要求，土体收缩变形量要满足工程要求，干湿循环作用下土体的压缩系数宜小于0.5 MPa-1．

3.2 红黏土路堤填筑压实度降低标准的确定

本试验所用江西地区的红黏土，在最优含水率附近时，可以用于直接填筑二级及二级以上公路路堤和三、四级公路下路床以及路堤，且可以在一定程度上降低压实度标准．

压实度降低后，路基土体的强度、压缩性、收缩特性指标都受到不同程度的影响，土体在干湿循环作用下的强度和变形变化更为明显．上述直接填筑的控制指标作为压实度标准能否降低的依据是可行的，并可以根据影响程度来确定压实度降低的界限值．

因此对于试验所用的江西地区的红黏土，填筑含水率控制在最优含水率附近时，采用直接填筑的控制指标填筑路堤时，压实度临界值为89%，故取压实度为90%，即压实度可降低3%．

4 结 论

1)本试验所用江西地区红黏土，在最优含水率附近直接填筑时，强度很大，压缩性很小，依据规范要求，可作为填料直接用于填筑二级及二级以上公路路堤和三、四级公路下路床以及路堤．

2)通过干湿循环试验得知，干湿循环作用会使土体趋于松散，土体抗剪强度降低，对土体粘聚力的影响大于对内摩擦角的影响，这种作用对浅层红黏土的强度和变形特性影响较大；干湿循环作用下，土体的压缩特性受到显著的影响，压缩系数明显增大．路堤填筑宜选择在旱季连续施工，不能连续施工时应在路基顶面及时作封盖处理．

3)本试验所用江西地区红黏土，建议采用CBR强度、抗剪强度、收缩系数、体缩率和干湿循环作用下的压缩系数作为判断是否适用于直接填筑的控制指标．

4)提出了红黏土路堤填筑压实控制标准的具体值：本试验所用江西地区红黏土，在最优含水率附近用作填料直接填筑时，压实度可比规范要求的降低3%．

[1] 刘银生．高液限粘土适于直接填筑分类指标研究[J]．公路工程，2004，29(1)：59-60．

[2] 秦义保，苏 震．高液限粘土路基填筑的可行性研究[J]．广西交通科技，2001，26(2)：67-69．

[3] Quinones P J. Compaction Characteristics of Tropically Weathered Soils[D]． Urbana Champaign： University of Illinois,1963．

[4] Evans E A. A Laboratory Investigation of Six Lateritic Gravels from Uganda[J]． Britsh Road Reserch Laboraty, Note, 1958, 3241：20．

[5] De Graft-Johnson, J.W.S.Bhatia, H. S.Gidigasu, M.D. The Engineering Characteristics of a Lateritic Residual Clay of Ghana for Earthdam Construction[A]．Symposium Earth Rockfill Dams[C].1968(1)：94-107．

[6] 孔令伟，陈正汉. 特殊土与边坡技术发展综述[J]．土木工程学报，2012(5)：141-161．

[7] 谈云志，孔令伟，郭爱国,等. 红黏土路基填筑压实度控制指标探讨[J]．岩土力学，2010，31(3)：851-855．

[8] 杨和平，郑健龙，刘龙武. 高液限红粘土路用性能研究[C]//全国公路科技创新高层论坛.2002．

[9] 中华人民共和国交通部.公路路基施工技术规范(JTGF10-2006)[S]．北京：人民交通出版社,2006．

[10] 中华人民共和国交通运输部.公路路基设计规范(JTG D30-2015)[S]．北京：人民交通出版社,2015．

[责任编辑 王康平]

Discussion on Different Indices of Embankment Filled with Laterite Directly

Chen Wenxuan1，2Wang Baotian1，2Dong Wei1，2Fan Lei1，2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics & Embankment Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China; 2. Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

Laterite is a special embankment filling. The physical properties of laterite is poor; but the mechanical properties are better. There are clearly states in the technical specification of highway subgrades that it can decrease the compactness according to particular case by using laterite filling embankment directly; but it did not state clear compaction control standards. By using the laterite of Jiangxi Province, direct filling and compaction control standards are discussed. The test results show that the california bearing ratio(CBR) strength, shear strength, shrinkage, volume shrinkage coefficient and compressibility under the action of wetting and drying cycle can be used as the control indices for laterite. The laterite from Jiangxi province that used in this test, is used as a filler in the direct vicinity of the optimum moisture content filling, the compactness compared to regulatory requirements reduces by 3%.

Laterite; direct filling; different indices; wetting and drying cycle; compactness

2016-08-10

中央高校基本科研业务费项目“卸荷条件下非贯通节理特征敏感性分析”(2016B43014)

陈文轩(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为软土地基处理．E-mail：52769372@qq.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.02.014

TU441.2

A

1672-948X(2017)02-0065-04