红砂岩碎石土路基强夯加固工艺研究

刘城志

(湖南省高速公路集团有限公司， 湖南 长沙 410004)

红砂岩是中国华中地区常见岩土材料，主要呈泥状胶结结构，强度差异大、遇水易崩解、压实质量难控制，且采用红砂岩填筑公路路基易产生工后沉降和不均匀沉降。针对红砂岩路基填料的特殊性，选用强夯法加固红砂岩路基，保证路基压实质量，减少土体空隙率，防止路基出现工后沉降和不均匀沉降。冯世进、谢为等研究了路基强夯加固效果影响因素，指出随夯击次数增加，夯沉量和影响深度逐渐增大；随落距增大，夯坑深度和影响深度也逐渐增大。侯伟乐结合工程案例分析了强夯法在高速公路路基中的应用效果，表明强夯路基的压实度和沉降量满足设计要求。程磊、李绮依托高速公路路基工程，研究了强夯法在黄土路基中的应用，并制定了湿陷性黄土路基强夯作业标准。梅涛涛等对比研究了中、欧、美强夯法设计参数及土质应用情况。黄达等的研究表明强夯加固碎石土地基的承载力良好，随土石比降低，承载力逐渐提高，但后期出现差异沉降。仉文岗等分析了碎石土地基强夯加固效果，并提出了强夯效果综合检测法。张衡通过强夯法解决了杂填土承载力低、压缩性高的难题。但由于中国地质条件差异，强夯工艺缺少相应标准和理论依据，且强夯法在红砂岩碎石土路基中应用较少。该文依托某山区高速公路路堤试验段，对红砂岩碎石土路基开展强夯加固工艺研究。

1 试验段地质及红砂岩技术性质

1.1 试验段地质概况

试验段为高山深沟地貌，地形起伏较大，地质构造简单，多为单斜构造岩层；红砂岩节理裂隙中含有大量孔隙水，受大气降水和山间流水的影响，地下水丰富，场区含水量季节性变化明显。

路基填料取自边坡开挖和隧道渣，主要由根植土、亚黏土和红砂岩等组成，红砂岩含量为60%～80%。亚黏土呈褐红色，主要为硬塑状态，含有少量碎石；红砂岩呈紫红色，主要由石英、长石、蒙脱石等矿物组成，质地偏硬，以弱风化类型为主，属于第二类红砂岩。

1.2 红砂岩技术性质

参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》测定红砂岩化学成分、物理力学性质，试验段红砂岩的性质见表1～2，红砂岩风化碎屑物颗粒组成见表3。

表1 红砂岩的化学成分

表2 红砂岩的物理力学性质

表3 红砂岩风化碎屑物的颗粒组成

由表2～ 3可知：红砂岩的孔隙率高、强度较低、水稳定性差，风化碎屑物粒径不一，以0.25～2 mm为主。

1.3 红砂岩的崩解处理

相关研究结果表明，红砂岩遇水崩解后形成红砂岩碎石土，崩解性消除，水稳定性提高，满足公路路基填料设计要求。因此，对填料场红砂岩进行预崩解处理，在阳光和雨水等自然因素作用下使其崩解性消除，再运往工地填筑路基。红砂岩预崩解处理阶段至少连续10 d，其中晴天每天浇水1次，使其含水率为2.10%～2.60%。红砂岩处理10 d后，若粒径≥35 cm的红砂岩块表面出现大量裂缝，且用羊角锤轻敲产生碎屑和碎块，则认为红砂岩崩解处理完毕。

2 试验方案

2.1 强夯设计方案

强夯加固红砂岩碎石土路基设计方案见表4。结合工程实际和试验段工程地质条件，将试验段划分为A、B、C、D 4个试验区段且面积均不小于15 m×30 m。最后2次夯击量平均值≤6 cm时，停止夯击。

表4 强夯设计方案

2.2 原位试验方案

对强夯路基开展原位试验，包括土体变形试验、平板荷载试验，评价红砂岩碎石土路基强夯加固效果，确定合理的红砂岩碎石土路基强夯加固工艺。

2.2.1 土体变形试验

(1) 采用灌水法测定红砂岩碎石土路基压实度，分析夯击能量对路基的加固效果。试坑尺寸为80 cm×80 cm×80 cm。

(2) 采用水准仪和塔尺测定路基夯沉量和夯坑周围土体隆起量，分析夯击次数对路基的加固效果。

2.2.2 平板荷载试验

参照GB 50007-2011《建筑地基基础设计规范》中平板荷载试验方法，分别在强夯前后对路基进行试验，研究强夯红砂岩碎石土路基的承载力。试验选用圆形刚性承压板，直径为40 cm；试坑宽度大于承压板直径的3倍；加载设备选用液压千斤顶，量程为200 kN。试验中，保证试坑表面压实时的含水率，并用中砂抹平。压缩模量E0按下式计算：

E0=0.785(1-μ2)pd/s

(1)

式中：μ为路基土泊松比，红砂岩碎石土取0.27；p为上覆荷载(kPa)；d为承载板直径(cm)；s为路基沉降量(mm)。

3 试验结果与分析

3.1 土体变形试验

夯击能量对红砂岩碎石土路基压实度的影响见图1；路堤高度为6 m时，夯击次数对单点夯沉量的影响见图2。

由图1、图2可知：1) 红砂岩碎石土填筑路基高度一致的情况下，随夯击能量增加，压实度增大，说明路基加固效果不断提高。路堤高度为6 m时，夯击能量达到1 400 kN·m，D区段压实度为94%，满足JTG D30-2015《公路路基设计规范》中路堤压实质量要求。路堤高度为5 m时，夯击能量只需达到1 200 kN·m时就能满足压实质量要求；路堤高度为4 m时，夯击能量达到1 000 kN·m时满足压实质量要求。2)不同试验区段累积夯沉量变化基本一致，单击夯沉量随夯击次数增加而减小，说明路基密实度逐渐提高，强夯加固红砂岩碎石土路基的效果良好，其中初始夯击产生的夯沉量最大，至少为120 mm。在主夯阶段，夯击能量≤1 000 kN·m时，路基累积夯沉量不超过605 mm，且第5次后单击夯沉量<6 cm；夯击能量≥1 200 kN·m时，路基累积夯沉量在680 mm以上，且第6次后单击夯沉量≤6 cm。在满夯阶段，夯击能量≤1 000 kN·m时，路基初始单击夯沉量≥6 cm，第2次后单击夯沉量接近6 cm，说明路基压实度有提升空间；夯击能量≥1 200 kN·m时，路基初始单击夯沉量<6 cm，说明主夯阶段路基加固效果良好。

图1 夯击能量对红砂岩碎石土路基压实度的影响

图2 夯击次数对红砂岩碎石土路基夯沉量的影响

另外，随夯击能量增加，夯坑1.5 m半径范围内土体出现明显裂缝和回弹，超过夯坑中心点3 m半径范围后，土体基本无变形；夯击次数超过5次后，周围土体隆起高度趋于稳定，试验区段A、B、C、D最大隆起高度分别约为主夯阶段累积夯沉量的11%、12%、12%和14%。选用夯击能量<1 200 kN·m 的强夯工艺加固6 m红砂岩碎石土路基的效果不明显，建议适当增加夯击能量，但需注意过大夯击能量对路基土体的破坏。

3.2 平板荷载试验

试验区段A、B、C、D强夯前后上覆荷载p与路基沉降量s的关系见图3，压缩模量见表5。

由图3和表5可知：1) 红砂岩碎石土路基强夯前，沉降量随荷载增加逐渐增大，且增大趋势比强夯后沉降量明显，荷载为300 kPa时，平均沉降量为196 mm；路基强夯加固后，沉降量与上覆荷载近似成线性关系，沉降量增大趋势缓慢，荷载增加50 kPa，沉降量不超过7 mm。说明强夯前路基较松散、承载力低，在荷载作用下产生较大变形；在强夯作用下，路基密实度显著提高、承载力增强，路基变形显著减小，强度得到提高。2) 红砂岩碎石土路基强夯加固后，随荷载增加，较大夯击能量的路基产生的沉降量更小，但沉降量相差较小，荷载为300 kPa时产生的平均变形量约为37 mm，约为强夯前路基变形量的19%。表明路基强夯加固后承载力显著提高，一定程度上减小了路基工后沉降和不均匀沉降。3) 随夯击能量增大，强夯加固后路基土体压缩模量逐渐提高，与路基强夯前土体压缩模量平均值1.95 MPa相比，试验区段A、B、C、D的压缩模量分别提高43%、88%、102%、111%。说明红砂岩碎石土路基强夯加固后，压缩模量显著提高，压缩性能得到明显改善。但夯击能量>1 200 kN·m后压缩模量提高幅度较小。

图3 上覆荷载与红砂岩碎石土路基沉降量的关系

表5 强夯前后红砂岩碎石土路基的压缩模量

综上，采用强夯法加固红砂岩碎石土路基的效果良好，压实度、承载力和强度提高。路堤填筑高度为4～5 m时，建议采用B区段强夯工艺；路堤填筑高度为5～6 m时，建议采用C区段强夯工艺。

4 结论

(1) 路堤填筑高度一致时，路基加固效果随夯击能量增加逐渐提高。路堤高度分别为4、5、6 m，夯击能量分别达到1 000、1 200、1 400 kN·m时，压实度在94%以上，满足公路路堤压实质量要求。

(2) 夯击能量一致时，单击夯沉量随夯击次数增加而减小，路基密实度逐渐提高；夯击能量越高，路基主夯阶段产生的累积夯沉量越大，夯击能量≥1 200 kN·m时，累积夯沉量在680 mm以上；随夯击能量增加，夯坑1.5 m半径范围内土体出现明显裂缝和回弹，且夯击次数超过5次后，周围土体变形趋于稳定。

(3) 路基强夯加固后强度和承载力提高，变形量比强夯前显著减小，荷载为300 kPa时产生的平均变形量约为强夯前路基变形量的19%；随夯击能量增大，强夯加固后路基土体压缩模量逐渐提高，最大提高111%。

(4) 路堤填筑高度为4～5 m时，建议采用B区段强夯工艺；路堤填筑高度为5～6 m时，建议采用C区段强夯工艺。