鄂西南地区某高速公路红黏土路基填筑指标研究

张丛林， 周 亮， 牛兰涛

(湖北省交通规划设计院股份有限公司， 湖北 武汉 430051)

0 引言

红黏土是碳酸盐岩经红土化作用形成的特殊性岩土，多分布于气候湿热地区。其主要矿物成分有高岭石、伊利石和绿泥石，粒度组成具有高分散性，其中小于0.002 mm的胶粒含量约占40%～70%，具有含水率高、孔隙比大、液塑限高(液限一般大于45%)、水稳性差等特点[1]，由于其特殊的物理力学性质，往往会对工程建设造成不利影响。红黏土在我国分布十分广泛，尤以云贵高原、两湖及两广等地最具代表性。近年来，随着我国高速公路路网不断延伸，工程项目也更加频繁地遭遇到这种特殊性岩土，尤其在山区高速公路建设中，土地资源稀缺、交通不便，土方调用时通常需要尽可能达到填挖平衡。而在红黏土发育区，直接利用其填筑路基时，击实土料的CBR值一般小于3，且水稳性差，很难达到规范对路基填料强度和压实度的要求，考虑到道路施工质量及运营期间的使用安全，在以往工程项目中常弃之不用，造成土地资源浪费。如何合理利用高速公路沿线红黏土，为工程项目缩短建设工期、节省造价，同时保护好项目沿线的生态环境成为了一个亟待研究的课题。

《公路路基施工技术规范》(JTG F10—2006)中规定：路堤采用特殊填料填筑或处于特殊气候地区时，压实度标准根据试验在保证路基强度要求的前提下可适当降低。但考虑到各地区红黏土由于气候、水文、地貌、地层岩性等差异导致的工程性质的差异性，规范中并未明确压实度降低的幅度。

针对该问题许多专家进行了广泛而深入的研究：彭国喜等[2]以广西柳武高速公路为背景，提出含砾高液限土以及细粒土质砾可直接用作填料，对于低液限土，在CBR大于3的前提下，也可直接用作填料，但是对于高液限土，在满足CBR大于3的同时还要经过物理及化学处理才能用做路基填料；王林峰等[3]提出红黏土CBR强度峰值所对应的含水率约比最优含水率高5%，在适宜含水率和适当的击实功作用下，红黏土的CBR和压实度都可以满足规范的要求，可直接用于路基填筑；陈文轩等[4]对江西地区红黏土进行研究，得到填料的控制含水率可选择最优含水率，此时路基压缩性很小，强度较高，可直接用于填筑二级及以下公路路堤、三级及以下公路下路床；宋常军等[5]通过试验研究了湘西地区红黏土直接填筑路堤的可行性，认为红黏土直接用作高速公路路基填料时，填筑含水率可控制在1.02～1.05倍的最佳含水率范围内，以压实度为控制指标时，建议下路堤压实度控制在90%以上，上路堤压实度控制在92%以上。

湖北省西南部(以下简称鄂西南)广泛分布着以灰岩为主的碳酸盐岩，在地质历史上形成了由多级岩溶台面组成的岩溶地貌，该地区夏季晴热酷暑，降雨量充沛，为碳酸盐岩红土化作用提供了温床。本文以鄂西南地区某高速公路沿线红黏土为研究对象，结合该地区高速公路建设，本着节约建设经费、保证施工质量与工期的目的，通过击实及CBR等试验，探索红黏土直接用于路基填筑的控制指标。

1 试验方案

1.1 鄂西南红黏土基本物理力学指标

本次试验所用红黏土取自鄂西南某高速公路K0+000～K15+800和K22+500～K25+000段，多呈棕黄色及红褐色，如图1。其基本物理性质指标见表1，天然含水率与液塑限分布见图2、图3。

图1 路线区红黏土典型照片

表1 红黏土的基本物理性质天然密度/(g·cm-3)天然孔隙比天然含水率/%液限/%塑限/%压缩系数/MPa-1自由膨胀率/%1.661.22141.470.828.60.39953.1 注: 表内数值为平均值。

图2 红黏土天然含水率分布图

图3 红黏土液、塑限分布图

从以上图表可知，试验土样具有高含水率、大孔隙比、高液塑限值和弱膨胀性等典型特征。

1.2 试验方案

首先按照《公路土工试验规程》(JTGE40—2007)[6]进行湿法重型标准击实试验，得到试验土料的最大干密度和最优含水率；然后选取最大干密度及最优含水率周围的5个含水率点分别按3种不同的工况(98、60、30击)进行击实，获得不同击实功条件下土样的最大干密度与最优含水率曲线。根据以往研究成果[7-9]，最优含水率对应的CBR值往往不是最大值，CBR最大值所对应的含水率通常为最优含水率约1.02～1.05倍。因此本次试验在湿法重型标准击实试验(98击)条件下分别选取1.02、1.03、1.04、1.05、1.06倍最优含水率式样进行承载比CBR试验。

2 试验结果及分析

2.1 击实试验

《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[10]规定：红黏土作为路基填料时，宜采用湿法重型击实试验确定其填筑的最佳含水率和最大干密度。主要原因是红黏土中黏土矿物含量较高，矿物颗粒周围通过结合水及胶结物连接在一起，而烘箱烘干过程将蒸发结合水，造成黏土颗粒之间的粘结力消失，进而导致其结构发生破坏，由于这种结构破坏具有不可逆性，因此干法击实试验不适用于红黏土[11]。湿法击实试验则较好地保留了这部分结合水，其所取得的天然干密度及最优含水率更有利于指导施工。

本次试验通过对比不同击实功下土料的最优含水率与最佳干密度分析击实功对红黏土的影响。试验得到的土料击实曲线如图4所示，其中标准击实试验(98击)得到的土料最大干密度为1.55 g /cm3、最优含水率为25.8%。从图中可以看出，随着击实功不断增大，对应的最优含水率不断降低、最大干密度不断提高；含水率小于35%时，击实功对最大干密度的影响显著，含水率增加至35%以后，击实功对最大干密度的影响已较小。由此可知，对于超出一定含水率界线的土样(此处为35%)，无法有效地通过增加击实功来提高土样的压实度。反映在路基填筑过程中，如果填料的含水率超过一定界线，则无法通过增加振动碾压强度来提高路基的压实度，碾压强度增大到一定程度时，填料无法继续压实，反而会出现反弹现象，形成所谓的“橡皮土”。

图4 不同击实功下的击实曲线

2.2 CBR试验

本次试验按照湿法备样，采用标准重型击实试验进行击实，得到CBR值、压实度及含水率之间的关系曲线。图5为含水率与CBR值的关系曲线，图6为含水率与压实度的关系曲线，其中压实度选取2.1节中所确定的最大干密度计算，图7为CBR值与压实度的关系曲线图。

图5 含水率与CBR值的关系曲线

图6 含水率与压实度的关系曲线

图7 压实度与CBR值的关系曲线

由图5可知： ① 最优含水率所对应的CBR值并非最大值，当含水率为1.05倍最优含水率时CBR值达到峰值；② 结合图6可知，在最优含水率时，土样压实度达到最大，随着含水率不断增大，压实度及CBR值均逐渐减小，当含水率超过33%后，压实度及CBR值均急剧衰减，可见当红黏土的含水率超出一定范围时,呈现出水敏性，其强度受含水率影响明显;③ 当土料含水率达到1.05倍最优含水率(即达到27.1%)时，相应的压实度为96.1%，但相比天然含水率仍超出14.3%。这表示天然状态下的红黏土需要经过长时间翻晒才可以达到最理想的含水率状态，但根据以往工程经验需要翻晒4～6 d，对于实际施工来说可操作性不强，可见1.05倍最优含水率无法用作填筑控制指标；④ 由图7可知：压实度超过87.2%时，土料的CBR值均大于3%，而压实度大于94.5%时，CBR值达到11.5%。说明只要控制压实度大于87.2%，则土料可满足大多数公路工程的路基填筑。

规范[10]规定，对于高速公路和一级公路下路堤，填料压实度不小于93%,且CBR不小于3；上路堤压填料实度不小于94%，且CBR不小于4。从本次试验结果来看，以CBR值作为填筑标准时，对于下路堤可将填料压实度下调5.8%，降低至87.2%，此时对应的CBR值为3.2；对于上路堤可将填料压实度下调3.3%，降低至90.7%，此时对应的CBR值为4.1。

规范[10]同样规定，对于高速公路和一级公路，下路床土体压实度不小于96%，且CBR不小于5；上路床压实度不小于96%，且CBR不小于8。从本次试验结果来看，下路床可以将填料压实度降低至93.4%，对应此时的CBR值为5.5；上路床可将填料压实度降低至94.5%，对应此时的CBR值为11.5。

按照以上控制指标，在高速公路下路堤填筑时，可选择38%的含水率作为填料控制含水率，此时只需将天然含水率下调3.1%；在上路堤填筑时，可选择35%的含水率作为填料控制含水率，此时只需将天然含水率下调6.1%，实际操作中，将土料翻晒1～3 d即可满足使用要求，工程实际可操作性大大增加；在下路床填筑时，填料控制含水率为33%，需将天然含水率下调9.1%；在上路床填筑时，填料控制含水率为30%，需将天然含水率下调12.1%，现场操作仍存在困难，此时选择掺灰等改性处理措施更符合实际。

3 结论

本文以鄂西南地区某高速公路沿线红黏土为研究对象，为研究其工程特性，分别进行了土的常规6项试验、击实试验和CBR试验，得到以下结论：

1)路线区红黏土具有高含水率、大孔隙比、高液塑限、弱膨胀性，并且具有较强的水敏性等典型特征。

2)击实试验成果表明，随着击实功的增大，填料的最优含水率逐渐降低，对应的最大干密度逐渐增大。但含水率增加至35%以后，击实功对干密度影响已较小。因此当填料含水率超过一定界限时，通过增加击实功来提高土样的压实度已显得不太有效。

3)该地区红黏土最优含水率对应的CBR值并非最大值，当含水率为1.05倍最优含水率时，所对应的CBR值最大，但相较其天然含水率仍然相差14.3%，如果以1.05倍最优含水率作为路基填筑控制指标，实际施工时难以有效实施。

4)以压实度作为路基填筑控制指标时，在高速公路上、下路堤填筑中，红黏土均可直接用作路基填料。在上路堤填筑时，填料控制含水率可选择35%；下路堤填筑时，填料的控制含水率可选择38%。而用作上、下路床填筑时，选择掺灰等改性处理措施更为实际。