高速公路含红黏土路段路基稳定性及改良措施研究

甘军玉 郭雷 刘峰 马吉坤 李明宇 于文宝 张帅

摘 要：针对红黏土作为路基填料时具有含水量高、液限和塑限值高以及遇水易软化等特点，以某高速公路路基现场红黏土样品为研究对象，通过击实试验、CBR试验和无侧限抗压强度试验评价了红黏土的稳定性，并提出了采用固化剂HRT-3进行改良的措施。结果表明：红黏土的天然承载性能和稳定性较差，通过加入固化剂HRT-3能够很好地提高其承载能力。当固化剂HRT-3质量分数为5%时，红黏土的最佳含水率明显降低;击实试验曲线随含水率的变化趋势明显趋于平缓;红黏土的CBR值指标显著提高，最大值可以达到55%以上;红黏土的无侧限抗压强度明显提高，经过5次干湿循环试验后其无侧限抗压强度仍能维持在3 MPa以上，改良效果显著。

关键词：高速公路路基;红黏土;承载性能;改良措施;固化剂

中图分类号：U213.1    文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2022）02-0185-05

随着我国经济的不断发展，高速公路交通网络的建设也在不断的完善，据统计，到2016年为止，我国的高速公路总里程数已经达到了12万多 km，位居世界第一，这为加快我国全面建成小康社会的进程提供了很好的助力。然而我国地域辽阔，在很多高速公路的建设过程中均会不可避免的穿越一定的红黏土层，红黏土由于具有较高的液限值，并且天然含水率较高、孔隙大以及结构性较强，极容易遇水膨胀，再加上旱季以及雨季的轮番交替，对高速公路含有红黏土层的路基容易产生严重的开裂破坏现象，导致其承载性能降低，容易造成高速公路建设工程的隐患，甚至可能危及行车安全[1-4]。因此，开展高速公路含红黏土路段路基稳定性及改良措施研究具有十分重要的意义。

目前，针对含红黏土层路基材料的改良措施主要包括化学改良和物理改良，其中化学改良方法是指在红黏土填料中添加一定的添加剂（如石灰、水泥、矿渣、粉煤灰、固化剂以及其他化学活性物质等），让填料与添加剂在混合过程中发生一定的化学反应，产生一种或多种新的化学物质，对填料的内部结构进行填充或改变，从而提高红黏土填料的工程性能，达到化学改良的目的[5-10]。水泥和石灰改良红黏土的研究报道相对较多，并取得了比较多的研究成果和经验，在高速公路含红黏土层路段路基的现场施工中也得到了良好的应用效果。而针对固化剂对红黏土的改良方面的研究及报道则相对较少，固化剂改良红黏土通常具有适应性强、成型快、强度高、施工简单以及成本较低的优点，与传统的水泥和石灰等添加剂相比，具有更加广阔的研究及应用前景[11-12]。因此，本文以某高速公路路基中的红黏土为研究对象，通过击实试验、CBR试验和无侧限抗压强度试验来评价含红黏土路基的稳定性，并测定了加入固化剂HRT-3改良措施后红黏土的性能变化情况，为高速公路含红黏土路段路基的改良技术研究提供一定的参考。

1 试验部分

1.1 试验材料

（1）红黏土：取自于某高速公路路基施工现场，其基本物性参数见表1;具体矿物组成见表2;

（2）固化剂HRT-3：实验室自制，主要成分由激发剂、稳定剂、表面活性剂、催化剂以及其他电解质类物质组成，外观呈黑褐色，pH值测试结果呈弱碱性，易溶于水。

1.2 试验方案

1.2.1 击实试验

红黏土击实试验方法参照中华人民共和国行业标准JTG E40—2007《公路土工试验规程》中土的击实试验部分，以含水率和干密度为控制指标，采用干法和湿法两种不同工况进行实验。

1.2.2 承载比试验

红黏土承载比（CBR）试验方法参照中华人民共和国行业标准JTG E40—2007《公路土工试验规程》中土的承载比试验部分，将制备好的试件浸水饱和4 d，以模拟路基材料在使用过程中的最严苛环境，在此过程中施加一定的载荷以模拟路面结构在土基上的附加应力，考察不同含水量条件下3种不同击实功（98击、50击和30击）的CBR值。

1.2.3 无侧限抗压强度试验

红黏土无侧限抗压强度试验方法参照中华人民共和国行业标准JTG E40—2007《公路土工试验规程》中土的无侧限抗压强度试验部分，在击实试验中确定最佳含水量后，制备不同压实度的柱状试件，在恒湿状态下养护7 d，然后进行干湿循环试验，测定试件在每次干湿循环试验后的无侧限抗压强度值。

2 结果与讨论

2.1 击实试验结果

2.1.1 改良措施前红黏土击实试验结果

按照1.2.1中的试验方法，测定了红黏土样品在不同含水率下的干密度值，试验结果见图1。

由图1试验结果可以看出，在不同含水率时湿法试验获得的干密度值均明显小于干法试验，在干法试验条件下，最优含水率为21.8%，最大干密度为1.75 g/cm3，而在湿法试验条件下，最优含水率则为24.6%，最大干密度为1.66 g/cm3。然而由于干法试验过程中使黏土颗粒之间的部分胶结物质受到破坏，使土体的稳定结构被打破，并且此过程往往不可逆，因此，湿法击实试验通常更符合现场施工工况环境。

2.1.2 固化剂改良后红黏土击实试验结果

按照1.2.1中的试验方法，在红黏土中掺入不同加量的固化剂HRT-3，然后再测定其在不同含水率下的干密度值，采用湿法工况进行试验，试验结果见图2。

由图2试验结果可以看出，随着固化剂HRT-3摻量的逐渐增大，最优含水率明显降低，而最大干密度值则有所降低，当固化剂HRT-3的掺量为5%时，最优含水率可以降低至15.9%，此时对应的最大干密度为1.60 g/cm3。另外，固化剂HRT-3的掺量越大，击实试验曲线则越趋于平缓，这说明经过固化剂HRT-3改良后的红黏土对路基中含水率变化所产生的影响逐渐减弱，能够有效降低自然环境改变所带来的含水率变化对红黏土路基稳定性的影响，使其能够适应更加复杂的工况环境。

2.2 CBR试验结果

2.2.1 改良措施前红黏土CBR试验结果

按照1.2.2中的试验方法，测定了红黏土样品在不同含水率下的CBR值，试验结果见图3。

由图3试验结果可以看出，红黏土试样的CBR值随着含水率的逐渐增大呈现出“先升高后降低”的趋势，在整个变化过程中，存在一个最佳的含水率使CBR值达到最大，并且击实功越大，CBR值就越大，在3种不同的击实功作用下，当含水率为21.8%，CBR值均可以达到最大值。而当含水率达到30%左右时，3种击实功作用下的CBR值均小于3%。

2.2.2 固化剂改良后红黏土CBR试验结果

按照1.2.2中的试验方法，在红黏土中掺入不同加量的固化剂HRT-3，然后再测定红黏土样品在不同含水率下的CBR值，击实功选择为98击，试验结果见图4。

由图4试验结果可以看出，在相同的实验条件下，红黏土样品经过固化剂HRT-3改良措施后，其CBR值指标明显提高，并且随着固化剂HRT-3加量的增大，CBR值增大的幅度越大。当固化剂HRT-3的加量大于5%时，红黏土样品达到最大CBR值的含水率可以降低至15%左右，且其CBR值可以达到55%以上，与未改良前相比，提升明显。这说明红黏土中掺入固化剂HRT-3是一种有效的改良措施，能够显著提高红黏土的承载性能。

2.3 无侧限抗压强度试验结果

2.3.1 改良措施前红黏土无侧限抗压强度试验结果

按照1.2.3中的试验方法，测定了红黏土样品在改良措施前的无侧限抗压强度值与干湿循环次数之间关系，选择含水率为24.6%，压实系数为0.95，试验结果见图5。

由图5试验结果可以看出，随着干湿循环次数的不断增多，原始红黏土样品的无侧限抗压强度值逐渐降低，当干湿循环次数达到5次时，红黏土的无侧限抗压强度值由初始的0.82 MPa降低至0.43 MPa，降低幅度达到47.6%，抗压强度明显降低，需要对其进行改良以适应高速公路路基施工的要求。

2.3.2 固化剂改良后红黏土无侧限抗压强度试验结果

按照1.2.3中的试验方法，在红黏土中掺入不同加量的固化剂HRT-3，然后再测定红黏土样品的无侧限抗压强度值与干湿循环次数之间关系，选择含水率为24.6%，压实系数为0.95，试验结果见图6。

由图6试验结果可以看出，与未改良前的红黏土无侧限抗压强度试验结果相似，随着干湿循环次数的增大，掺入不同加量固化剂HRT-3改良后红黏土的无侧限抗压强度值均逐渐降低，但与未改良时相比，其抗压强度值均明显提高，并且随着固化剂HRT-3加量的不断增大，无侧限抗压强度值逐渐升高，当固化剂HRT-3加量大于5%时，红黏土试件经过5次干湿循环试验后，其无侧限抗压强度值仍能达到3 MPa以上，改良效果显著。

3 结语

对高速公路路基中的红黏土稳定性进行了评价，主要包括击实试验、CBR值试验以及无侧限抗压强度试验，并采用固化剂HRT-3对其进行改良，主要得到以下结论：

（1）湿法击实试验条件下得到的最大干密度明显低于干法击实试验，最佳含水率也有较大的区别，湿法击实试验更符合现场施工实际;固化剂HRT-3改良后红黏土的最大干密度有所降低，而最佳含水率也明显降低，并且固化剂HRT-3的掺量越大，击实试验曲线则越趋于平缓;

（2）红黏土试样的初始CBR值随着含水率的逐渐增大呈现出“先升高后降低”的趋势，最佳含水率为21.8%，当含水率增大至30%左右时，3种击实功作用下的CBR值均小于3%;固化剂HRT-3改良后红黏土的CBR值指标明显提高，当固化剂HRT-3的加量大于5%时，红黏土样品的最大CBR值可以达到55%以上，承载性能明显提高;

（3）干湿循环次数越多，红黏土样品的无侧限抗压强度值越低，当干湿循环次数达到5次时，红黏土的无侧限抗压强度值降低幅度可以达到47.6%;固化剂HRT-3改良后红黏土的无侧限抗压强度明显提高，并且固化剂HRT-3的加量越大，提升幅度越大，当固化剂HRT-3加量大于5%时，5次干湿循环试验后红黏土的无侧限抗压强度值仍能达到3 MPa以上，改良效果较好。

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