公路项目黄土改良红砂岩试验及路用性能分析

余武雄

（贵州路桥集团有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

我国长江中下游地区分布大量红砂岩地质带，受红砂岩岩性影响，红砂岩分布带路基施工一直是公路工程施工难点，一方面红砂岩工程性质较差，一旦改良处理不到位，红砂岩受环境水、空气作用崩解、风化，会造成道路塌陷、开裂等质量病害，甚至造成路基垮塌等工程事故；另一方面，红砂岩直接遗弃会造成环境污染、资源浪费，且购方填筑会极大地增加施工成本[1-3]。为减少工程消耗与环境破坏，通过改良红砂岩，使其达到路基填料标准，可有效减少废方，降低工程成本。黄土作为一种分布广泛的土体资源，因此进行黄土改良红砂岩研究，具有良好的经济及环保效益[4-5]。

1 工程概况

某公路沿线主要为黄河Ⅰ级阶地地貌，地层主要由第四系全新统人工填土（）、冲积（）卵石及第三系古-始新统（E1-2）砂岩组成，其中砂岩主要为红砂岩，层状发育，岩体工程性质较差，遇水易崩解，遇空气易风化、软化崩解，崩解体呈散沙状。红砂岩属软质岩，其岩性与其他颗粒及硬质岩差异较大，其粒径随碾压过程、裸露时长、含水量变化较大，为减少挖方填料区岩土资源浪费，降低购方、运输成本，拟加入一定改良剂，改良沿线红砂岩工程性能，并通过相关试验判定改良岩土作为路基填料可行性。

经初步研究，拟将黄土作为改良剂，通过击实试验研究不同含水量、黄土掺量红砂岩改良土最大干密度与最佳含水率之间的相关关系，确定改良土最佳含水率、最佳黄土掺量指标，并对最优配比改良土开展直剪试验、压缩试验，探究最优配比改良土强度与压缩性能变化规律，评价改良土改良效果。

2 红砂岩的结构特征及崩解机理

2.1 红砂岩的结构特性

工程所在地天然红砂岩，按结构类别划分，主要有粒状碎屑结构和泥状结构两种；按岩石学分类方法，主要分为碎屑类岩、黏土类岩两种。红砂岩外观呈红色、红褐色、褐色，其颜色差异主要受岩体中含铁化合物成分含量影响。碎屑颗粒间胶结形式较多，主要有孔隙式胶结、基底式胶结、泥质接触式胶结等。岩体中铁质化合物，仅铁质碳酸盐以胶结物形式存在，含铁氧化物主要起浸染作用，对岩体工程性质基本无影响[6]。

粒状碎屑岩类中，黏土矿物含量约为5.5%～10.4%，其中高岭石、伊利石、蒙脱石等矿物含量基本与普通风化岩类似，岩体性质相对稳定。泥状红砂岩中，黏土矿物含量约为15%～50%，其中高岭石含量一般约6.5%～41%，伊利石含量约为5.5%～11%，蒙脱石含量为3.5%～11%，此类岩体中亲水矿物含量较大，遇水极易崩解软化，若直接用于路基填筑，易造成路基水毁、垮塌等病害。

2.2 红砂岩的崩解的机理

红砂岩岩体中高岭石、伊利石、蒙脱石等矿物亲水性较强，且主要呈碎屑结构，比表面积较大，岩体遇水时，在毛细作用下水分可沿孔隙向运动，造成矿物水胀，宏观表现为岩体软化、崩解破碎。特别是蒙脱石键力很弱，遇水分子中氧键作用断裂，呈现较强膨胀性[7]。

试验过程中发现：在中低温环境下，当水分子进入红砂岩岩体中亲水矿物层次构造时，红砂岩会遇水膨胀，最终崩解；红砂岩中亲水矿物结构空隙间的粒间水，也会造成红砂岩膨胀；红砂岩结构裂隙在干湿循环作用下，结构裂隙发育加剧，为岩体崩解提供了有利条件，岩体崩解时间受干湿循环作用频率、岩体中亲水矿物成分含量、亲水矿物结构影响较大。

3 试验方案

3.1 击实试验

根据现有研究资料，黄土改良红砂岩改良土中，黄土掺配比例分别设置为20%、30%、40%、60%、80%。为提升试验结论适用性，选取案例工程沿线典型路段红砂岩作为研究对象，将其余黄土充分混合，按照试验规程要求，开展黄土改良红砂岩改良土重型击实试验，研究改良土最大干密度-最佳含水率变化规律[8]。

将黄土与红砂岩按掺配比例混合均匀后，取6 kg红砂岩改良土，按照设计含水率喷水，并将喷水处理后的土样闷置24 h。击实筒内径为152 mm，高为116 mm，将改良土分5层填入，每层56击，层间用拉毛器拉毛，开展重型击实试验。根据改良土击实试验数据，绘制击实曲线，得到改良土最大干密度、最佳含水率指标。

3.2 直剪试验

根据击实试验结果，确定黄土改良红砂岩最佳黄土掺配比例为30%，最佳含水率为8%，按照此配比拌制改良土土样，闷置24 h后，按标准重型击实试验击实，得到4组改良土试件，用于直剪试验。直剪试验仪器采用四联应变控制式直剪仪，按照试验规程规定，按0.8 mm/min剪切速率，分别施加100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的法向力进行快速剪切试验，改良土试块在3～5 min内被破坏，根据试验数据绘制T—Δι曲线，确定对应试件抗剪强度s值，并绘制出改良土库仑强度包线。

3.3 压缩试验

对最佳配比下黄土改良红砂岩改良土进行固结压缩试验，揭露改良土压缩特性[9]。

按上述直剪试验试件制备方法，制备3组试件，利用固结仪进行固结压缩试验，试验加载按四级加载逐级加载，各级加载荷载分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa，每级加载持载≥12 h，记录试件变形数据。

4 试验结果分析

4.1 最大含水率和最大干密度关系分析

根据击实试验结果，绘制出改良土干密度与含水率变化关系见图1。由图1可知：1）黄土改良红砂岩最佳黄土掺量为30%，改良图最佳含水率为8%，最大干密度为2.11 g/cm3；2）随着黄土掺量增加，改良土最大干密度随之降低，最佳含水率随之增加。

图1 改良土干密度与含水率变化关系

根据上述分析可知，改良土最佳黄土掺量为30%，为进一步确定最佳黄土掺量，分别对黄土掺量为20%、25%、35%改良土在不同含水率下进行击实试验，结果见图2。

由图2可知：1）改良土黄土掺量在20%～30%时，随黄土掺量增大，改良土干密度随之增加；2）黄土掺量在30%～35%时，随黄土掺量增加，改良土最大干密度随之减小；3）各黄土掺量下，改良土干密度拐点均出现在含水率为8%处；4）由以上分析可知，改良土黄土掺量为30%，含水率为8%时，击实效果最佳。

图2 黄土掺量20%、25%、30%、35%改良土干密度与含水率变化关系

4.2 改良土抗剪强度分析

土体抗剪强度是横梁岩土工程性能的核心力学指标之一，其计算公式见式（1）：

由式（1）可知，土体黏聚力c、内摩擦角φ是影响土体抗剪强度的核心参数。土体内摩擦角是反应土体颗粒间摩擦特性的物理量，其主要包括土壤颗粒表面摩擦力、颗粒间咬合力；土体黏聚力主要反映土体颗粒间相互吸引产生的应力。最优配比改良土、工程所在地红砂岩原状土、直剪试验结果分别见表1、表2。对比表1、表2可知，相较于红砂岩原状土，黄土掺量为30%改良土黏聚力、内摩擦角均显著提高，究其原因可知，黄土提升了红砂岩土体颗粒间胶结作用，增强了土体颗粒间摩擦力，表明掺入黄土改良红砂岩的方法可有效提升红砂岩土体抗剪强度，改良土库伦强度包线图见图3。

表1 最优配比混合料直剪试验结果

表2 原状土直剪试验结果

图3 库仑强度包线

4.3 改良土压缩性能分析

掺入黄土改良红砂岩改良土、工程所在地红砂岩原状土固结试验结果分别见表3、表4。对比表3、表4可知，掺入黄土改良红砂岩改良土压缩性能显著提高，改良土压缩系数a为0.580 MPa-1、压缩指数C为0.045，压缩模量Es为21.230 MPa，可知改良土为低压缩性土，改良效果良好。

表3 固结试验数据

表4 红砂岩原状土压缩性能指标

由以上分析可知，改良土中黄土颗粒填充了红砂岩土体孔隙，使红砂岩孔隙率有所降低，改善了红砂岩压缩性能。

5 结论

该文以某高速公路工程为依托，运用击实试验，揭露了黄土改良红砂岩改良土干密度、含水率随黄土掺量变化的变化规律，利用直剪试验、压缩试验的方法，对比分析了工程所在地红砂岩原状土、黄土改良红砂岩改良土抗剪性能、压缩性能，结论如下：

（1）击实试验结果表明，黄土改良红砂岩改良土最佳黄土掺量为30%，最佳含水率为8%，最大干密度为2.11 g/cm3；黄土掺量小于30%时，随黄土掺量增加，改良土最大干密度随之增加；黄土掺量大于30%时，随黄土掺量增加，改良土最大干密度随之减小[10]。

（2）直剪试验结果表明，最佳配比下，黄土改良红砂岩改良土黏聚力指标、内摩擦角指标显著优于工程所在地红砂岩原状土，可知掺入30%黄土可显著改善红砂岩土体抗剪强度；固结压缩试验结果表明，改良土压缩性能指标明显优于红砂岩原状土，掺入30%黄土改良后的改良土为低压缩性土。

（3）最佳黄土掺配比例下，红砂岩不良特性、路用性能显著提升，其抗剪性能、压缩性能符合路基填料性能要求。