红砂岩路用性能试验与施工质量控制研究

张泽丰，刘曙光，刘咏华，王 帆

湖南省通泰工程有限公司，湖南 长沙 410018

随着国民经济的飞速发展，人们对周围环境的要求越来越高，保护生态环境成为我国的一项重要国策。对于路基填土，由于其受周围环境土壤质量的影响，有必要从其他取料区域取用优质填土，而这将产生大量的废弃土方，并占用大量耕地资源[1]。地方经济的发展与公路及其他交通基础设施的建设密不可分，如何同时解决环保问题和变废为宝，从而保证路基填筑的安全稳定是一个重要的课题。

红砂岩作为一种特殊的工程填土，会因环境因素的不同而表现出不同的工程性质，总的来说，一般表现为遇水易崩解软化、刚度较低、风化程度高[2]。同时，由于成岩过程受到一定的化学和物理作用，导致其组成元素中高价铁离子的成分含量较高，其性状表现为红褐色或暗红色的沉积类岩土[3]。在相关规范中，未经处治的红砂岩被视为不良填料，但在湖南、四川等地，这一类土分布广泛，在修筑高速公路时经常需穿越红砂岩地区。若采用借土换填的方式，显然会带来不同程度的环保问题，因而比较合理的方式是通过改良处治和质量控制等实现对红砂岩的科学利用、综合治理[4]。但是，在已有文献中提到，不同地区的红砂岩填料，其工程性质和崩解特性也各不相同，这导致在施工处治过程中需要做到因地制宜、一土一法，以避免在干湿循环下路基结构出现强度衰减情况，进而导致不均匀沉降和路面开裂等问题的出现。

文章结合湖南某高速公路的工程实例，通过室内试验对所取用红砂岩的化学成分、工程特性和崩解特性进行分析讨论，并结合已有的工程经验，提出对应的红砂岩路基处治与施工控制方法，从而节约建设成本、保护耕地，为后续类似的工程应用提供技术参考。

1 红砂岩的基本物理性质

1.1 化学成分分析

从取料场获得红砂岩样品，并采用室内的XRD衍射测试对土样的矿物组成进行定量分析，得到相应测试的结果为石英占31.67%、高岭土占8.29%，蒙脱石、伊利石和硬石膏等亲水矿物含量则分别占17.34%、26.64%和16.06%。由上述矿物所对应的化学成分可知，所测试的红砂岩富含铁元素（以Fe2O3为主），这是由红砂岩的沉积历史决定的，同时由于具有较多的蒙脱石、伊利石，这使得土样的亲水性较强，遇水易发生崩解。

1.2 颗粒筛分和击实试验

土颗粒的粒径分布也是影响红砂岩工程性质的重要因素，按照规范方法对现场取用的红砂岩填料进行颗粒筛分试验，由颗粒分布可知，在填料中孔径0.075～2mm范围内的颗粒含量占主要部分，计算所得曲线不均匀系数小于5.0，对应曲率系数小于1.0，因而鉴定该土样是不良级配。

为了进一步确定红砂岩填土的分类，通过重型击实测定土样的最佳含水率为12.73%，通过联合测定仪，土样塑限为19.61%，塑限指数为17.29。此外，土样的最大干密度确定为19.21g/cm3，根据规范定名土样为粉土质砂。

1.3 CBR试验结果

对于路基填筑而言，土样自身的强度也是非常重要的指标，其中，CBR和压实度是常用的施工控制指标，为此，文章对红砂岩进行CBR试验，以获得不同压实度（93%和95%）下土样材料的CBR值，分别为7.5%和8.3%。可见，所采用的红砂岩填料的CBR强度基本满足高速公路关于路床填筑的使用需求，但是若无法控制合适的含水率，则仍然容易受湿度影响而发生崩解和膨胀，因此，必须在施工中采取相应措施。

2 红砂岩的崩解特性与作用机理

为了确定红砂岩遇水软化的崩解特性，将红砂岩试样置于网板上，并放入透明玻璃桶中，注入清水，采用电子秤连接网板从而实现对崩解过程中的土样进行称重，并换算崩解后的残余土样质量占比情况。

不同压实度情况下，室内结果得到的崩解曲线如图1所示。从图1中变化趋势可知，在浸入水的初始阶段，水分通过孔隙进入红砂岩中，并将其内部的空气排出，此时试件的总体含水率呈上升的趋势；同时，试件遇水崩解的速率较为缓慢，远低于试件的饱和速率，因而曲线上各测试点均大于100%初始质量；直到浸水时长4h左右达到最大值，无论是93%还是95%的压实度，试件含水率都接近饱和，质量百分比曲线开始下降，崩解速率逐渐占据主导地位，随着时间的延长（约30h），土样整体发生溃散崩解。

图1 红砂岩遇水崩解情况

根据已有的研究成果可知，对于红砂岩而言，其主要矿物成分（如石英、伊利石等）均为亲水材料，在浸水饱和的情况下，这些矿物与水结合发生物理变化而逐步溶于水中，这导致土样的整体黏聚力减小、强度降低，从而最终发生崩解现象。对崩解后的残余土样进行XRD衍射试验，发现崩解后的矿物成分组成没有发生变化，仅含量发生了改变，即部分溶水矿物流失，这也说明了文章对崩解机理的解释是合理的。因此，通过室内试验可知，若要维持红砂岩填料的稳定性，在施工过程中就必须从两方面入手进行防治，一是减少或避免水分的浸入，以保证填料具有足够的强度；二是通过物理或化学方法改变红砂岩的矿物组成。

3 红砂岩路基施工及质量控制

首先，按照规范方法进行崩解试验，以确定浸水后的红砂岩性状和抗压强度，对于现场取样的填料进行测试，在24h后其强度已小于15MPa，土样的性状肉眼观察为碎屑结构，因而被认定为Ⅱ类红砂岩。尽管在前文中测定的CBR值基本满足要求，但是在实际施工时仍然需要对红砂岩进行预处理，以降低或消除土样的水活性。

为了得到合格的红砂岩填料，在路基施工中，一般采用预崩解的方法进行处治，即在填筑前先一步通过人工洒水的方法加快填土的崩解，使其易溶于水的部分随水流失，以规避后续填筑或者运营期中的崩解病害。同时，将水分浸入红砂岩中也有利于岩体的破碎，其强度降低和软化后，更加有利于挖取和碾压施工。但是需要注意的是，经过预崩解的土样需要及时将水排出，可采用耙压的方式将土样变得疏松，从而有利于水分的散发，并能够排除土样中存在的大颗粒，使级配更加合理。经过现场施工和测试经验，在该工程中推荐采用3～4遍的耙压，以调整土样的级配，从而提高压实后的填料强度。

由于所选土样为Ⅱ类红砂岩，根据室内试验确定采用4%的水泥掺比进行路基施工。为了保障施工的质量，在现场填筑采用灌砂法对改良填料的压实度进行检测，观察碾压后路基的外观，保证其碾压表层光滑、平整，其颜色性状类似于压实后的低液限黏土，并确定机具压实前后的沉降查是否满足要求；同时，每层压实后，沿着水平面约400～800m2设置一个检测点，在工况条件复杂、填料高度较高的区域，还应适当加密测试点的数量。

4 现场施工效果评价

在路基填筑完成后，对现场路基层顶面的回弹模量进行测试，采用PFWD便携式落锤弯沉仪得到模量结果，试验段共40个测试点，得到的路基回弹模量均大于60MPa。待土路基测试合格后，及时对路基进行了封闭处理，以保证改良红砂岩路基不受外界雨水的影响，并在每个断面设置5个沉降观测点。在路基完工后，对弯沉情况进行持续观测，经过1年半的自然固结，路基的最大累积弯沉约为1.63cm，并已经基本稳定。

5 结束语

文章总结了红砂岩的室内试验结果和崩解特性演化规律，并基于现场施工经验对红砂岩路基的施工方法和质量控制进行了探讨，结果表明，红砂岩处治的各项指标满足工程设计需求，并在实际工程应用中表现效果良好。