探討紅砂巖碎石土路基強(qiáng)夯技術(shù)

黃海

（湖南杰通建設(shè)工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

從物理性狀角度看，紅砂巖呈膠泥狀分布，其性能離散性明顯，同一區(qū)域內(nèi)的砂巖強(qiáng)度差異極大，紅砂巖滲水后易瓦解，故其壓實(shí)工況較復(fù)雜，控制難度較高，且施工完的紅砂巖路基在車(chē)輛荷載持續(xù)作用下，易出現(xiàn)持續(xù)的工后沉降。本文基于紅砂巖的特殊物理特性，擬采用強(qiáng)夯法處治紅砂巖路基，以確保其壓實(shí)度指標(biāo)滿足施工規(guī)范要求。

1 試驗(yàn)段紅砂巖性質(zhì)

1.1 試驗(yàn)段地質(zhì)工況

試驗(yàn)路段地處山區(qū)，地表高差明顯，地質(zhì)構(gòu)造形式為單斜構(gòu)造巖層；本著就地取材、經(jīng)濟(jì)高效的原則，路基填筑材料取自臨近邊坡開(kāi)挖土石方，經(jīng)初步檢驗(yàn)，土石方中的紅砂巖含量介于60%～80%之間，總體呈紅褐色，礦料組成主要以石英石、長(zhǎng)石、蒙脫土為主，礦料質(zhì)地較硬，屬于二類(lèi)紅砂巖。

1.2 紅砂巖技術(shù)性質(zhì)

結(jié)合現(xiàn)行土工試驗(yàn)相關(guān)規(guī)范，擬定量測(cè)定紅砂巖中的化學(xué)組成及力學(xué)特性，具體試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表1～3。

表1 紅砂巖的化學(xué)成分

據(jù)表2～3 發(fā)現(xiàn)：紅砂巖孔隙率較高，滲水性較強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)度較低，在外力擾動(dòng)下易出現(xiàn)脆性破壞，砂巖顆粒粒徑分布不均勻，大部分粒徑則介于0.25mm～2mm 之間。

表2 紅砂巖的物理力學(xué)性質(zhì)

1.3 紅砂巖的崩解處理

既有研究結(jié)果表明，紅砂巖吸水后，在外力擾動(dòng)下易出現(xiàn)脆性瓦解，進(jìn)而分散成紅砂巖碎石，分散后的紅砂巖脆性破壞特性解除，其水穩(wěn)性大幅提升，初步滿足路基填料的相關(guān)技術(shù)要求。綜上，為了能夠使用紅砂巖作為路基填筑料，在填筑前需對(duì)其進(jìn)行瓦解處治，從而解除其脆性破壞特性。

2 強(qiáng)夯試驗(yàn)方案

2.1 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)方案

紅砂巖強(qiáng)夯加固處治方案詳見(jiàn)表4，在充分考慮施工現(xiàn)場(chǎng)情況和地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，擬將試驗(yàn)段分為A、B、C、D 總計(jì)4 個(gè)試驗(yàn)分區(qū)，不同分區(qū)的試驗(yàn)段總面積不低于15mm×20mm。夯實(shí)完成的標(biāo)志以連續(xù)2 次夯沉量不大于6cm 為準(zhǔn)。

表4 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)方案

2.2 原位試驗(yàn)方案

針對(duì)強(qiáng)夯處治路段進(jìn)行原位試驗(yàn)，原位試驗(yàn)包含：變形試驗(yàn)、平板加荷試驗(yàn)等，主要用來(lái)分析強(qiáng)夯加固處治成效，從而為編制具體的施工方案提供試驗(yàn)依據(jù)。

2.2.1 土體變形試驗(yàn)

（1）使用灌水法測(cè)定砂巖的壓實(shí)度，試驗(yàn)坑尺寸參數(shù)為80cm×80cm×80cm。

（2）使用水準(zhǔn)儀配合塔尺測(cè)定夯沉量及影響范圍內(nèi)土體的上拱量，從而判斷夯實(shí)加固總體效果。

2.2.2 平板荷載試驗(yàn)

（1）借鑒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中給定的平板加荷法測(cè)定紅砂巖強(qiáng)夯前后的承載能力。

（2）承載能力試驗(yàn)采用的承壓板，必須保證足夠的強(qiáng)度和剛度，鋼板直徑為40cm；試驗(yàn)坑寬度不能小于板直徑的3 倍；加載使用千斤頂，千斤頂最大行程為200KN。在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，應(yīng)維持試驗(yàn)坑壓實(shí)的含水率指標(biāo)，用中砂對(duì)表面進(jìn)行抹平；紅砂巖壓縮模量E0計(jì)算公式如下：

E0=0.785（1-μ）pd/s

上式中：μ——泊松比，取值為0.27；p——加荷值/kPa；d——加載板直徑/cm；s——沉降量/mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 土體變形試驗(yàn)

夯擊能對(duì)紅砂巖夯擊后的壓實(shí)度影響程度詳見(jiàn)圖1 所示，當(dāng)填方路基高程為6m 時(shí)，夯擊次數(shù)對(duì)單次夯沉量的影響程度詳見(jiàn)圖2。綜合分析圖1、2 發(fā)現(xiàn)：

圖1 夯擊能量對(duì)紅砂巖碎石土路基壓實(shí)度的影響

圖2 夯擊次數(shù)對(duì)紅砂巖碎石土路基夯沉量的影響

3.1.1 在紅砂巖填方路基高程相同的條件下，路基壓實(shí)度與夯擊能之間呈正相關(guān)關(guān)系，表明經(jīng)夯擊后的路基壓實(shí)度明顯提升。當(dāng)填方路基高程為6m 時(shí)，對(duì)應(yīng)夯擊能為1400kN·m，D 分區(qū)內(nèi)的壓實(shí)度指標(biāo)為94%，壓實(shí)度指標(biāo)滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。當(dāng)填方路基高程為5m 時(shí)，對(duì)應(yīng)夯擊能為1200kN·m，方可達(dá)到相同的壓實(shí)度指標(biāo)要求；同理，當(dāng)填方路基高程為4m 時(shí)，對(duì)應(yīng)夯擊能為1000kN·m，便可達(dá)到相同的壓實(shí)度指標(biāo)要求。

3.1.2 經(jīng)試驗(yàn)段對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同試驗(yàn)段的總夯沉量變化趨勢(shì)類(lèi)似，單次夯擊能與夯擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)，首次夯擊對(duì)應(yīng)的沉降規(guī)模最大，最大沉降量超過(guò)120mm。在連續(xù)夯擊過(guò)程中，當(dāng)夯擊能不大于1000kN·m 時(shí)，填方路基夯沉量小于等于605mm，且第五次夯擊對(duì)應(yīng)的夯沉量小于6cm；當(dāng)夯擊能不小于1200kN·m時(shí)，填方路基總夯沉量超過(guò)680mm，且第六次夯擊對(duì)應(yīng)的夯沉量不大于6cm。在滿夯過(guò)程中，當(dāng)夯擊能不大于1000kN·m 時(shí)，填方路基初始單次夯沉量不小于6cm，下一次夯擊后的夯沉量約6cm，表明紅砂巖路基壓實(shí)度的提高空間尚可；當(dāng)夯擊能不低于1200kN·m 時(shí)，填方路基初始單次夯沉量小于6cm，表明連續(xù)夯擊階段的路基壓實(shí)處治效果較好。

3.1.3 當(dāng)夯擊能逐步增加時(shí)，夯擊影響范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)開(kāi)裂和局部回彈現(xiàn)象，距夯擊中心點(diǎn)3m 以外的區(qū)域，夯擊影響幾乎消失；當(dāng)夯擊次數(shù)超過(guò)5 次，影響范圍內(nèi)的土體上拱高度趨穩(wěn)，試驗(yàn)段A、B、C、D 內(nèi)的上拱最大高度約為連續(xù)夯擊階段總夯沉量的11%、12%、12%、14%。

表3 紅砂巖風(fēng)化碎屑物的顆粒組成

3.2 平板荷載試驗(yàn)

不同試驗(yàn)段內(nèi)夯擊前后加載值p 同填方路基夯沉量s 的相關(guān)曲線如圖3，壓縮模量指標(biāo)詳見(jiàn)表5，綜合圖3 及表5 發(fā)現(xiàn)：

表5 強(qiáng)夯前后紅砂巖碎石土路基的壓縮模量

圖3 上覆荷載與紅砂巖碎石土路基沉降量的關(guān)系

3.2.1 紅砂巖路基強(qiáng)夯前，沉降與加載呈正相關(guān)，且增長(zhǎng)幅度較強(qiáng)夯后更加明顯，當(dāng)加載值為300kPa 時(shí)，沉降均值達(dá)到96mm；紅砂巖路基強(qiáng)夯后，沉降規(guī)模與加載值近似呈線性相關(guān)，且曲線斜率降低，表明增長(zhǎng)幅度下降，荷載增加50kPa，而沉降量增長(zhǎng)量小于7mm。

3.2.2 紅砂巖路基經(jīng)強(qiáng)夯處治后，隨著荷載的提升，沉降量較大夯擊能夯實(shí)的路基更低，當(dāng)加載值為300kPa 時(shí)，形變均值為37mm，形變大小僅近似為強(qiáng)夯前的19%。夯擊結(jié)果表明，路基強(qiáng)夯后的承載強(qiáng)度明顯提升，路基的工后沉降得到大幅控制。

3.2.3 隨著夯擊能的增加，經(jīng)強(qiáng)夯的紅砂巖路基壓縮模量增長(zhǎng)明顯，較強(qiáng)夯前的1.95kPa，各試驗(yàn)段壓縮模量提升率分別為43%、88%、102%、111%。強(qiáng)夯結(jié)果表明，紅砂巖經(jīng)強(qiáng)夯處治后，壓縮模量大幅提升，土體壓縮特性得到顯著改善。

綜上所述，強(qiáng)夯法完全適用于紅砂巖路基的壓實(shí)處治，當(dāng)填方路基高程為4m～5m 時(shí)，推薦選用B 段的強(qiáng)夯工藝，當(dāng)填方路基高程為5m～6m 時(shí)，推薦選用C 段強(qiáng)夯工藝。

4 結(jié)論

4.1 在填方路基高度相同的條件下，路基夯實(shí)效果與夯擊能大小呈正相關(guān)，當(dāng)填方路基高程分別為4、5、6m 時(shí)，對(duì)（轉(zhuǎn)下頁(yè)）應(yīng)的夯擊能分別為1000、1200、1400kN·m 時(shí)，路基壓實(shí)度指標(biāo)均大于94%，壓實(shí)度指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4.2 在夯擊能相同的條件下，單次夯沉量與夯擊次數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且路基壓實(shí)度逐漸提升；夯擊能越高，對(duì)應(yīng)的連續(xù)夯擊階段的總夯沉量越大，當(dāng)夯擊能不低于1200kN·m 時(shí)，總夯沉量大于680mm；隨著夯擊能的提高，夯擊影響范圍內(nèi)的土體出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂和回彈現(xiàn)象，且夯擊次數(shù)超過(guò)5 次時(shí)，影響范圍內(nèi)的土體變形則逐步趨穩(wěn)。

4.3 路基經(jīng)強(qiáng)夯后的承載強(qiáng)度得到大幅提升，荷載變形則明顯減小，加載值為300kPa 時(shí)，形變大小僅近似為強(qiáng)夯前的19%；各試驗(yàn)段壓縮模量提升率最大值達(dá)到111%。

4.4 當(dāng)填方路基高度介于4m～5m 時(shí)，推薦選用B 段的強(qiáng)夯工藝，當(dāng)填方路基高程為5m～6m 時(shí)，推薦選用C 段強(qiáng)夯工藝。