湖南省红粘土工程特性及红粘土路基施工

'湖南省红粘土工程特性及红粘土路基施工湖南省红粘土工程特性及红粘土路基施工长沙理工大学张军辉博士副教授13787162685;zjhseu@1633>主要内容一、红粘土工程特性二、高液限红粘土处治与质量要求三、高液限红粘土填方路基处治方法四、高液限红粘土挖方路堑处治方法（1）成因。红粘土液限(WL)大于50，主要为残积、坡积或坡～残积成因。形成的红粘土经再搬运堆积，仍保留其基本特征且液限大于45的称次生红粘土，一般为冲积、冲洪积成因，其工程性质保留了红粘土的基本特征。11>.1成因与分布特征1红粘土工程特性（2）分布特征湖南红粘土主要发育于地形舒缓、波状起伏的剥蚀夷平台地、岩溶断陷盆地及岩溶谷地两侧丘陵坡脚。发育于坡脚的红粘土主要为残积、坡残积成因的原生红粘土，而分布于盆地、谷地中心的红粘土主要为冲积、冲洪积成因的次生红粘土。1.1成因与分布特征 1红粘土工程特性其基本特征是：①由地表向下，上部呈坚硬至硬塑状，厚度一般为l0～20m，最厚超过30m，占红土层的大部分。②可塑～软塑、流塑状态只占小部分，主要发育于近下伏基岩面的溶蚀沟、槽底部，多呈透镜体状小范围产出。③裂隙较发育，常发育网状裂隙，一般可延伸到地下2～3m，在雨水作用下，易形成滑坍。④盆地、谷地、洼地的次生红粘土土层多为软土区。1.1成因与分布特征1红粘土工程特性（1）湖南红粘土矿物组成以石英和高岭石为主，石英+高岭石的含量大于80％，大部分矿物为酸性环境中形成，母矿成分对其物理力学性质影响较大；（2）红粘土化学成分SiO2+Al2O3值一般介于70％～76％，石英的化学性质稳定，具有较强的抗水性和抗风化能力，亲水性弱；（3）典型的高岭石可塑性，压缩性低，亲水性差，水稳性较好。这种化学特性是造成红粘土具有高液限、高塑指、难失水的重要原因。1.2物质组成及结构特征1红粘土工程特性湖南红粘土裂隙属于不发育或者不太发育状况，按照《公路路基设计规范》划分，其土体结构绝大部分应归属于致密块状，少数为巨块状。1.2物质组成及结构特征1红粘土工程特性1.3物理性质1红粘土工程特性 根据室内试验，红粘土主要物理性质指标见表2。从表2数据可知：①湖南红粘土具有土质均匀、细腻、粘性强的特征，其粘粒含量相当高，平均达88.8％；②天然含水率一般接近于塑限含水率，随地表深度的增大而增大；③孔隙比为1左右，这是湖南红粘土的重要特征；④饱和度较大，平均为89.3％；⑤最大干密度则越接近于灰岩时越小，干密度变化较大，0.88～1.80g/cm；⑥液限、塑限、塑性指数均较高，具有高塑性、高含水性和低密度的特性，渗透系数较小，一般为典型的不透水层。同种状态的红粘土的各项物理性质指标分布范围较广，离散性大，说明红粘土的土质均一性较差。与所位地理位置、埋深关系密切。1.3物理性质1红粘土工程特性1.4力学性质从上表可知，湖南红粘土具有下列力学特性：压缩性不高，其压缩系数平均为0.32MPa-1，压缩模量平均为7.5MPa，属于中等或者中等偏低压缩性土；抗剪强度均较高，尤其是粘聚力值较粘性土大得多。1红粘土工程特性1.5膨胀性与复浸水特性土自由膨胀率平均为42.5％，属于具有弱膨胀潜势的土；湖南红粘土线缩率平均为6.1％，体缩率平均为16.4％，收缩系数平均为0.36，具有弱至中等收缩性。1红粘土工程特性1红粘土工程特性1.5膨胀性与复浸水特性I类组数略大于Ⅱ 类组数。挖方路基设计应注意复浸水I类红粘土的开挖面土体干缩导致裂隙发展及复浸水使土质产生变化的不利影响，应引起高度重视。1红粘土工程特性湖南地处我国南方，气候潮湿多雨，由于特殊的气候及地质条件，广泛分布着红粘土，其普遍具有“高液限（50%~80%）、高塑性指数（IP>26%）、高天然含水率（30%~45%）”的特点；压缩性不高，属于中等或者中等偏低压缩性土；抗剪强度均较高，尤其是粘聚力值较粘性土大得多；属于具有弱膨胀潜势的膨胀土；具有弱至中等收缩性。高含水率、压实困难、干缩开裂和路用性能不稳定成为红粘土应用的主要障碍。废弃红粘土换填其它好的路基填料需要新征弃土场与取土场，在当前环保要求不断加强和用地日趋紧张的状况下，废弃换填的简单办法将越来越不可行，充分利用红粘土填筑路基是发展的方向与必然趋势。1红粘土工程特性红粘土掺加固化剂进行改良处理的办法在国内外均有应用。固化剂主要是石灰、水泥等粉体材料，是基于红粘土的天然含水量高，掺加粉体材料可以降低天然含水量和塑性指数，改善可压实性与强度，室内试验效果良好。但红粘土过湿结团，掺加固化剂虽在室内试验可行，但现场拌和非常困难。若是采用宝马拌和设备进行拌和，成本过高，难以推广应用。另外掺加固化剂也将大幅增加工程投资。对于液体类固化剂我国也进行了试用，但仅限于少量的试验路段，由于液体固化剂的喷洒需要掺水稀释，更进一步增加红粘土的含水量，碾压更加困难，因此其应用非常局限。1红粘土工程特性 工程表明，高液限土在一定条件下的强度、水稳性及压缩性均满足路基规范对填料的要求，只要控制合适的稠度，高液限土的强度CBR值完全能够超过8，大于我国北方的一些低液限土，因此通过一定的施工工艺控制完全可以直接应用于路基填筑，且路基质量良好。2高液限红粘土路基填筑分类表2高液限红粘土路基填筑分类表2.1分类依据对红粘土的路用性能有影响的因素很多，如：液塑性、粗颗粒含量、含水量（稠度）、土的结构性（原状土与重塑土的性能不同）、击实功、试验方法（湿法与干法不同）等。决定其基本性能的是前三项，即：液塑性、粗颗粒含量、含水量（稠度），因此工程分类表以这三项为基础进行分类。2高液限红粘土路基填筑分类表2.2液塑性指标划分界限的确定对于液限以70、塑性指数以40作为划分界限是对大量高液限土样本进行统计分析的结果，当液限超过70或塑指大于40后其物理力学有明显的改变，如图3-1、图3-2所示。2高液限红粘土路基填筑分类表2.3稠度指标划分界限稠度=(WL-W)/IP。含水率对于高液限土的路用性能有着巨大的影响，由于红粘土的液限差别较大，从50至90间均有分布（甚至有超过100的），因此在相同的含水率时，不同红粘土的物理力学特性差距很大。而处于相同稠度的不同红粘土，其所处的湿度状态基本相同，表现出的物理性质基本类似，因此可以准确反映高液限土的湿度状态。2高液限红粘土路基填筑分类表2.3稠度指标划分界限2高液限红粘土路基填筑分类表2.3稠度指标划分界限 2高液限红粘土路基填筑分类表2.3稠度指标划分界限2高液限红粘土路基填筑分类表2.3稠度指标划分界限提出在稠度[1.0,1.3]范围内直接碾压利用红粘土，是基于以下方面原因：（1）在此范围内的红粘土的强度CBR值最高，泡水前后CBR值差别较小，膨胀量较小，水稳性较好，路基填筑后能够确保路基的强度与长期稳定性。（2）在此稠度范围内采取合适压实功，红粘土的CBR强度一般均能满足规范要求，压缩性较小，路基工后压缩变形较小。若超出此范围则其CBR值未必能满足规范对填料的要求。（3）红粘土的天然稠度多在0.9～1.3之间，经过翻拌晾晒，稠度能够降至1.0以上，大部分红粘土可以利用，在施工上具有可操作性。2高液限红粘土路基填筑分类表2.4粗颗粒含量粗颗粒含量对强度CBR值也有较大的影响，但含量少于30%时效果不明显，故以此为界划分。2高液限红粘土路基填筑分类表2.5压实标准对路基而言，不管采用何种材料（如EPS、粉煤灰、气泡混合轻质土）填筑，只要路基具有足够的强度与稳定性，较小的工后沉降量就能为路面提供良好的基础，对红粘土路基也是如此。 在我国现行的路基路面设计体系中，路基的压实度只是控制路基填筑的手段，本身对路基路面的结构设计不具有任何物理意义，我国路面结构设计采用的土基计算参数是回弹模量和设计弯沉值，因此强度和变形控制才是路基质量控制的关键。2高液限红粘土路基填筑分类表2.5压实标准大量试验数据表明，只要高液限土的稠度在[1.0,1.3]范围内，压实度超过88%后其CBR值均大于3，一般高于5，甚至可超过10，足以满足路基规范要求。现场试验路铺筑表明，适当降低压实度实际施工中能够达到，具有较好的可操作性，实现了压实度降低但路基强度不降低的目标。2高液限红粘土路基填筑分类表2.6压实功与碾压遍数高液限土并不像一般土质那样压实功越大越好，而是对于某个稠度状态存在一个合理的压实功使其达到强度较大、水稳性较好。3红粘土路基填筑3红粘土路基填筑红粘土填料适用的压实功根据填料的稠度有所差别，稠度越大，可承受的压实功越大。红粘土路堤的碾压遍数一般不超过8~10遍，具体碾压遍数通过试验段确定，现场压实以不产生“软弹”现象为控制原则。质量检测以检查施工过程记录及压实度指标进行控制。压实度的抽检频率按《公路路基施工技术规范》的相关规定执行，即每1000m2检验2点，不足1000m2时检验2点。4零填、挖方路段红粘土路基高液限土不适用于零填、挖方路堑的路床（距路床顶面0~80cm范围）填筑，路床部位必须采用水稳性好的材料进行换填。 作为路基填料的土方，应分类开挖分类使用。开挖至零填、路堑路床部分后，应尽快进行路床施工；如不能及时进行，宜在路床设计标高以上预留30cm厚的保护层。4零填、挖方路段红粘土路基零填、挖方路段红粘土路基的换填厚度应综合考虑地基土的力学性能和自然降水对路基土的影响深度。具体换填深度根据地基原状土的CBR强度试验及天然稠度确定。4零填、挖方路段红粘土路基零填、挖方路段防排水措施：（1）采用综合排水体系，使危害路基性能及稳定的地面水、地下水能顺畅排走，防止积水浸泡路基、地下水侵入路基。（2）红粘土路堑边沟较一般路段应适当加深，边沟深度不小于80cm，边沟采用浆砌片石固化。为增加行车安全性，边沟顶部可用盖板覆盖。（3）路堑顶部设置截水沟，防止水流冲蚀坡面、渗入坡体。（4）台阶式高边坡，应在每一级平台内侧设截水沟，以截取上部坡面水。 '