湖南省紅粘土工程特性及紅粘土路基施工

1、湖南省紅粘土工程特性及紅粘土路基施工湖南省紅粘土工程特性及紅粘土路基施工長沙理工大學(xué)張軍輝 博士 副教zjhseu1633>主要內(nèi)容一、紅粘土工程特性二、高液限紅粘土處治與質(zhì)量要求三、高液限紅粘土填方路基處治方法四、高液限紅粘土挖方路塹處治方法（1）成因。紅粘土液限(wl)大于50，主要為殘積、坡積或坡殘積成因。形成的紅粘土經(jīng)再搬運(yùn)堆積，仍保留其基本特征且液限大于45的稱次生紅粘土，一般為沖積、沖洪積成因，其工程性質(zhì)保留了紅粘土的基本特征。11>.1 成因與分布特征1 紅粘土工程特性（2）分布特征 湖南紅粘土主要發(fā)育于地形舒緩、波狀起伏的剝蝕夷平臺地、巖溶

2、斷陷盆地及巖溶谷地兩側(cè)丘陵坡腳。發(fā)育于坡腳的紅粘土主要為殘積、坡殘積成因的原生紅粘土，而分布于盆地、谷地中心的紅粘土主要為沖積、沖洪積成因的次生紅粘土。1.1 成因與分布特征1 紅粘土工程特性 其基本特征是： 由地表向下，上部呈堅硬至硬塑狀，厚度一般為l020m，最厚超過30m，占紅土層的大部分。 可塑軟塑、流塑狀態(tài)只占小部分，主要發(fā)育于近下伏基巖面的溶蝕溝、槽底部，多呈透鏡體狀小范圍產(chǎn)出。 裂隙較發(fā)育，常發(fā)育網(wǎng)狀裂隙，一般可延伸到地下23 m，在雨水作用下，易形成滑坍。 盆地、谷地、洼地的次生紅粘土土層多為軟土區(qū)。1.1 成因與分布特征1 紅粘土工程特性（1）湖南紅粘土礦物組成以石英和高嶺石

3、為主，石英+高嶺石的含量大于80 ，大部分礦物為酸性環(huán)境中形成，母礦成分對其物理力學(xué)性質(zhì)影響較大；（2）紅粘土化學(xué)成分sio2+al2o3 值一般介于7076 ，石英的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抗水性和抗風(fēng)化能力，親水性弱；（3）典型的高嶺石可塑性，壓縮性低，親水性差，水穩(wěn)性較好。這種化學(xué)特性是造成紅粘土具有高液限、高塑指、難失水的重要原因。1.2 物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征1 紅粘土工程特性 湖南紅粘土裂隙屬于不發(fā)育或者不太發(fā)育狀況，按照公路路基設(shè)計規(guī)范劃分，其土體結(jié)構(gòu)絕大部分應(yīng)歸屬于致密塊狀，少數(shù)為巨塊狀。1.2 物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征1 紅粘土工程特性1.3 物理性質(zhì)1 紅粘土工程特性 根據(jù)室內(nèi)試驗，

4、紅粘土主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。從表2數(shù)據(jù)可知： 湖南紅粘土具有土質(zhì)均勻、細(xì)膩、粘性強(qiáng)的特征，其粘粒含量相當(dāng)高，平均達(dá)88.8 ； 天然含水率一般接近于塑限含水率，隨地表深度的增大而增大； 孔隙比為1左右，這是湖南紅粘土的重要特征； 飽和度較大，平均為89.3 ； 最大干密度則越接近于灰?guī)r時越小，干密度變化較大，0.881.80g/cm ； 液限、塑限、塑性指數(shù)均較高，具有高塑性、高含水性和低密度的特性，滲透系數(shù)較小，一般為典型的不透水層。 同種狀態(tài)的紅粘土的各項物理性質(zhì)指標(biāo)分布范圍較廣，離散性大，說明紅粘土的土質(zhì)均一性較差。與所位地理位置、埋深關(guān)系密切。1.3 物理性質(zhì)1 紅粘土工程特性1.4

5、 力學(xué)性質(zhì) 從上表可知，湖南紅粘土具有下列力學(xué)特性：壓縮性不高，其壓縮系數(shù)平均為0.32mpa-1，壓縮模量平均為7.5mpa，屬于中等或者中等偏低壓縮性土；抗剪強(qiáng)度均較高，尤其是粘聚力值較粘性土大得多。1 紅粘土工程特性1.5 膨脹性與復(fù)浸水特性 土自由膨脹率平均為42.5 ，屬于具有弱膨脹潛勢的土；湖南紅粘土線縮率平均為6.1 ，體縮率平均為16.4 ，收縮系數(shù)平均為0.36，具有弱至中等收縮性。 1 紅粘土工程特性1 紅粘土工程特性1.5 膨脹性與復(fù)浸水特性 i類組數(shù)略大于類組數(shù)。挖方路基設(shè)計應(yīng)注意復(fù)浸水i類紅粘土的開挖面土體干縮導(dǎo)致裂隙發(fā)展及復(fù)浸水使土質(zhì)產(chǎn)生變化的不利影響，應(yīng)引起高度重

6、視。1 紅粘土工程特性 湖南地處我國南方，氣候潮濕多雨，由于特殊的氣候及地質(zhì)條件，廣泛分布著紅粘土，其普遍具有“高液限（50%80%）、高塑性指數(shù)（ip>26%）、高天然含水率（30%45%）”的特點；壓縮性不高，屬于中等或者中等偏低壓縮性土；抗剪強(qiáng)度均較高，尤其是粘聚力值較粘性土大得多；屬于具有弱膨脹潛勢的膨脹土；具有弱至中等收縮性。高含水率、壓實困難、干縮開裂和路用性能不穩(wěn)定成為紅粘土應(yīng)用的主要障礙。廢棄紅粘土換填其它好的路基填料需要新征棄土場與取土場，在當(dāng)前環(huán)保要求不斷加強(qiáng)和用地日趨緊張的狀況下，廢棄換填的簡單辦法將越來越不可行，充分利用紅粘土填筑路基是發(fā)展的方向與必然趨勢

7、。 1 紅粘土工程特性 紅粘土摻加固化劑進(jìn)行改良處理的辦法在國內(nèi)外均有應(yīng)用。固化劑主要是石灰、水泥等粉體材料，是基于紅粘土的天然含水量高，摻加粉體材料可以降低天然含水量和塑性指數(shù)，改善可壓實性與強(qiáng)度，室內(nèi)試驗效果良好。但紅粘土過濕結(jié)團(tuán)，摻加固化劑雖在室內(nèi)試驗可行，但現(xiàn)場拌和非常困難。若是采用寶馬拌和設(shè)備進(jìn)行拌和，成本過高，難以推廣應(yīng)用。另外摻加固化劑也將大幅增加工程投資。 對于液體類固化劑我國也進(jìn)行了試用，但僅限于少量的試驗路段，由于液體固化劑的噴灑需要摻水稀釋，更進(jìn)一步增加紅粘土的含水量，碾壓更加困難，因此其應(yīng)用非常局限。1 紅粘土工程特性 工程表明，高液限土在一定條件下的強(qiáng)度、水穩(wěn)性及壓縮

8、性均滿足路基規(guī)范對填料的要求，只要控制合適的稠度，高液限土的強(qiáng)度cbr值完全能夠超過8，大于我國北方的一些低液限土，因此通過一定的施工工藝控制完全可以直接應(yīng)用于路基填筑，且路基質(zhì)量良好。 2 高液限紅粘土路基填筑分類表2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.1 分類依據(jù) 對紅粘土的路用性能有影響的因素很多，如：液塑性、粗顆粒含量、含水量（稠度）、土的結(jié)構(gòu)性（原狀土與重塑土的性能不同）、擊實功、試驗方法（濕法與干法不同）等。決定其基本性能的是前三項，即：液塑性、粗顆粒含量、含水量（稠度），因此工程分類表以這三項為基礎(chǔ)進(jìn)行分類。 2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.2 液塑性指標(biāo)劃分界限的確定 對于液限以

9、70、塑性指數(shù)以40作為劃分界限是對大量高液限土樣本進(jìn)行統(tǒng)計分析的結(jié)果，當(dāng)液限超過70或塑指大于40后其物理力學(xué)有明顯的改變，如圖3-1、圖3-2所示。 2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.3 稠度指標(biāo)劃分界限 稠度=(wl-w)/ip。 含水率對于高液限土的路用性能有著巨大的影響，由于紅粘土的液限差別較大，從50至90間均有分布（甚至有超過100的），因此在相同的含水率時，不同紅粘土的物理力學(xué)特性差距很大。而處于相同稠度的不同紅粘土，其所處的濕度狀態(tài)基本相同，表現(xiàn)出的物理性質(zhì)基本類似，因此可以準(zhǔn)確反映高液限土的濕度狀態(tài)。2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.3 稠度指標(biāo)劃分界限 2 高液限紅粘土路

10、基填筑分類表2.3 稠度指標(biāo)劃分界限 2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.3 稠度指標(biāo)劃分界限 2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.3 稠度指標(biāo)劃分界限 提出在稠度1.0,1.3范圍內(nèi)直接碾壓利用紅粘土，是基于以下方面原因： （1）在此范圍內(nèi)的紅粘土的強(qiáng)度cbr值最高，泡水前后cbr值差別較小，膨脹量較小，水穩(wěn)性較好，路基填筑后能夠確保路基的強(qiáng)度與長期穩(wěn)定性。 （2）在此稠度范圍內(nèi)采取合適壓實功，紅粘土的cbr強(qiáng)度一般均能滿足規(guī)范要求，壓縮性較小，路基工后壓縮變形較小。若超出此范圍則其cbr值未必能滿足規(guī)范對填料的要求。 （3）紅粘土的天然稠度多在0.91.3之間，經(jīng)過翻拌晾曬，稠度能夠降至1.0

11、以上，大部分紅粘土可以利用，在施工上具有可操作性。2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.4 粗顆粒含量 粗顆粒含量對強(qiáng)度cbr值也有較大的影響，但含量少于30%時效果不明顯，故以此為界劃分。2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.5 壓實標(biāo)準(zhǔn) 對路基而言，不管采用何種材料（如eps、粉煤灰、氣泡混合輕質(zhì)土）填筑，只要路基具有足夠的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，較小的工后沉降量就能為路面提供良好的基礎(chǔ)，對紅粘土路基也是如此。 在我國現(xiàn)行的路基路面設(shè)計體系中，路基的壓實度只是控制路基填筑的手段，本身對路基路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計不具有任何物理意義，我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用的土基計算參數(shù)是回彈模量和設(shè)計彎沉值，因此強(qiáng)度和變形控制才是路基質(zhì)

12、量控制的關(guān)鍵。2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.5 壓實標(biāo)準(zhǔn) 大量試驗數(shù)據(jù)表明，只要高液限土的稠度在1.0,1.3范圍內(nèi)，壓實度超過88%后其cbr值均大于3，一般高于5，甚至可超過10，足以滿足路基規(guī)范要求。 現(xiàn)場試驗路鋪筑表明，適當(dāng)降低壓實度實際施工中能夠達(dá)到，具有較好的可操作性，實現(xiàn)了壓實度降低但路基強(qiáng)度不降低的目標(biāo)。2 高液限紅粘土路基填筑分類表2.6 壓實功與碾壓遍數(shù)高液限土并不像一般土質(zhì)那樣壓實功越大越好，而是對于某個稠度狀態(tài)存在一個合理的壓實功使其達(dá)到強(qiáng)度較大、水穩(wěn)性較好。 3 紅粘土路基填筑3 紅粘土路基填筑紅粘土填料適用的壓實功根據(jù)填料的稠度有所差別，稠度越大，可承受的壓實功

13、越大。紅粘土路堤的碾壓遍數(shù)一般不超過810遍，具體碾壓遍數(shù)通過試驗段確定，現(xiàn)場壓實以不產(chǎn)生“軟彈”現(xiàn)象為控制原則。質(zhì)量檢測以檢查施工過程記錄及壓實度指標(biāo)進(jìn)行控制。壓實度的抽檢頻率按公路路基施工技術(shù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，即每1000m2檢驗2點，不足1000m2時檢驗2點。4 零填、挖方路段紅粘土路基高液限土不適用于零填、挖方路塹的路床（距路床頂面080cm范圍）填筑，路床部位必須采用水穩(wěn)性好的材料進(jìn)行換填。作為路基填料的土方，應(yīng)分類開挖分類使用。開挖至零填、路塹路床部分后，應(yīng)盡快進(jìn)行路床施工；如不能及時進(jìn)行，宜在路床設(shè)計標(biāo)高以上預(yù)留30cm厚的保護(hù)層。4 零填、挖方路段紅粘土路基零填、挖方路段紅粘土路基的換填厚度應(yīng)綜合考慮地基土的力學(xué)性能和自然降水對路基土的影響深度。具體換填深度根據(jù)地基原狀土的cbr強(qiáng)度試驗及天然稠