皮 亮，吳玉財(cái)，羅軍淇

(廣東紫惠高速公路有限公司，廣州 510100)

0 概述

廣東省紫惠高速公路起點(diǎn)位于河源市紫金縣瓦溪鎮(zhèn)，對(duì)接河惠莞高速公路龍川至紫金段，終點(diǎn)位于惠州市惠陽區(qū)平潭鎮(zhèn)，與廣惠高速公路相接。項(xiàng)目區(qū)基巖主要為下侏羅系藍(lán)塘群粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、頁巖、泥巖、炭質(zhì)巖及其互層。藍(lán)塘群巖石多屬極軟巖，遇水極易崩解、軟化，局部軟巖有一定的膨脹性。由于該類軟巖在項(xiàng)目區(qū)廣泛存在，若采取大范圍棄土后借方，或采取摻雜水泥或石灰改良措施勢(shì)必增加較大工程費(fèi)用，且大量棄方也將占用大批山林田地，對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成破壞。為控制工程造價(jià)，同時(shí)踐行“綠色公路”設(shè)計(jì)理念，土石方采取就地利用的方式，以路塹開挖土石方作為主要的路堤填料。因此，如何合理利用軟巖進(jìn)行路堤填筑成為項(xiàng)目建設(shè)過程中亟需解決的問題。

軟巖在我國(guó)分布十分廣泛，但《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG /T3610-2019)中，軟巖填料的使用受到嚴(yán)格限制。隨著我國(guó)高速鐵路和公路不斷快速發(fā)展，如何合理地利用軟巖進(jìn)行路基填筑成為工程技術(shù)人員普遍關(guān)注的問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者并就如何利用軟巖填料填筑路堤進(jìn)行了一系列研究。馮宗禹[1]等對(duì)軟巖作填料標(biāo)準(zhǔn)及改善處理問題進(jìn)行了研究。方燾[2]等對(duì)軟巖路基的壓實(shí)特性進(jìn)行研究分析，得出了軟巖路基的最佳含水量、最大干密度以及孔隙率與粗顆粒含量之間的關(guān)系。韋生根[3]依托貴州仁赤高速公路，對(duì)紅層軟巖的壓實(shí)措施進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和分析，并提出合適的紅層軟巖填方壓實(shí)措施。曾憲端[4]進(jìn)行了室內(nèi)、室外紅層泥巖的碾壓特性試驗(yàn)。劉新喜[5]等通過對(duì)強(qiáng)風(fēng)化軟巖壓實(shí)特性試驗(yàn)研究表明，強(qiáng)風(fēng)化軟巖填料的承載比(CBR值)隨壓實(shí)度的增大而增大，該填料具有良好的壓實(shí)性能。向貴府[6]等針對(duì)昔格達(dá)地區(qū)的泥巖和砂質(zhì)泥巖填料進(jìn)行了飽水前后的承載比(CBR)試驗(yàn)及其相關(guān)性研究，認(rèn)為主要影響因素為含泥量和含水率。周楊[7]對(duì)泥質(zhì)軟巖填筑路基施工技術(shù)進(jìn)行了探討。鄭明新[8]等針對(duì)武廣客運(yùn)鐵路專線沿線的軟質(zhì)千枚狀板巖和泥質(zhì)粉頁巖，結(jié)合風(fēng)化軟巖巖塊力學(xué)強(qiáng)度和擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，初步判定了風(fēng)化軟巖填筑路基的可行性，同時(shí)提出了軟巖填筑路基可行性的初步判定方法。王人杰[9]對(duì)石灰變質(zhì)軟巖填筑高速公路路基的壓實(shí)技術(shù)進(jìn)行了探討，研究揭示軟質(zhì)巖石的壓實(shí)機(jī)理，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出了石灰變質(zhì)軟巖高速公路路基施工的資料控制指標(biāo)。鄭明新[10]等針對(duì)考慮泥質(zhì)粉砂巖特性,設(shè)想當(dāng)路堤較低時(shí)采用“砂礫墊層+邊溝”;當(dāng)路堤較高時(shí),采用包邊法進(jìn)行路基設(shè)計(jì),為軟巖填筑路基提供參考設(shè)計(jì)方案。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的工程實(shí)踐和研究成果表明，經(jīng)過合理的壓實(shí)工藝控制和技術(shù)處治方案，在局部范圍軟巖仍舊能較好地作為路堤填料進(jìn)行填筑使用。雖然當(dāng)前軟巖作為路基填料，在工程中已有一些應(yīng)用，但是像廣東紫惠高速公路利用軟巖大規(guī)模填筑路堤并不多見，這主要是因?yàn)檐泿r種類較多，在物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理力學(xué)性質(zhì)方面，不同種類的軟巖既有共性，又有各自的特性。不同種類的軟巖，其路用性差別較大，應(yīng)分類區(qū)別對(duì)待。

本文依托廣東紫惠高速公路項(xiàng)目，并與中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所共同通過軟巖分布調(diào)查，取樣室內(nèi)試驗(yàn)，以及現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓試驗(yàn)，探討了藍(lán)塘系強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖填筑路堤的壓實(shí)關(guān)鍵技術(shù)，研究成果可為類似工程項(xiàng)目提供工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖填料的工程特性

軟巖與一般硬質(zhì)填料不同，在碾壓過程中顆粒破碎非常明顯，與細(xì)粒土壓實(shí)特性差別較大，因此為充分分析紫惠高速公路侏羅系藍(lán)塘群粉砂巖填料的工程特性，本文進(jìn)行了典型軟巖分布調(diào)查，查明軟巖分布區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境條件，并現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖的物質(zhì)組成、易溶鹽和碳酸鈣含量、膨脹性、吸水性、液塑限，以及擊實(shí)試驗(yàn)和CBR測(cè)試試驗(yàn)等。試件取樣點(diǎn)位于廣東紫惠高速公路K38+300處路基中部，取樣和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖現(xiàn)狀如圖1所示，具體室內(nèi)試驗(yàn)主要在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所國(guó)家?guī)r土力學(xué)與工程重點(diǎn)試驗(yàn)室和紫惠高速公路JS1試驗(yàn)檢測(cè)中心完成。

圖1 強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖取樣

1.1 礦物成分組成

粉砂巖礦物組成通過X射線衍射儀進(jìn)行分析，試驗(yàn)結(jié)果表明紫惠高速公路侏羅系下藍(lán)塘群粉砂巖礦物成分主要由石英、白云母和高嶺石組成，具體含量見表1。

表1 粉砂巖礦物組成成分

1.2 易溶鹽總量和碳酸鈣含量

按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)測(cè)試方法，試驗(yàn)測(cè)得粉砂巖的易溶鹽總量和碳酸鈣含量見表2。

表2 易溶鹽總量和碳酸鈣含量試驗(yàn)結(jié)果

1.3 自由膨脹率

按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)測(cè)試方法，試驗(yàn)測(cè)得粉砂巖的自由膨脹率為2%。

1.4 吸水率和飽和吸水率

按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)測(cè)試方法，粉砂巖吸水率和飽和吸水率試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 粉砂巖吸水率和飽和吸水率試驗(yàn)結(jié)果

1.5 液限和塑限

采集典型的粉砂巖填料樣品，將其磨碎成細(xì)粒土，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)的要求分別進(jìn)行液限、塑限試驗(yàn)。試驗(yàn)前將巖樣用木碾或粉碎機(jī)碾碎，過0.5mm篩，加水拌勻裝入容器，并置入保濕箱，濕潤(rùn)時(shí)間不少于24h。粉砂巖填料的液限、塑限和塑性指數(shù)見表4。

表4 粉砂巖液限和塑限試驗(yàn)結(jié)果

1.6 擊實(shí)試驗(yàn)

按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)的試驗(yàn)方法，對(duì)粉砂巖填料進(jìn)行重型II -2擊實(shí)試驗(yàn)。試筒直徑15.2cm，高17cm。試驗(yàn)時(shí)將試樣分3層進(jìn)行擊實(shí)，每層擊98次，允許最大粒徑40mm。試驗(yàn)場(chǎng)地粉砂巖填料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 粉砂巖填料擊實(shí)曲線

由圖1可知，試驗(yàn)場(chǎng)地粉砂巖填料的最佳含水率為10.6%，最大干密度為1.98 g/cm3。

1.7 承載比(CBR)測(cè)試

承載比(CBR)已作為一項(xiàng)重要指標(biāo)在公路路基填料的選擇中得到廣泛應(yīng)用。試驗(yàn)場(chǎng)地粉砂巖填料的承載比(CBR)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 粉砂巖填料CBR試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，試驗(yàn)場(chǎng)地粉砂巖填料在壓實(shí)度為93%時(shí)，CBR值可達(dá)到4.1%；壓實(shí)度為94%時(shí)，CBR值可達(dá)到4.6%；壓實(shí)度為96%時(shí)，CBR值可達(dá)到5.6%。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)場(chǎng)地粉砂巖填料的CBR值滿足規(guī)范對(duì)路堤和下路床填料的CBR技術(shù)要求。

2 強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖壓實(shí)關(guān)鍵參數(shù)

2.1 試驗(yàn)段施工

通過廣東紫惠高速公路沿線侏羅系藍(lán)塘群粉砂巖室內(nèi)各指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果可知，該區(qū)域粉砂巖填料CBR值相對(duì)較低，但基本滿足路堤和下路床填筑的技術(shù)要求，而對(duì)于上路床為加強(qiáng)路基整體強(qiáng)度和剛度，項(xiàng)目在路床頂面30cm～80cm采用未篩分碎石處理。本文為研究特定性質(zhì)下的侏羅系藍(lán)塘群粉砂巖用于路堤和下路床填筑壓實(shí)工藝，選取在K36+842.5～K36+902.5(60m)作為試驗(yàn)路段，從該路段93區(qū)頂面開始繼續(xù)填筑并進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)施工情況如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)段施工

廣東紫惠高速公路主線路堤94區(qū)厚度為70cm，96區(qū)厚度為120cm，94區(qū)按3層填筑，96區(qū)按5層填筑。軟巖的壓實(shí)關(guān)鍵參數(shù)主要表現(xiàn)在機(jī)械設(shè)備的選型、組合和碾壓方式，松鋪系數(shù)以及壓實(shí)遍數(shù)的確定。為分析藍(lán)塘系粉砂巖在填筑過程中壓實(shí)度與壓實(shí)遍數(shù)的相關(guān)性，試驗(yàn)過程中，在94區(qū)第一層填料分別碾壓2遍、4遍、5遍、6遍、7遍后用灌砂法測(cè)試該層的壓實(shí)度；在94區(qū)第2和第3層填料碾壓7遍后采用灌砂法測(cè)試該層的壓實(shí)度；在96區(qū)第1層填料分別碾壓6遍、7遍、8遍、9遍后用灌砂法測(cè)定該層的壓實(shí)度；在96區(qū)其它各層填料分別碾壓9遍后采用灌砂法測(cè)試該層的壓實(shí)度。在壓實(shí)工藝方面，94區(qū)采用26t振動(dòng)壓路機(jī)首先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強(qiáng)振4遍，最后靜壓1遍；96區(qū)采用26t振動(dòng)壓路機(jī)首先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強(qiáng)振6遍，最后靜壓1遍。

2.2 填筑松鋪系數(shù)的確定

對(duì)于94區(qū)填料填筑松鋪厚度和松鋪系數(shù)的檢測(cè)，本次試驗(yàn)利用94區(qū)第1層填料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，試驗(yàn)隨機(jī)在填筑段內(nèi)選取4組測(cè)區(qū)，每組測(cè)區(qū)設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)分別位于左距路線中樁16.75m，中線位置和右距中樁16.75m處。檢測(cè)結(jié)果見表6。

表6 填料松鋪厚度和松鋪系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

(續(xù)表6)

從表6可知，94區(qū)強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖填料平均松鋪厚度為29cm，平均松鋪系數(shù)為1.16。同樣對(duì)于96區(qū)填料填筑松鋪厚度和松鋪系數(shù)的測(cè)試，本次試驗(yàn)利用96區(qū)第1層填料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，試驗(yàn)確定得到96區(qū)強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖填料平均松鋪厚度為29.7cm，平均松鋪系數(shù)為1.18。

3 強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖壓實(shí)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

軟巖的壓實(shí)關(guān)鍵體現(xiàn)在碾壓設(shè)備碾壓的遍數(shù)和與之對(duì)應(yīng)的路堤壓實(shí)度，試驗(yàn)主要采用的壓實(shí)設(shè)備為26t振動(dòng)壓路機(jī)。此次試驗(yàn)場(chǎng)地粉砂巖路堤壓實(shí)度，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40-2007)中的灌砂法進(jìn)行。94區(qū)和96區(qū)在距離路基左、右邊線1.5m處各設(shè)1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，路基中部設(shè)置2個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

3.1 粉砂巖94區(qū)

表7所示為94區(qū)第1層填料在碾壓3遍、4遍、5遍、6遍后各測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中路堤壓實(shí)度的檢測(cè)結(jié)果；表8為94區(qū)各層在第3遍、4遍、5遍、6遍、7遍碾壓完成后路堤平均壓實(shí)度的檢測(cè)結(jié)果；圖4所示為94區(qū)路堤平均壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線。

表7 94區(qū)第1層粉砂巖填料路堤壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果 (單位：%)

表8 94區(qū)粉砂巖路堤平均壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果

圖4 94區(qū)路堤平均壓實(shí)度-碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線

從表7和表8可見，當(dāng)利用藍(lán)塘系粉砂巖填料進(jìn)行94區(qū)路堤填筑，使用26t振動(dòng)壓路機(jī)組合時(shí)，填料松鋪厚度為29cm。開始碾壓前先采用推土機(jī)履帶對(duì)軟巖填料進(jìn)行反復(fù)碾壓，使路堤填料最大粒徑小于150mm;再采用26t振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，施工時(shí)先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強(qiáng)振4遍，最后靜壓1遍。路堤壓實(shí)度滿足規(guī)范對(duì)上路堤壓實(shí)度不小于94%的要求。

3.2 粉砂巖96區(qū)

表9為96區(qū)第1層填料在碾壓6遍、7遍、8遍、9遍后各測(cè)點(diǎn)路堤壓實(shí)度的檢測(cè)結(jié)果;表10為96區(qū)各層在第6遍、7遍、8遍、9遍碾壓完成后路堤平均壓實(shí)度的檢測(cè)結(jié)果;圖4所示為94區(qū)路堤平均壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線。

表9 96區(qū)第1層粉砂巖填料路堤壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果 (單位：%)

表10 96區(qū)粉砂巖路堤平均壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

從表9、表10可見，利用藍(lán)塘系粉砂巖填料進(jìn)行96區(qū)路堤填筑，使用26t振動(dòng)壓路機(jī)組合時(shí)，填料松鋪厚度為29.7cm。開始碾壓前先采用推土機(jī)履帶對(duì)軟巖填料進(jìn)行反復(fù)碾壓，使路堤填料最大粒徑小于100mm;再采用26t振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，施工時(shí)先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強(qiáng)振6遍，最后靜壓1遍。路堤壓實(shí)度滿足規(guī)范對(duì)下路床壓實(shí)度不小于96%的要求。

此外結(jié)合圖4和圖5可知，試驗(yàn)場(chǎng)地強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖路堤填料不論是進(jìn)行94區(qū)還是96區(qū)填筑時(shí)，試驗(yàn)場(chǎng)地粉砂巖路堤填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實(shí)度的回歸關(guān)系可采用多項(xiàng)式函數(shù)y=A·x2+Bx+C表示，且填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實(shí)度相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.986 1，兩者相關(guān)性良好。因此對(duì)于不同特性的軟巖填料，以及不同壓實(shí)機(jī)械設(shè)備，其平均碾壓遍數(shù)和平均壓實(shí)度的相關(guān)性、回歸關(guān)系可通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，并預(yù)測(cè)達(dá)到相應(yīng)壓實(shí)度所需要的碾壓遍數(shù)。

圖5 96區(qū)路堤平均壓實(shí)度-碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線

4 結(jié)論

(1)利用藍(lán)塘系粉砂巖填料進(jìn)行94區(qū)路堤填筑，使用26t振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)機(jī)械時(shí)，碾壓工藝為施工時(shí)先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強(qiáng)振4遍，最后靜壓1遍。路堤壓實(shí)度滿足規(guī)范對(duì)上路堤壓實(shí)度不小于94%的要求。

(2)利用藍(lán)塘系粉砂巖填料進(jìn)行96區(qū)路堤填筑，使用26t振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)機(jī)械時(shí)，碾壓工藝為施工時(shí)先靜壓1遍，然后弱振1遍，接著強(qiáng)振6遍，最后靜壓1遍。路堤壓實(shí)度滿足規(guī)范對(duì)下路床壓實(shí)度不小于96%的要求。

(3)試驗(yàn)場(chǎng)地藍(lán)塘系強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖路堤填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實(shí)度的回歸關(guān)系，可采用多項(xiàng)式函數(shù)y=A·x2+Bx+C表示，且填料的碾壓遍數(shù)和平均壓實(shí)度相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.986 1，兩者相關(guān)性良好。