湖南省红粘土工程特性及红粘土路基施工.ppt

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 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 大浏高速 （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。 1.1 成因与分布特征 1 红粘土工程特性 大浏高速 （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 大浏高速 其基本特征是： 由地表向下，上部呈坚硬至硬塑状，厚度一般为l020m ，最厚超过30m，占红土层的大部分。 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。 裂隙较发育，常发育网状裂隙，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 大浏高速 （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7076 ，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 大浏高速 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 大浏高速 1.3 物理性质 1 红粘土工程特性 大浏高速 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： 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 ； 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； 孔隙比为1左右，这是湖南红粘土的重 要特征； 饱和度较大，平均为89.3 ； 最大干密度则越接近于 灰岩时越小，干密度变化较大，0.881.80g/cm ； 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 大浏高速 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 大浏高速 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 大浏高速 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。 大浏高速 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（IP26%）、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。 大浏高速 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。 大浏高速 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。 大浏高速 2 高液限红粘土路基填筑分类表 大浏高速 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。 大浏高速 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。 大浏高速 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。 大浏高速 2 高液限红粘土路基填筑分类表 2.3 稠度指标划分界限 大浏高速 2 高液限红粘土路基填筑分类表 2.3 稠度指标划分界限 大浏高速 2 高液限红粘土路基填筑分类表 2.3 稠度指标划分界限 大浏高速 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0.91.3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。 大浏高速 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。 大浏高速 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。 大浏高速 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。 大浏高速 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。 大浏高速 3 红粘土路基填筑 大浏高速 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 810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。 大浏高速 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 080cm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。 大浏高速 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