韶赣高速公路红砂岩路基设计与施工技术

2022-09-10

韶赣高速公路粤境段全长125.3km, 其中K64+200~K116+300约52km路段地处红砂岩地区, 该段在施工中共需开挖约800万m3红砂岩。红砂岩具有受水浸湿或在大气环境下受干湿循环的作用, 岩石发生软化崩解或碎裂崩解, 强度降低, 工程性质变差, 导致产生病害的特性。在韶赣高速公路建设中, 若将近千万方的红砂岩弃置不用, 而远运其他材料填筑路基, 则弃土和借土场地难寻, 并会造成环境污染, 带来后患, 工期难于保证, 还要增加约2亿元的建设费用。基于上述情况, 经过对红砂岩的崩解特性及颗粒级配、物理性质、工程力学性质、模拟路基和实体试验的研究论证, 红砂岩的路用性能可通过相应的工程技术措施而得到改善, 变害为利。

1 红砂岩的化学组成与物理性能

通过对红砂岩样品进行化学成分和物理性能的分析实验, 观察到红砂岩主要化学成分有蒙脱石、伊利石、石英、方解石、长石和赤铁矿等。各种成分的含量以及各代表样品矿物成分定性鉴定结果见表1。

2 沿线红砂岩的分类情况

红砂岩的密度、含水量、岩石单轴抗压强度等物理性能指标为:

最大干容重:2.00g/cm3~2.20g/cm3;

最佳含水量:8%~12%;

单轴极限抗压强度:泥质:2 M P a~5MPa;钙质:110MPa~170MPa;

CBR值:0~7 (适宜作95区以下填料) ;

松铺系数:1.1~1.33。

2.1 红砂岩的崩解性指标

红砂岩判别的主要指标是红砂岩的浸水崩解性, 判别方法如下: (1) 红砂岩在105℃温度下烘干后, 冷却至室温并浸入清水中, 若红砂岩在24h内崩解成泥状、渣状、渣泥状或渣粒者, 该红砂岩为Ⅰ类红砂岩。 (2) 红砂岩在105℃温度下烘干后, 冷却至室温并浸入清水中, 若红砂岩在24h内崩解成大块状、块状、块粒或粒状者, 该红砂岩为Ⅱ类红砂岩。 (3) 红砂岩在105℃温度下烘干后, 冷却至室温并浸入清水中, 若红砂岩在24h内不崩解, 或仅在某些尖棱尖角处有少量崩解, 且崩解量不大于总量的1%, 该红砂岩为Ⅲ类红砂岩。这类红砂岩的性质与普通岩石无区别, 用来填筑路基时可按一般填石路堤对待。

2.2 红砂岩的强度指标

单轴饱水抗压强度Ra=2MPa~5MPa视为Ⅰ类红砂岩, Ra=10MPa~15MPa视为Ⅱ类红砂岩。一类岩的强度通常小于Ⅱ类岩的强度。但也有例外, 如果强度指标与崩解性指标不相符时, 以崩解性指标为准。红砂岩的强度指标主要与施工难易有关。

2.3 红砂岩的膨胀性指标

由红砂岩试验和矿物成分分析表明, 韶赣高速公路沿线红砂岩有的略有膨胀性, 少量的具有膨胀性, 属于膨胀岩, 个别部分地段路基边坡开挖后雨季出现鼓肚最后导致垮塌。用来判别红砂岩膨胀性的室内试验指标有浸水崩解性、自由膨胀率、少量的具有膨胀性, 属于膨胀岩。

由于进行红砂岩的矿物成分分析十分复杂, 实际工程中根本无法做到, 而红砂岩的崩解试验却不复杂, 又能综合地反映红砂岩的浸水崩解性能, 膨胀性能、强度 (强度高的一般崩解性差) 和施工碾压难易程度 (易崩解的一般容易碾压) 以及路堤的水稳定性 (易崩解的水稳定性差) , 所以, 在红砂岩各种试验判别指标中都以红砂岩的崩解性指标作为评定红砂岩特性和分类的重要指标。

3 韶赣高速公路对红砂岩的利用与处治方法

3.1 设计方案

一般原则:弃方路段:Ⅰ、Ⅱ类红砂岩作弃方处理;欠方路段:处治后Ⅰ、Ⅱ类红砂岩可作为高度大于3m且小于12m的路堤距路床顶面1.5m以下93区的路基填筑材料。软土地基、陡坡路基、常水位以上50cm以下的部位不予利用。

3.1.1 填方路段

(1) Ⅰ、Ⅱ类红砂岩作为路基填料时, 路面结构下设150cm封层土, 两侧边坡各设2.0m宽包边土, 路基底部设40cm砂砾排水垫层, 其上设100cm下封层土, 中间为红砂岩。其中, Ⅰ、Ⅱ类红砂岩应进行预崩解、耙压。为了防止路面水渗入到高液限土中, 在1.5m上封层土底部设置一层不透水复合土工膜。 (2) Ⅲ类红砂岩按填石路基设计, 可直接作为路基填料。

3.1.2 挖方路段

(1) 挖方路段为Ⅰ、Ⅱ类红砂岩时, 路面结构下设20cm砂砾垫层, 并向下超挖80cm换填粗粒土或其它合格土。粗粒土填料强度指标与压实度应满足规范要求。 (2) Ⅰ、Ⅱ类红砂岩路堑边坡开挖时, 应坚持逐级开挖逐级及时防护原则, 避免雨水对边坡土质的软化影响。

3.2 施工方法

作为公路工程路基用料, 略有膨胀性红砂岩的确不能算合格填料, 但工程实情需要特殊处理。针对红砂岩有遇水软化性、崩解性强、有弱膨胀性, 空气中风化快、干湿循环下强风化显著等特点, 韶赣高速公路处理红砂岩填料主要从填筑材料、密实和密水等方面进行控制:

3.2.1 粒径控制

粒径控制主要措施: (1) 采用合理爆破方案, 在石方爆破开挖时, 尽量解小粒径, 同时尽量减小对边坡的扰动, 既保证边坡稳定又能做到经济合理; (2) 在路基填筑前, 尽量利用岩石易崩解特性, 使岩石充分崩解, 自然解小粒径; (3) 在路基摊铺后, 采用“耙压”方法, 利用机械解小粒径。

(1) 爆破施工。根据实际水文、地质、安全条件和爆破粒径要求, 在路堑中心采用以深孔爆破为主、小型松动为辅的爆破方案。对边坡采用光面 (预裂) 爆破, 减小对边破的扰动。这样爆破出的红砂岩中约60%可直接填筑路基, 约10%需二次爆破, 其他需经崩解后使用, 也可以全部进行二次爆破。

(2) 自然崩解。将爆破后粒径超过100cm以上的红砂岩运至预崩解场地, 摊铺厚度不宜超过最大岩块直径, 宜使岩石直接暴露在空气中, 增加暴露面积;根据天气情况适当浇水, 加速岩石的崩解, 待岩石表面出现裂纹后即可填筑路基。此过程实质上是通过崩解降低岩石活性及强度的过程, 避免此过程发生在路堤中, 形成路堤病害。

(3) 耙压施工。将红砂岩填料运至现场, 先用推土机摊铺, 然后利用推土机履带压碎岩块, 碾压数遍后再用松土器钩松填筑层, 将残存的岩块勾起再碾压, 直至填料粒径符合要求。此过程称为“耙压”, 目的是通过外力粉碎粒径超标的材料, 降低岩石活性。通过施工观察, 对Ⅰ类红砂岩, 利用D85型推土机碾压5~7遍, 可将岩块彻底粉碎;对Ⅱ类红砂岩, 用D85碾压10遍, 可以基本彻底碾碎。在实际施工中, 由于设备限制, 为加快施工速度, 充分利用现有设备, 利用TY220型推土机和YZB18K型羊足碾配套使用, 碾压4~6遍即可将岩块基本粉碎。对坚硬不能破碎的岩块, 用人工粉碎、解炮或清理出场的办法处理。

3.2.2 密实度和密水控制措施

摊铺、“耙压”后的填筑层应尽快碾压。为保证密实度, 根据碾压设备控制松铺厚度。采用激振力为25t的振动式YZ18压路机, 松铺厚度不大于30cm;采用激振力为48t的压路机, 松铺厚度不超过40cm。Ⅰ类红砂岩最佳含水量一般约12%, Ⅱ类红砂岩最佳含水量一般6%。碾压前用酒精燃烧重量法测填料的含水量, 并通过翻晒或洒水调整含水量, 使压实前材料的含水量控制在最佳含水量±1%以内。为保证路基边缘的压实度和后期绿化需要, 路基边缘用低液限粘土包边, 加宽0.5cm。填筑施工停滞时间过长时, 路基顶面做不小于2%的横坡, 并整平路面, 再用CBR值符合要求的低液限粘土填筑一层, 以利于排水并防止水分下渗, 起到密水作用。在距路床顶面80cm内, 不得用红砂岩填筑, 必须使用强度较高的低液限粘土或砂砾土填筑。隔离外界雨水渗入, 防止红砂岩路堤中粒径较大的红砂岩崩解, 致使路堤沉降。另外, 浸水路堤或地下水位以下禁止用红砂岩填筑。

3.3 路基分层补强保证工程质量措施

鉴于以前道路的经验教训, 韶赣高速公路为提高路基工程质量, 增加了对路基工程的补强措施。凡路基填方高度超过8m的路基, 从填土高2m开始, 每填高5m进行1次补强碾压, 每次补强8遍。在93区顶面、95区顶面全部采用强夯等方式对路基的上路床部分进行补强, 加强板结区域, 增强路面的传力均匀性, 保证路面的运营安全。