高速公路隧道洞渣路基填料物理改良试验.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-04-22作者简介：底江天（1993），男，四川泸州人，工程师，从事工程设计及现场管理工作。高速公路隧道洞渣路基填料物理改良试验底江天1，田苗苗2，邹东博2，董小3，涂洋3，余昆2，王景芝4（1.成都交通投资集团有限公司，四川 成都 610041；2.交通运输部科学研究院，北京 100029；3.成都市路桥经营管理有限责任公司，四川 成都 610052；4.中国华西工程设计建设有限公司，四川 成都 610031）摘要：为提高苍溪至巴中高速公路沿线隧道洞渣中泥质软岩的资源化利用量，将洞渣中的泥岩与现场岩性较好的中风化砂岩按不同比例进行掺配，通过室内试验分析隧道洞渣作为公路路基填料的优质配比。结果表明，纯泥岩填料的加州承载比较难以满足路基工程应用要求，向泥岩中掺加砂岩可提升填料的力学性能；当砂岩掺量为20%时，改良填料的无侧限抗压强度可达0.82 MPa，提升了22.4%；加州承载比最高可达14.7%，约提升了80%，据此可用于指导现场施工。关键词：隧道洞渣；泥岩；砂岩；公路路基；改良填料中图分类号：U416.01文献标识码：B0 引言苍溪至巴中高速公路是连接成都经济区与川东北经济区的大动脉，建设过程中穿越隧道，总长近2万km，洞渣挖方多达288万m。在项目建设过程中，因地制宜地利用隧道洞渣是践行绿色环保、资源节约型公路建设理念的必然要求1。经现场开挖发现，沿线隧道洞渣中泥质软岩占比极高。泥岩强度低，遇水极易崩解进而引发路基病害1，是工程应用的难点。在关于隧道洞渣路基填料的既有研究中，陈涛2通过泥岩的基本物理性质和水稳定性试验，分析其在干湿循环过程中的变形和强度变化规律，认为泥岩不宜直接填筑路基；刘先锋3采用直剪试验对不同干密度、不同含水率泥岩路基填料的强度特性进行试验研究，明确了干密度和含水率对压实红层泥岩强度特性及剪胀特性的影响；高曙光4分别选用石灰、粉煤灰、水泥作为改良剂对某高速公路泥岩填料进行改良，分析评价了不同改良剂的改良效果，并确定了其最优掺量配比。总体上，现阶段关于泥岩材料特性方面的研究成果较为丰富，但主要针对路堤填筑，应用场景较为单一。在路基填料改良方面，主要以掺加固化剂改良为主，改良成本较高，难以大规模推广应用。本研究通过开展泥岩物理掺配改良试验，将泥岩与开挖料中岩性较好的砂岩按比例均匀掺配，探究泥岩在不同配比下的性能，获得符合规范要求的优质填料，旨在解决现场优质填料匮乏的问题，拓宽泥岩的路用范围、减少泥岩弃方，提高经济、环境效益。1 试验设计试验采用的泥岩与砂岩均取自苍溪至巴中高速公路 新 石 村 隧 道 开 挖 料，属 于 白 垩 系 下 统 白 龙 组（K1b）。其中，中风化泥岩呈紫红棕红色，以黏土矿物组成为主，泥质结构，岩体完整程度分类为较完整；中风化砂岩呈灰白色，矿物成分以长石、石英为主，泥钙质胶结，岩体完整程度分类为较完整完整。根据室内试验测得材料的物理力学性能指标如表1所示。表1 试验材料物理力学性能指标岩石名称泥岩砂岩天然密度/（g/cm3）2.622.64含水率（%）3.232.91天然抗压强度/MPa8.27饱和抗压强度/MPa30.95膨胀力/kPa6.4917.45自由膨胀率（%）15.5012.402 试验方案试验前，将现场取样的泥岩、砂岩机械破碎至规定粒径以下，将泥岩砂岩按 6 4,7 3,8 2,9 1,10 0（纯泥岩）的质量配比准备5组试验填料。参照公路土工试验规程（JTG 34302020）5，针对5组填料开展以下试验进行配合比设计，分析不同配比下填料的力学性能变化规律。2.1 击实试验方案泥岩填料的最佳含水率与最大干密度是控制路基压实度与沉降的重要指标，本试验采用重型击实仪开展击实试验获取所需指标参数。试验前，控制各组填25总659期2023年第29期（10月 中）料的含水率在4%12%并以1%3%的梯度递增。为确保试样密实及颗粒均匀，试验过程中每个试样分3层击实，每层击实98次。2.2 无侧限抗压强度试验方案为分析不同掺配填料的强度，采用万能试验机开展室内无侧限抗压强度试验。按不同材料配比方案及击实试验获取的最佳含水率准备试件，将各组填料分别灌入模具中，控制试验机以3 mm/min 的速度加载压制试件，将成型的试件养护7 d后加载，测试各组试件的无侧限抗压强度值。2.3 加州承载比（CBR）试验根据无侧限抗压强度试验结果，选取最佳泥岩掺量下的改良填料开展加州承载比试验，以验证改良泥岩填料的路用性能。试验所用仪器为CBR-I型承载比试验仪。试验过程中严格控制填料的最佳含水率，保证试件压实度达到96%以上。3 试验结果分析3.1 击实试验结果分析通过重型击实试验，得到5组改良填料在不同含水率下的干密度值，利用Origin数据分析软件绘制各组填料的击实试验曲线，如图1所示。由图1可知，5组填料的干密度均随含水率的增大先升高后降低，这是由于泥岩含水率较低时，固体颗粒间的黏结力、摩擦力都较大，随着含水率的增大，土体固体颗粒表层产生水膜且容易移动，土体中空隙的体积逐渐缩小；当土体含水率超过最优含水率后，土体中水分所占据的体积进一步增大，限制了固体颗粒间距的进一步缩小。各组曲线的峰值坐标即为填料的最佳含水率与最大干密度，如表 2所示，其可为开展无侧限抗压强度试验和 CBR 试验提供数据支撑，并用于指导现场施工。表2 改良填料的最佳含水率与最大干密度填料类型60%泥岩含量70%泥岩含量80%泥岩含量90%泥岩含量100%泥岩含量最佳含水率（%）7.97.67.48.18.0最大干密度/（g/cm）2.152.172.212.172.203.2 无侧限抗压强度试验根据上述击实试验结果，制备5组改良填料的无侧限抗压强度试样。测试分析各组试样的7 d无侧限抗压强度值，并绘制其强度随泥岩含量的变化曲线，如图2所示。由图2可知，随着泥岩含量的增加，改良填料的无侧限抗压强度随泥岩含量起伏变化，在泥岩含量80%附近达到峰值。纯泥岩填料的无侧限抗压强度大于泥岩含量在60%75%时的填料强度，而小于泥岩含量在75%90%时的填料强度。这是由于泥岩岩性较差，而砂岩属中硬性岩石，承载能力更强，掺配砂岩可提高填料强度；砂岩黏聚力较差，当其含量过高时，试样颗粒稳定性变差。上述试验结果表明，向泥岩中掺入适量砂岩可进一步提升填料承载能力，进而提升工程质量，建议将泥岩砂岩=8020作为改良填料的最优配合比，此时改良填料的无侧限抗压强度最大可达到0.82 MPa，相较于纯泥岩填料约提升了22.4%。3.3 加州承载比试验根据 公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019）6规定，高速公路填方路基填料需满足压实度和最小承载比要求，如表3所示。含水率（%）456789101112100%泥岩90%泥岩80%泥岩70%泥岩60%泥岩干密度/（g/cm3）2.202.182.162.142.122.102.082.062.042.022.00图1 5组泥岩填料的击实试验曲线1.00.80.60.40.20.0无侧限抗压强度值/MPa60708090100泥岩含量（%）图2 泥岩改良填料无侧限抗压强度-泥岩含量关系曲线26交通世界TRANSPOWORLD表3 填料最小承载比和压实度标准填料应用部位上路床下路床上路堤下路堤填料最小承载比CBR（%）8543压实度（%）96969493针对纯泥岩和80%泥岩改良填料，分别开展加州承载比试验。通过控制击实次数制备不同压实度试样，其中，30、50及98次击实分别对应现场93%、94%及96%压实度的路基填料。CBR试验结果如表4所示。表4 泥岩改良填料加州承载比试验结果填料类型纯泥岩泥岩含量80%CBR（%）30次击实3.36.250次击实5.38.598次击实8.214.7由表4可知，纯泥岩路基填料的CBR普遍位于规范临界值边缘，如不经处理直接填筑路基，工程建设风险较高。向泥岩中掺入20%砂岩后，不同结构层填料的CBR均得到明显提升，填料的CBR最高可达14.7%，相较于纯泥岩填料约提升了近 80%，改良填料性能优异，可满足工程现场施工应用要求。4 结论本文结合苍溪至高速公路项目建设需求，设计提出了一种泥质软岩路基改良填料，通过控制泥岩与砂岩的掺配比例、开展室内试验，研究路基填料的物理改良效果，得出如下结论。1）泥质软岩工程岩性较差，不宜直接用于填筑路基。向泥岩中掺入适量砂岩，可提升填料的性能，满足施工规范要求。2）建议将泥岩 砂岩=80 20作为改良填料的最优配合比，改良填料的无侧限抗压强度最高可达0.82 MPa，相较于纯泥岩填料约提升了22.4%；CBR最高可以达到14.7%，提升了近80%。此时改良填料的最佳含水率为7.4%，最大干密度为2.21 g/cm，可用于指导现场泥岩改良填料施工及压实质量控制。参考文献：1 冯强.四川红层泥岩的分布及其路用性能研究D.成都：西南交通大学，2011.2 陈涛，张文慧，蓝日彦，等.风化泥岩路基填料水稳定性室内试验研究J.科学技术与工程，2012，12（35）：9580-9584，9590.3 刘先峰，马杰，袁胜洋，等.干密度和含水率对压实红层泥岩路基填料强度特性的影响研究J.铁道科学与工程学报，2022，19（10）：2910-2918.4 高曙光，高晖，肖尊群，等.某高速公路红层泥岩路基填料改良试验研究J.路基工程，2018（3）：107-112.5 交通运输部公路科学研究院.公路土工试验规程：JTG 34302020S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2020.6 中交第三公路工程局有限公司.公路路基施工技术规范：JTG/T 36102019S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.（上接第24页）3 结论本文研究了碳纳米纤维改性沥青的物理性能及流变性能，并探讨了碳纳米纤维改性沥青混合料的路用性能，得出如下结论。1）随着碳纳米纤维掺量的增加，沥青针入度降低，软化点提高，车辙因子逐渐增大，说明碳纳米纤维可以改善沥青胶浆的高温流变性，CNF改性沥青具有更好的温度稳定性和耐高温变形能力。2）碳纳米纤维高长径比、力学强度和杨氏模量使其在沥青胶浆中有效传递应力并延缓混合料中裂缝的扩展，且能够较好地填充混合料中的空隙，增强沥青混合料的密实度和力学性能。3）碳纳米纤维改性沥青可以提高沥青混合料的间接抗拉强度和高温抗车辙性能，掺量为0.5%时CNF改性效果最佳，此时混合料间接抗拉强度提高约38%，高温抗车辙性能提高约45.5%。参考文献：1 王永.纳米改性沥青材料在路面工程中的应用研究现状J.合成材料老化与应用，2022，51（6）：159-161.2 杨小龙，申爱琴，蒋宜馨，等.基于阻燃抑烟的纳米黏土改性沥青综述J.交通运输工程学报，2021，21（5）：42-61.3 李世为.纳米 CaCO3/SBS复合改性沥青及混合料性能研究D.哈尔滨：东北林业大学，2022.4 杨宗昊.热氧条件下纳米蒙脱土/SBS改性沥青及混合料自愈合性能D.哈尔滨：东北林业大学，2022.27