红砂岩路基施工技术与质量控制
衡枣项目经理部 王柏全
【内容摘要】：由于近几年交通事业的迅猛发展，原有的国道及省道等构成的公路网已不能满足公路运输业的要求，各省区高速公路的大量修建已成为必然。在我国南部省区存在大量红砂岩，由于其材料本身的特殊性，以往从未在高等级公路中应用过，只是少量用在低等级公路中作为路基填料，且出现了大量的质量问题。大量红砂岩路堑挖方的去向问题同样摆在湖南是省高速公路建设者面前，如果作为弃方不用，每条高速公路都将产生近千万的弃方，增加几亿元的投资，弃方还将占用大量土地，带来水土保持等问题。如何解决红砂岩施工成为困扰各方面的重要问题。交通部为此专门成立了课题组，研究红砂岩施工中存在的问题、解决方法及预防措施。本文为作者在研究成果的基础上，结合衡枣高速公路红砂岩施工中经验，从几个方面论述了红砂岩的成因、主要的化学成分，化学性质及物理性质，红砂岩的分类及其特点。文中详细指出了红砂岩作为一种建筑材料，在高速公路建设方面的路用性质，即具有极强的风化崩解性、遇水软化的性能，其作为路基材料在填筑、爆破、防护施工应注意的各事项，容易发生的病害以及预防处理的措施等。
【关键词】：红砂岩 施工 质量控制
一、概述
衡阳至枣木铺高速公路属国家规划的衡阳至昆明322国道主干线的一段，也是湖南省东西方向公路运输的大通道，该项目的建设对改善湖南省交通等级结构，完善公路网规划，促进区域经济的发展将会发挥重要的作用。本合同段路线所经地区主要为剥蚀丘陵地貌，相对高差大,地层表面覆盖层为高、低液限粘土、粉土及砂砾石，下面全部为红砂岩。
以往应用红砂岩作为路基材料施工，因缺乏系统、成熟的施工技术，只是用于二级以下公路，且出现了大量的病害。较衡枣高速公路提前开工的湘耒、耒宜、临长等高速公路也都遇到了大量的红砂岩路段，其中湘耒高速公路作为京珠高速公路的一部分，全长169公里，有68公里红砂岩地带，1000多万方红砂岩，若将施工中沿线开挖的红砂岩弃置不用，而远运其他材料填筑路基，则造价昂贵，弃土和借土场难寻，并可能造成环境污染；雨季增加建设费用4亿元。红砂岩不仅在湖南省分布广泛，而且在邻近省份也有一定的分布，这就需要有一个彻底的解决措施，交通部为此成立了专门的课题组，研究解决红砂岩施工中遇到的各种问题。
衡枣与湘耒高速公路情况类似，全长186公里，全线一半以上地带存在红砂岩施工，因此，我们在湘耒高速公路红砂岩课题研究的基础上，进行的红砂岩路基施工。
二、红砂岩的基本特性
南部省区广泛存在的泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩及页岩等沉积岩类的岩石，因含有丰富的氧化物呈红色、深红色或褐色，这类岩石统称为红砂岩。
红砂岩主要呈粒状碎屑结构和泥状胶结结构两种典型结构形式，因胶结物质和风化程度的差异，其强度的变化大。多数红砂岩在挖掘或爆破出来后，受大气环境的作用可崩解破碎，甚至泥化，故其岩块的大小及颗粒级配将随干湿循环的时间过程而变化，其物理力学性质也将产生变化。
1、红砂岩分类
红砂岩按强度和崩解特性划分为如下三种类型：
（1）一类红砂岩，岩块天然单轴抗压强度小于15Mpa，在105℃温度下烘干后浸水24小时内，呈现渣状、泥状或粒状崩解；
（2）二类红砂岩，岩块天然单轴抗压强度小于15Mpa或稍大于15Mpa，在105℃温度下烘干后浸水24小时内，呈块状崩解；
（3）三类红砂岩，岩块天然单轴抗压强度大于15Mpa，不崩解，特性与普通砂岩无区别。
2、红砂岩的天然结构特征及其矿物成分和化学成分
根据对衡枣路岩石样品的鉴定结果，红砂岩的天然结构主要有粒状碎屑结构和泥状结构两种，按岩石学划分，可将红砂岩分为两大类：一类为碎屑岩类，包括泥质砂岩、泥质粉砂岩、泥质细砂岩、粉砂岩、砂岩和砾岩等；另一类为粘土岩类，包括泥岩、页岩、砂质泥岩及砂质页岩等。红砂岩中，含铁氧化物大多以浸染物形式出现，碎屑颗粒间主要有孔隙式胶结、基底式胶结以及铁质碳酸盐胶结等形式。由于铁质在多数岩石中不是以胶结物的形式存在，故主要影响岩石的外观状态，对岩石的工程性质没有明显的影响。
粒状碎屑岩类中粘土矿物的含量一般约5%～10%，这种红砂岩虽然因胶结形式和粘土矿物含量的差异，其工程性质有一定的变化，但多数与普通风化岩类相差不大，其工程性质与风化程度有关。
泥状结构粘土岩类中，粘土矿物的含量一般约15%～50%，其中伊利石含量为5%～30%，蒙脱石含量为3%～10%，。这种类型岩石的水稳定性差，极易崩解软化，其工程性质主要由粘土矿物的含量，尤其是亲水性强的蒙脱石和伊利石的含量决定。当粘土矿物中蒙脱石和伊利石的含量较高时，该类岩土的工程性质极差，非常容易产生路基病害。
红砂岩的主要化学成分为9种，其中SiO2的含量占主要部分，其次有Al2O3、CaO、Fe2O3等，其余5种化学成分均不超过4%，两种典型红砂岩的主要 化学成分比例如下表：
两种典型红砂岩的主要化学成分比例（%）
结构特征 SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3
粒状碎屑结构 46.53～75.12 11.43～16.44 0.11～16.7 2.86～6.88
泥状结构 23.24～64.28 8.0～20.78 0.09～31.89 2.2～10.65
3、红砂岩的崩解特性及颗粒级配
泥状结构的粘土岩类红砂岩一般易崩解软化，随干湿循环软化时间增加，颗粒不断碎化，最后呈渣状或泥状，其颗粒级配也在变化。试验表明，随着暴露时间和干湿循环次数增加，岩块不断崩解碎化，经过50～60天（干湿循环为8次）变化即可达到稳定状态，红砂岩经过一定时间后不再崩解变化。
粒状碎屑结构的红砂岩一般呈块状崩解，崩解后的块状颗粒基本稳定或碎化速度非常缓慢，粒径小于0.5mm的颗粒极少。
4、红砂岩的物理性质和状态指标
（1）各类红砂岩物理性质指标的试验（平均）数据
岩类 一类岩 二类岩 三类岩
天然密度（g/cm3） 2.46 2.38 2.5
天然含水量（%） 7.87 5.1 0.8
土粒密度（g/cm3） 2.75 2.72 2.76
天然干密度（g/cm3） 2.28 2.26 2.48 孔隙比 0.204 0.200 0.113
最大干密度（g/cm3） 2.00～2.09 2.06～2.15
最佳含水量（%） 8.35～11.6 8.69～9.60
孔隙率 0.169 0.166 0.101
饱和度（%） 98.45 72.85 19.6
（2）各类红砂岩塑限和液限含水量的试验平均值
测试项目 塑限含水量（%） 液限含水量（%） 塑性指数
一类岩 21.0 33.0 12.0
二类岩 19.0 30.55 11.55
（3）各类红砂岩涨缩性和吸水性指标的试验平均值
测试项目 自由膨胀率（%） 击实样体缩率（%） 干燥饱和吸水率（%）
一类岩 41.3 7.45 20.23
二类岩 17.75 4.84 13.12
三类岩 2.85
根据试验结果，按照《公路路基设计规范》（JTJ013—95）评判指标，一类岩属于弱膨胀岩。
5、红砂岩的力学性质
（1）各类红砂岩击实试件的抗剪强度指标和渗透性指标
测试项目 内摩擦角(度) 凝聚力(KPa) 渗透系数(cm/s) 天然岩块抗压强度(MPa)
一类岩 27°12′ 105.4 4.17×10-7 4.43
二类岩 26°50′ 75.37 4.17×10-7 6.9
三类岩 23°16′ 92.8 4.17×10-7
通过现场试验表明，红砂岩压实后透水性很差，对于压实度达到重型击实标准90%以上的红砂岩，表面积水一般难以下渗，仅对表层土体的含水量产生影响，二类红砂岩压实体的防渗性能不低于粘土。对于水稳定性差的一类红砂岩，在路基表面及两侧采取一定的隔水措施很有必要，可以防止表层一定厚度的红砂岩浸水后软化，强度降低，以及产生膨胀变形。
（2）对红砂岩进行了室内CBR试验，其中一、二红砂岩各类岩取16组数据的平均值。按标准重型击实（98击）、50击和30击分别浸水试验，可以看出98击一类岩和30击二类岩随浸水时间的增加，CBR有所降低；而50击和98击二类岩的CBR随浸水时间的增加无明显的变化。根据测试结果可知，呈块状崩解的二类岩水稳定性较好，而一类岩的水稳定性很差，若受水的长期浸泡，其强度变得很低。
各类红砂岩试件室内CBR值随浸水时间变化的试验结果
试件浸水时间（天） 1 2 3 4 7 28
一类岩（98击） 9.0 9.85 8.2 7.74 8.8 6.95
二类岩（98击） 56.4 53.4 60.3 53.8 50.0 72.0
二类岩（30击） 21.8 17.3 16.9 19.1 13.3 14.5 二类岩（50击） 34.4 28.3 29.5 30.5 26.8 32.3
三、红砂岩路基材料的选用及工前处理
1、红砂岩的基本性质
红砂岩基本性质的试验结果表明，具有块状崩解的二类红砂岩水稳定性好，其强度随时间变化小，路用性能较好；一类红砂岩的水稳定性差，强度受干湿循环的作用变化较大，但压实后透水性很小，因此稳定性大为提高，仍可用做路基填料。
2、根据现场施工控制过程，一类和二类红砂岩爆破开挖后，可以直接运至工地进行耙压和碾压施工，但施工费时，运输困难，对施工机械要求高，适用于场地狭小地段。若工期和施工条件允许，最好将刚爆破出来的红砂岩，在料场就地进行工前崩解处理。
3、对红砂岩工前处理的方法为，将刚爆破出来的红砂岩裸露于大气阳光和雨中，放置一定时间，任其自然崩解破碎；当晴天气温较高时，每天洒水，一般在8～20天即可达到预崩解的目的。
四、红砂岩路基填筑施工
1、机械设备配备
序号 机械设备名称 规格型号
1 平地机 PYl80
2 振动压路机 YZl8B
3 羊角碾 YZTK18
4 洒水车 8t
5 推土机 D85
6 挖掘机 1m3
2、红砂岩路基填筑施工工艺
（1）填前碾压
路堤填筑前，要进行填前碾压，即改造地形、清除表土及地面附着物，并将原地面碾压至要求的密实度。
（2）布料
上料前必须在边线位置处采用花杆挂线，要求花杆长度为2米，红白相间格长40cm，纵向间距为20米。首先在路基两侧坡脚线内用粘土包边，以防雨水对己成形红砂岩的侵蚀及冲刷。粘土宽度为2米，作成向内的横坡度，以保证边线处粘土得到充分压实。填筑时现场有应安排好运输路线，料厂预崩解处理的红砂岩填料运到填方段后，专人指挥卸料，每方格网内卸一车，用推土机粗平，严格按照花杆刻度控制松铺厚度。根据填筑厚度及作业面积，计算上料数量，用自卸车将填筑料按方格网均匀堆放在路基上，控制每车料的数量尽可能相等。施工中避免将不同类型的红砂岩同层填筑，对于填料中少量的大块硬质岩，应剔除或破碎，以确保路基压实的均匀性。
（3）耙压、整平
经过预崩解处理的红砂岩填料运到填方段后，卸料后采用220马力以上的三齿推土机、勾松，“耙压”遍数应不少于三遍，未经料场崩解处理的红砂岩至填方路段后，相应的“耙压”遍数应增加一倍。
（4）碾压