红粘土路用工程性质研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.37MB 80 页 15积分

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摘要

红粘土是我国区域性分布的特殊土类之一，主要分布在南方，如湖南、广东、

广西、贵州、云南、江西、福建等省份，分布面积达 68 万平方公里。随着国家发

展战略向中西部的调整，公路作为经济发展的重要手段，亦将以前所未有的步伐

进入新的建设阶段，红粘土作为中西部地区公路工程建设赖以生存的环境、地基

基础和天然路基填筑材料，在公路工程实践中的应用是不容忽视的。

红粘土的工程性质较为特殊，一方面具有高含水率、高孔隙比、高液塑限、

低密度、压实困难等不良物理性质，另一方面却拥有中-低压缩性、较高地基强度

等良好的力学特性。我国南方地区潮湿多雨，红粘土在干湿循环的作用下土体结

构易受到破坏，稳定性与强度下降，存在很大的工程隐患。国内对利用红粘土进

行路基修筑的研究仍不完善，在后续公路的修筑过程中还存在大量红粘土的修筑

问题，如何更好的利用红粘土这种天然筑路材料进行填筑，找到合理的压实与施

工工艺、施工参数等控制指标，发挥其应有的工程性质；如何针对红粘土湿胀干

缩、裂隙发育及分布不均的不良特性进行路基设计与防护，避免、减少路基灾害

的发生等，都是迫切需要深入研究并解决的课题。

本文在总结前人的研究基础上，对红粘土进行了大量土工试验，掌握了红粘

土的基本物理、力学性质及主要工程特性，为红粘土的设计与施工奠定了基础。

在路用性质试验中，通过改变试件制备方法，发现采用湿土法进行重型击实来确

定最大干密度与最佳含水量更符合实际施工过程；在 CBR 试验中发现，试件在浸

水24～48 小时的条件下，在最佳含水量附近能获得较高的 CBR 值、较好的水稳

定性。

在红粘土的填筑碾压试验中，通过不同试验方案的比选、实施、分析与总结，

确定了最佳碾压方案，并且提出了红粘土填筑碾压的施工工艺、施工参数及关键

控制措施。调查发现，干湿循环是造成红粘土结构破坏，路基强度和稳定性下降

并最终导致红粘土路基病害的主要原因。确定红粘土路基设计的原则:一是改善路

基土的性质与压实控制；二是隔离水对路基土的影响，减少干湿循环，保证路基

稳定。针对红粘土干缩湿胀的特性，在边坡防护设计上采用了拱行骨架植被防护

的综合方案。

关键词:红粘土，含水率，压实度，CBR 值，路基碾压

ABSTRACT

Red clay is one of the regional distributed special soil types in China, which can be

found mainly in the South, such as Hunan, Guangdong, Guangxi, Guizhou, Yunnan,

Jiangxi, Fujian and other provinces with a total area of 68 square kilometers. Along with

the national development strategy adjusted to the Midwest, roads as an important means

of economic development will also step into a new construction phase at an

unprecedented pace. Red clay thus plays a role cannot be neglected in practical

application of highway engineering since it is the survival environment, foundation base

and natural subgrade filling material of road construction in the central and western

regions.

The engineering property of red clay is very special. On the one hand, it has

undesirable physical properties such as high moisture content, high void ratio, high

liquid and plastic limits, low density and difficult compaction; on the other hand, it has

other good mechanical properties like medium-low compression and higher foundation

intensity. Under the impact of wet and dry cycles, stability and strength of the red clay

subgrade decline, easy to result in slope instability, uneven foundation settlement and

pavement cracking. How to make better use of natural road materials like red clay for

filling, find reasonable control indicators such as compaction and construction

technology as well as construction parameters to bring its natural engineering properties

into full play; and how to conduct subgrade design and protection according to red clay

properties, avoid and reduce roadbed disasters, are all urgent subjects need in-depth

study and resolve.

Summarize and draw lessons on the basis of previous studies, large number of soil

test are done on red clay to master its basic physical, mechanical properties and major

engineering properties, thus lay a foundation for red clay design and construction. In the

experiment of the road using nature, by changing the specimen preparation methods, it

is found that using wet soil method for heavy compaction to determine the maximum

dry density and optimum moisture content is more in line with the actual construction

process; in the CBR test it is found that specimens can get a higher CBR value and

better water stability near the optimum water content under the conditions of 24-28

hours immersion.

In the red clay filling and rolling tests, through comparison and selection of

different test programs, it determined the rolling program and proposed construction

process, construction parameters and key control measures for red clay filling and

rolling. From the survey, it found that wet and dry cycle the main reason for red clay

structural damage, subgrade strength and stability decline and eventually the red clay

subgrade defects. Design principles of red clay subgrade are determined to be: first,

improve the properties and compaction control of subgrade soil; second, isolate the

impact of water on subgrade soil and reduce wet and dry cycle to ensure the stability of

subgrade. Also, for the shrinkage and swelling characteristics of red clay, it proposed an

integrated program to apply arch vegetation protection into the design of slope

protection.

Key Word: Red clay, Water content, Compaction, CBR value, Roadbed

rolling

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..............................................................................................................1

§1.1 论文背景和研究意义 ..................................................................................1

§1.1.1 论文背景 ...............................................................................................1

§1.1.2 研究意义 ...............................................................................................2

§1.2 红粘土研究的历史与现状 ..........................................................................3

§1.2.1 红粘土研究的历史 ...............................................................................3

§1.2.2 红粘土研究的现状 ...............................................................................3

§1.3 研究内容及技术路线 ..................................................................................8

§1.3.1 主要研究内容 .......................................................................................8

§1.3.2 技术路线 ...............................................................................................9

第二章红粘土的基本性质 ....................................................................................10

§2.1 红粘土的定义及分布 ................................................................................10

§2.2 红粘土的成因 ............................................................................................10

§2.2.1 地形地貌与气候条件 .........................................................................10

§2.2.2 红粘土形成过程 ................................................................................. 11

§2.3 红粘土的工程分类 .................................................................................... 11

§2.3.1 按土的塑性图分类 .............................................................................12

§2.3.2 按成土母岩性质分类 .........................................................................13

§2.3.3 按裂隙发育特征分类 .........................................................................14

§2.3.4 按稠度状态分类 .................................................................................14

§2.3.5 按复浸水特性分类 .............................................................................14

§2.3.6 按土的成因分类 .................................................................................15

§2.4 红粘土的物质组成 ....................................................................................15

§2.5 红粘土的结构特性 ....................................................................................16

§2.5.1 红粘土的宏观结构 .............................................................................16

§2.5.2 红粘土的微观结构 .............................................................................17

第三章红粘土的路用性能研究 ............................................................................19

§3.1 现场土样的采集制备 ................................................................................19

§3.2 试验项目及分析 ........................................................................................20

§3.2.1 红粘土的颗粒分析试验 .....................................................................20

§3.2.2 红粘土的物理性质试验 .....................................................................21

§3.2.3 红粘土的物理状态试验 .....................................................................25

§3.2.4 红粘土的力学性质试验 .....................................................................26

§3.3 本章小结 ....................................................................................................38

第四章红粘土路基填料的应用 ............................................................................41

§4.1 项目背景 ....................................................................................................41

§4.2 工程概况 ....................................................................................................41

§4.2.1 地理位置及气候条件 .........................................................................41

§4.2.2 地层岩性及水文地质特征 .................................................................42

§4.2.3 设计标准及工程规模 .........................................................................42

§4.2.4 主要岩土工程问题 .............................................................................43

§4.3 试验路段的选取 ........................................................................................44

§4.4 红粘土击实试验 ........................................................................................44

§4.5 红粘土翻晒试验 ........................................................................................46

§4.6 红粘土碾压实验 ........................................................................................47

§4.6.1 路基施工碾压流程 .............................................................................48

§4.6.2 机械作业流程 .....................................................................................49

§4.6.3 路基填筑施工方法 .............................................................................50

§4.7 碾压方案选择 ............................................................................................51

§4.7.1 红粘土振动平碾碾压 .........................................................................52

§4.7.2 红粘土振动凸块碾碾压 .....................................................................55

§4.7.3 红粘土组合碾压 .................................................................................58

§4.8 本章小结 ....................................................................................................60

第五章红粘土路基设计及经济分析 ....................................................................62

§5.1 路基设计 ....................................................................................................62

§5.1.1 红粘土路基主要病害及原因分析 .....................................................62

§5.1.2 红粘土路基设计及边坡防护 .............................................................62

§5.2 经济分析 ....................................................................................................69

第六章结论与建议 ................................................................................................70

§6.1 本文结论 ....................................................................................................70

§6.2 建议 ............................................................................................................71

参考文献 ....................................................................................................................72

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果......................................... 76

第一章绪论

§1.1 论文背景和研究意义

§1.1.1 论文背景

随着国家发展战略向中西部的调整，中西部基础设施建设进入迅猛发展阶段。

公路作为经济发展的重要手段，亦将以前所未有的步伐进入新的建设阶段。根据

交通运输部规划，到 2015 年，西部地区高速公路总里程将达到 3.6 万公里，西部

干线公路基本实现高等级化；到 2030 年，将完成“7918 高速公路网”的全部高速

公路网建设任务，总规模约 8.5 万公里。新建路网的不断扩大，在红粘土地区修筑

的公路也日益增多。由于国内对红粘土路基修筑缺乏针对性的研究，在公路新建

过程中遭遇了许多问题。

红粘土是一种特殊的路基填筑材料，天然含水率高、高液塑限、厚度分布不

均、压实相当困难，很难满足规范中对路基压实度的要求；另一方面，南方地区

潮湿多雨，在干湿循环的作用下红粘土湿胀干缩、裂隙发育，强度与稳定性下降，

若不及时进行针对性的设计及防护处理，会存在一定的工程隐患。公路的修筑过

程中，由于缺少相应的修筑、碾压措施，在不得以的情况下，对红粘土这种天然

的路基填料常采取弃土换填的办法。我国不同区域的社会经济发展水平参差不齐，

特别是西部地区，投资有限与地方经济发展存在一定矛盾，如何实现公路的建设

与区域的经济、社会、环境发展相协调成为急待解决的问题。

贵州是典型的喀斯特地形，碳酸盐系地层是贵州省的主要岩性地层之一，据

统计，碳酸岩类岩石出露面积约占全省的 50%以上，红粘土是覆盖在碳酸盐岩系

地层上的主要土类，也是中国七大类特殊土之一。贵州省在进行工程建设中涉及

最多的土类就是红粘土，红粘土作为天然的地基基础与路基填筑材料，所具有的

特殊工程属性在工程实践中是不可以忽视的。贵州省不断紧紧抓住国家实行积极

财政政策和适度宽松货币政策的机遇，对未来公路建设做了详细规划；力争省境

内国家高速公路网项目 2012 年全部建成，到 2018 年全省高速公路通车总里程达

到4000 公里，其中国家高速公路 2332 公里，地方高速公路 1700 公里，实现全省

“县县通高速公路”的目标。2030 年前完成路网规划的所有项目，建成总规模约 6851

公里的高速公路，形成“六横七纵八联线”的高速公路网络，实现高速公路联片成网。

在后续将要建设的各等级公路中，不可避免的会面对红粘土路基填料的设计、

修筑、碾压及防护等问题，如何更好的利用红粘土这种天然筑路材料进行填筑，

找到合适的碾压与施工的工艺、施工参数等控制指标，发挥其应有的工程性质；

红粘土路用工程性质研究

如何针对红粘土的特性进行路基设计与防护，避免、减少路基灾害的发生等，都

是迫切需要深入研究并解决的课题。若能对红粘土的路用性能做出客观的评价并

加以利用将会产生重大的经济效益。

§1.1.2 研究意义

红粘土属于我国区域性分布的特殊土之一，由于地形及气候原因，我国红粘

土主要分布于南方，如湖南、广东、广西、贵州、云南、江西、福建等省份，不

同地区的红粘土在工程特性上也有较大的差异。在红粘土地区进行公路的修筑过

程中，由于缺少相应的修筑、碾压措施，在不得以的情况下，对红粘土这种天然

的路基填料常采取弃土换填的办法。致使公路在修筑过程中的填方路段，需要增

加购买路基填料的费用；挖方段路段也会产生大量红粘土弃方，不得不征用大量

土地进行堆置的同时还得修建环保工程。这样不仅使公路施工进度受到影响，还

增加了工程建设费用。即使采用红粘土作为路基材料，由于碾压设备的不配套，

施工技术不合理，路基排水与边坡防护设计缺乏针对性，在道路建成使用后，也

会产生很多路基灾害，增加了治理灾害的二次建设费用。因此，以红粘土的成因

为出发点，对它的物质组成与结构特性进行分析，系统的、针对的对红粘土物理

及力学性质进行研究，找出它有别于一般土和其他特殊土的工程特性以及引起变

化规律的原因和影响因素，为红粘土路基修筑技术提供更合理的控制指标与施工

工艺，不仅有理论上的意义，同时还具有实际的应用价值。

综上所述，目前在利用红粘土这种天然路基填筑材料进行修筑上的技术研究

不够完善，包括路基结构设计、施工碾压以及边坡防护等问题还需要进一步的研

究解决。贵州是对红粘土进行研究的最早的地区之一，红粘土在贵州分布广泛，

发育完好，性质特征有一定的代表性。本文以贵州省黔东南苗族侗族自治州境内

的“凯开大道”一级公路项目为依托，在广泛阅读相关研究资料的基础上，对红

粘土的物理力学性质及工程特性进行针对性的研究分析，通过现场的红粘土路基

碾压试验，对碾压施工技术、施工工艺等进行系统研究和评价，最后提出红粘土

路基设计，边坡防护和碾压工艺等修筑技术。不仅为以后在红粘土地区进行后续

公路建设提供一定的设计施工等参考依据，又可以加快施工进度，节约工程造价

和保护生态环境，具有巨大的社会及经济效益。

第一章绪论

§1.2 红粘土研究的历史与现状

§1.2.1 红粘土研究的历史

红粘土不仅在我国广泛分布，亚洲其他地区、欧洲、南美洲，非洲都有大面

积的红粘土分布。根据相关资料显示，红粘土最早被认识和记载是在 1800 年的印

度德干高原上，布切纳(F.Buchanan)首次发现并称之为“红土”(laterite)，这种特殊

类型土的发现至今己有两百年的历史了[1]。对于红土的研究，国内外存在着很大差

异。国外对于红土的研究主要集中在地质学、环境、农林学、土壤学等领域，我

国则主要集中在地质和工程领域。

20 世纪 60 年代初，国内第一次使用“红粘土”这一名词，是在 1964 年的第

一届土力学及基础工程学术会议上，余培厚等发表了《贵州红粘土的建筑性能》

[2]，

文中对红粘土进行了描述：天然含水量高、孔隙比大，具有较高的力学强度和低

压缩性。这被认为是国内对红粘土研究的开始，并首次将其作为一种特殊土对待。

到了 70 年代，发现红粘土不仅南方有，北方亦有。如大连新港、北京的西山

及房山地区、天津蓟县地区均有发现红粘土。红粘土的研究领域也不断扩大，从

红粘土的定义、成因、分类到各地区不同类型红粘土的物质组成、结构都进行了

研究，并取得了大量成果。特别是工程领域，已经开始对红粘土的工程地质灾害

问题进行了分析研究，并掌握了一定的分析测试技术和方法。

20 世纪 80 年代以来，随着科学技术的进步与发展，借助先进微观分析手段，

在红粘土微观领域上的究取得了突飞猛进的发展。发现红粘土具有天然含水率高、

高液塑限、厚度分布不均、压实较困难等不良物理性质的同时却具备与之相矛盾

的较高的强度和较低的压缩性等良好的力学性质，矛盾的原因在很大程度上是由

红粘土中游离氧化物的胶结结构所决定的，并且发现红粘土的超固结性在很大程

度上也是归因于游离氧化物的胶结结构，而并非先期固结压力[3~8]。

§1.2.2 红粘土研究的现状

1.红粘土的分布与成因研究现状

据调查统计，红粘土在我国的分布面积约达为 108 万平方公里，其中褐红色

或棕红色红粘土为 74 万平方公里，黄色或黄褐色红粘土占 34 万平方公里[9]。我国

的红粘土主要分布在南方，如广西、贵州、云南、广东、湖南、湖北、四川、江

西、浙江以及福建等省和自治区，在北方的山东、山西、河北、河南、辽宁与内

蒙古等省和自治区也有零星分布，近年来在西藏东部河谷地带也发现有红粘土。

对于红粘土的成因，从 60 年代至今，一直都是国内研究的热点与焦点，以下

为国内学者的几种成因观点。

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摘要：

摘要红粘土是我国区域性分布的特殊土类之一，主要分布在南方，如湖南、广东、广西、贵州、云南、江西、福建等省份，分布面积达68万平方公里。随着国家发展战略向中西部的调整，公路作为经济发展的重要手段，亦将以前所未有的步伐进入新的建设阶段，红粘土作为中西部地区公路工程建设赖以生存的环境、地基基础和天然路基填筑材料，在公路工程实践中的应用是不容忽视的。红粘土的工程性质较为特殊，一方面具有高含水率、高孔隙比、高液塑限、低密度、压实困难等不良物理性质，另一方面却拥有中-低压缩性、较高地基强度等良好的力学特性。我国南方地区潮湿多雨，红粘土在干湿循环的作用下土体结构易受到破坏，稳定性与强度下降，存在很大的工程隐...

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