0 引言

压实度是路基填筑施工重要的控制指标，尽管《公路路基设计规范》(JTG D50-2015)^[1]中表征路基结构性能的指标是路基顶面的回弹模量，但回弹模量的设计值必须通过压实度的有效控制才能得以实现，因此规范中对各级公路路基的压实度均有明确要求(表 1)。湖南省湘南地区由于特殊的气候及地质条件，广泛分布着高液限红黏土。作为一种特殊公路路基填料，红黏土具有较高的天然含水率，若按照表 1中的要求进行压实，施工难度较大，现场采用大吨位施工机械进行反复碾压，容易出现工程上所谓的“橡皮土”现象。此外受含水率变化影响，作业面上红黏土还易出现收缩开裂现象，这成为该地区公路路基压实过程中一个不可回避的问题^[2-4]。

目前，国内外在解决路基压实困难方面的建议和措施有：英国规定路基填料的含水率应低于塑限；美国则容许填方路基填料的含水率可以达到塑限的1.2倍，但同时规定对于黏土填料的液限不得超过50%；日本根据不同土类采用不同的压实标准^[5-6]。我国《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)^[7]规定当路基采用特殊填料时，压实度标准根据试验路段在保证路基强度要求的前提下可适当降低，但并未明确提出依据和具体标准；谢宇明等^[8]根据黔东南地区红黏土CBR值的变化，认为红黏土压实度下限控制在86%；谈云志等^[9]则从CBR、压缩性等方面确定某高速公路红黏土降低压实度的标准，建议某高速公路红黏土路基填筑含水率需控制在35%左右，压实度可降低2.5%。以上建议和研究为红黏土路基的压实提供了一定的工程经验，但目前来看，红黏土压实度降低所依据的指标仍然不够全面，而且红黏土的性质具有明显的区域差异，导致该地区一些凭借经验降低压实度的红黏土路基难以适应上部荷载作用而出现沉降、失稳的现象。为此，本文针对湘南红黏土开展了一系列土工试验，从渗透性、收缩性、压缩性、抗剪强度、CBR等角度分析了压实度、含水率对红黏土性能的影响规律和内在机理，在此基础上阐明了降低湘南红黏土路基压实控制标准的可行性，并给出了具体的降低幅值，为该地区红黏土路基压实施工和病害预防提供参考。

1 试验材料及方案 1.1 试验材料

湘南地区年平均降雨量1 503.7 mm，属于典型的多雨地区，地下水位较高。本文选取了该地区具有代表性的红黏土作为研究对象，首先开展了有关其基本物理性质的试验，试验过程均按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)^[10]中的相应规定进行，包括颗粒分析、界限含水率、相对密度、自由膨胀率、击实试验，试验结果如表 2所示，重型击实曲线如图 1所示。

图 2为湘南红黏土的级配曲线，可以看出，黏粒(粒径≤0.002 mm)含量占到约72%，这也是导致该红黏土液限高的根本原因之一。

1.2 试验方案

(1) 渗透性试验

水对红黏土路基稳定性的影响较大，压实度降低后，增大了水分进入的空间，因此需要考虑渗透系数的变化。本文分别制作压实度为100%，96%，93%，91%，89%，87%和85%的7种红黏土试样，考虑到红黏土属于细粒土且渗透系数较小，该试验参照文献[10]中的“变水头渗透试验”开展。

(2) 收缩性试验

红黏土路基填筑除了压实困难之外，另一个严重的工程问题即收缩开裂，因此收缩性也是在降低压实度时需要考虑的因素。本文分别制作压实度为96%，93%，91%，89%，87%和85%的6种饱和红黏土试样，试验步骤按照文献[10]中“收缩试验”的规定进行。

(3) 压缩性试验

具体试验方案见表 3，含水率30%，34%和37%分别对应于其最优含水率(OMC)、过渡含水率(TMC)和平衡含水率(EMC)，其中EMC代表红黏土路基正常工作状态下的含水率，可参照中国台湾学者林建良的论文《不饱和凝聚性路基土壤回弹模数之研究》的方法获取，在此不做详述。由于在37%含水率状态下进行压实存在一定难度，因此未制作压实度为96%，93%的试样。试验步骤按照文献[10]中“单轴固结仪法”的规定进行，为了防止试验中试样含水率的变化，在固结过程中使用湿毛巾将固结仪覆盖。

(4) 抗剪强度和变形试验

红黏土的抗剪强度直接决定着路基的稳定性和耐久性，为研究不同压实度的饱和红黏土的强度与变形特征，开展了三轴剪切试验研究。制作了压实度分别为96%，93%，91%，87%的4种红黏土试样，试验按照文献[10]中“固结排水试验”相关规定进行，采用抽气法对试样进行饱和，不同压实度下试样的饱和含水率如表 4所示。固结时间均大于48 h，以其排水量24 h内不大于0.1 mL作为固结稳定标准，剪切速度设定为0.006 6 mm/min。

通常情况下对路基土所采用的围压为100~400 kPa，远大于浅层土体的应力状态，为了便于研究路基浅层红黏土的强度与变形特性，本次试验方案中设置的围压状态共8级, 分别为20, 30, 40, 50, 100, 200, 300 kPa和400 kPa。偏应力峰值确定方法如下：在剪切过程中有明显峰值，则取其最大值；在剪切过程中没有峰值，则取轴向应变为15%时所对应的偏应力值。

(5) CBR试验

在我国CBR指标及CBR试验已被列入《公路路基设计规范》(JTG D3-2004)^[1]、《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)^[10]中，成为路基填料选择的依据。本文按照文献[10]中CBR试验的相关规定，对5种初始含水率(24%，27%，30%，34%和37%)的红黏土分别进行了27击、59击和98击的轻型压实，将试样浸水后量测了试样的膨胀量，然后进行了CBR试验，对比分析了不同初始含水率和压实度对用于路基填料的红黏土CBR值的影响。

2 试验结果及分析 2.1 压实度对红黏土渗透性的影响

不同压实度湘南红黏土的饱和渗透系数见表 5渗透系数随压实度的变化曲线见图 3。

从图 3可以看出，渗透系数k与压实度D_c之间呈现出明显的非线性关系：在压实度小于91%时，渗透系数随着压实度的增加而明显减小；当压实度超过91%后，渗透系数已经小于0.000 01 cm/s，而且随压实度的变化已不明显。这表明将压实度控制在91%时已经能够取得较好的防渗能力，没有必要要求过大的压实度。

2.2 压实度对红黏土收缩性的影响

不同压实度红黏土的线缩率与含水率关系曲线如图 4所示，不同压实度红黏土的缩限如表 6所示。

从图 4和表 6中可以发现：该压实红黏土的收缩范围几乎都从OMC (w=30%)附近开始，随着含水率的减小，线缩率增大，至20%时逐渐趋于稳定。因此为了减小红黏土路基失水收缩引起的变形，需要有良好的保水措施。不同压实度试样的最终线缩率处在3.0%~4.5%范围，且与压实度之间并无明显的相关性，该差别体现在变形的绝对值上仅为0.3 mm，与文献[11]的试验结果类似。当含水率由饱和状态降至30%左右时，压实度为91%，93%，96%的3组红黏土试样均未出现收缩开裂现象。此外，当压实度超过85%以后，压实度对红黏土缩限的影响也不明显(其中压实度为96%试样的缩限与其余压实度的试样有明显差别，可能是试验中的误差所造成)。

2.3 压实度和含水率对红黏土压缩性的影响

湘南红黏土的孔隙比e与lg p (p为荷载大小)的关系如图 5所示，其中(a)、(b)和(c)分别为在30%, 34%, 37%含水率下不同压实度的e-lg p曲线。

可以看出，当含水率处于OMC时(图 5(a))，经过逐级加载之后，不同初始压实度的红黏土试样最终的孔隙比都趋近于同一数值，在e-lg p曲线上表现出了“聚合”的现象。但是含水率为TMC或EMC时(见图 5(b)和(c))，“聚合”现象则不再明显。“聚合”现象可以解释为：含水率为OMC的试样，不仅土颗粒之间的水膜能够较好地发挥润滑作用，同时试样孔隙中有一定量的连通空气，尤其是压实度低的试样，因此土体能够相对容易地被压缩，从而出现“聚合”现象；而随着含水率的进一步升高，饱和度增大，土中的空气将处于封闭(不连通)状态，在压缩的过程中较难排出，加之红黏土的渗透系数很小，土中的水也很难排出，所以难以出现“聚合”现象。

综合图 5可以看出，当荷载小于200 kPa时，不同含水率下红黏土试样的孔隙比比较接近，但当荷载增大到200 kPa以上时，处于OMC状态试样的孔隙比减小程度明显大于处于TMC和OMC状态时的试样，可见在高压力环境下含水率对红黏土压缩性的影响比较显著。

根据e-lg p曲线所得到的100~200 kPa压力范围内的压缩系数a_1-2如表 7所示。可以看出：湘南红黏土的压缩系数会随着压实度的增大而明显减小，处于OMC和EMC状态试样的压缩系数大致相等，而处于TMC状态时的试样压缩系数明显小于其他两种含水率状态，即当含水率大于OMC时，随着含水率的进一步升高，红黏土的压缩系数呈现先减小后增大的趋势，与陈开圣等^[12]的试验结果相似。总体上，红黏土的压缩系数都在0.1~0.3 MPa^-1范围内，当压实度控制在96%时，处于OMC和TMC状态红黏土的压缩系数均小于0.1 MPa^-1，属于低压缩性土。

2.4 压实度对饱和红黏土变形与抗剪强度的影响

图 6为剪切破坏试样所呈现的不同状态。在低围压(20，30，40 kPa和50 kPa)状态下，压实度为96%和93%的试样剪切破坏时均呈现明显的破裂面，如图 6(a)所示；而在较高围压(100，200，300 kPa和400 kPa)条件下，仅压实度为96%的试样剪切破坏时具有明显的破裂面，而压实度为93%的试样仅在侧面呈现出滑移线，如图 6(b)所示；其余压实度的试样在剪切破坏时并无明显破裂面和滑移线，如图 6(c)所示。

图 7为不同围压下红黏土的应力-应变曲线，压实度为96%的试样在剪切过程中，偏应力随轴向应变的增加而增大，围压为200 kPa和300 kPa试样的偏应力值最终趋于一个稳定值，出现应变硬化现象，而该压实度下其余试样出现了偏应力的峰值，表现出轻微的软化现象。而当压实度为93%，91%和87%时，试样总体上表现出明显的应变硬化特征。

不同压实度试样在不同围压下的偏应力峰值见表 8。总体来看，同一压实度下，偏应力峰值随围压增大而上升；而在同一围压下，偏应力峰值总体上随压实度的增大而上升。

图 8为不同压实度下，试样的Mohr-Coulomb强度包络线。将由图 8得出的不同压实度下红黏土的强度指标绘制于图 9中，可以看出当压实度由87%增加至96%的过程中，内摩擦角基本呈线性增长，但增长量仅约4°，而黏聚力在压实度由93%增加到96%过程中没有明显变化。结合表 8中偏应力峰值与压实度的关系，可以发现当压实度由96%降低至93%时，红黏土的抗剪强度变化相对较小。

2.5 压实度和初始含水率对红黏土CBR值的影响

不同初始含水率下的膨胀量随压实度的变化曲线如图 10所示。

可以看出，压实度的提高与红黏土膨胀性的降低并无明显的规律性。此外，在初始含水率小于OMC时进行击实，红黏土的膨胀性较大。

图 11为膨胀量与初始含水率之间的关系曲线，可以看出，在含水率低于OMC时，膨胀量随击实功的增大而增大，即击实功的增加反而会使红黏土更容易出现泡水膨胀，这也从另一方面说明了在初始含水率小于OMC时压实填筑红黏土路基是不可取的。

不同初始含水率下红黏土CBR值随压实度的变化曲线见图 12。

从图 12中可以发现：在压实度超过93%的范围内，曲线的斜率有明显的增大，即压实度越大，CBR值随压实度的增加越明显；当压实度大于93%、初始含水率处于27%~34%之间时，压实红黏土的CBR值均大于6，能够满足《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)^[7]中对二级及二级以下公路路基填料要求；而当压实度大于93%、初始含水率在30%(OMC)附近时，压实红黏土的CBR值均大于8，能够满足上述规范中所有等级公路的路基填料要求。

3 红黏土路基压实指标探讨 3.1 降低压实度标准的依据及幅度

路基土体的渗透性、压缩性、抗剪强度等都是评价路基工作性能的重要指标，而上述指标又受到路基压实度的强烈影响，因此可以把上述指标随压实度的变化规律作为降低压实度的依据，并把压实度降低后各指标值变化不敏感的临界点作为压实度降低的界限参考值。

(1) 渗透性

根据渗透性试验结果，当压实度从96%降到91%的过程中渗透系数的变化并不大，但若压实度进一步降低则渗透系数迅速增大，因此可将压实度的临界点定为91%。

(2) 收缩性

根据收缩性试验结果，线缩率与压实度之间并无明显的相关性，在含水率由饱和状态降至30%左右的脱湿过程中，压实度为91%，93%，96%的3组红黏土试样均未出现收缩开裂现象，因此从收缩性角度可以将压实度的临界点定为91%。

(3) 压缩性

根据压缩性试验，红黏土压缩系数随压实度的变化曲线如图 13所示，曲线上并无明显的拐点。在所设定的压实度和含水率范围内，红黏土的压缩系数都小于0.5 MPa^-1，均符合《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)^[1]中对于红黏土路基填料压缩性的基本要求。

(4) 抗剪强度

通过三轴CD试验结果可以看出，红黏土的内摩擦角基本随着压实度的增加而线性增长，但增长量较小，在压实度从93%增长到96%的过程中黏聚力则没有发生明显变化，因此从抗剪强度的角度考虑，将压实度控制在93%即可。

(5) 膨胀量和CBR值

通过膨胀量试验和CBR值测试可知，压实度与红黏土泡水膨胀量之间并无明显的相关性，而当初始含水率控制在30%(OMC)附近且压实度≥93%时，压实红黏土的CBR值大于8，满足《公路路基施工技术规范》(JTG F10-2006)^[7]中对于各种等级公路的路基填料要求。

3.2 填筑时的含水率控制

根据2.5节的分析，在含水率低于OMC时，击实功的增加反而会使红黏土更容易出现泡水膨胀，因此首先应当避免在含水率小于OMC时对红黏土路基进行压实填筑。考虑到水分蒸发的影响，建议降低压实标准的同时，在略大于OMC的含水率下对红黏土路基进行碾压；而且湘南地区红黏土的天然含水率往往大于最优含水率，在达到压实控制标准的前提下，如能在偏湿的状态下碾压还有利于缩短工期，削减压实前将天然含水率降至最优含水率所带来的成本。

4 结论

(1) 渗透系数随着压实度的增大而减小，但当压实度超过91%后，减小趋势逐渐放缓。而压实度对收缩性的影响不明显，当压实度控制在91%以上而含水率大于30%时，红黏土因脱湿而出现收缩开裂的可能性不大。

(2) 当红黏土压实度位于85%~96%之间时，压缩系数的范围为0.1~0.3 MPa^-1，均满足红黏土作为路基填料的基本要求。内摩擦角基本随着压实度的增加而线性增长，但增长量较小，黏聚力则在压实度由93%增加到96%过程中没有明显变化。

(3) 在相同的初始含水率下，压实度的提高并不能有效降低泡水膨胀量。而当压实度大于93%、初始含水率在30%附近时，压实红黏土的CBR值均大于8，能够满足所有等级公路对路基填料要求。

(4) 根据渗透性、收缩性、压缩性、抗剪强度、膨胀性、CBR等随压实度的变化趋势判断，建议将湘南地区红黏土路基的压实度降低至93%。

(5) 在含水率低于最优含水率时，击实功的增加反而会使红黏土更容易出现泡水膨胀，同时考虑到水分蒸发和施工便利，建议红黏土路基进行压实时的初始含水率应略大于最优含水率。