烏干達高液限紅黏土路用性能研究

李金成 程 鵬 武 林 羅呂青 李 紅

(1.中交第一公路工程局集團有限公司 北京 100024; 2.武漢理工大學交通學院 武漢 430063)

高液限紅黏土為碳酸鹽巖系出露的巖石經(jīng)紅土化作用形成的棕紅、褐黃等色的高塑性黏土。其裂隙發(fā)育，液限一般大于50%，具有明顯的收縮性，但壓縮性低。干容重為16～17 kN/m3，自由膨脹率為5%～20%。鑒于高液限紅黏土特殊的物理性質(zhì)和工程性質(zhì)，眾多學者對紅黏土進行了研究。

李光等[1]以廣西南柳高速項目為工程背景，探究對紅黏土改良之后的工程性質(zhì)。2005-2011年間，許多研究[2-5]在干濕循環(huán)的外界條件下對紅黏土的力學特征進行了探討，這種干濕循環(huán)外界條件與實際工程應用條件更加接近，有利于對紅黏土工程特性實現(xiàn)進一步探討。萬智等[6]對改性紅黏土的擊實特性進行了研究。武鵬[7]以寧夏六盤山東麓地區(qū)為例，對紅黏土的工程地質(zhì)性質(zhì)和滑坡機理進行了探究。鄒新奇等[8]通過研究發(fā)現(xiàn)紅黏土邊坡和普通邊坡的破壞形態(tài)有很大區(qū)別，需要重點研究。蔣洪等[9]針對紅黏土填筑邊坡出現(xiàn)的病害，對江西省內(nèi)多條高速公路和國道公路的294處邊坡的破壞形式進行了分析。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)有支護的紅黏土邊坡比無支護的邊坡具有更好的安全性。并根據(jù)調(diào)查結(jié)果給出了不同邊坡支護形式所適應的不同坡率。

高液限紅黏土在烏干達KE高速公路項目全線分布，為了對高液限紅黏土的工程特性進行進一步探究，本文以烏干達KE高速公路工程項目為依托，對KE高速沿線的高液限紅黏土的物理性質(zhì)及路用性能進行研究，以期為非洲其他地區(qū)高液限紅黏土的應用提供經(jīng)驗。

1 工程概況

烏干達KE高速公路是第一個在烏干達地區(qū)采用中國標準進行建設(shè)的工程項目。該項目全長51.4 km，其中主線連接首都坎帕拉市和恩德培國際機場，長度為37.23 km，支線連接維多利亞湖(Lake Victoria)度假村，長度為14.13 km。

本項目所處位置為平原微丘地區(qū)，項目全線地形復雜，存在諸多高原及山地，路線周邊就是維多利亞湖區(qū)，有多處季節(jié)性沼澤和永久性沼澤，需對其進行軟基處理。

KE項目中軟基處理主要采用3種方式：普通軟基換填、拋石擠淤、圍堰換填。3種軟基處理對填筑材料的CBR均有較高要求，其中軟基換填優(yōu)先選擇CBR>15%的換填材料；拋石擠淤在拋石完成后，石塊上仍填筑CBR>7%材料并分層填筑碾壓；圍堰換填部分使用石塊置換軟泥，級配碎石填充石塊縫隙后，上面仍需填筑CBR>7%材料并分層填筑碾壓。

KE高速公路項目沿線區(qū)域分布的主要為東非地區(qū)特有的高液限紅黏土，由于天然含水率高而導致壓實困難，但在干燥季節(jié)容易失水導致路基出現(xiàn)裂縫，一般需要對其進行改良才可以進行工程應用。為了更好地利用東非地區(qū)特有的原材料進行路基填筑，有必要對高液限紅黏土開展一系列的物理特性實驗和路用性能特性的試驗，以測試其是否滿足軟基處理需求。

2 高液限紅黏土物理特性

2.1 紅黏土的基本物理性質(zhì)

土的常用物理特性包括天然含水率、液限、塑性指數(shù)、比重等，根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗規(guī)程》，使用烘干法測定土體樣本的含水率，通過比重瓶法測得土體樣本的比重，通過液限碟式儀法和塑限滾搓法測得土體樣本的液限、塑限與塑性指數(shù)，試驗所得的紅黏土的基本物理特性指標見表1，塑性圖見圖1。

表1 紅黏土的基本物理特性指標

圖1 塑性圖

由表1可見，紅黏土的天然含水率為32.5%，密度為2.43 g·cm-3，液限為58%，塑限為32%，將各值代入式(1)中可計算得到紅黏土的液性指數(shù)為0.019 2，即0

(1)

式中：IL為液性指數(shù)；w為天然含水率，%；wP為塑限，%；IP為塑性指數(shù)。

2.2 紅黏土的顆粒分析

為了定量描述土粒中各個粒組的含量，確定土粒粒徑的大小和級配，對土的分類、定名和工程應用提供依據(jù)，需要對土進行顆粒分析。本節(jié)根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗規(guī)程》采取篩分法進行試驗，篩分孔徑依次為5.0，2.0，1.0，0.5，0.25，0.075 mm，取300 g烘干后的土樣進行篩分，篩分試驗結(jié)果見表2和圖2。

表2 紅黏土篩分結(jié)果

圖2 紅黏土顆粒級配曲線

由圖2可知，KE高速沿線紅黏土中粒徑在0.075 mm以下的細顆粒占主要部分，約為69%，粗粒組含量較少，最大粒徑未超過5 mm，該類土體屬于細粒類土。

3 高液限紅黏土路用性能研究

3.1 紅黏土CBR試驗

CBR試驗，即加州承載比(California Bearing Ratio)試驗，是用于評定路基土和路面材料強度的指標。CBR值為試料貫入量達到2.5 mm或5 mm時的單位壓力與標準碎石壓入相同貫入量時的標準荷載(7 MPa或10.5 MPa)的比值，用百分數(shù)來表示。CBR值與路基的穩(wěn)定性有密切的關(guān)系，KE項目對圍堰換填、拋石擠淤、普通軟基換填中所用的填筑材料有明確的CBR值要求，因此必須測試紅黏土的CBR值是否滿足換填要求。CBR值的計算按照式(2)進行。重型標準擊實試驗紅黏土的CBR的試驗結(jié)果見表3。

(2)

式中：CBR為承載比，%；p為某一貫入度的土的單位壓力，kPa；ps為對應貫入度的標準單位壓力，kPa。

表3 紅黏土CBR試驗結(jié)果

據(jù)表3，由KE高速沿線紅黏土進行10，30，65次重錘擊實后得出的結(jié)果可以看出，紅黏土膨脹量小，CBR值較高，基本在9%以上，能夠滿足路基填料強度的最低要求。當擊實次數(shù)達到65次時，紅黏土的CBR值能夠達到32%以上，強度較高，滿足換填要求。在相同含水率條件下，隨著擊實次數(shù)的增加，土樣干密度逐漸增大，浸泡4 d后的含水率越低，膨脹量越低，表明土顆粒之間孔隙隨著擊實次數(shù)的增加而坍縮減少，可容納的水分也在減少。

3.2 紅黏土直接剪切試驗

直接剪切試驗和三軸試驗都是測定土體抗剪強度的室內(nèi)土工試驗方法，但直剪試驗有著方便操作和誤差小的特點，本節(jié)對紅黏土的抗剪強度試驗采用直接剪切試驗。試驗采用的儀器為應變控制式直剪儀，通過施加水平剪應力而使土樣發(fā)生剪切破壞，測出土樣的抗剪強度，再根據(jù)庫侖定理計算出土樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力。

本文以垂直壓力為100，200，300，400 kPa下壓實度為90%和95%的紅黏土重塑土樣進行快剪試驗，極限剪應力與豎向壓力的關(guān)系見圖3，試驗結(jié)果見表4。

圖3 極限剪應力-豎向壓應力圖

表4 紅黏土快剪試驗結(jié)果

由表4可知，紅黏土的極限剪應力、黏聚力、內(nèi)摩擦角與其壓實度有關(guān)，壓實度越高，極限剪應力、黏聚力、內(nèi)摩擦角也越大，但是黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著壓實度上升的增幅不同，同樣的壓實度變化下，黏聚力的增幅較大，內(nèi)摩擦角增幅較小，原因是隨著土樣壓實度的提高，土粒間的膠結(jié)力也隨之增強。

3.3 紅黏土固結(jié)試驗

固結(jié)試驗用于研究土體在側(cè)限條件下的變形與時間-壓力的關(guān)系，可用來確定土的壓縮系數(shù)、壓縮模量等指標。KE高速設(shè)計文件要求用于路基填筑的土必須為中低壓縮性土，即其壓縮系數(shù)必須不超過0.5 MPa-1，KE高速沿線紅黏土具備高液限的特點且天然含水率高，進行壓實時較為困難，因此，對其壓縮性能進行研究具有必要性。

本次固結(jié)試驗采用的環(huán)刀直徑為61.8 mm，高20 mm，按照100，200，300，400 kPa 4級荷載施加垂直壓力，每級壓力施加后24 h后記錄數(shù)值。根據(jù)四級壓力下試樣的變形量，按照下列公式(2)～(7)進行計算。

初始孔隙比

(3)

單位沉降量

(4)

各級荷載壓力下變形穩(wěn)定后的孔隙比

(5)

某荷載范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)

(6)

某荷載范圍內(nèi)的壓縮模量

(7)

式中：Es為壓縮模量，kPa；a為壓縮系數(shù)，kPa-1；e0為試驗開始時的試樣孔隙比；ρs為土粒密度，g/cm3；w0為試驗開始時試樣的含水率，%；ρ0為試樣初始密度，g/cm3；Si為某一級荷載下的沉降量，mm/m；∑Δhi為某一級荷載下的總壓縮量，mm；h0為試樣起始時的高度，mm；ei為某一荷載i下壓縮穩(wěn)定后的孔隙比；pi為某一荷載i值，kPa。

土樣的孔隙比-固結(jié)壓力曲線圖見圖4。

圖4 紅黏土固結(jié)試驗e-p曲線圖

為了便于比較和分析，通常取100～200 kPa壓力段下的壓縮系數(shù)a1-2來計算壓縮模量Es，紅黏土固結(jié)試驗結(jié)果見表5。

表5 紅黏土固結(jié)試驗結(jié)果

由表5可知，紅黏土試樣的壓縮系數(shù)a1-2為0.40 MPa-1，即0.1 MPa-1

4 總結(jié)

通過對烏干達KE高速沿線高液限紅黏土取樣，進行物理性質(zhì)和力學性質(zhì)方面的室內(nèi)土工試驗，分析了高液限紅黏土的相關(guān)特性，得出主要結(jié)論如下。

1) 本次紅黏土試樣的天然含水率為32.5%，液限為58%，塑性指數(shù)為26；可以確定KE高速沿線紅黏土具有高液限特點；篩分法試驗結(jié)果表明紅黏土最大粒徑不足5 mm，且粒徑<0.075 mm的細顆粒含量在69%以上，KE高速沿線紅黏土屬于細粒土。

2)CBR試驗表明紅黏土的CBR值較大，基本在9.3%以上，65次擊實后CBR值可達到32%以上，能夠滿足軟基處理所要求的CBR值；直剪試驗表明紅黏土的抗剪強度、黏聚力，以及內(nèi)摩擦角對壓實度的變化較為敏感，隨著壓實度的增加而增大；固結(jié)試驗測得的壓縮系數(shù)為0.40 MPa-1，屬于中壓縮性土，滿足KE高速路基填筑要求。