肯尼亞地區紅土礫石料室內試驗性能和施工工藝研究

袁萬富　羅通

摘要 文章對肯尼亞內羅畢環城路沿線多個紅土礫石料進行了調查，對各個紅土礫石料場采集了多組試驗樣本進行分析，總結了當地紅土礫石料的級配特征以及CBR特性及其壓實特性。通過最終的試驗和工程經驗表明紅土礫石料的CBR值大于15，最優含水量在29%左右紅土礫石料能夠用于交通量大的高等級公路主干線。

關鍵詞 紅土礫石料;級配; CBR;擊實特性

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）06-0126-03

概述

全世界范圍內紅土礫石料主要分布在非洲、亞洲、大洋洲及南美洲、北美洲的低緯度地區。

隨著“國內國際雙循環”政策提出，越來越多的中國企業公司參與國外工程項目。在公路建設項目中，部分地區項目位于紅土地區，項目沿線缺少碎石、黏土等優質填料。為了降低工程建設的成本，盡可能地使用當地筑路材料成為很多項目的必然選擇。紅土礫石料在東非肯尼亞料源豐富，在當地的道路基層材料中得到了一定程度的應用。充分了解紅土粒料的工程性質，為項目的順利實施提供先決條件。

基于上述情況，為了充分利用當地天然紅土礫石料，降低工程成本，對紅土礫石料的基本物理性能、擊實特性和力學性能進行研究，為今后參與肯尼亞區域項目的中國公司提供借鑒與參考。

從項目的實際經驗和工程應用的角度，應著重了解、解決以下問題：

（1）天然紅土粒料的性能;

（2）不同的道路等級和交通量條件下，天然紅土粒料適用的結構層。

1 紅土礫石料的成因和化學組成

根據調研，紅土礫石料主要分布在熱帶和亞熱帶等地區，其為粘性土和不同粒徑的碎石膠結而組合的一種混合料，作為東非地區廣泛采用的一種路面填料。根據現有研究資料研究表明紅土礫石料是四季交替作用而形成的，其中母巖的主要成分為石英砂巖、花崗巖。一般位于地表以下1～4 m左右，開采方便，存貯量大。依據Godfrey Njihia Hinga的研究[1]，肯尼亞地區紅土礫石料的主要成分如表1。

礫石組紅土粒料以鐵質硅鋁結核氧化物構成并以塊狀或球狀形式存在，其內部以鐵和鋁及其他少量金屬礦物（鈣和鉻）為主要的礦物成分織構而成;粉黏粒狀的紅土粒料是由在礫石形成過程中淋溶、分解出來的石英與少量待進一步膠結、復合的金屬礦物構成[2]。在對比紅土礫石料組成成分的研究過程中，發現其三部分組成如下：

（1）主要未分解的母巖的碎石。

（2）其次鐵質硅鋁結核礫石。

（3）母巖分解后而形成的黏性土[3]。

2 級配特征分析

根據地質調繪成果，對肯尼亞首都內羅畢環城路沿線的多個料場進行取樣，獲得了多組紅土礫石料的土樣，部分土樣的級配試驗數據如表2。

大部分土樣缺少粒徑較小的級配，說明紅土粒料的級配較差。在分析研究對比這些數據后形成了曲線圖如圖1，得出個別土樣的不均勻系數Cu=11.33，曲率系數Cc=2.64。

非洲其他地區的紅土粒料的天然級配較差，中間粒徑普遍缺失，細粒土含量普遍偏高[4]。東非肯尼亞地區的細粒土含量普遍偏低。

3 擊實特性與最佳含水量

現場實驗中，分析土的干密度與最優含水量，分析最大干密度以及對應最優含水量。選擇天然紅土礫石料經典級配，采用全自動擊實儀器測定，主要分三層進行重型擊實，分析對比擊實曲線如圖2。從數據分析可以看出，隨著擊實次數的增加，其最大干密度也在逐漸增大。因此可以得出結論：在同樣含水率下，隨著沖擊能量增大，干密度也隨之增大。

根據項目沿線取土場取得的土樣所做的壓實試驗，紅土礫石料最大壓實密度為1 213～1 580 kg/m3，所對應的最佳含水量22.1%～36.1%。所取土樣實驗結果：隨著壓實密度增大，最佳含水量隨之越低;隨著最大壓實密度減小，最佳含水量也減小。

4 紅土粒料的CBR試驗

根據美國ASSHTO規范，在項目沿線取土場取得的土樣，按照施工時最佳含水量以及壓實度要求制備試樣。試驗制備后，在加載之前浸泡四晝夜。沿線取土場共取土樣23個，CBR最大值18，最小值為8.0，具體分布見表3。

5 路基填筑及壓實度要求

根據肯尼亞規范：軟質材料填筑時，分層填筑，層厚不得超過150 mm（壓實后）。硬質材料填筑時，最大粒徑不得超過250 mm，分層攤鋪厚度不得超過400 mm（松方）。

通常情況下，各層填料的干密度均應至少壓實到95%的最大干密度（標準壓實），其中路基最上部300 mm干密度則應壓實到至少100%的最大干密度（標準壓實）。路堤應盡快建成，以確保有足夠的時間防止路面裂縫產生。因此，最佳壓實率下的最優含水量應不超過105%。

軟質填料的4天浸水CBR應大于8%，且膨脹率不超過1%。

對路面結構下300 mm路床的4天浸水CBR應不小于15%，膨脹率不應超過1%，壓實度為100%，并且粒徑不應超過25 mm。

6 施工工藝

對比同類級配碎石，紅土礫石料在室內壓實或現場碾壓下破碎嚴重，大顆粒的破碎剛好能對級配本身的缺失進行填充。在現場實際施工過程應充分保證壓實工藝，保證紅土礫石料充分破碎和壓實，能有效提高路基整體壓實度。

施工的主要工藝原理為：

（1）與國內常見的級配碎石基層和底基層不同，紅土粒料在室內的擊實試驗或現場碾壓下破碎嚴重，大顆粒的破碎剛好能對級配本身的缺失進行填充。在現場施工過程中采用高強度的碾壓壓實，使紅土粒料充分破碎，能提高基層的整體壓實度。

（2）根據既有工程實踐經驗，對級配碎石基層而言，其最大施工厚度為30 cm。因此，對級配紅土礫石基層的施工一般不需要分層填筑。

（3）鋪筑一定距離的試驗段（≮500 m），以獲得前期施工的具體控制參數。試驗段按不同灑水次數和膠輪、弱振與強振不同組合分段，通過最后的試驗數據確定最佳灑水次數（最接近的含水率）、碾壓遍數和松鋪系數。

主要施工工藝如圖3。

在實施紅土礫石料前，應優先進行試驗段。通過試驗段，總結正式段的紅土礫石料底基層攤鋪施工工藝流程為：

（1）放線與邊樁放樣。確定路基中心線，以邊樁形式確定底基層填筑的橫向寬度，考慮將邊坡壓實超寬的距離，通過松鋪系數確定底基層的填筑高度。

（2）卸土、推平、灑水與精平。在路基表面卸紅土礫石料達試驗段長度后，用推土機進行紅土礫石料的初平，然后按照松鋪系數要求確定松鋪厚度，查詢施工經驗確定攤鋪層厚與灑水次數。

（3）碾壓。首先光輪壓路機完成數遍碾壓，而后采用平地機精確平整，測量底基層頂面標高，循環碾壓。最后采用20 t以上振動壓路機進行碾壓保證路基頂面邊30 cm以外正常的震動碾壓，30 cm部分采用輕載壓路機靜壓薄弱環節或采用小型壓路機壓實。

（4）壓實度的檢測。建議壓實度檢測采用灌砂法，條件允許的話，采用核子密度儀等專業設備，不建議用環刀法。

（5）灑水養護。在施工過程中及時對驗收合格路面進行灑水養護保證底基層頂面不開裂起塵，避免車輛反復碾壓與水分流失，有利于下道工序施工。

另外，值得注意的是，通過對天然紅土礫石料的室內壓實試驗研究發現，由于天然紅土礫石料細粒土含量較大，在含水率過高時，會出現“彈簧土”“推擠”等現象的發生，故不建議在雨季進行底基層施工作業，料場注意排水措施的設置，防止雨水堆積的發生。

7 結語

（1）和非洲其他地區類似[5]，肯尼亞的天然紅土礫石料性能差異大，整體上其含泥量偏高、級配不均勻系數偏大，但CBR 強度適中。

（2）肯尼亞地區的天然紅土粒料是一種普遍缺失砂類土粒徑的粒料，不是一種理想的路面基層、路床填料。

（3）天然紅土礫石料在現場施工中大部分可以直接用于底基層填筑，其中少部分可用于路床，在后期使用中運行良好。

（4）紅土礫石料如用于基層時，應滿足土基基本參數（液限和塑性指數、磨耗值和CBR強度），同時其技術指標同時應考慮滿足粒徑的級配要求。

（5）在分析所有土樣的級配試驗，大多數土樣的不均勻系數較大，說明紅土礫石料的天然級配較差，并不是理想的路基填料。

（6）該文對肯尼亞天然紅土礫石料特性及工程實踐應用的研究，為今后在該地區實施工程提供很好的參考。

參考文獻

[1]曹長偉， 羅志剛， 錢勁松. 西非馬里地區級配紅土粒料的室內試驗研究[J]. 中外公路， 2015（5）： 54-57.

[2]楊戈， 陶澤峰. 西非紅土粒料形成及其應用[J]. 中外建筑， 2016（7）： 142-143.

[3]紀更占， 錢勁松， 凌建明. 西非馬里地區紅土粒料的礦物組成與路用性能[J]. 公路工程， 2017（5）： 327-331.

[4]曹長偉， 羅志剛， 錢勁松. 西非馬里地區級配紅土粒料的室內試驗研究[J]. 中外公路， 2015（5）： 54-57.

[5]張瑞菊， 王國康， 白墨. 非洲天然紅土粒料的路用性能及使用標準[J]. 交通科技， 2017（1）： 23-26.

收稿日期：2022-01-10

作者簡介：袁萬富（1991—），男，碩士，研究方向：路橋施工。