烏干達(dá)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(tuán)有限公司 北京 100024; 2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)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(xué)者對紅黏土進(jìn)行了研究。

李光等[1]以廣西南柳高速項(xiàng)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(xué)特征進(jìn)行了探討，這種干濕循環(huán)外界條件與實(shí)際工程應(yīng)用條件更加接近，有利于對紅黏土工程特性實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步探討。萬智等[6]對改性紅黏土的擊實(shí)特性進(jìn)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(jī)理進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行了分析。調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)有支護(hù)的紅黏土邊坡比無支護(hù)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(hù)形式所適應(yīng)的不同坡率。

高液限紅黏土在烏干達(dá)KE高速公路項(xiàng)目全線分布，為了對高液限紅黏土的工程特性進(jìn)行進(jìn)一步探究，本文以烏干達(dá)KE高速公路工程項(xiàng)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(jìn)行研究，以期為非洲其他地區(qū)高液限紅黏土的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

烏干達(dá)KE高速公路是第一個在烏干達(dá)地區(qū)采用中國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)的工程項(xiàng)目。該項(xiàng)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(jī)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(xiàng)目所處位置為平原微丘地區(qū)，項(xiàng)目全線地形復(fù)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(jìn)行軟基處理。

KE項(xiàng)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(xiàng)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(dǎo)致壓實(shí)困難，但在干燥季節(jié)容易失水導(dǎo)致路基出現(xiàn)裂縫，一般需要對其進(jìn)行改良才可以進(jìn)行工程應(yīng)用。為了更好地利用東非地區(qū)特有的原材料進(jìn)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(shí)驗(yàn)和路用性能特性的試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)所得的紅黏土的基本物理特性指標(biāo)見表1，塑性圖見圖1。

表1 紅黏土的基本物理特性指標(biāo)

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(yīng)用提供依據(jù)，需要對土進(jìn)行顆粒分析。本節(jié)根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》采取篩分法進(jìn)行試驗(yàn)，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(jìn)行篩分，篩分試驗(yàn)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(xì)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(xì)粒類土。

3 高液限紅黏土路用性能研究

3.1 紅黏土CBR試驗(yàn)

CBR試驗(yàn)，即加州承載比(California Bearing Ratio)試驗(yàn)，是用于評定路基土和路面材料強(qiáng)度的指標(biāo)。CBR值為試料貫入量達(dá)到2.5 mm或5 mm時的單位壓力與標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時的標(biāo)準(zhǔn)荷載(7 MPa或10.5 MPa)的比值，用百分?jǐn)?shù)來表示。CBR值與路基的穩(wěn)定性有密切的關(guān)系，KE項(xiàng)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(jìn)行。重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)紅黏土的CBR的試驗(yàn)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(yīng)貫入度的標(biāo)準(zhǔn)單位壓力，kPa。

表3 紅黏土CBR試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)表3，由KE高速沿線紅黏土進(jìn)行10，30，65次重錘擊實(shí)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(qiáng)度的最低要求。當(dāng)擊實(shí)次數(shù)達(dá)到65次時，紅黏土的CBR值能夠達(dá)到32%以上，強(qiáng)度較高，滿足換填要求。在相同含水率條件下，隨著擊實(shí)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(shí)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(yàn)

直接剪切試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)都是測定土體抗剪強(qiáng)度的室內(nèi)土工試驗(yàn)方法，但直剪試驗(yàn)有著方便操作和誤差小的特點(diǎn)，本節(jié)對紅黏土的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)采用直接剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的儀器為應(yīng)變控制式直剪儀，通過施加水平剪應(yīng)力而使土樣發(fā)生剪切破壞，測出土樣的抗剪強(qiáng)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(shí)度為90%和95%的紅黏土重塑土樣進(jìn)行快剪試驗(yàn)，極限剪應(yīng)力與豎向壓力的關(guān)系見圖3，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

圖3 極限剪應(yīng)力-豎向壓應(yīng)力圖

表4 紅黏土快剪試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，紅黏土的極限剪應(yīng)力、黏聚力、內(nèi)摩擦角與其壓實(shí)度有關(guān)，壓實(shí)度越高，極限剪應(yīng)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(shí)度上升的增幅不同，同樣的壓實(shí)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(shí)度的提高，土粒間的膠結(jié)力也隨之增強(qiáng)。

3.3 紅黏土固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)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(biāo)。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(diǎn)且天然含水率高，進(jìn)行壓實(shí)時較為困難，因此，對其壓縮性能進(jìn)行研究具有必要性。

本次固結(jié)試驗(yàn)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(jìn)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(yàn)開始時的試樣孔隙比；ρs為土粒密度，g/cm3；w0為試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)結(jié)果見表5。

表5 紅黏土固結(jié)試驗(yàn)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(dá)KE高速沿線高液限紅黏土取樣，進(jìn)行物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)方面的室內(nèi)土工試驗(yàn)，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(diǎn)；篩分法試驗(yàn)結(jié)果表明紅黏土最大粒徑不足5 mm，且粒徑<0.075 mm的細(xì)顆粒含量在69%以上，KE高速沿線紅黏土屬于細(xì)粒土。

2)CBR試驗(yàn)表明紅黏土的CBR值較大，基本在9.3%以上，65次擊實(shí)后CBR值可達(dá)到32%以上，能夠滿足軟基處理所要求的CBR值；直剪試驗(yàn)表明紅黏土的抗剪強(qiáng)度、黏聚力，以及內(nèi)摩擦角對壓實(shí)度的變化較為敏感，隨著壓實(shí)度的增加而增大；固結(jié)試驗(yàn)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。