肯尼亞地區(qū)紅土礫石料室內(nèi)試驗(yàn)性能和施工工藝研究

袁萬富　羅通

摘要 文章對肯尼亞內(nèi)羅畢環(huán)城路沿線多個(gè)紅土礫石料進(jìn)行了調(diào)查，對各個(gè)紅土礫石料場采集了多組試驗(yàn)樣本進(jìn)行分析，總結(jié)了當(dāng)?shù)丶t土礫石料的級配特征以及CBR特性及其壓實(shí)特性。通過最終的試驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)表明紅土礫石料的CBR值大于15，最優(yōu)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(guān)鍵詞 紅土礫石料;級配; CBR;擊實(shí)特性

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

概述

全世界范圍內(nèi)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(qū)。

隨著“國內(nèi)國際雙循環(huán)”政策提出，越來越多的中國企業(yè)公司參與國外工程項(xiàng)目。在公路建設(shè)項(xiàng)目中，部分地區(qū)項(xiàng)目位于紅土地區(qū)，項(xiàng)目沿線缺少碎石、黏土等優(yōu)質(zhì)填料。為了降低工程建設(shè)的成本，盡可能地使用當(dāng)?shù)刂凡牧铣蔀楹芏囗?xiàng)目的必然選擇。紅土礫石料在東非肯尼亞料源豐富，在當(dāng)?shù)氐牡缆坊鶎硬牧现械玫搅艘欢ǔ潭鹊膽?yīng)用。充分了解紅土粒料的工程性質(zhì)，為項(xiàng)目的順利實(shí)施提供先決條件。

基于上述情況，為了充分利用當(dāng)?shù)靥烊患t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(shí)特性和力學(xué)性能進(jìn)行研究，為今后參與肯尼亞區(qū)域項(xiàng)目的中國公司提供借鑒與參考。

從項(xiàng)目的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和工程應(yīng)用的角度，應(yīng)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(jié)構(gòu)層。

1 紅土礫石料的成因和化學(xué)組成

根據(jù)調(diào)研，紅土礫石料主要分布在熱帶和亞熱帶等地區(qū)，其為粘性土和不同粒徑的碎石膠結(jié)而組合的一種混合料，作為東非地區(qū)廣泛采用的一種路面填料。根據(jù)現(xiàn)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(jù)Godfrey Njihia Hinga的研究[1]，肯尼亞地區(qū)紅土礫石料的主要成分如表1。

礫石組紅土粒料以鐵質(zhì)硅鋁結(jié)核氧化物構(gòu)成并以塊狀或球狀形式存在，其內(nèi)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(gòu)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(jìn)一步膠結(jié)、復(fù)合的金屬礦物構(gòu)成[2]。在對比紅土礫石料組成成分的研究過程中，發(fā)現(xiàn)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(zhì)硅鋁結(jié)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(jù)地質(zhì)調(diào)繪成果，對肯尼亞首都內(nèi)羅畢環(huán)城路沿線的多個(gè)料場進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)后形成了曲線圖如圖1，得出個(gè)別土樣的不均勻系數(shù)Cu=11.33，曲率系數(shù)Cc=2.64。

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

3 擊實(shí)特性與最佳含水量

現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中，分析土的干密度與最優(yōu)含水量，分析最大干密度以及對應(yīng)最優(yōu)含水量。選擇天然紅土礫石料經(jīng)典級配，采用全自動擊實(shí)儀器測定，主要分三層進(jìn)行重型擊實(shí)，分析對比擊實(shí)曲線如圖2。從數(shù)據(jù)分析可以看出，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加，其最大干密度也在逐漸增大。因此可以得出結(jié)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(jù)項(xiàng)目沿線取土場取得的土樣所做的壓實(shí)試驗(yàn)，紅土礫石料最大壓實(shí)密度為1 213～1 580 kg/m3，所對應(yīng)的最佳含水量22.1%～36.1%。所取土樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果：隨著壓實(shí)密度增大，最佳含水量隨之越低;隨著最大壓實(shí)密度減小，最佳含水量也減小。

4 紅土粒料的CBR試驗(yàn)

根據(jù)美國ASSHTO規(guī)范，在項(xiàng)目沿線取土場取得的土樣，按照施工時(shí)最佳含水量以及壓實(shí)度要求制備試樣。試驗(yàn)制備后，在加載之前浸泡四晝夜。沿線取土場共取土樣23個(gè)，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(shí)度要求

根據(jù)肯尼亞規(guī)范：軟質(zhì)材料填筑時(shí)，分層填筑，層厚不得超過150 mm（壓實(shí)后）。硬質(zhì)材料填筑時(shí)，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(yīng)至少壓實(shí)到95%的最大干密度（標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)），其中路基最上部300 mm干密度則應(yīng)壓實(shí)到至少100%的最大干密度（標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)）。路堤應(yīng)盡快建成，以確保有足夠的時(shí)間防止路面裂縫產(chǎn)生。因此，最佳壓實(shí)率下的最優(yōu)含水量應(yīng)不超過105%。

軟質(zhì)填料的4天浸水CBR應(yīng)大于8%，且膨脹率不超過1%。

對路面結(jié)構(gòu)下300 mm路床的4天浸水CBR應(yīng)不小于15%，膨脹率不應(yīng)超過1%，壓實(shí)度為100%，并且粒徑不應(yīng)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(nèi)壓實(shí)或現(xiàn)場碾壓下破碎嚴(yán)重，大顆粒的破碎剛好能對級配本身的缺失進(jìn)行填充。在現(xiàn)場實(shí)際施工過程應(yīng)充分保證壓實(shí)工藝，保證紅土礫石料充分破碎和壓實(shí)，能有效提高路基整體壓實(shí)度。

施工的主要工藝原理為：

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

（2）根據(jù)既有工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(yàn)段（≮500 m），以獲得前期施工的具體控制參數(shù)。試驗(yàn)段按不同灑水次數(shù)和膠輪、弱振與強(qiáng)振不同組合分段，通過最后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定最佳灑水次數(shù)（最接近的含水率）、碾壓遍數(shù)和松鋪系數(shù)。

主要施工工藝如圖3。

在實(shí)施紅土礫石料前，應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行試驗(yàn)段。通過試驗(yàn)段，總結(jié)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?qū)挾?，考慮將邊坡壓實(shí)超寬的距離，通過松鋪系數(shù)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(dá)試驗(yàn)段長度后，用推土機(jī)進(jìn)行紅土礫石料的初平，然后按照松鋪系數(shù)要求確定松鋪厚度，查詢施工經(jīng)驗(yàn)確定攤鋪層厚與灑水次數(shù)。

（3）碾壓。首先光輪壓路機(jī)完成數(shù)遍碾壓，而后采用平地機(jī)精確平整，測量底基層頂面標(biāo)高，循環(huán)碾壓。最后采用20 t以上振動壓路機(jī)進(jìn)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(jī)靜壓薄弱環(huán)節(jié)或采用小型壓路機(jī)壓實(shí)。

（4）壓實(shí)度的檢測。建議壓實(shí)度檢測采用灌砂法，條件允許的話，采用核子密度儀等專業(yè)設(shè)備，不建議用環(huán)刀法。

（5）灑水養(yǎng)護(hù)。在施工過程中及時(shí)對驗(yàn)收合格路面進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)保證底基層頂面不開裂起塵，避免車輛反復(fù)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(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，由于天然紅土礫石料細(xì)粒土含量較大，在含水率過高時(shí)，會出現(xiàn)“彈簧土”“推擠”等現(xiàn)象的發(fā)生，故不建議在雨季進(jìn)行底基層施工作業(yè)，料場注意排水措施的設(shè)置，防止雨水堆積的發(fā)生。

7 結(jié)語

（1）和非洲其他地區(qū)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(shù)偏大，但CBR 強(qiáng)度適中。

（2）肯尼亞地區(qū)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(xiàn)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(yùn)行良好。

（4）紅土礫石料如用于基層時(shí)，應(yīng)滿足土基基本參數(shù)（液限和塑性指數(shù)、磨耗值和CBR強(qiáng)度），同時(shí)其技術(shù)指標(biāo)同時(shí)應(yīng)考慮滿足粒徑的級配要求。

（5）在分析所有土樣的級配試驗(yàn)，大多數(shù)土樣的不均勻系數(shù)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(shí)踐應(yīng)用的研究，為今后在該地區(qū)實(shí)施工程提供很好的參考。

參考文獻(xiàn)

[1]曹長偉， 羅志剛， 錢勁松. 西非馬里地區(qū)級配紅土粒料的室內(nèi)試驗(yàn)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(yīng)用[J]. 中外建筑， 2016（7）： 142-143.

[3]紀(jì)更占， 錢勁松， 凌建明. 西非馬里地區(qū)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(qū)級配紅土粒料的室內(nèi)試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)[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。