國內(nèi)外紅土礫石工程特性與路用性能研究

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(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201； 2.浙江交工錢潮建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051)

0 引言

隨著“走出去”與“一帶一路”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，我國大量企業(yè)已經(jīng)走出國門，迎接世界的挑戰(zhàn)。特別是在非洲的道路建設(shè)中，國內(nèi)的企業(yè)正在發(fā)揮頂梁柱的作用。眾所周知，非洲大部分國家不僅工業(yè)力量薄弱，建筑材料價(jià)格高昂，而且部落族群割據(jù)，材料運(yùn)輸困難，如何充分利用當(dāng)?shù)夭牧辖ㄔO(shè)高水平的工程不僅關(guān)系到企業(yè)的利潤與競爭力，也關(guān)系到國家聲譽(yù)。

非洲剛果盆地廣泛分布著一種由粘性土與碎礫石組成的紅褐色混合料，常稱之為紅土礫石[1]，實(shí)踐表明，這種土體含有大量不同粒徑的碎礫石，壓實(shí)后承載力高，是良好的筑路材料，在贊比亞、科特迪瓦、剛果(布)等國家的許多道路路基填筑中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益[2-4]。國內(nèi)也有被稱之為“紅土礫石”的巖土體，主要分布在北京和桂林。國內(nèi)紅土礫石中的礫石呈紫紅色，大小不一，多為棱角、次棱角狀[5-7]。國內(nèi)的一些專家對其成因開展一些研究，但對其工程特性研究較少。

為了充分了解國內(nèi)外紅土礫石的工程特性，本文對取自剛果盆地(剛果(布)基班古至多利吉道路整治工程)和國內(nèi)桂林四塘地區(qū)的土樣分別開展了一系列的土工試驗(yàn)，獲得了2種紅土礫石的工程特性，并基于國內(nèi)外規(guī)范分析了2種材料路用的可行性，對國內(nèi)外紅土礫石地區(qū)道路建設(shè)時(shí)的材料選擇有一定的參考意義。

1 非洲剛果盆地紅土礫石的特性

1.1 剛果盆地紅土礫石的成因

剛果盆地屬于熱帶雨林氣候，具有典型的干濕循環(huán)特征。雨季時(shí)，微酸性的雨水下滲后，雨水緩慢的淋溶、水解帶走了原巖中的可溶性二氧化硅和堿類物質(zhì)；到旱季，在強(qiáng)烈的高溫蒸發(fā)與毛細(xì)上升作用下，不溶性的鐵、鋁、硅等氧化物逐步上升，復(fù)合形成了不規(guī)則的球形鐵質(zhì)硅鋁結(jié)核體，并在不斷的膠結(jié)、復(fù)合、脫水的過程中，形成堅(jiān)硬的結(jié)核質(zhì)礫石。母巖不斷地釋放出鐵、鋁、硅等氧化物，最終演變成一般粘性土。形似圓狀的鐵質(zhì)硅鋁結(jié)核礫石與未分解的母巖碎塊石和分解后的粘性土最終形成了天然的紅土礫石。見圖1。

圖1 剛果盆地紅土礫石土樣

1.2 剛果盆地紅土礫石的工程特性

試樣取自剛果(布)基班古至多利吉道路(簡稱：基多道路)整治工程PK5+900處的料場。土樣取回并風(fēng)干后，在項(xiàng)目部實(shí)驗(yàn)室先后完成了篩分、擊實(shí)、液塑限、直剪和CBR等實(shí)驗(yàn)。

由篩分實(shí)驗(yàn)獲得的土樣顆粒級配典型曲線見圖2。土樣含石率(粒徑≥2 mm)為70.4%，細(xì)顆粒含量(粒徑≤0.075 mm)為4.2%；可計(jì)算得土樣的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為17.75和0.52，顆粒組成曲線較為順滑，為級配不良的礫石土。

圖2 剛果盆地紅土礫石顆粒級配曲線

剛果盆地紅土礫石的液塑限實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。經(jīng)過0.5 mm篩下的紅土礫石土樣的液限為35.5%，塑限為17.47%，相對應(yīng)的塑性指數(shù)為18.03%。

表1 土樣液限塑限實(shí)驗(yàn)結(jié)果土樣號液限WL/%塑限WP/%塑性指數(shù)IP/%133 5016 8016 70237 9019 3018 6033316 3516 6543617 7018 30537 1017 2019 90均值35 517 4718 03

擊實(shí)實(shí)驗(yàn)采用重型擊實(shí)法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2?？傻?，剛果盆地紅土礫石的最佳含水率為9.54%，最大干密度為2.16 g/cm3。最大干密度較一般黏土要大一些，主要是由于其含有一定量的礫石以及鋼渣般的鐵質(zhì)硅鋁結(jié)核體。

表2 土樣擊實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果土樣序號最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)土樣序號最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)19 52 1749 72 1629 52 1559 32 1739 72 15均值9 542 16

取紅土礫石的最佳含水率為9.54%，最大干密度為2.12 g/cm3，制作試樣、浸水4晝夜后進(jìn)行CBR試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。可見，土樣的加州承載比CBR隨干密度的增加而增大，兩者間近似線性關(guān)系。為便于工程應(yīng)用，將干密度換算為壓實(shí)度并進(jìn)行回歸分析，可得土樣CBR值與壓實(shí)度λ的關(guān)系為：

CBR=5.0424λ-444.33

(1)

式中:λ為土樣壓實(shí)度，%。

圖3 剛果盆地紅土礫石CBR與干密度關(guān)系

以最佳含水量9.54%制備試件后進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖4?？傻脛偣璧丶t土礫石的黏聚力c為77 kPa，內(nèi)摩擦角φ為42.3°?？梢?，該土樣壓實(shí)后其抗剪強(qiáng)度較高。

圖4 法向應(yīng)力與切應(yīng)力峰值的關(guān)系

2 桂林紅土礫石的特性

2.1 桂林紅土礫石的成因及組成

桂林的紅土礫石層大部分分布在桂林的四塘-六塘一帶。這些巖石表面呈紫紅色，堆積較雜亂，并沒有明顯的層序規(guī)律，礫石顆粒大小差異也比較大，大部分的礫石呈菱角狀。現(xiàn)有研究表明[6,7]，桂林紅土礫石的組成成分非常復(fù)雜，大部分屬于泥盆世巖石，在地質(zhì)上形成龍崗地貌，黏土和礫石是其主要的物質(zhì)成分，其中的紅土大部分是碳酸鹽風(fēng)華的產(chǎn)物，結(jié)構(gòu)比較松散，其空隙相對較小，含水率較低，具有較高的強(qiáng)度和膨脹性。見圖5。

圖5 桂林紅土礫石土樣

2.2 桂林紅土礫石的工程特性

從桂林四塘取樣后，同樣先后完成篩分試驗(yàn)、液塑限、擊實(shí)試驗(yàn)、直剪和CBR等試驗(yàn)，以獲得桂林紅土礫石的工程性能。

篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，桂林紅土礫石含石率(粒徑≥2 mm)為70.4%，細(xì)顆粒含量(粒徑≤0.075 mm)為4.2%；根據(jù)計(jì)算可以得出，不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)為17.75和0.52，顆粒組成曲線較為順滑(圖6)，同樣為級配不良的礫石土。

圖6 桂林紅土礫石的顆粒級配曲線

由液塑限試驗(yàn)得到桂林紅土礫石0.5 mm篩下代表性土樣的液限為42.86%，塑限為22.65%，塑性指數(shù)20.21%，較非洲紅土礫石的液塑限指標(biāo)要高。根據(jù)我國《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E40—2007)，桂林紅土礫石土樣屬于黏土質(zhì)礫石。

同樣采用重型擊實(shí)試驗(yàn)來確定桂林紅土礫石的最大干密度以及相應(yīng)的最佳含水量。試驗(yàn)結(jié)果見圖7。桂林紅土礫石的最大干密度為2.02 g/cm3，最佳含水率為10.07%，最大干密度也較一般黏土大一些，但較剛果盆地紅土礫石要小，主要由于兩者的礫石性質(zhì)不同。

圖7 紅土礫石含水量與干密度關(guān)系曲線

桂林紅土礫石直剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。可得桂林紅土礫石的黏聚力c為58 kPa，內(nèi)摩擦角φ為28.4°，其抗剪強(qiáng)度較剛果盆地紅土礫石要小。

圖8 法向應(yīng)力與切應(yīng)力峰值的關(guān)系

取最佳含水率為10.07%，最大干密度為2.02 g/cm3，制作試樣、浸水4晝夜后進(jìn)行CBR試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖9?？梢?，土樣CBR隨干密度的增加近似線性增大。將干密度換算為壓實(shí)度后得，當(dāng)土樣壓實(shí)度為90%時(shí)，其CBR為8.4%；當(dāng)壓實(shí)度為94%時(shí)，CBR為34.1%，當(dāng)壓實(shí)度為97.5%時(shí)，土樣的CBR為62.9%。土樣CBR值與壓實(shí)度式中符號意義同上。

圖9 桂林紅土礫石CBR與干密度關(guān)系

λ的關(guān)系為：

CBR=7.307 3λ-651.64

(2)

3 紅土礫石路用的可行性分析

由于歷史上很多國家都是法屬殖民地，目前非洲國家大都采用歐洲(特別是法國)體系的路基路面設(shè)計(jì)規(guī)范，其土方工程一般結(jié)合法國《公路工程指南》(Guide des travaux routiers)和當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)提出具體要求。剛果(布)基多道路整治工程技術(shù)合同對路基路面填料的要求見表3，當(dāng)用作路面底基層時(shí)還需要滿足圖10所示的粒徑要求。

我國《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[5]規(guī)定：高速公路、一級公路的上路床(路基頂面以下0～0.3 m)填料強(qiáng)度CBR不小于8%，填料最大粒徑應(yīng)小于100 mm,液限應(yīng)小于50%、塑性指數(shù)小于26%。我國《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》[6]對路面底基層材料的要求為：最大粒徑不超過53 mm,液限應(yīng)小于28%，塑性指數(shù)應(yīng)小于9%，壓實(shí)度不小于96%，相應(yīng)浸水4 d后的CBR不小于60%，同時(shí)礫料類材料的級配需滿足圖10中所示國內(nèi)規(guī)范要求。

表3 剛果(布)基多公路填料要求%類別粒徑2mm篩孔通過率<80μm的含量4d浸泡后承載比CBR塑限WL液限WP壓實(shí)度填方工程—<50≥15<25<50≥92墊層—<40≥20<25<50≥95底基層<50<25≥30<25<40≥98

圖10 國內(nèi)外規(guī)范對路面基層材料的顆粒料徑要求

對照表3要求可看到，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到92%(CBR=19.57%)、95%(CBR=34.7%)以上時(shí)，非洲剛果盆地的紅土礫石可以滿足基多道路填方工程和墊層的要求，當(dāng)壓實(shí)度分別達(dá)到98%(CBR=49.83%)以上時(shí)可以滿足底基層填料的要求，即天然紅土礫石可以直接作為路面底基層材料。但現(xiàn)有非洲道路建設(shè)中大多采用水泥經(jīng)改良后再用作路面底基層，改良后要求4 d浸泡后承載比CBR不小于160%，一般水泥摻量為4%～6%，而瀝青路面基層多采用級配碎石。

可見，若按國內(nèi)規(guī)范要求，剛果盆地紅土礫石可以滿足高等級公路路床的要求，但當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到96%時(shí)，其CBR值還未能達(dá)到規(guī)范要求的60%以上?？梢?，該紅土礫石是一種良好的路基填料，強(qiáng)度高，可以用作路基填筑，但不宜直接用作路面底基層材料，應(yīng)當(dāng)對其進(jìn)行改良。相比之下，國內(nèi)桂林地區(qū)紅土礫石的強(qiáng)度較剛果盆地紅土礫石要差一些，但按國內(nèi)規(guī)范要求，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范要求時(shí)，這種材料也能很好地用作各級公路路基填筑料，雖然當(dāng)壓實(shí)度為98%時(shí)，土樣的CBR為64.47%，達(dá)到路面底基層材料的要求，但桂林紅土礫石的水穩(wěn)性比較差，不宜直接用作路基底基層材料。

4 結(jié)語

隨著非洲國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷推進(jìn)，國內(nèi)的路橋建設(shè)企業(yè)也將會越來越多參與進(jìn)去，充分利用當(dāng)?shù)亟ㄖ牧鲜枪こ探ㄔO(shè)基本要求。本文通過土工實(shí)驗(yàn)對取自非洲剛果盆地和國內(nèi)桂林紅土礫石的特性研究進(jìn)行對比性研究，可以看到：

1) 非洲剛果盆地紅土礫石為結(jié)核質(zhì)礫石，桂林礫石為泥質(zhì)礫石，兩者的物理力學(xué)性能也有較大的差別。相比之下，剛果盆地紅土礫石的承載比CBR和抗剪強(qiáng)度較國內(nèi)紅土礫石要高。

2) 按業(yè)主提供的技術(shù)要求，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到92%以上時(shí)，非洲剛果盆地的紅土礫石可以滿足基多道路整治工程中填方工程和墊層的要求，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到98%以上時(shí)可以滿足底基層填料的要求。

3)桂林紅土礫石具有強(qiáng)度高，當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到規(guī)范要求時(shí)，可以用作各級公路路基填筑料，但不宜直接用作路面底基層材料。

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