国内外红土砾石工程特性与路用性能研究

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(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201； 2.浙江交工钱潮建设有限公司，浙江 杭州 310051)

0 引言

随着“走出去”与“一带一路”战略的不断推进，我国大量企业已经走出国门，迎接世界的挑战。特别是在非洲的道路建设中，国内的企业正在发挥顶梁柱的作用。众所周知，非洲大部分国家不仅工业力量薄弱，建筑材料价格高昂，而且部落族群割据，材料运输困难，如何充分利用当地材料建设高水平的工程不仅关系到企业的利润与竞争力，也关系到国家声誉。

非洲刚果盆地广泛分布着一种由粘性土与碎砾石组成的红褐色混合料，常称之为红土砾石[1]，实践表明，这种土体含有大量不同粒径的碎砾石，压实后承载力高，是良好的筑路材料，在赞比亚、科特迪瓦、刚果(布)等国家的许多道路路基填筑中，取得了较好的经济效益[2-4]。国内也有被称之为“红土砾石”的岩土体，主要分布在北京和桂林。国内红土砾石中的砾石呈紫红色，大小不一，多为棱角、次棱角状[5-7]。国内的一些专家对其成因开展一些研究，但对其工程特性研究较少。

为了充分了解国内外红土砾石的工程特性，本文对取自刚果盆地(刚果(布)基班古至多利吉道路整治工程)和国内桂林四塘地区的土样分别开展了一系列的土工试验，获得了2种红土砾石的工程特性，并基于国内外规范分析了2种材料路用的可行性，对国内外红土砾石地区道路建设时的材料选择有一定的参考意义。

1 非洲刚果盆地红土砾石的特性

1.1 刚果盆地红土砾石的成因

刚果盆地属于热带雨林气候，具有典型的干湿循环特征。雨季时，微酸性的雨水下渗后，雨水缓慢的淋溶、水解带走了原岩中的可溶性二氧化硅和碱类物质；到旱季，在强烈的高温蒸发与毛细上升作用下，不溶性的铁、铝、硅等氧化物逐步上升，复合形成了不规则的球形铁质硅铝结核体，并在不断的胶结、复合、脱水的过程中，形成坚硬的结核质砾石。母岩不断地释放出铁、铝、硅等氧化物，最终演变成一般粘性土。形似圆状的铁质硅铝结核砾石与未分解的母岩碎块石和分解后的粘性土最终形成了天然的红土砾石。见图1。

图1 刚果盆地红土砾石土样

1.2 刚果盆地红土砾石的工程特性

试样取自刚果(布)基班古至多利吉道路(简称：基多道路)整治工程PK5+900处的料场。土样取回并风干后，在项目部实验室先后完成了筛分、击实、液塑限、直剪和CBR等实验。

由筛分实验获得的土样颗粒级配典型曲线见图2。土样含石率(粒径≥2 mm)为70.4%，细颗粒含量(粒径≤0.075 mm)为4.2%；可计算得土样的不均匀系数和曲率系数分别为17.75和0.52，颗粒组成曲线较为顺滑，为级配不良的砾石土。

图2 刚果盆地红土砾石颗粒级配曲线

刚果盆地红土砾石的液塑限实验结果见表1。经过0.5 mm筛下的红土砾石土样的液限为35.5%，塑限为17.47%，相对应的塑性指数为18.03%。

表1 土样液限塑限实验结果土样号液限WL/%塑限WP/%塑性指数IP/%133 5016 8016 70237 9019 3018 6033316 3516 6543617 7018 30537 1017 2019 90均值35 517 4718 03

击实实验采用重型击实法，实验结果见表2。可得，刚果盆地红土砾石的最佳含水率为9.54%，最大干密度为2.16 g/cm3。最大干密度较一般黏土要大一些，主要是由于其含有一定量的砾石以及钢渣般的铁质硅铝结核体。

表2 土样击实实验结果土样序号最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)土样序号最佳含水率/%最大干密度/(g·cm-3)19 52 1749 72 1629 52 1559 32 1739 72 15均值9 542 16

取红土砾石的最佳含水率为9.54%，最大干密度为2.12 g/cm3，制作试样、浸水4昼夜后进行CBR试验，试验结果见图3。可见，土样的加州承载比CBR随干密度的增加而增大，两者间近似线性关系。为便于工程应用，将干密度换算为压实度并进行回归分析，可得土样CBR值与压实度λ的关系为：

CBR=5.0424λ-444.33

(1)

式中:λ为土样压实度，%。

图3 刚果盆地红土砾石CBR与干密度关系

以最佳含水量9.54%制备试件后进行直剪实验，结果见图4。可得刚果盆地红土砾石的黏聚力c为77 kPa，内摩擦角φ为42.3°。可见，该土样压实后其抗剪强度较高。

图4 法向应力与切应力峰值的关系

2 桂林红土砾石的特性

2.1 桂林红土砾石的成因及组成

桂林的红土砾石层大部分分布在桂林的四塘-六塘一带。这些岩石表面呈紫红色，堆积较杂乱，并没有明显的层序规律，砾石颗粒大小差异也比较大，大部分的砾石呈菱角状。现有研究表明[6,7]，桂林红土砾石的组成成分非常复杂，大部分属于泥盆世岩石，在地质上形成龙岗地貌，黏土和砾石是其主要的物质成分，其中的红土大部分是碳酸盐风华的产物，结构比较松散，其空隙相对较小，含水率较低，具有较高的强度和膨胀性。见图5。

图5 桂林红土砾石土样

2.2 桂林红土砾石的工程特性

从桂林四塘取样后，同样先后完成筛分试验、液塑限、击实试验、直剪和CBR等试验，以获得桂林红土砾石的工程性能。

筛分实验结果表明，桂林红土砾石含石率(粒径≥2 mm)为70.4%，细颗粒含量(粒径≤0.075 mm)为4.2%；根据计算可以得出，不均匀系数和曲率系数为17.75和0.52，颗粒组成曲线较为顺滑(图6)，同样为级配不良的砾石土。

图6 桂林红土砾石的颗粒级配曲线

由液塑限试验得到桂林红土砾石0.5 mm筛下代表性土样的液限为42.86%，塑限为22.65%，塑性指数20.21%，较非洲红土砾石的液塑限指标要高。根据我国《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)，桂林红土砾石土样属于黏土质砾石。

同样采用重型击实试验来确定桂林红土砾石的最大干密度以及相应的最佳含水量。试验结果见图7。桂林红土砾石的最大干密度为2.02 g/cm3，最佳含水率为10.07%，最大干密度也较一般黏土大一些，但较刚果盆地红土砾石要小，主要由于两者的砾石性质不同。

图7 红土砾石含水量与干密度关系曲线

桂林红土砾石直剪实验结果见图8。可得桂林红土砾石的黏聚力c为58 kPa，内摩擦角φ为28.4°，其抗剪强度较刚果盆地红土砾石要小。

图8 法向应力与切应力峰值的关系

取最佳含水率为10.07%，最大干密度为2.02 g/cm3，制作试样、浸水4昼夜后进行CBR试验。试验结果见图9。可见，土样CBR随干密度的增加近似线性增大。将干密度换算为压实度后得，当土样压实度为90%时，其CBR为8.4%；当压实度为94%时，CBR为34.1%，当压实度为97.5%时，土样的CBR为62.9%。土样CBR值与压实度式中符号意义同上。

图9 桂林红土砾石CBR与干密度关系

λ的关系为：

CBR=7.307 3λ-651.64

(2)

3 红土砾石路用的可行性分析

由于历史上很多国家都是法属殖民地，目前非洲国家大都采用欧洲(特别是法国)体系的路基路面设计规范，其土方工程一般结合法国《公路工程指南》(Guide des travaux routiers)和当地气候特点提出具体要求。刚果(布)基多道路整治工程技术合同对路基路面填料的要求见表3，当用作路面底基层时还需要满足图10所示的粒径要求。

我国《公路路基设计规范》(JTG D30—2015)[5]规定：高速公路、一级公路的上路床(路基顶面以下0～0.3 m)填料强度CBR不小于8%，填料最大粒径应小于100 mm,液限应小于50%、塑性指数小于26%。我国《公路路面基层施工技术细则》[6]对路面底基层材料的要求为：最大粒径不超过53 mm,液限应小于28%，塑性指数应小于9%，压实度不小于96%，相应浸水4 d后的CBR不小于60%，同时砾料类材料的级配需满足图10中所示国内规范要求。

表3 刚果(布)基多公路填料要求%类别粒径2mm筛孔通过率<80μm的含量4d浸泡后承载比CBR塑限WL液限WP压实度填方工程—<50≥15<25<50≥92垫层—<40≥20<25<50≥95底基层<50<25≥30<25<40≥98

图10 国内外规范对路面基层材料的颗粒料径要求

对照表3要求可看到，当压实度达到92%(CBR=19.57%)、95%(CBR=34.7%)以上时，非洲刚果盆地的红土砾石可以满足基多道路填方工程和垫层的要求，当压实度分别达到98%(CBR=49.83%)以上时可以满足底基层填料的要求，即天然红土砾石可以直接作为路面底基层材料。但现有非洲道路建设中大多采用水泥经改良后再用作路面底基层，改良后要求4 d浸泡后承载比CBR不小于160%，一般水泥掺量为4%～6%，而沥青路面基层多采用级配碎石。

可见，若按国内规范要求，刚果盆地红土砾石可以满足高等级公路路床的要求，但当压实度达到96%时，其CBR值还未能达到规范要求的60%以上。可见，该红土砾石是一种良好的路基填料，强度高，可以用作路基填筑，但不宜直接用作路面底基层材料，应当对其进行改良。相比之下，国内桂林地区红土砾石的强度较刚果盆地红土砾石要差一些，但按国内规范要求，当压实度达到规范要求时，这种材料也能很好地用作各级公路路基填筑料，虽然当压实度为98%时，土样的CBR为64.47%，达到路面底基层材料的要求，但桂林红土砾石的水稳性比较差，不宜直接用作路基底基层材料。

4 结语

随着非洲国家基础建设的不断推进，国内的路桥建设企业也将会越来越多参与进去，充分利用当地建筑材料是工程建设基本要求。本文通过土工实验对取自非洲刚果盆地和国内桂林红土砾石的特性研究进行对比性研究，可以看到：

1) 非洲刚果盆地红土砾石为结核质砾石，桂林砾石为泥质砾石，两者的物理力学性能也有较大的差别。相比之下，刚果盆地红土砾石的承载比CBR和抗剪强度较国内红土砾石要高。

2) 按业主提供的技术要求，当压实度达到92%以上时，非洲刚果盆地的红土砾石可以满足基多道路整治工程中填方工程和垫层的要求，当压实度达到98%以上时可以满足底基层填料的要求。

3)桂林红土砾石具有强度高，当压实度达到规范要求时，可以用作各级公路路基填筑料，但不宜直接用作路面底基层材料。

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