乌干达高液限红黏土路用性能研究

李金成 程 鹏 武 林 罗吕青 李 红

(1.中交第一公路工程局集团有限公司 北京 100024; 2.武汉理工大学交通学院 武汉 430063)

高液限红黏土为碳酸盐岩系出露的岩石经红土化作用形成的棕红、褐黄等色的高塑性黏土。其裂隙发育，液限一般大于50%，具有明显的收缩性，但压缩性低。干容重为16～17 kN/m3，自由膨胀率为5%～20%。鉴于高液限红黏土特殊的物理性质和工程性质，众多学者对红黏土进行了研究。

李光等[1]以广西南柳高速项目为工程背景，探究对红黏土改良之后的工程性质。2005-2011年间，许多研究[2-5]在干湿循环的外界条件下对红黏土的力学特征进行了探讨，这种干湿循环外界条件与实际工程应用条件更加接近，有利于对红黏土工程特性实现进一步探讨。万智等[6]对改性红黏土的击实特性进行了研究。武鹏[7]以宁夏六盘山东麓地区为例，对红黏土的工程地质性质和滑坡机理进行了探究。邹新奇等[8]通过研究发现红黏土边坡和普通边坡的破坏形态有很大区别，需要重点研究。蒋洪等[9]针对红黏土填筑边坡出现的病害，对江西省内多条高速公路和国道公路的294处边坡的破坏形式进行了分析。调查结果发现有支护的红黏土边坡比无支护的边坡具有更好的安全性。并根据调查结果给出了不同边坡支护形式所适应的不同坡率。

高液限红黏土在乌干达KE高速公路项目全线分布，为了对高液限红黏土的工程特性进行进一步探究，本文以乌干达KE高速公路工程项目为依托，对KE高速沿线的高液限红黏土的物理性质及路用性能进行研究，以期为非洲其他地区高液限红黏土的应用提供经验。

1 工程概况

乌干达KE高速公路是第一个在乌干达地区采用中国标准进行建设的工程项目。该项目全长51.4 km，其中主线连接首都坎帕拉市和恩德培国际机场，长度为37.23 km，支线连接维多利亚湖(Lake Victoria)度假村，长度为14.13 km。

本项目所处位置为平原微丘地区，项目全线地形复杂，存在诸多高原及山地，路线周边就是维多利亚湖区，有多处季节性沼泽和永久性沼泽，需对其进行软基处理。

KE项目中软基处理主要采用3种方式：普通软基换填、抛石挤淤、围堰换填。3种软基处理对填筑材料的CBR均有较高要求，其中软基换填优先选择CBR>15%的换填材料；抛石挤淤在抛石完成后，石块上仍填筑CBR>7%材料并分层填筑碾压；围堰换填部分使用石块置换软泥，级配碎石填充石块缝隙后，上面仍需填筑CBR>7%材料并分层填筑碾压。

KE高速公路项目沿线区域分布的主要为东非地区特有的高液限红黏土，由于天然含水率高而导致压实困难，但在干燥季节容易失水导致路基出现裂缝，一般需要对其进行改良才可以进行工程应用。为了更好地利用东非地区特有的原材料进行路基填筑，有必要对高液限红黏土开展一系列的物理特性实验和路用性能特性的试验，以测试其是否满足软基处理需求。

2 高液限红黏土物理特性

2.1 红黏土的基本物理性质

土的常用物理特性包括天然含水率、液限、塑性指数、比重等，根据JTG E40-2007 《公路土工试验规程》，使用烘干法测定土体样本的含水率，通过比重瓶法测得土体样本的比重，通过液限碟式仪法和塑限滚搓法测得土体样本的液限、塑限与塑性指数，试验所得的红黏土的基本物理特性指标见表1，塑性图见图1。

表1 红黏土的基本物理特性指标

图1 塑性图

由表1可见，红黏土的天然含水率为32.5%，密度为2.43 g·cm-3，液限为58%，塑限为32%，将各值代入式(1)中可计算得到红黏土的液性指数为0.019 2，即0

(1)

式中：IL为液性指数；w为天然含水率，%；wP为塑限，%；IP为塑性指数。

2.2 红黏土的颗粒分析

为了定量描述土粒中各个粒组的含量，确定土粒粒径的大小和级配，对土的分类、定名和工程应用提供依据，需要对土进行颗粒分析。本节根据JTG E40-2007 《公路土工试验规程》采取筛分法进行试验，筛分孔径依次为5.0，2.0，1.0，0.5，0.25，0.075 mm，取300 g烘干后的土样进行筛分，筛分试验结果见表2和图2。

表2 红黏土筛分结果

图2 红黏土颗粒级配曲线

由图2可知，KE高速沿线红黏土中粒径在0.075 mm以下的细颗粒占主要部分，约为69%，粗粒组含量较少，最大粒径未超过5 mm，该类土体属于细粒类土。

3 高液限红黏土路用性能研究

3.1 红黏土CBR试验

CBR试验，即加州承载比(California Bearing Ratio)试验，是用于评定路基土和路面材料强度的指标。CBR值为试料贯入量达到2.5 mm或5 mm时的单位压力与标准碎石压入相同贯入量时的标准荷载(7 MPa或10.5 MPa)的比值，用百分数来表示。CBR值与路基的稳定性有密切的关系，KE项目对围堰换填、抛石挤淤、普通软基换填中所用的填筑材料有明确的CBR值要求，因此必须测试红黏土的CBR值是否满足换填要求。CBR值的计算按照式(2)进行。重型标准击实试验红黏土的CBR的试验结果见表3。

(2)

式中：CBR为承载比，%；p为某一贯入度的土的单位压力，kPa；ps为对应贯入度的标准单位压力，kPa。

表3 红黏土CBR试验结果

据表3，由KE高速沿线红黏土进行10，30，65次重锤击实后得出的结果可以看出，红黏土膨胀量小，CBR值较高，基本在9%以上，能够满足路基填料强度的最低要求。当击实次数达到65次时，红黏土的CBR值能够达到32%以上，强度较高，满足换填要求。在相同含水率条件下，随着击实次数的增加，土样干密度逐渐增大，浸泡4 d后的含水率越低，膨胀量越低，表明土颗粒之间孔隙随着击实次数的增加而坍缩减少，可容纳的水分也在减少。

3.2 红黏土直接剪切试验

直接剪切试验和三轴试验都是测定土体抗剪强度的室内土工试验方法，但直剪试验有着方便操作和误差小的特点，本节对红黏土的抗剪强度试验采用直接剪切试验。试验采用的仪器为应变控制式直剪仪，通过施加水平剪应力而使土样发生剪切破坏，测出土样的抗剪强度，再根据库仑定理计算出土样的内摩擦角和黏聚力。

本文以垂直压力为100，200，300，400 kPa下压实度为90%和95%的红黏土重塑土样进行快剪试验，极限剪应力与竖向压力的关系见图3，试验结果见表4。

图3 极限剪应力-竖向压应力图

表4 红黏土快剪试验结果

由表4可知，红黏土的极限剪应力、黏聚力、内摩擦角与其压实度有关，压实度越高，极限剪应力、黏聚力、内摩擦角也越大，但是黏聚力和内摩擦角随着压实度上升的增幅不同，同样的压实度变化下，黏聚力的增幅较大，内摩擦角增幅较小，原因是随着土样压实度的提高，土粒间的胶结力也随之增强。

3.3 红黏土固结试验

固结试验用于研究土体在侧限条件下的变形与时间-压力的关系，可用来确定土的压缩系数、压缩模量等指标。KE高速设计文件要求用于路基填筑的土必须为中低压缩性土，即其压缩系数必须不超过0.5 MPa-1，KE高速沿线红黏土具备高液限的特点且天然含水率高，进行压实时较为困难，因此，对其压缩性能进行研究具有必要性。

本次固结试验采用的环刀直径为61.8 mm，高20 mm，按照100，200，300，400 kPa 4级荷载施加垂直压力，每级压力施加后24 h后记录数值。根据四级压力下试样的变形量，按照下列公式(2)～(7)进行计算。

初始孔隙比

(3)

单位沉降量

(4)

各级荷载压力下变形稳定后的孔隙比

(5)

某荷载范围内的压缩系数

(6)

某荷载范围内的压缩模量

(7)

式中：Es为压缩模量，kPa；a为压缩系数，kPa-1；e0为试验开始时的试样孔隙比；ρs为土粒密度，g/cm3；w0为试验开始时试样的含水率，%；ρ0为试样初始密度，g/cm3；Si为某一级荷载下的沉降量，mm/m；∑Δhi为某一级荷载下的总压缩量，mm；h0为试样起始时的高度，mm；ei为某一荷载i下压缩稳定后的孔隙比；pi为某一荷载i值，kPa。

土样的孔隙比-固结压力曲线图见图4。

图4 红黏土固结试验e-p曲线图

为了便于比较和分析，通常取100～200 kPa压力段下的压缩系数a1-2来计算压缩模量Es，红黏土固结试验结果见表5。

表5 红黏土固结试验结果

由表5可知，红黏土试样的压缩系数a1-2为0.40 MPa-1，即0.1 MPa-1

4 总结

通过对乌干达KE高速沿线高液限红黏土取样，进行物理性质和力学性质方面的室内土工试验，分析了高液限红黏土的相关特性，得出主要结论如下。

1) 本次红黏土试样的天然含水率为32.5%，液限为58%，塑性指数为26；可以确定KE高速沿线红黏土具有高液限特点；筛分法试验结果表明红黏土最大粒径不足5 mm，且粒径<0.075 mm的细颗粒含量在69%以上，KE高速沿线红黏土属于细粒土。

2)CBR试验表明红黏土的CBR值较大，基本在9.3%以上，65次击实后CBR值可达到32%以上，能够满足软基处理所要求的CBR值；直剪试验表明红黏土的抗剪强度、黏聚力，以及内摩擦角对压实度的变化较为敏感，随着压实度的增加而增大；固结试验测得的压缩系数为0.40 MPa-1，属于中压缩性土，满足KE高速路基填筑要求。