干湿循环作用下尼日利亚红黏土力学性能试验研究

曾广颜

(中国土木工程集团有限公司 北京 100038)

1 引言

在我国“一带一路”倡议下，大量中国建筑企业在西非尼日利亚承担工程建设任务，建设规模不断扩大，以中土集团尼日利亚公司为例，承建了拉各斯轻轨跨海特大桥、阿布贾城铁项目、阿布贾航站楼、拉伊铁路项目、联邦阿巴41 km公路项目等诸多重大工程项目。

尼日利亚雨季和旱季的交替气候特征及当地特有的地理环境和上覆植被的历史演变，使得碳酸盐类母岩在雨水的淋溶和热带地区的强烈蒸发作用下红土化，形成储量丰富的红黏土[1-3]。红黏土作为一种特殊岩土体，具有高液限、高塑限的特性，在旱雨季的干湿循环条件下，土体结构性发生变化，导致抗剪强度指标衰减，力学性能退化，给工程建设造成诸多不利影响[4-5]。

由于对尼日利亚红黏土强度特性的认识不充分，且工程师在公路工程建设中常依赖国内的建设经验和理论，缺乏当地实际经验，造成路基变形过大和强度破坏。因此，研究尼日利亚红黏土在干湿循环作用下的强度演化规律，对揭示红黏土路基的长期稳定性和采用合理的工程施工措施具有十分重要的工程应用价值。对于干湿循环作用下红黏土力学性能研究，众多学者展开了相关研究，得出了具有参考意义的有益成果[6-10]。陈开圣通过对干湿循环下红黏土抗剪性能进行研究，提出公路工程的红黏土边坡强度参数应采取长期强度[11]；龚琰对红黏土的胀缩变形试验和直接剪切试验，指出试样含水率和干湿循环次数能够明显影响红黏土的收缩结果和抗剪强度[12]。本文依托尼日利亚尼阿夸依博州埃科特19 km路桥项目(公路段)，尝试利用循环烘干-加湿来模拟自然状态下土体的含水量波动过程，分别进行室内直接剪切试验和三轴剪切试验研究干湿循环条件下红黏土的抗剪强度变化规律，讨论含水率、压实度和干湿循环次数的变化对尼日利亚红黏土力学参数的影响，并与国内红黏土的力学参数进行比较。

2 工程概况

尼阿夸依博州埃科特19 km路桥项目地处尼日利亚东南区，靠近赤道，属热带雨林气候，四季温差不大，年平均气温26℃左右；旱季雨季分界明显，降雨量年分配不均匀，每年5～10月份属雨季，降水频繁且量大。公路通过地区水系比较发达，地表水以河流水为主，水量丰富，且水质较好，地下水为第四系孔隙潜水，赋存于第四系的砂砾层中，水位埋深1.8～3.4 m，接受大气降雨补给。

尼阿夸依博州埃科特19 km路桥项目起于EKET地方政府转盘中心，止于IBENO路口(美孚石油公司路口)，线路全长19.5 km。路基段地处冲积平原区，地势平坦开阔，地表植被发育，场区地质以红黏土为主，土质较均匀，填挖高度不超过5 m。路面横断面全宽21.6 m为双向6车道，单幅沥青路面宽9.3 m(3.65 m/车道×2+2 m应急车道)，两幅路面间设3 m宽中央分隔带，路面左右边缘设路缘石。

3 试样的制备及试验方法

3.1 尼日利亚红黏土的基本物理力学参数

本试验红黏土试样均取自尼阿夸依博州埃科特19 km路桥项目道路工程，依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)对红黏土进行室内试验后获取基本物理参数[13]，如表1所示。

表1 尼日利亚东南区红黏土基本物理参数

3.2 试样的制备

分别制备试样进行直接剪切试验和三轴剪切试验，试样制备参数如表2所示，制取试样的具体流程和尺寸要求参考《土工试验方法标准》(GB/T 50123-2019)，由于施工时压实度标准采用英国标准，应满足压实度K≥97%[14]，因此制备试样压实度分别80%、90%、95%、98%。在运营环境下，黏土路基的含水量往往大于土体的最优含水率，并逐渐达到平衡，此时的含水率为平衡含水率(equilibrium moisture content)，其范围值处于ωop～(ωop+7%)之间[15]，现场试样土体的最优含水率为22.5%，考虑西非雨季环境的不利工况，将土样增湿至最大含水率为32%，如表2所示。

表2 试样制备参数

3.3 试验方法

为研究干湿循环对红黏土力学性能的影响程度，采用循环烘干-加湿的方法进行模拟，具体试验路线如图1所示。

图1 红黏土干湿循环试验过程

4 试验结果与分析

4.1 直接剪切试验

图2、图3为直接剪切试验测试中不同压实度红黏土的内摩擦角和黏聚力随干湿循环次数的变化曲线。从图中可以得出如下结论:(1)在相同压实度条件下，在初始含水率条件下(干湿循环次数n＝0)，红黏土黏聚力随着含水率的增加而整体下降；(2)在相同压实度条件下，不同含水率的试样随着干湿循环次数n的增加，红黏土快剪黏聚力cq衰减明显，在0＜n≤2时，快剪黏聚力值cq衰减幅度大，2＜n时，快剪黏聚力值cq逐渐趋于收敛；(3)压实度K＝98%、K＝95%，不同含水率的快剪黏聚力值cq衰减规律明显，而压实度K＝90%、K＝80%时，衰减曲线有所波动；(4)比较图2和图3易知，快剪内摩擦角φq规律与黏聚力cq变化规律一致。

由此可知，在红黏土路基的填筑过程中，应保持良好的压实度，以避免因降低压实度影响路基的整体力学性能，同时应做好防排水措施和路基垫层隔离措施，避免在旱雨季条件下红黏土含水率的起伏波动。此外，随着干湿循环次数的增加，红黏土的强度逐渐趋于收敛，建议采用长期强度指标(即第4次循环后强度指标)验算路基工程稳定性，以使得计算结果更加符合实际情况。

图2 干湿循环作用下不同压实度K红黏土黏聚力cq变化曲线

图3 干湿循环作用下不同压实度K红黏土内摩擦角φq变化曲线

4.2 三轴剪切试验

图4、图5为不固结不排水三轴剪切试验测试中不同压实度红黏土的内摩擦角φu和黏聚力cu变化曲线。从图中可知，干湿循环次数能显著降低三轴抗剪强度指标，不固结不排水剪内摩擦角φu和黏聚力cu的变化规律与直接剪切试验结果一致。值得注意的是，比较图4a和图5a可知，黏聚力cu受干湿循环的次数的影响比内摩擦角φu大，以含水率ω＝20%的变化曲线为例，在初始含水率(干湿循环次数n＝0)时，黏聚力cu为260 kPa，经过1次干湿循环和5次干湿循环后，黏聚力cu分别为180 kPa、70 kPa，降幅达50%和73%；而内摩擦角φu在初始含水率时为17 kPa，经过1次干湿循环和5次干湿循环后，内摩擦角φu分别为15 kPa、8 kPa，降幅达到12%和53%。压实度K＝98%、K＝95%，此变化规律明显，而压实度K＝90%、K＝80%时则强度指标降幅较小，规律不明显。表明路基压实度的提高，能有效改善干湿循环条件下红黏土的强度衰减幅度。因此，施工时压实度标准采用英国标准，压实度K≥97%能够满足路基工程施工的要求。

图4 干湿循环作用下不同压实度K红黏土黏聚力cu变化曲线

图5 干湿循环作用下不同压实度K红黏土内摩擦角φu变化曲线

5 与国内红黏土抗剪强度对比分析

在广西某高速公路红黏土为研究对象的文献中[16]，通过室内三轴试验，得出反映干湿循环下红黏土黏聚力、内摩擦角与干湿循环次数的关系式，如公式(1)、公式(2)所示。

从图4、图5可知，不同含水率的红黏土内摩擦角和黏聚力大小不一，为了更好地说明路基在工作条件下的力学性能，以最优含水率ωop＝22.5%(试验值ω＝23%)为例，三轴试验测试抗剪强度值与公式(1)、公式(2)计算值比较，如图6、图7所示。从图中可以看出，无论压实度和干湿循环次数大小，尼日利亚黏土的黏聚力值比公式(1)计算值大，且尼日利亚黏土的黏聚力随着干湿循环次数的增加衰减更剧烈，而尼日利亚黏土的内摩擦角值则远小于公式(2)计算值，但两者的衰减剧烈程度较为一致。

图6 尼日利亚和国内红黏土三轴试验黏聚力对比曲线

图7 尼日利亚和国内红黏土三轴试验内摩擦角对比曲线

黏聚力是尼日利亚红黏土的重要强度指标，其强度衰减激烈，这与红黏土细颗粒含量高有关，如表1所示。因此，在填筑过程中，可以通过掺加碎石、砂等粗颗粒，改善颗粒级配，增加土体的内摩擦角，减低因干湿循环对黏聚力造成的影响。

6 结论

(1)红黏土在尼日利亚公路工程建设中广泛应用于路基的填筑，在西非旱雨季交替气候环境下，力学性能退化明显。

(2)无论直接剪切强度指标和三轴剪切强度指标(内摩擦角、黏聚力)都受干湿循环作用明显，且变化规律一致，即随着循环次数的增加，强度指标衰减。在干湿循环次数0＜n≤2时，直接剪切强度指标和三轴剪切强度指标衰减幅度大，2＜n时，剪切强度逐渐趋于收敛。

(3)红黏土路基的力学性能与压实度有着密切关系，在三轴剪切强度指标中，压实度K＝98%、K＝95%，黏聚力cu受干湿循环的次数的影响比内摩擦角φu大，降幅较大，而压实度K＝90%、K＝80%时则强度指标降幅较小，规律不明显。表明路基压实度的提高，能有效改善干湿循环条件下红黏土的强度衰减幅度，施工时压实度标准采用英国标准，压实度K≥97%能够满足路基工程施工的要求。

(4)相比于国内公式(1)和公式(2)所推荐计算值，尼日利亚红黏土的黏聚力衰减激烈，而内摩擦角衰减激烈程度较为一致。