西非塞内加尔红土粒料的承载特性研究

孟会林， 金海兵， 刘雄伟， 谢国瑞

(1.河北省交通规划设计院， 河北 石家庄 050091； 2.公路建设与养护技术、材料及装备行业研发中心；3.中国路桥工程有限责任公司；4.河北省道路结构与材料技术创新中心；5.交通运输部公路科学研究院)

1 前言

红土粒料是非洲地区广泛存在的一种天然筑路材料，已有资料普遍认为其是在非洲特殊的旱湿两季循环交替的气候条件下形成的，与弱酸性雨水的下渗、粒料原岩中不溶性铁、铝、硅等氧化物的胶结、复合、脱水等过程相关。颜色有红褐色、黑褐色、土黄色等多种类别，但一般均由圆球状的铁质铝硅结合物、破碎微孔块石及碎屑和粉质黏性土组成。

非洲地区公路工程设计施工中，红土粒料主要用在垫层与底基层结构，经水泥或石灰处治后也用于基层结构。张瑞菊等研究认为天然红土粒料的CBR值普遍偏低，通常为30%～70%，经水泥或石灰处治后红土粒料的CBR值可达到150%以上；纪更占等对西非马里地区红土粒料的基本物理性能、矿物质组成及路用性能进行了全面分析，认为在96%压实度前提下，红土粒料饱水4 d的CBR接近80%，回弹模量变化范围为190～300 MPa，可满足西非地区路面底基层的使用要求。

红土粒料的组成复杂、种类较多，其工程性质与组成有很大关系，特别是受其中的粉质黏性土的影响。该文依托塞内加尔Thies-Touba高速公路建设，在塞内加尔境内西部地区取得8种不同的红土粒料土样，对其进行级配分析和击实试验，并完成不同压实度水平下的CBR试验，分析不同红土粒料的承载特性。对典型样品，在承载特性研究之外，还进行物理性质分析。试验结果可供塞内加尔及其他西非地区国家的公路建设提供参考。

2 红土粒料

2.1 形貌特征

该文所获取的8种红土粒料基本信息如表1所示。采用水洗法观察不同红土粒料的组成及其中粒料的具体形貌。结果发现，绝大部分红土粒料中均不含砂，由粒料及其碎屑和粉土组成，其中TT-1、TT-4及TT-5共3种红土粒料的组成及形貌比较接近，粒料强度相对较高；TT-2及TS-1红土粒料中的粒料均为轻质、吸水性较强的材料；TT-3红土粒料中所含粒料为强度较低的多孔材料，孔内充满粉性黏土。而TT-6与MK-1红土粒料外观形貌及组成均接近，与其他6种具有显著不同，由高强度粒料、白砂及黏性较大的粉料组成。各种红土粒料的颜色与其中所含粉土的颜色密切相关。图1、2分别为代表性TT-1、TT-6两种红土粒料水洗后的外观状态。

图2 TT-6红土粒料外观

2.2 级配组成

曹长伟等对马里境内BAMAKO-SEGOU公路沿线的不同红土粒料进行了级配特征分析，结果表明：红土粒料的天然级配较差，中间粒径普遍缺失，细粒土含量普遍较大。图3为8种红土粒料级配曲线。从图3可见：所取8种红土粒料的粒径均在50 mm以下，0.08 mm筛孔的通过率为12%～35%，按照NF P11-300标准中的粒径分类均属B级砾质土壤。级配组成方面：天然红土粒料的级配整体较差，主要表现为粒径分布不均匀；细粒土含量普遍较高且个别存在断档的情况(如TT-6与MK-1样品)；多数样品中粗粒料含量少，如TT-1、TT-3、TT-5、TT-6及TS-15几种红土粒料>16 mm粒料的含量不到10%。因此，天然红土粒料用于基层时必须进行处理。

图3 红土粒料级配曲线

图4为8种红土粒料不同筛孔通过率的变异系数范围，整体上4.0 mm及以下筛孔通过率变异系数较大，该粒径范围内TT-6样品的变异系数最大， MK-1样品的变异系数最小；10.0 mm以上筛孔通过率的变异系数较小，均不足10%，其中TT-4样品的变异系数最大，TT-3样品变异系数最小。

图4 各筛孔通过率变异区间

3 击实特性

按照法国NF P94-093标准对8种红土粒料进行两平行击实试验，采用直径150 mm的大筒，粒料分5层击实，每层击实56次，击实锤的质量为4 535 g，落距为457 mm，击实功约为2 678.7 kJ/m3，与中国T0131方法中的重型击实基本一致。两平行的控制标准为最大干密度平行偏差不大于0.02 g/cm3，最佳含水率平行偏差不大于0.5%。击实试验结果见表2。

表2 红土粒料击实试验结果

由表2可知：

(1) 8种红土粒料的最大干密度差异明显，主要表现在TT-2红土粒料最大干密度明显偏小，而TT-5、TT-6及MK-1红土粒料的最大干密度明显偏大，其他4种红土粒料的最大干密度相差不大。

(2) 8种红土粒料之间存在较大差异，其中，TT-2与TS-1红土粒料的最佳含水率明显偏大，这与其含吸水性较强的轻质石料有关；TT-6与MK-1红土粒料的最佳含水率明显偏小，这与其含有黏性较大的粉料及其粒料表面致密光滑且吸水性差有关；其他4种红土粒料的最佳含水率均为11%左右。显然，最佳含水率的差异与0.08 mm筛孔以下粉土的含量及性质有关。

击实试验结果充分说明所取的8种红土粒料的组成成分存在差异，且击实试验结果与形貌分析及筛分结果在反映材料差异性方面具有一致性。

4 承载特性

4.1 红土粒料的膨胀性

已有研究认为，非洲天然红土粒料浸水后变形量相对较低，最小值仅0.3，最大值一般不超过1，因此整体水稳定性能较好，甚至马里巴杜谷-图科多-巴弗拉贝公路工程项目试验表明红土粒料的线膨胀率为0。对于上述8种红土粒料，CBR试验浸水过程中试件的膨胀量均非常小，最大为TS-1红砂土，膨胀量为71(0.01 mm)，线膨胀率为0.6%。但考虑到CBR制件前红土粒料已在试验含水率下放置较长时间(24 h)，在此过程中膨胀可能已经完成，从而导致浸水过程中膨胀量较小。为验证这一猜测，采用储量丰富的TT-4红土粒料进行膨胀量及回缩量的观测试验。

试验准备阶段将红土粒料自然风干，并筛除40 mm以上粒料，不测风干后的含水，根据经验直接加水10%拌匀后进行击实，成型后连同试模迅速浸水，架设百分表观测膨胀量；浸水总时间为48 h后膨胀量基本稳定，取出试件，测吸水量，然后连同试模放入60 ℃烘箱中烘干，观测失水过程中是否存在回缩及回缩量。

浸水总时间为48 h，浸水结束后红土粒料的含水率较试验含水率进一步提高约4.4%，烘干144 h，烘干后红土粒料的含水率较试验含水率平均降低约1.6%，浸水及烘干过程中试件总的含水率变化约为6.0%，变形率见图5。

图5 红土粒料的浸水与失水变形率

由图5可见：红土粒料在浸水初期12 h内迅速吸水膨胀，膨胀率可达到2.0%以上，12 h后逐渐饱水，膨胀率趋于稳定。而烘干失水48 h内回缩不明显，回缩率不足0.2%，48～96 h内出现明显回缩，总回缩率可达1.0%以上，此期间的回缩量占总回缩量的80%以上，96 h后回缩率趋于稳定。浸水与烘干失水过程中总的变形率差值在1.0%以上。

综合分析，塞内加尔地区的红土粒料具有一定膨胀特性，因此，作为垫层、底基层施工完成后应及时覆盖，以保持结构层含水率基本稳定，避免出现因失水导致的缩裂，雨季施工更应注意这一点。

4.2 CBR试验

按照确定的最大干密度及最佳含水率，采用静压成型的方法制备圆柱体试件，进行CBR试验，分析不同红土粒料的承载特性，每种材料均对比100%、95%及90%共3个压实度水平，试件制备完成浸水4 d后进行贯入试验。

表3为不同红土粒料在不同压实度水平下的CBR试验结果，图6为不同红土粒料CBR值随压实度的变化曲线对比。

表3 不同压实度水平时红土粒料的CBR值

图6 红土粒料CBR值随压实度的变化曲线

从表3、图6可见：

(1) 不同红土粒料之间的CBR值差异非常显著，甚至达到数倍以上，95%压实度时，TT-2～TT-5红土粒料的CBR明显高于另外4种材料，均可达到80%以上。

(2) TT-6与MK-1红土粒料的表现依然非常特殊，两者CBR值在同一水平，均显著低于其他对比材料，100%压实度时其CBR值仍不足40%，仅为TT编号其他红土粒料的1/4～1/6，显然这一结果与其含有黏性粉料及级配间断有关。

(3) 从CBR随压实度的变化曲线斜率看，除TT-1、TT-2与TT-3外，其他5种红土粒料的CBR与压实度之间均有较好的线性相关性。TT-1与TT-3红土粒料的CBR受压实度影响最显著，而TT-6与MK-1的CBR受压实度影响最不明显。

CBR试验结果表明：不同红土粒料的承载能力差异显著，大部分红土粒料95%压实度时的CBR均不小于40%，满足非洲地区天然红土粒料用于路面底基层的技术要求，但少部分天然红土粒料承载能力较差，仅能用于垫层。此外，部分红土粒料的承载能力受压实度影响显著，作为底基层铺筑材料时，建议采取必要保证措施，确保压实度不低于95%。

5 结论

(1) 西非塞内加尔红土粒料种类多样，形貌、矿质成分及粒径组成差异明显，仅从筛分结果分析，所取各种红土粒料按照NF P11-300标准的粒径分类方法均属于B级砾质土壤。

(2) 红土粒料中粒料及粉料的性质是影响其击实试验特性的关键因素，成分基本相同时，最佳含水率与0.08 mm筛孔以下的粉料含量对击实特性产生重要影响。

(3) 红土粒料中粒料的级配组成及粉料的性质对承载特性具有显著影响，天然级配相对连续、粉料黏性较差的红土粒料具有相对更好的工程应用性质。

(4) 塞内加尔部分种类红土粒料具有一定的吸水膨胀性，浸水12 h内膨胀基本稳定，膨胀率可达2.0%以上，失水48～96 h内出现明显回缩，回缩率可达1.0%以上，96 h后回缩基本稳定。

(5) 塞内加尔大部分红土粒料95%压实度的CBR不低于40%，可用于底基层，但部分红土粒料的CBR受压实度影响显著，作为底基层铺筑材料时，压实度应保证不低于95%，或采取必要的改良措施。