曾廣顏

(中國土木工程集團有限公司 北京 100038)

1 引言

在我國“一帶一路”倡議下，大量中國建筑企業(yè)在西非尼日利亞承擔工程建設(shè)任務(wù)，建設(shè)規(guī)模不斷擴大，以中土集團尼日利亞公司為例，承建了拉各斯輕軌跨海特大橋、阿布賈城鐵項目、阿布賈航站樓、拉伊鐵路項目、聯(lián)邦阿巴41 km公路項目等諸多重大工程項目。

尼日利亞雨季和旱季的交替氣候特征及當?shù)靥赜械牡乩憝h(huán)境和上覆植被的歷史演變，使得碳酸鹽類母巖在雨水的淋溶和熱帶地區(qū)的強烈蒸發(fā)作用下紅土化，形成儲量豐富的紅黏土[1-3]。紅黏土作為一種特殊巖土體，具有高液限、高塑限的特性，在旱雨季的干濕循環(huán)條件下，土體結(jié)構(gòu)性發(fā)生變化，導(dǎo)致抗剪強度指標衰減，力學性能退化，給工程建設(shè)造成諸多不利影響[4-5]。

由于對尼日利亞紅黏土強度特性的認識不充分，且工程師在公路工程建設(shè)中常依賴國內(nèi)的建設(shè)經(jīng)驗和理論，缺乏當?shù)貙嶋H經(jīng)驗，造成路基變形過大和強度破壞。因此，研究尼日利亞紅黏土在干濕循環(huán)作用下的強度演化規(guī)律，對揭示紅黏土路基的長期穩(wěn)定性和采用合理的工程施工措施具有十分重要的工程應(yīng)用價值。對于干濕循環(huán)作用下紅黏土力學性能研究，眾多學者展開了相關(guān)研究，得出了具有參考意義的有益成果[6-10]。陳開圣通過對干濕循環(huán)下紅黏土抗剪性能進行研究，提出公路工程的紅黏土邊坡強度參數(shù)應(yīng)采取長期強度[11]；龔琰對紅黏土的脹縮變形試驗和直接剪切試驗，指出試樣含水率和干濕循環(huán)次數(shù)能夠明顯影響紅黏土的收縮結(jié)果和抗剪強度[12]。本文依托尼日利亞尼阿夸依博州?？铺?9 km路橋項目(公路段)，嘗試利用循環(huán)烘干-加濕來模擬自然狀態(tài)下土體的含水量波動過程，分別進行室內(nèi)直接剪切試驗和三軸剪切試驗研究干濕循環(huán)條件下紅黏土的抗剪強度變化規(guī)律，討論含水率、壓實度和干濕循環(huán)次數(shù)的變化對尼日利亞紅黏土力學參數(shù)的影響，并與國內(nèi)紅黏土的力學參數(shù)進行比較。

2 工程概況

尼阿夸依博州?？铺?9 km路橋項目地處尼日利亞東南區(qū)，靠近赤道，屬熱帶雨林氣候，四季溫差不大，年平均氣溫26℃左右；旱季雨季分界明顯，降雨量年分配不均勻，每年5～10月份屬雨季，降水頻繁且量大。公路通過地區(qū)水系比較發(fā)達，地表水以河流水為主，水量豐富，且水質(zhì)較好，地下水為第四系孔隙潛水，賦存于第四系的砂礫層中，水位埋深1.8～3.4 m，接受大氣降雨補給。

尼阿夸依博州埃科特19 km路橋項目起于EKET地方政府轉(zhuǎn)盤中心，止于IBENO路口(美孚石油公司路口)，線路全長19.5 km。路基段地處沖積平原區(qū)，地勢平坦開闊，地表植被發(fā)育，場區(qū)地質(zhì)以紅黏土為主，土質(zhì)較均勻，填挖高度不超過5 m。路面橫斷面全寬21.6 m為雙向6車道，單幅瀝青路面寬9.3 m(3.65 m/車道×2+2 m應(yīng)急車道)，兩幅路面間設(shè)3 m寬中央分隔帶，路面左右邊緣設(shè)路緣石。

3 試樣的制備及試驗方法

3.1 尼日利亞紅黏土的基本物理力學參數(shù)

本試驗紅黏土試樣均取自尼阿夸依博州?？铺?9 km路橋項目道路工程，依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)對紅黏土進行室內(nèi)試驗后獲取基本物理參數(shù)[13]，如表1所示。

表1 尼日利亞東南區(qū)紅黏土基本物理參數(shù)

3.2 試樣的制備

分別制備試樣進行直接剪切試驗和三軸剪切試驗，試樣制備參數(shù)如表2所示，制取試樣的具體流程和尺寸要求參考《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-2019)，由于施工時壓實度標準采用英國標準，應(yīng)滿足壓實度K≥97%[14]，因此制備試樣壓實度分別80%、90%、95%、98%。在運營環(huán)境下，黏土路基的含水量往往大于土體的最優(yōu)含水率，并逐漸達到平衡，此時的含水率為平衡含水率(equilibrium moisture content)，其范圍值處于ωop～(ωop+7%)之間[15]，現(xiàn)場試樣土體的最優(yōu)含水率為22.5%，考慮西非雨季環(huán)境的不利工況，將土樣增濕至最大含水率為32%，如表2所示。

表2 試樣制備參數(shù)

3.3 試驗方法

為研究干濕循環(huán)對紅黏土力學性能的影響程度，采用循環(huán)烘干-加濕的方法進行模擬，具體試驗路線如圖1所示。

圖1 紅黏土干濕循環(huán)試驗過程

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 直接剪切試驗

圖2、圖3為直接剪切試驗測試中不同壓實度紅黏土的內(nèi)摩擦角和黏聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線。從圖中可以得出如下結(jié)論:(1)在相同壓實度條件下，在初始含水率條件下(干濕循環(huán)次數(shù)n＝0)，紅黏土黏聚力隨著含水率的增加而整體下降；(2)在相同壓實度條件下，不同含水率的試樣隨著干濕循環(huán)次數(shù)n的增加，紅黏土快剪黏聚力cq衰減明顯，在0＜n≤2時，快剪黏聚力值cq衰減幅度大，2＜n時，快剪黏聚力值cq逐漸趨于收斂；(3)壓實度K＝98%、K＝95%，不同含水率的快剪黏聚力值cq衰減規(guī)律明顯，而壓實度K＝90%、K＝80%時，衰減曲線有所波動；(4)比較圖2和圖3易知，快剪內(nèi)摩擦角φq規(guī)律與黏聚力cq變化規(guī)律一致。

由此可知，在紅黏土路基的填筑過程中，應(yīng)保持良好的壓實度，以避免因降低壓實度影響路基的整體力學性能，同時應(yīng)做好防排水措施和路基墊層隔離措施，避免在旱雨季條件下紅黏土含水率的起伏波動。此外，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土的強度逐漸趨于收斂，建議采用長期強度指標(即第4次循環(huán)后強度指標)驗算路基工程穩(wěn)定性，以使得計算結(jié)果更加符合實際情況。

圖2 干濕循環(huán)作用下不同壓實度K紅黏土黏聚力cq變化曲線

圖3 干濕循環(huán)作用下不同壓實度K紅黏土內(nèi)摩擦角φq變化曲線

4.2 三軸剪切試驗

圖4、圖5為不固結(jié)不排水三軸剪切試驗測試中不同壓實度紅黏土的內(nèi)摩擦角φu和黏聚力cu變化曲線。從圖中可知，干濕循環(huán)次數(shù)能顯著降低三軸抗剪強度指標，不固結(jié)不排水剪內(nèi)摩擦角φu和黏聚力cu的變化規(guī)律與直接剪切試驗結(jié)果一致。值得注意的是，比較圖4a和圖5a可知，黏聚力cu受干濕循環(huán)的次數(shù)的影響比內(nèi)摩擦角φu大，以含水率ω＝20%的變化曲線為例，在初始含水率(干濕循環(huán)次數(shù)n＝0)時，黏聚力cu為260 kPa，經(jīng)過1次干濕循環(huán)和5次干濕循環(huán)后，黏聚力cu分別為180 kPa、70 kPa，降幅達50%和73%；而內(nèi)摩擦角φu在初始含水率時為17 kPa，經(jīng)過1次干濕循環(huán)和5次干濕循環(huán)后，內(nèi)摩擦角φu分別為15 kPa、8 kPa，降幅達到12%和53%。壓實度K＝98%、K＝95%，此變化規(guī)律明顯，而壓實度K＝90%、K＝80%時則強度指標降幅較小，規(guī)律不明顯。表明路基壓實度的提高，能有效改善干濕循環(huán)條件下紅黏土的強度衰減幅度。因此，施工時壓實度標準采用英國標準，壓實度K≥97%能夠滿足路基工程施工的要求。

圖4 干濕循環(huán)作用下不同壓實度K紅黏土黏聚力cu變化曲線

圖5 干濕循環(huán)作用下不同壓實度K紅黏土內(nèi)摩擦角φu變化曲線

5 與國內(nèi)紅黏土抗剪強度對比分析

在廣西某高速公路紅黏土為研究對象的文獻中[16]，通過室內(nèi)三軸試驗，得出反映干濕循環(huán)下紅黏土黏聚力、內(nèi)摩擦角與干濕循環(huán)次數(shù)的關(guān)系式，如公式(1)、公式(2)所示。

從圖4、圖5可知，不同含水率的紅黏土內(nèi)摩擦角和黏聚力大小不一，為了更好地說明路基在工作條件下的力學性能，以最優(yōu)含水率ωop＝22.5%(試驗值ω＝23%)為例，三軸試驗測試抗剪強度值與公式(1)、公式(2)計算值比較，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，無論壓實度和干濕循環(huán)次數(shù)大小，尼日利亞黏土的黏聚力值比公式(1)計算值大，且尼日利亞黏土的黏聚力隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加衰減更劇烈，而尼日利亞黏土的內(nèi)摩擦角值則遠小于公式(2)計算值，但兩者的衰減劇烈程度較為一致。

圖6 尼日利亞和國內(nèi)紅黏土三軸試驗黏聚力對比曲線

圖7 尼日利亞和國內(nèi)紅黏土三軸試驗內(nèi)摩擦角對比曲線

黏聚力是尼日利亞紅黏土的重要強度指標，其強度衰減激烈，這與紅黏土細顆粒含量高有關(guān)，如表1所示。因此，在填筑過程中，可以通過摻加碎石、砂等粗顆粒，改善顆粒級配，增加土體的內(nèi)摩擦角，減低因干濕循環(huán)對黏聚力造成的影響。

6 結(jié)論

(1)紅黏土在尼日利亞公路工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用于路基的填筑，在西非旱雨季交替氣候環(huán)境下，力學性能退化明顯。

(2)無論直接剪切強度指標和三軸剪切強度指標(內(nèi)摩擦角、黏聚力)都受干濕循環(huán)作用明顯，且變化規(guī)律一致，即隨著循環(huán)次數(shù)的增加，強度指標衰減。在干濕循環(huán)次數(shù)0＜n≤2時，直接剪切強度指標和三軸剪切強度指標衰減幅度大，2＜n時，剪切強度逐漸趨于收斂。

(3)紅黏土路基的力學性能與壓實度有著密切關(guān)系，在三軸剪切強度指標中，壓實度K＝98%、K＝95%，黏聚力cu受干濕循環(huán)的次數(shù)的影響比內(nèi)摩擦角φu大，降幅較大，而壓實度K＝90%、K＝80%時則強度指標降幅較小，規(guī)律不明顯。表明路基壓實度的提高，能有效改善干濕循環(huán)條件下紅黏土的強度衰減幅度，施工時壓實度標準采用英國標準，壓實度K≥97%能夠滿足路基工程施工的要求。

(4)相比于國內(nèi)公式(1)和公式(2)所推薦計算值，尼日利亞紅黏土的黏聚力衰減激烈，而內(nèi)摩擦角衰減激烈程度較為一致。