曾廣顏

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038)

1 引言

在我國(guó)“一帶一路”倡議下，大量中國(guó)建筑企業(yè)在西非尼日利亞承擔(dān)工程建設(shè)任務(wù)，建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，以中土集團(tuán)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(xiàng)目、阿布賈航站樓、拉伊鐵路項(xiàng)目、聯(lián)邦阿巴41 km公路項(xiàng)目等諸多重大工程項(xiàng)目。

尼日利亞雨季和旱季的交替氣候特征及當(dāng)?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(lèi)母巖在雨水的淋溶和熱帶地區(qū)的強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下紅土化，形成儲(chǔ)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(qiáng)度指標(biāo)衰減，力學(xué)性能退化，給工程建設(shè)造成諸多不利影響[4-5]。

由于對(duì)尼日利亞紅黏土強(qiáng)度特性的認(rèn)識(shí)不充分，且工程師在公路工程建設(shè)中常依賴(lài)國(guó)內(nèi)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和理論，缺乏當(dāng)?shù)貙?shí)際經(jīng)驗(yàn)，造成路基變形過(guò)大和強(qiáng)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(qiáng)度演化規(guī)律，對(duì)揭示紅黏土路基的長(zhǎng)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(jià)值。對(duì)于干濕循環(huán)作用下紅黏土力學(xué)性能研究，眾多學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)研究，得出了具有參考意義的有益成果[6-10]。陳開(kāi)圣通過(guò)對(duì)干濕循環(huán)下紅黏土抗剪性能進(jìn)行研究，提出公路工程的紅黏土邊坡強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)采取長(zhǎng)期強(qiáng)度[11]；龔琰對(duì)紅黏土的脹縮變形試驗(yàn)和直接剪切試驗(yàn)，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(qiáng)度[12]。本文依托尼日利亞尼阿夸依博州埃科特19 km路橋項(xiàng)目(公路段)，嘗試?yán)醚h(huán)烘干-加濕來(lái)模擬自然狀態(tài)下土體的含水量波動(dòng)過(guò)程，分別進(jìn)行室內(nèi)直接剪切試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)研究干濕循環(huán)條件下紅黏土的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，討論含水率、壓實(shí)度和干濕循環(huán)次數(shù)的變化對(duì)尼日利亞紅黏土力學(xué)參數(shù)的影響，并與國(guó)內(nèi)紅黏土的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行比較。

2 工程概況

尼阿夸依博州?？铺?9 km路橋項(xiàng)目地處尼日利亞?wèn)|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(guò)地區(qū)水系比較發(fā)達(dá)，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(bǔ)給。

尼阿夸依博州?？铺?9 km路橋項(xiàng)目起于EKET地方政府轉(zhuǎn)盤(pán)中心，止于IBENO路口(美孚石油公司路口)，線路全長(zhǎng)19.5 km。路基段地處沖積平原區(qū)，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，地表植被發(fā)育，場(chǎng)區(qū)地質(zhì)以紅黏土為主，土質(zhì)較均勻，填挖高度不超過(guò)5 m。路面橫斷面全寬21.6 m為雙向6車(chē)道，單幅瀝青路面寬9.3 m(3.65 m/車(chē)道×2+2 m應(yīng)急車(chē)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(yàn)方法

3.1 尼日利亞紅黏土的基本物理力學(xué)參數(shù)

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

表1 尼日利亞?wèn)|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(jìn)行直接剪切試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)，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(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-2019)，由于施工時(shí)壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)滿(mǎn)足壓實(shí)度K≥97%[14]，因此制備試樣壓實(shí)度分別80%、90%、95%、98%。在運(yùn)營(yíng)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(dá)到平衡，此時(shí)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(chǎng)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(yàn)方法

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

圖1 紅黏土干濕循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 直接剪切試驗(yàn)

圖2、圖3為直接剪切試驗(yàn)測(cè)試中不同壓實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，快剪黏聚力值cq衰減幅度大，2＜n時(shí)，快剪黏聚力值cq逐漸趨于收斂；(3)壓實(shí)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(shí)度K＝90%、K＝80%時(shí)，衰減曲線有所波動(dòng)；(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(guò)程中，應(yīng)保持良好的壓實(shí)度，以避免因降低壓實(shí)度影響路基的整體力學(xué)性能，同時(shí)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(dòng)。此外，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅黏土的強(qiáng)度逐漸趨于收斂，建議采用長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)(即第4次循環(huán)后強(qiáng)度指標(biāo))驗(yàn)算路基工程穩(wěn)定性，以使得計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況。

圖2 干濕循環(huán)作用下不同壓實(shí)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(shí)度K紅黏土內(nèi)摩擦角φq變化曲線

4.2 三軸剪切試驗(yàn)

圖4、圖5為不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)測(cè)試中不同壓實(shí)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(qiáng)度指標(biāo)，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(yàn)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(shí)，黏聚力cu為260 kPa，經(jīng)過(guò)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(dá)50%和73%；而內(nèi)摩擦角φu在初始含水率時(shí)為17 kPa，經(jīng)過(guò)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(dá)到12%和53%。壓實(shí)度K＝98%、K＝95%，此變化規(guī)律明顯，而壓實(shí)度K＝90%、K＝80%時(shí)則強(qiáng)度指標(biāo)降幅較小，規(guī)律不明顯。表明路基壓實(shí)度的提高，能有效改善干濕循環(huán)條件下紅黏土的強(qiáng)度衰減幅度。因此，施工時(shí)壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)度K≥97%能夠滿(mǎn)足路基工程施工的要求。

圖4 干濕循環(huán)作用下不同壓實(shí)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(shí)度K紅黏土內(nèi)摩擦角φu變化曲線

5 與國(guó)內(nèi)紅黏土抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析

在廣西某高速公路紅黏土為研究對(duì)象的文獻(xiàn)中[16]，通過(guò)室內(nèi)三軸試驗(yàn)，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(shuō)明路基在工作條件下的力學(xué)性能，以最優(yōu)含水率ωop＝22.5%(試驗(yàn)值ω＝23%)為例，三軸試驗(yàn)測(cè)試抗剪強(qiáng)度值與公式(1)、公式(2)計(jì)算值比較，如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，無(wú)論壓實(shí)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(jì)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(yuǎn)小于公式(2)計(jì)算值，但兩者的衰減劇烈程度較為一致。

圖6 尼日利亞和國(guó)內(nèi)紅黏土三軸試驗(yàn)黏聚力對(duì)比曲線

圖7 尼日利亞和國(guó)內(nèi)紅黏土三軸試驗(yàn)內(nèi)摩擦角對(duì)比曲線

黏聚力是尼日利亞紅黏土的重要強(qiáng)度指標(biāo)，其強(qiáng)度衰減激烈，這與紅黏土細(xì)顆粒含量高有關(guān)，如表1所示。因此，在填筑過(guò)程中，可以通過(guò)摻加碎石、砂等粗顆粒，改善顆粒級(jí)配，增加土體的內(nèi)摩擦角，減低因干濕循環(huán)對(duì)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(xué)性能退化明顯。

(2)無(wú)論直接剪切強(qiáng)度指標(biāo)和三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)(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(qiáng)度指標(biāo)衰減。在干濕循環(huán)次數(shù)0＜n≤2時(shí)，直接剪切強(qiáng)度指標(biāo)和三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)衰減幅度大，2＜n時(shí)，剪切強(qiáng)度逐漸趨于收斂。

(3)紅黏土路基的力學(xué)性能與壓實(shí)度有著密切關(guān)系，在三軸剪切強(qiáng)度指標(biāo)中，壓實(shí)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(shí)度K＝90%、K＝80%時(shí)則強(qiáng)度指標(biāo)降幅較小，規(guī)律不明顯。表明路基壓實(shí)度的提高，能有效改善干濕循環(huán)條件下紅黏土的強(qiáng)度衰減幅度，施工時(shí)壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，壓實(shí)度K≥97%能夠滿(mǎn)足路基工程施工的要求。

(4)相比于國(guó)內(nèi)公式(1)和公式(2)所推薦計(jì)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。