肯尼亚地区红土砾石料室内试验性能和施工工艺研究

袁万富　罗通

摘要 文章对肯尼亚内罗毕环城路沿线多个红土砾石料进行了调查，对各个红土砾石料场采集了多组试验样本进行分析，总结了当地红土砾石料的级配特征以及CBR特性及其压实特性。通过最终的试验和工程经验表明红土砾石料的CBR值大于15，最优含水量在29%左右红土砾石料能够用于交通量大的高等级公路主干线。

关键词 红土砾石料;级配; CBR;击实特性

中图分类号 U416.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）06-0126-03

概述

全世界范围内红土砾石料主要分布在非洲、亚洲、大洋洲及南美洲、北美洲的低纬度地区。

随着“国内国际双循环”政策提出，越来越多的中国企业公司参与国外工程项目。在公路建设项目中，部分地区项目位于红土地区，项目沿线缺少碎石、黏土等优质填料。为了降低工程建设的成本，尽可能地使用当地筑路材料成为很多项目的必然选择。红土砾石料在东非肯尼亚料源丰富，在当地的道路基层材料中得到了一定程度的应用。充分了解红土粒料的工程性质，为项目的顺利实施提供先决条件。

基于上述情况，为了充分利用当地天然红土砾石料，降低工程成本，对红土砾石料的基本物理性能、击实特性和力学性能进行研究，为今后参与肯尼亚区域项目的中国公司提供借鉴与参考。

从项目的实际经验和工程应用的角度，应着重了解、解决以下问题：

（1）天然红土粒料的性能;

（2）不同的道路等级和交通量条件下，天然红土粒料适用的结构层。

1 红土砾石料的成因和化学组成

根据调研，红土砾石料主要分布在热带和亚热带等地区，其为粘性土和不同粒径的碎石胶结而组合的一种混合料，作为东非地区广泛采用的一种路面填料。根据现有研究资料研究表明红土砾石料是四季交替作用而形成的，其中母岩的主要成分为石英砂岩、花岗岩。一般位于地表以下1～4 m左右，开采方便，存贮量大。依据Godfrey Njihia Hinga的研究[1]，肯尼亚地区红土砾石料的主要成分如表1。

砾石组红土粒料以铁质硅铝结核氧化物构成并以块状或球状形式存在，其内部以铁和铝及其他少量金属矿物（钙和铬）为主要的矿物成分织构而成;粉黏粒状的红土粒料是由在砾石形成过程中淋溶、分解出来的石英与少量待进一步胶结、复合的金属矿物构成[2]。在对比红土砾石料组成成分的研究过程中，发现其三部分组成如下：

（1）主要未分解的母岩的碎石。

（2）其次铁质硅铝结核砾石。

（3）母岩分解后而形成的黏性土[3]。

2 级配特征分析

根据地质调绘成果，对肯尼亚首都内罗毕环城路沿线的多个料场进行取样，获得了多组红土砾石料的土样，部分土样的级配试验数据如表2。

大部分土样缺少粒径较小的级配，说明红土粒料的级配较差。在分析研究对比这些数据后形成了曲线图如图1，得出个别土样的不均匀系数Cu=11.33，曲率系数Cc=2.64。

非洲其他地区的红土粒料的天然级配较差，中间粒径普遍缺失，细粒土含量普遍偏高[4]。东非肯尼亚地区的细粒土含量普遍偏低。

3 击实特性与最佳含水量

现场实验中，分析土的干密度与最优含水量，分析最大干密度以及对应最优含水量。选择天然红土砾石料经典级配，采用全自动击实仪器测定，主要分三层进行重型击实，分析对比击实曲线如图2。从数据分析可以看出，随着击实次数的增加，其最大干密度也在逐渐增大。因此可以得出结论：在同样含水率下，随着冲击能量增大，干密度也随之增大。

根据项目沿线取土场取得的土样所做的压实试验，红土砾石料最大压实密度为1 213～1 580 kg/m3，所对应的最佳含水量22.1%～36.1%。所取土样实验结果：随着压实密度增大，最佳含水量随之越低;随着最大压实密度减小，最佳含水量也减小。

4 红土粒料的CBR试验

根据美国ASSHTO规范，在项目沿线取土场取得的土样，按照施工时最佳含水量以及压实度要求制备试样。试验制备后，在加载之前浸泡四昼夜。沿线取土场共取土样23个，CBR最大值18，最小值为8.0，具体分布见表3。

5 路基填筑及压实度要求

根据肯尼亚规范：软质材料填筑时，分层填筑，层厚不得超过150 mm（压实后）。硬质材料填筑时，最大粒径不得超过250 mm，分层摊铺厚度不得超过400 mm（松方）。

通常情况下，各层填料的干密度均应至少压实到95%的最大干密度（标准压实），其中路基最上部300 mm干密度则应压实到至少100%的最大干密度（标准压实）。路堤应尽快建成，以确保有足够的时间防止路面裂缝产生。因此，最佳压实率下的最优含水量应不超过105%。

软质填料的4天浸水CBR应大于8%，且膨胀率不超过1%。

对路面结构下300 mm路床的4天浸水CBR應不小于15%，膨胀率不应超过1%，压实度为100%，并且粒径不应超过25 mm。

6 施工工艺

对比同类级配碎石，红土砾石料在室内压实或现场碾压下破碎严重，大颗粒的破碎刚好能对级配本身的缺失进行填充。在现场实际施工过程应充分保证压实工艺，保证红土砾石料充分破碎和压实，能有效提高路基整体压实度。

施工的主要工艺原理为：

（1）与国内常见的级配碎石基层和底基层不同，红土粒料在室内的击实试验或现场碾压下破碎严重，大颗粒的破碎刚好能对级配本身的缺失进行填充。在现场施工过程中采用高强度的碾压压实，使红土粒料充分破碎，能提高基层的整体压实度。

（2）根据既有工程实践经验，对级配碎石基层而言，其最大施工厚度为30 cm。因此，对级配红土砾石基层的施工一般不需要分层填筑。

（3）铺筑一定距离的试验段（≮500 m），以获得前期施工的具体控制参数。试验段按不同洒水次数和胶轮、弱振与强振不同组合分段，通过最后的试验数据确定最佳洒水次数（最接近的含水率）、碾压遍数和松铺系数。

主要施工工艺如图3。

在实施红土砾石料前，应优先进行试验段。通过试验段，总结正式段的红土砾石料底基层摊铺施工工艺流程为：

（1）放线与边桩放样。确定路基中心线，以边桩形式确定底基层填筑的横向宽度，考虑将边坡压实超宽的距离，通过松铺系数确定底基层的填筑高度。

（2）卸土、推平、洒水与精平。在路基表面卸红土砾石料达试验段长度后，用推土机进行红土砾石料的初平，然后按照松铺系数要求确定松铺厚度，查询施工经验确定摊铺层厚与洒水次数。

（3）碾压。首先光轮压路机完成数遍碾压，而后采用平地机精确平整，测量底基层顶面标高，循环碾压。最后采用20 t以上振动压路机进行碾压保证路基顶面边30 cm以外正常的震动碾压，30 cm部分采用轻载压路机静压薄弱环节或采用小型压路机压实。

（4）压实度的检测。建议压实度检测采用灌砂法，条件允许的话，采用核子密度仪等专业设备，不建议用环刀法。

（5）洒水养护。在施工过程中及时对验收合格路面进行洒水养护保证底基层顶面不开裂起尘，避免车辆反复碾压与水分流失，有利于下道工序施工。

另外，值得注意的是，通过对天然红土砾石料的室内压实试验研究发现，由于天然红土砾石料细粒土含量较大，在含水率过高时，会出现“弹簧土”“推挤”等现象的发生，故不建议在雨季进行底基层施工作业，料场注意排水措施的设置，防止雨水堆积的发生。

7 结语

（1）和非洲其他地区类似[5]，肯尼亚的天然红土砾石料性能差异大，整体上其含泥量偏高、级配不均匀系数偏大，但CBR 强度适中。

（2）肯尼亚地区的天然红土粒料是一种普遍缺失砂类土粒径的粒料，不是一种理想的路面基层、路床填料。

（3）天然红土砾石料在现场施工中大部分可以直接用于底基层填筑，其中少部分可用于路床，在后期使用中运行良好。

（4）红土砾石料如用于基层时，应满足土基基本参数（液限和塑性指数、磨耗值和CBR强度），同时其技术指标同时应考虑满足粒径的级配要求。

（5）在分析所有土样的级配试验，大多数土样的不均匀系数较大，说明红土砾石料的天然级配较差，并不是理想的路基填料。

（6）该文对肯尼亚天然红土砾石料特性及工程实践应用的研究，为今后在该地区实施工程提供很好的参考。

参考文献

[1]曹长伟， 罗志刚， 钱劲松. 西非马里地区级配红土粒料的室内试验研究[J]. 中外公路， 2015（5）： 54-57.

[2]杨戈， 陶泽峰. 西非红土粒料形成及其应用[J]. 中外建筑， 2016（7）： 142-143.

[3]纪更占， 钱劲松， 凌建明. 西非马里地区红土粒料的矿物组成与路用性能[J]. 公路工程， 2017（5）： 327-331.

[4]曹長伟， 罗志刚， 钱劲松. 西非马里地区级配红土粒料的室内试验研究[J]. 中外公路， 2015（5）： 54-57.

[5]张瑞菊， 王国康， 白墨. 非洲天然红土粒料的路用性能及使用标准[J]. 交通科技， 2017（1）： 23-26.

收稿日期：2022-01-10

作者简介：袁万富（1991—），男，硕士，研究方向：路桥施工。