红土粒料在路面结构设计的应用

　　红土砾料作为一种分布普遍、性能良好的天然材料，在塞内加尔地区路面结构设计中有着广泛的应用。本文将结合塞内加尔路面结构设计概况、塞内加尔塞内加尔新路面结构目录和路面尺寸指南中关于红土粒料的要求、红土粒料在塞内加尔某高速公路项目中成功实施经验，对红土粒料在塞内加尔路面结构设计中的应用进行总结、研究，为非洲法语区其他国家开展路面结构本地化工作及国际承包商相关道路设计、实施提供参考。

　　关键词:塞内加尔;红土粒料;路面结构设计;筑路材料

　　目前，非洲(法语区)国家的道路设计及建造习惯起源自法标，几乎所有道路工程的设计及技术指标均深受法标影响，路面结构设计亦多参照法国标准。由于非洲(法语区)国家经济状况、气候条件、社会环境、筑路材料、实际车辆荷载等与法国差异明显，盲目照搬法国标准带来工程造价高、设计参数与实际不符等一系列问题，应高度重视当地项目实施经验总结，因地制宜的开展本地化设计工作。塞内加尔在法标路面结构设计本土化方面开展了大量工作，并在塞内加尔新路面结构目录和路面尺寸指南中明确了部分红土粒料设计要求，弥补了法标体系下缺少红土粒料要求的缺憾，对指导非洲法语区其他国家路面结构设计亦具有较大的参考价值，有必要深入开展研究工作。红土粒料作为亚非拉热带地区特有的典型筑路材料，在塞内加尔得到广泛应用，极大限度利用了当地资源材料，节约了工程建设成本，满足了当地工程需求。本文将结合塞内加尔新路面结构目录和路面尺寸指南、塞内加尔道路工程的成功实施经验，对红土粒料在塞内加尔路面结构设计中的应用进行总结、研究。

　　1塞内加尔路面结构设计概况

　　交通运输业处于塞内加尔国家发展战略的核心位置，并且在地区投资发展规划中起到基础性作用。近年来，塞内加尔公路运输业获得大量投资并且占据交通运输领域的主要地位。截至2017年，塞内加尔公路总长1.52万km，其中沥青路5000余km，土路约1万km，高速公路约200km。由于缺乏相关技术参考资料，塞内加尔以往国内路面结构设计标准通常参照其他国家已有实际相关经验和技术参数。除了国内地质条件和材料使用情况有所不同之外，这些现有经验在本地实际工程利用中得到了充分体现。塞内加尔国内公路条件特殊性只是得到了很小一部分体现。现有公路路面结构并不能很全面的反映出本地的施工条件以及本地可用的适合的施工材料。通用技术参数的确定对于路面设计标准的相关研究和减小设计偏差以及利用不同理论和方法施工进而减少项目支出的增加都是很有必要的。2015年6月，塞内加尔为促进塞内加尔国家路网管理局有效决策管理，同时，优化本地材料使用情况，编制了《塞内加尔新路面结构目录和路面尺寸指南》，作为其公路设计通用参考中道路部分的几个组成部分之一，以促进路面结构设计本土化工作。指南中大部分内容参考了法国的路面设计方法，在这些大量的公认，被广泛采用的理论方法的参数标准中考虑到了塞内加尔道路的实际状况(气候，交通量，材料等)。红土粒料是塞内加尔主要材料，红土粒料作为筑路材料应用极大限度利用了当地资源材料，节约了工程建设成本，满足了当地工程需求，对降低工程规模，促进当地经济发展具有重要意义。

　　2塞内加尔路面设计指南中关于红土粒料的要求

　　塞内加尔道路结构设计共包括图1中介绍的几个部分。塞内加尔4种典型路面结构主要有柔性路面、厚沥青路面结构、半刚性路面结构、混凝土路面结构四种，依据法标NF-P98-086规范做出定义。柔性路面类型一直是塞内加尔目前最常用的。路面结构为一层薄沥青层(小于12cm)，有时甚至只有一层表面涂层覆盖于一个或多个粒料层上:天然碎石(GNT)，天然红土砾石(GL)，水泥改良红土(GLa)，稳定红土料(GLli)。厚沥青路面结构此种结构由水硬性粘合剂处理材料构成路基层以及路基层上的沥青面层构成，水硬性粘合剂处理材料为2级或3级碎沥青石(GB2或者GB3)沥青混合料总厚度要大于12cm。4级碎沥青石只在达喀尔-迪阿尼亚迪奥高速公路项目中使用过。塞内加尔目前还没有使用高模量沥青混合料(EME2)的先例。半刚性路面结构由水硬性粘合剂处理材料构成的路基层加上面的沥青面层构成，水硬性粘合剂处理材料为处理红土砾石(为GLc1或GLc2，即便是低刚性模量)，水泥介壳沙土(BQc)，3级水泥砾石(GC-T3)，2级处理沙(SC-T2)。水泥是塞内加尔唯一在使用的水硬性粘结材料。混凝土路面结构，由贫混凝土(BC2)构成的路基层和上面的水泥混凝土地坪(BC5)作为行车面层构成。GC-T3，GNT，GB3，BBSG…)在塞内加尔极少使用;混凝土结构/水泥砾石结构会用在例如新建机场停机坪建设中。连续浇筑钢筋混凝土工艺在塞内加尔很少或基本不使用。塞内加尔红土粒料在路面结构设计中主要应用于路基整平层、垫层，部分项目底基层、基层。红土粒料材料性能不满足设计要求时，需对红土粒料采用水硬性粘合剂(水泥)材料进行处理。处理后材料性能需满足相应层位设计要求。(1)路基整平层(PST)塞内加尔大多数红土土壤对水较敏感。根据法国规范分为B1/B2/B5/B6，CBR值介于10-50之间。这种敏感性致使其承载力的大小变化将根据含水量而变化。施工过程中，依照大气条件，这些土壤的直接承载力在AR0—AR1之间，甚至会达到AR2。在没有影响含水量平衡的有利条件(填方、排水)或不利条件(含水层)的制约下，红土粒料承台顶面等级通常为AR1(20MPa)。对干净以及没有明显水的红土砂石，或经粘结料找平处理后，承载力可达到AR2(50MPa)。在进行红土粒料垫层施工前需确保承台顶面Ari的承载力至少为15～20MPa。也可通过掺加水泥等技术手段，达到30～35MPa。(2)垫层(CDF层)垫层(CDF层)为确保路基承载力水平，需要达到PF1—PF4。对于压实、整平质量、通行状况、承载力水平无法达到要求的土壤应设置垫层。未处理垫层。颗粒状粒料的最小规格应当是:CBR>5，颗粒物最大粒径<150mm，塑性指数<20，干密度>95%OPM或压实度为q3。未处理垫层顶面等级应达到承载力(PF2和PF3)，承台顶面级别(AR1或AR2)。红土粒料材料应当按照GTR道路技术指南的要求来处理以供垫层使用。处理垫层。材料处理前应具有如下特点。(塑性指数<25，最大粒径<150mm)，需验证体积膨胀<5%，Rti>0.2MPa，(NFP94-100)，包含有不利的化学成分:PH，MO钼，硫酸盐等。(3)路基承载力根据路基刚性模量水平，路基承载力分为如下5个等级，具体内容见表2。在塞内加尔仅作为参考，未列为验收标准。一旦垫层施工，路基等级不仅取决于测定的承载力，而且要考虑垫层的性质和厚度，以及下承层的等级。路基平整验收误差基本上控制在±3cm的范围内，如果沥青结构层厚度≤12cm，上述验收误差甚至要控制在2cm内。路基压实质量验收至少为q3。(4)基层、底基层塞内加尔路面结构设计中红土粒料类别主要包括以下6种:未处理过的红土:GL1和GL2;碎石稳定的红土:Glli;水泥改良过的红土:Gla;水泥处理过的红土(也叫做“稳定的”):GLc1和GLc2。GL1的基层使用限于:T3的交通量的基层;T1的交通量的底基层;GL2，GLli和GLa的基层的使用限于T1类交通量。GLc的基层使用限于:GLc1:T4交通量;GLc2:T2交通量施工厚度:每层10～30cm(未处理);15～30cm(已处理)。若采用更大厚度需要提高压实水平。天然红土:对于很小的交通量(<1.5MPL)，在底基层上，我们容许压实后的细料达到35%，塑性指数为30。改良性红土:仅仅包括一个很少的水泥比例(2%到3%)。改良验收标准一般如下:E≤2000MPa，(超过此范围，GLa的性能接近于GLc);处理后3天空气养生4天浸水的CBR(95%dsOPM)>80。水泥稳定红土:采用较大水泥含量(一般为4%到6%，含量在实验室配比设计之后确定)。塞内加尔红土粒料设计建议采用的模量及泊松比如表3所示:

　　3红土粒料在塞内加尔某高速公路项目中的具体应用

　　3.1项目概况

　　该项目位于西非草原区，地形平坦，海拔最高处约100m，其余地区不超过40m，地表坡降0.1%～0.3%。地处北回归线以南，受信风带影响，属热带草原气候。受热带内的锋面气旋活动，6～10月为雨季，11月份到次年5月份为旱季。雨季周期短、降雨量约700mm、平均气温的温差小，年平均温度为25.3℃，温度范围18℃～35℃。项目整体呈东西走向，设计为双向4车道全封闭高速公路，全线长约113km。累计当量轴次为8.04×106。路面结构设计年限20年。该项目路面结构设计采用水泥改良红土砾料提高垫层等级以减少路面碎石使用量，并充分利用挖方材料，减少借方，保护环境。项目已竣工两年，路面使用状况优秀，取得良好的社会效益和经济效益。项目所采用路面结构概述如下:磨耗层:6cmBBSG30/14;基层:22(11+11)cmGB40/20;垫层:25cmGLC;总厚度:53cm。路面承台永久承载力等级为PF3+，垫层采用水泥处治红土砾料GLC，厚度采用25cm。PST和AR分级为PSTN°3和AR2级，PST层顶面EV2≥80MPa。

　　3.2红土稳定粒料垫层设计要求

　　本项目垫层材料为水泥处治红土砾料GLC，其力学性能达到PF3级对材料的要求，PF等级采用PF3+。(1)材料要求根据确定的垫层承台等级，结合法国、塞内加尔相关技术指南，本项目采用的垫层材料水泥处治红土砾料性能及其原材料性能宜符合以下几方面要求:红土砾料的最大粒径不应超过50mm;水泥处治红土砾料的体积膨胀率Gv≤5%;水泥处治红土砾料40摄氏度浸水条件下7天劈裂强度≥0.2MPa;水泥处治红土砾料力学性能满足力学三区的要求。(2)压实和强度要求①压实度和承载力要求为得到相应的PF等级，对于垫层的压实度及承载板试验应满足PF3+等级承载力的EV2不小于150MPa。②弯沉要求采用130kN轴载下的Lacroix弯沉仪或贝克曼梁测量弯沉。本项目的垫层采用水泥处治红土砾料GLC，属于水硬性粘结料处理材料的垫层。满足PF3+等级承载力的弯沉不大于0.60mm。

　　3.3施工要求

　　垫层材料优选质量好的红土砾料GL作为水泥处治红土砾料GLC的原材料，保证料源材料的均匀和质量的稳定。水泥处治红土砾料GLC施工后洒水或者覆盖养生，避免水分过快散失。施工完成后，避免长时间的暴晒和长期浸水，同时尽快铺筑上层路面结构层。在水泥处治红土砾料GLC、红土砾料GL、未经处置的碎石GNT做沥青结构层的下承层时，表面将洒布一层透层;在两层沥青结构层之间将撒布一层粘结层。特别注意，禁止卡车驶过已浸透的、没有完全干透的砂石，这样会让沥青层粘在轮胎上。如发生了磨损现象，应立即用人工涂抹或使用喷管涂抹乳胶。摊铺垫层之前根据需要对路堤顶面(PST层顶面)洒水，保证设计的压实度和路拱横坡。同时，严禁在表面积水、下雨的天气下摊铺。

　　4结论

　　(1)由于非洲(法语区)国家路面结构设计不宜完全照搬法国标准，应高度重视当地项目实施经验总结，结合所在国筑路材料、经济条件等特点因地制宜的开展路面结构设计本地化工作。(2)红土砾料作为一种分布普遍、性能良好的天然材料，是塞内加尔地区储量最丰富的筑路材料，在该国道路工程建设中广泛应用，取得良好的经济效益和社会效益，促进了所在国交通工程的发展。(3)塞内加尔编制了《塞内加尔新路面结构目录和路面尺寸指南》，以促进路面结构设计本土化工作。指南中充分考虑到了塞内加尔道路的实际状况(气候，交通量，材料等)。对法国标准进行了部分修正，对红土粒料应用条件及技术要求进行了补充，为红土粒料的应用提供了设计依据。(4)研究人员对塞内加尔已实施的某高速公路进行了调研，认为红土粒料可作为良好的筑路材料加以应用，取得了良好的社会效益和经济效益。筑路材料选用红土粒料设计时，应明确材料的原材料性能、压实度、承载力、弯沉、具体施工要求，以保证应用效果。(5)红土粒料在塞内加尔路面结构设计中的应用办法为非洲法语区其他国家开展路面结构本地化工作及国际承包商相关道路设计、实施提供了有益参考，值得借鉴。

　　作者：程昊 王方立