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尼日利亚东南部卡拉巴-伊图公路沿线页岩土及其对路基建设的影响
摘要
这项研究涉及尼日利亚东南部一条94公里高速公路路线长达17公里的部分，该路段因路基破坏而导致路面破坏的发生率很高。该路段的路基由Ekenkpon页岩，New Netim泥灰岩和Nkporo页岩组成。在统一土壤分类系统下，页岩分为OH（有机粘土），泥灰岩分类为MH（无机淤泥）。根据美国国家和运输官方协会（AASHTO）M 145土壤分类，所有这些土壤归类为A-7-5土壤。使用AASHTO M 145组指数，这些土壤中没有一个被认为适合作为其原生形式的路基。因此，水泥被研究用于稳定剂。试验结果表明，以重量计，7%、3%和12%的水泥掺量分别是Ekenkpon页岩、Netim marl页岩和Nkporo页岩的最佳水泥掺量。
关键词
公路 路基 地质 页岩 稳定 有机粘土 淤泥
背景
介绍
页岩土是尼日利亚东南部克罗斯河州Odukpani地区的主要土壤。穿越这一地区的是一条主要的双车道公路，被命名为卡拉巴-伊图公路。这条高速公路连接两个州首府 - 克罗斯河州的卡拉巴尔和阿夸伊博姆州的乌约 - 并继续通往第三州的首府。在这条高速公路94公里的Calabar-Uyo地区，一条长达17公里（24至41公里）的高速公路构成了本文研究的重点（图 1）。
图1
显示Calabar-Uyo和Itu-Ikot-Ekpene交接的Calabar-Itu高速公路地图
Akpan和Edet（2005）关于这条高速公路的先前调查表明，对于潜在的地质情况，这段公路的特点是路面经常发生破坏。上面提到的17公里长度主要是在页岩和泥灰土上建造，而其余部分是在贝宁平原的沿海平原砂岩和粘土砂岩上建造的。与高速公路其他路段相比，这段高速公路的路面破坏率很高，因此需要对高速公路这一段路基土的岩土特性进行调查。
学习目标
该研究的目的是：
- 确定Calabar-Itu高速公路路段的这一部分经过的作为高速公路的路基
主要地质单元。
- 确定这些地质单元的岩土特性
- 评估地质单元作为路基材料的适用性或其他方面。
- 如果发现路基土不合适，可以开发一种提高路基材料强度的方法，以便为路面结构提供长期支撑。
- 制定解决方案，以避免或减少路基材料引起的路面破坏
Calabar-Itu高速公路路线的地质和场地描述
许多作者描述了高速公路路线穿越的一般地质。主要是，高速公路路线穿过卡拉巴尔侧翼，这是由Ekweme等人描述的。（1995年），作为南部尼日利亚沉积盆地的一部分，该盆地以北部的奥本地块和南部的尼日尔三角洲盆地划定的卡拉巴尔铰链线为界。它也被东北-西南走向的断层从西面的Ikpe平台中分离出来。在东部，它延伸到喀麦隆火山脊。从地层学上看，卡拉巴侧面主要由约1000米厚的阿尔比安到马斯塔里纪(白垩纪)的海洋沉积物构成。Calabar Flank的简化地层剖面如图2所示 。
图2
Calabar Flank的简化地层剖面
卡拉巴翼沉积最早的沉积物是Awi组河流三角洲交错层状砂体（Adeleye和Fayose 1978）。随后是阿尔比安中部的著名石灰岩，这是海洋第一次入侵卡拉巴侧翼（Peters 1982）。碳酸盐沉积发生在高地侧翼，而页岩和钙质泥灰岩则沉积在之间的凹陷中。
Ekenkpon页岩直接覆盖在Mfamosing石灰岩上。它是一个黑色，易裂变的页岩单元，有少量但经常插入的泥灰岩，钙质泥岩和贝壳床。Nyong和Ramanathan(1985)认为，该页岩单元的沉积跨越了Albian晚期，从Cenomanian到Turonian，代表了两个海侵旋回。
Coniacian时代新泥灰岩覆盖在Ekenkpon页岩之上。泥灰岩由页岩碎片，化石碎片，方解石和石英组成。它呈结节状和淡黄色。新泥灰岩与坎帕尼亚期至马斯特里克期早期的Nkporo页岩重叠。该页岩单元为深灰色碳质，易碎页岩，带有薄层的泥灰岩和石膏床（Reyment 1965）。
中新世至近代贝宁组，也称为沿海平原沙，代表研究区的终端地层单元。它主要由细粒至粗粒、卵石状、中等分选的砂和局部透镜状的细粒、低胶结的砂和粉质粘土组成。
图 3显示了该地区的表面地质和Calabar-Itu高速公路的轮廓。在正在调查的范围内，高速公路横穿Flank的主要页岩单元，即Ekenkpon页岩，Nkporo页岩和New Netim Marls。来自该区域的样品被收集用于研究。
图3
Calabar Flank，Calabar-Itu高速公路和土壤样本位置的地表地质
Calabar-Itu高速公路横跨两条主要河流 - 卡拉巴尔河和克罗斯河（图 1）。高速公路排水良好。雨水不会在人行道和路肩上积水，雨水会快速流出。在整个94公里长的公路段的任何地方都没有发现积水。缺乏适当的排水不是该高速公路任何部分路面失效的原因。
方法
现场程序
从4处路面边缘采集扰动土样，如图3所示。所有这些地方的人行道都损坏了。
第四个位置也是Ekenkpon页岩，因为高速公路比其他地方横穿更多的页岩单元。
实验室测试
从现场收集的样品进行实验室测试，包括自然含水率(NMC)，阿特伯格极限，筛分分析和改良的proctor测试。在AASHTO m145标准的基础上进行了进一步的分类，该标准将土壤分为路基和地基，以达到稳定的目的。该分类表明，通过200目筛的25％以上的土壤可以被视为路基土，而不是基础土。
用ASTM D 4972（2001）推荐的方法用pH计测定土壤的pH值。然而，土壤浸泡在蒸馏水中长达72小时而不是标准中的1小时。进行pH试验以确定经济地稳定每种土壤所需的水泥的相对量。
AASHTO m145 -91(2008)建议这些类型的细粒土的水泥添加量至少为13%。但由于研究的目的是为这些土壤奠定基础，所以研究开始时水泥含量较低。土体的塑性指数(PI)和液限(LL)值是另一个经常用来检验细粒土是否适合波特兰水泥稳定的判据。一般情况下，PI值小于或等于20以及LL值不超过40的土通常适合用硅酸盐水泥进行稳定处理（NCHRP 2008）。所研究的土壤均未达到液限标准，而只有Nkporo页岩土壤未达到塑性标准。
对浸渍24小时的土壤样品进行了加州承载比(CBR)试验。这些CBR测试按照AASHTO T 193-10（2010年）进行）标准。该研究采用了改良AASHTO试验，该试验是当地道路和公路工程采用的标准。在准备测试样品时，将普通硅酸盐干水泥与干土样品人工拌合，但要彻底拌合，将所测得的能使土壤达到最佳含水率的水量加到土壤中，对研究得到的最佳含水率进行人工调整。普通硅酸盐水泥外加剂在28天的标准应用中，屈服强度为32.5 N/mm2。为了评估水泥稳定土壤的有效性，根据ASTM D 559（1996年）进行测试），标准通常用于确定经受干湿循环的样品的强度和耐久性。然而，这些测试是用户主观的，因此在本研究中没有采用。相反，采用无侧限抗压强度试验。这些试验是在用不同百分比的水泥处理的样品上进行的，其含量为2-7％，并且每种土壤的最佳含水量都有。将样品室温水固化28天并在无侧限抗压强度测试之前浸泡4小时。对改进的AASHTO压实模具挤压试样进行了无侧限抗压强度试验。来自模具的样品样品直径为14.5cm，高度为12.5cm。试验用一台应变率为1.27 mm/min的电动加载机进行，并配有手动读取的数字变形和负载表。读数读数直到负荷表读数开始下降，此时测试结束。进行计算以得到应力与应变的关系图。得到的曲线转弯处的峰值是无侧限抗压强度。利用绘制曲线峰值处的应力值和零点作为纵坐标和相关应变，估算出最大杨氏模量。最小值由曲线早期线性部分的直线斜率估计。计算中采用的应力最大值作为试件的最小无侧限强度。
结果和讨论
未改性土壤的性能测试结果
土壤分类
土壤样品的筛分分析、自然含水率、Atterberg极限、AASHTO m145和USCS分类结果见表1。Nkporo页岩在USCS分类下为有机粘土，在AASHTO土壤分类系统下为A-7-5(20)，组指数值最高，代表路基等级最差。Ekenkpon页岩也被归类为OH，而New Netim Marl归类为MH（无机淤泥）。通过压实试验获得的最大干密度（MDD）和最佳含水量（OMC）的值也列于表 1。
表格1
土壤指数，水分密度值和原生土壤的分类
|
样品编号 |
地质单位 |
天然水分含量（NMC）（％） |
塑料极限（％） |
液限（％） |
可塑性指数（％） |
流动性指数 |
筛分尺寸（mm） |
4.75 |
2.36 |
1.18 资料编号：[5619] |
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