何淑軍

(中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088)

黑棉土分布范圍比較廣，除了印度德干高原分布較為廣泛外，在非洲尼日利亞、埃賽俄比亞、肯尼亞、坦桑尼亞等地亦有分布。其厚度一般為0.5～5 m，局部可達(dá)10 m以上[1-6]，主要由火山堆積物或火成巖經(jīng)風(fēng)化、水蝕、搬運(yùn)、堆積形成，可分為原生黑棉土和次生黑棉土，多呈黑色、灰黑色，具脹縮性。在干濕條件變化時(shí)，易導(dǎo)致地表開裂及地基土上的建構(gòu)筑物，公路鐵路路基等的變形、開裂、破壞等。

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路主線全長(zhǎng)471.874 km。經(jīng)過(guò)調(diào)查，沿線分布有大量的黑棉土(初步統(tǒng)計(jì)有95 km，約占全線路20%[7])。對(duì)黑棉土的分布、厚度的調(diào)查，以及物理力學(xué)性質(zhì)、施工措施等的研究充分與否，對(duì)保證工程質(zhì)量、降低工程造價(jià)有著重要意義。

1 黑棉土概述

肯尼亞蒙內(nèi)鐵路沿線分布的原生黑棉土主要為黏性土，一般分布于玄武巖、響巖、凝灰?guī)r地區(qū)的地表；次生黑棉土是原生黑棉土經(jīng)過(guò)搬運(yùn)、沖積、沉積等形成，一般會(huì)含有砂礫、細(xì)砂等，多分布于沖溝斜坡、低洼處、沖溝匯集地，其母巖仍然主要為玄武巖、橄欖玄武巖、響巖等，礦物成分主要為蒙脫石，并含有少量高嶺石等。

肯尼亞野外的黑棉土很容易區(qū)分，顏色呈黑褐色，旱季時(shí)表現(xiàn)為堅(jiān)硬狀態(tài)，地表裂縫延伸較長(zhǎng)，寬3～5 cm，且邊緣呈鋸齒狀(見圖1)；雨季裂縫消失，強(qiáng)度急劇降低，呈軟塑狀態(tài)(見圖2)。

圖1 旱季黑棉土地表開裂外觀

圖2 雨季黑棉土地表浸水外觀

1.1 黑棉土的工程特性

(1)壓實(shí)特性

膨脹土一般不適宜于作為填料，而作為強(qiáng)膨脹土的黑棉土，更不適宜作為換填材料。簡(jiǎn)單的壓實(shí)并不能顯著提高黑棉土的強(qiáng)度，對(duì)其脹縮特性亦影響甚微，調(diào)整含水量以期獲得較高壓實(shí)度的做法效果亦不明顯[8]。

(2)變形特性

黑棉土變形主要包括：①吸水時(shí)，土體膨脹、軟化，強(qiáng)度下降，外觀上顯示為土體松散，地面隆起；②失水后，土體收縮，產(chǎn)生較大變形，外觀上顯示為土體開裂、地面下降。

(3)強(qiáng)度特性

黑棉土的抗剪強(qiáng)度來(lái)源于顆粒間相互移動(dòng)和膠結(jié)作用而形成的摩擦阻力。旱季黑棉土失水，顆粒之間水化膜減薄，顆粒膠結(jié)增強(qiáng)，土顆粒之間摩擦力增大，移動(dòng)困難，宏觀表現(xiàn)為土體強(qiáng)度較高。而在雨季，由于裂隙的存在，為雨水浸入創(chuàng)造了條件，土體吸水后顆粒之間水化膜增厚，土顆粒黏結(jié)強(qiáng)度減弱，摩擦力減小，表現(xiàn)為土體強(qiáng)度降低。

(4)滲透特性

旱季的黑棉土地區(qū)地表裂縫發(fā)育，為雨水下滲創(chuàng)造了條件，黑棉土吸水后膨脹，裂縫閉合，顆粒間水化膜增厚，孔隙封閉，導(dǎo)致黑棉土滲透性減少。外在表現(xiàn)就是黑棉土地表大量積水，下滲困難(見圖2)。

1.2 黑棉土的物理力學(xué)特性

根據(jù)蒙內(nèi)鐵路地質(zhì)勘察資料[7]，選取沿線典型的原生黑棉土進(jìn)行物理力學(xué)指標(biāo)及膨脹性試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 典型原生黑棉土物理力學(xué)數(shù)據(jù)

注：表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為剔除異常值后的平均值。

表1中試驗(yàn)數(shù)據(jù)及勘察報(bào)告[7]試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明：

(1)黑棉土密度較低，天然密度一般在1.49～1.65 g/cm3，干密度一般在1.14～1.3 g/cm3，其均值分別為1.57 g/cm3、1.19 g/cm3。

(2)黑棉土孔隙比較大，一般在0.943～1.24之間，均值為1.14。

(3)含水量在28%～38%之間，均值為31.9%，液性指數(shù)小于0，說(shuō)明黑棉土在此含水量下大多保持在堅(jiān)硬—硬塑狀態(tài)。

(4)原生黑棉土的自由膨脹率較大(為120%～155%之間)，而無(wú)荷膨脹率較小(5%～15%之間)，原因?yàn)楹导竞诿尥羶?nèi)部裂隙發(fā)育，在有側(cè)限的條件下膨脹填充了內(nèi)部的橫向裂隙，導(dǎo)致豎向膨脹率較小。

(5)50 kPa荷載下，黑棉土的膨脹率已經(jīng)比較小(為0.02%～2.75%，均值0.69%)。說(shuō)明在豎向加載50 kPa的情況下，可以消除黑棉土地基豎向膨脹的影響，這對(duì)于高填方路基是一個(gè)有利條件。

2 肯尼亞大氣影響深度研究

2.1 肯尼亞氣候狀況

肯尼亞地勢(shì)高差較大，氣候變化也較大，全境主要為熱帶草原氣候和熱帶季風(fēng)區(qū)，沿海地區(qū)天氣濕熱，高原氣候比較溫和。蒙內(nèi)鐵路沿線年最高氣溫34.9 ℃，最低氣溫9.4 ℃。每年3～6月和10～12月為雨季，其余為旱季。雨季降水量大且集中，年平均降水量為558.6～731.8 mm，年均蒸發(fā)量為1 450～2 400 mm[7]。

2.2 大氣影響深度

肯尼亞相關(guān)的大氣影響深度等資料匱乏，加之該項(xiàng)目采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。因此，根據(jù)膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[9]，確定大氣影響深度及大氣急劇影響深度，如表2所示。

表2 大氣影響深度

注：大氣急劇影響深度可按表2中的大氣影響深度乘以0.45采用。

鉆探、探坑及試驗(yàn)資料顯示，裂隙深度為2.0～4.0 m，下部土層一般比較均勻，顯示為各向同性，濕度比較均勻，含水率為28%～35%之間，平均為31.5%。因此，確定肯尼亞蒙內(nèi)鐵路沿線大氣影響深度為2.0～4.0 m，大氣急劇影響深度為0.9～1.8 m。根據(jù)黑棉土分布厚度，建議的大氣急劇影響深度如表3。

表3 大氣急劇影響深度建議

3 黑棉土路基地基處理方法

3.1 黑棉土化學(xué)改性處理方法

國(guó)內(nèi)常用的膨脹土化學(xué)改性方法就是在膨脹土里添加石灰，有研究表明，添加5%～10%的石灰改善效果較好，主要表現(xiàn)為土的液限降低、塑限提高，漲縮性明顯減小，而強(qiáng)度顯著提高。

文獻(xiàn)[10]采用了石灰穩(wěn)定劑及新型NCS固化材料的加固改良膨脹土。膨脹土填料改性除采用通常使用的石灰外，還可增加石灰與石膏以及NCS固化材料等進(jìn)行外摻處理。

3.2 黑棉土物理改良法

根據(jù)蒙內(nèi)鐵路地質(zhì)調(diào)查報(bào)告[7]，沿線零星分布有次生黑棉土，膨脹試驗(yàn)顯示這些段落的黑棉土只有弱-中等膨脹，部分甚至無(wú)膨脹性，其原因?yàn)槭艿經(jīng)_洪積的搬運(yùn)作用，黑棉土中混有非膨脹礫石、粉細(xì)砂等顆粒，減弱了膨脹作用。模擬非膨脹物質(zhì)含量與50 kPa、100 kPa下的膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4。

表4 次生黑棉土模擬試驗(yàn)物理力學(xué)數(shù)據(jù) %

注：表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為剔除異常值后的平均值。

由表4可知，添加非膨脹物質(zhì)，改善黑棉土的顆粒成分比例，可以降低膨脹率，為路基設(shè)計(jì)提供有利條件。50 kPa、100 kPa外加荷載的等效土體高度分別大約為2.5 m、5.0 m。因此，可以根據(jù)非膨脹物質(zhì)含量與膨脹率換算路基允許沉降量，進(jìn)而選取路基填土高度。

3.3 黑棉土保濕法地基處理

保濕法處理主要原理就是保持基礎(chǔ)以下地基含水量大致穩(wěn)定，減少因含水量的變化而導(dǎo)致的黑棉土膨脹與收縮。保濕法處理可分為主動(dòng)和被動(dòng)處理：主動(dòng)處理就是對(duì)小面積的建筑場(chǎng)地進(jìn)行主動(dòng)封閉處理，表面及側(cè)溝均采用隔水措施，側(cè)溝要深至大氣影響深度以下。被動(dòng)處理就是選擇合理的基礎(chǔ)埋置深度，一般應(yīng)置于大氣急劇影響深度以下。

3.4 黑棉土換填法地基處理

換填法是最常用的處理膨脹土膨脹性的方法之一。根據(jù)黑棉土厚度的不同，可以部分換填或全部換填。

4 蒙內(nèi)鐵路黑棉土分布特征及設(shè)計(jì)運(yùn)用

4.1 黑棉土分布特征及膨脹等級(jí)

依據(jù)報(bào)告[7]，蒙內(nèi)鐵路沿線黑棉土的分布特征及膨脹等級(jí)見表5。

表5 黑棉土分布特征及膨脹等級(jí)

從表5中可以看出，其總體分布特點(diǎn)為：①原生黑棉土一般分布在內(nèi)羅畢高原附近60 km范圍內(nèi)；②黑棉土厚度普遍較小，其厚度一般小于2.5 m，這就決定了黑棉土路基的處理應(yīng)以挖除換填為主。

4.2 黑棉土路基設(shè)計(jì)措施

(1)填方高度大于2.5 m的段落，應(yīng)清除地表0.5 m的黑棉土(小于0.5 m厚的黑棉土則全部清除)，換填非膨脹土。

(2)填方高度小于2.5 m且黑棉土厚度小于1.0 m的段落，應(yīng)全部挖除換填；黑棉土厚度大于1.0 m時(shí)，換填深度應(yīng)加深至1.0～1.8 m(接近于大氣急劇影響深度)，并在坡腳做好封閉措施及邊溝排水措施。

(3)當(dāng)挖方深度大于黑棉土厚度時(shí)，則全部挖除黑棉土，并做好邊坡的防護(hù)設(shè)計(jì)。

(4)當(dāng)挖方深度小于黑棉土厚度時(shí)，則換填深度至少為1.8 m，并采取邊坡防護(hù)，封閉防水，加大黑棉土坡比(1∶2)，增加邊溝、天溝排水等措施。

4.3 黑棉土路基施工措施

(1)施工時(shí)應(yīng)避開雨季并加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)排水。路基開挖后各道工序要緊密銜接，連續(xù)施工，時(shí)間不宜間隔太久。路堤、路塹邊坡按設(shè)計(jì)修整后，應(yīng)立即漿砌護(hù)墻、護(hù)坡，防止雨水直接侵蝕。

(2)路堤與路塹的填挖交界處，兩邊土體的含水量及原有的密實(shí)度存在差異，施工壓實(shí)時(shí)，應(yīng)確保其壓實(shí)均勻、緊密，避免發(fā)生不均勻沉陷。

[1] Oriola F， Moses G. Groundnut shell ash stabilization of black cotton soil[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2010，15(D):415-420

[2] 張大峰，楊軍，李連友，等.東非地區(qū)黑棉土工程特性和樁基病害處理[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015，45(1)：72-76

[3] 王曉帆，王躍，張艷紅.黑棉土路基處治設(shè)計(jì)[J].公路，2012(9)：46-52

[4] 徐正宣，唐林，張昆，等.埃塞俄比亞鐵路黑棉土勘察方法及工程特征研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014，30(2):15-18

[5] 王鐵，于軍.談非洲地區(qū)黑棉土地基處理[J].山西建筑，2013，39(9):64-66

[6] 趙平，徐正宣，唐林，等.埃塞俄比亞黑棉土脹縮特性及大氣影響深度研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014，30(4):46-50

[7] 王輔圣.滲水條件下膨脹土隧道圍巖濕度場(chǎng)演化規(guī)律數(shù)值模擬研究[J].鐵道勘察，2018(1)：49-54

[8] Addis Ababa Roads Authority. Pavement and Rehabilitation Design Mannual-2003[S]. Addis Ababa， 2003

[9] GB500112—2013 膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S]

[10] 楊世基，王玉泉.公路膨脹土路基的處理技術(shù)[J].公路交通科技，1998(2):76-81