苏丹黑粘土的膨胀特性

摘要：本文重点描述了苏丹共和国尼罗河流域广泛分布的黑粘土的宏观特征、空间分布、沉积环境、物理力学性质。尤其对黑粘土的膨胀性进行了分析，认为苏丹黑粘土普遍具有膨胀性，并且其膨胀潜势具有上层强，下层弱的特点。以期能够给在苏丹从事水利水电、市政设施、工业和民用建筑以及道路交通等领域的施工的岩土工程界的人士参考。

关键词：黑粘土、膨胀性、苏丹、尼罗河

Theexpansibilityofblack clayinsudan

Abstract: This paper mainly describes The Nile Valleyof republic of Sudan widely distributed black clay and its macro feature 、Space distribution,sedimentary environment、 physical and mechanical properties .this papermakes analysis especially for the expansibility of black clay , itThinks that Sudan black clay are generally have the expansibility, andit has features :the upper layer of its expansion potential is strong ,the under layeris weak . I hope this paper can give reference to the people who engaged in Water conservancy and hydropower 、Municipal facilities 、industrial and civil construction and road traffic and other areas of the geotechnical engineering people in Sudan.

Key words:black clay； expansibility；Sudan；The Nile river

引言

非洲的母親河----尼罗河，从南到北纵贯苏丹共和国（简称苏丹）全境，在首都喀土穆以南分为两支，西支为白尼罗河，东支为青尼罗河。常年川流不息的尼罗河，给苏丹人民生产、生活和农田灌溉提供了水源。沿岸冲积平原的浅表广泛分布有黑色粘性土，颜色多为黑色、灰褐色。这些黑粘土常常是是工业与民用建筑以及道路等基础设施的地基土，因为其有失水收缩，吸水膨胀的变形特性，给各类建筑基础施工带来很多不便。笔者有幸组织并参与了苏丹港供水工程岩土工程勘察项目，项目区涉及到了苏丹黑粘土。本文借鉴苏丹港供水工程岩土勘察的相关工作成果，对苏丹的黑粘土膨胀特性与以阐述。以期给越来越多的到苏丹从事岩土工程勘察和施工的同仁以参考。

.黑粘土的宏观特征

苏丹黑粘土，多为黑色、黑褐色。多分布在尼罗河一级和二级阶地上，其典型的宏观特征是，失水干裂，饱水松软。旱季时，地表随处可见走向不规则的裂缝，裂缝剖面上多呈“V”字型（见图1）；雨季时黑粘土，饱水膨胀，多呈软缩状态，粘连，地表难以通行。其厚度不均，在一级阶地上多为2--3米；二级阶地多为5—8米。

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作者简介：刘建方（1965--），男（汉族），河南省郑州人，高级工程师。

图1尼罗河阶地黑粘土干裂缝照片

2.黑粘土的沉积环境

从空间分布上看，黑粘土主要分布在尼罗河的一级和二级阶地的浅表。其下为沙层，呈现典型的上细下粗二元结构。岩性上多为粉土和粉质粘土，有层理，常常含有粉沙透镜体。因此，从其空间分布，岩性结构看，黑色粘土属于河流冲积相的泛流堆积。据苏丹相关地质资料分析，其堆积时代为第四纪上更新世或者全新世沉。

3.黑粘土的物理力学性质

3.1黑粘土物理力学性质指标

苏丹港供水工程是从Atbara附近的尼罗河取水10万立方/天，通过加压输送到470公里外的苏丹港。工程的取水口和净水厂在尼罗河右岸，工程布置在尼罗河的二级阶地上，地表耕植层下就是黑粘土。在拟建净水厂（距尼罗河右岸70米）区内共施工钻孔57个，一般勘探孔8--12米，控制性钻孔15---20米；取原状土样52组，在现场进行了土工试验。对于黑粘土的物理力学性质有了充分的了解。根据净水厂的勘察资料（1），对黑粘土的特征和物理力学性质表述如下：

在净水厂场地地表下20米深度内的地基土，根据钻探、标准贯入试验、岩性特征的不同，自上而下共划分7个工程地质单元层。①、②单元层是黑粘土，③单元层以下以沙层为主。所以，仅对上部两个单元层进行描述。

①层：粉质粘土、灰褐色，硬塑，中等干强度，中等韧性，无摇震反应，切面稍光滑，含植物根系。层厚0.5---3.8米，平级厚度2.74米，层底标高345.78---349.68米。

②层：粉质粘土，褐黄色，可塑至硬塑，中等干强度，中等韧性，无摇震反应，切面稍光滑，局部夹薄层粉砂，层厚0.85---5.40米，平局厚度2.59米，层底埋深3.00---8.60米，层底标高341。60---346.98米。

这两个单元层黑粘土的物理力学性质指标如下（表1）：

河南省水文地质工程地质勘察院，

苏丹港供水工程勘测报告，2007，

内部资料未出版

苏丹黑粘土物理力学性质指标统计表表1

层

号 指 标

特征值 天然含水量

W 重度

干密度 比重 天然孔隙比 饱和度 液限 塑限 塑性指数 液性指数 内摩镲角 凝聚力 压缩系数 压缩模量

① % G e % % % Ip Il c a E

样本数 29 28 28 29 28 28 29 29 24 24 7 7 28 28

最大值 40.3 20.2 1.69 2.76 1.22 100 59.4 38.6 24.3 0.08 35.5 96.0 0.38 24.1

最小值 16.1 15.5 1.22 2.69 0.63 49 32.4 25 10.8 0.01 19.0 59.0 0.07 5.80

平均值 26.7 18.6 1.47 2.74 0.87 85 51.2 33.6 19.2 0.04 25.7 78.1 0.15 14.50

标准差 5.19 1.07 0.11 0.02 0.13 11.4 8.16 3.60 4.17 0.26 6.70 13.28 0.07 5.43

变异系数 0.19 0.05 0.07 0.01 0.15 0.14 0.16 0.17 0.21 0.30 0.26 0.17 0.30 0.30

② 样本数 21 21 21 21 21 21 21 21 6 6 6 6 21 21

最大值 50.5 18.3 1.39 2.76 1.30 100 56.8 38.3 18.8 0.49 42.2 99 0.81 26.1

最小值 29.2 15.9 1.18 2.67 0.97 66 36.2 28.2 10.5 0.11 22.4 17 0.08 2.76

平均值 35.2 17.3 1.27 2.71 1.13 84.5 44.4 32.9 13.6 0.23 28.5 54 0.24 12.8

标准差 4.61 0.06 0.05 0.02 0.09 8.04 5.84 3.36 2.80 0.14 7.68 33.5 0.20 6.42

变异系数 0.13 0.04 0.04 0.01 0.08 0.09 0.13 0.11 0.21 0.30 0.27 0.30 0.30 0.30

表中为快剪值，第②层的固结快剪平均值分别为19.7 KPa 和27.6°；

黑粘土的现场标准贯入试验结果统计如下（表2）

苏丹黑粘土标准贯入试验成果表表2

层号 岩

性 样本数

n 原始击数(击) 经杆长修正后击数(击) 修正

击数

N

（击）

最小值 最大值 平均值 标准差 变异系数 最小值 最大值 平均值 标准差 变异系数

① 粉质

粘土 55 6 22 17.2 3.2 0.19 5.8 22 17.2 3.2 0.19 16

② 粉质

粘土 61 7 21 15 3.2 0.22 6.6 25.9 14 3.2 0.23 13

3.2 黑粘土地基承载力特征值

根據室内土工试验成果及原位测试资料，结合当地建筑经验，综合分析后提供两层黑粘土的承载力特征值（表3）

苏丹黑粘土地基承载力特征值fak(KPa)表3

层 号 ① ②

物性指标查表确定 150 120

标准贯入试验确定 140 140

承载力特征值 140 120

4．黑粘土的膨胀性评价

4.1黑粘土膨胀性初判

根据苏丹尼罗河冲积平原的黑色粘土多分布在河流阶地；有干裂现象，裂缝发育且方向不规则；可见建筑其上的民房开裂；具有干时坚硬，遇水软化的现象等等这些宏观特征，可以初步判定黑粘土具有膨胀性，属于膨胀土。

4.2黑粘土膨胀特性指标

根据室内土工试验结果看，这两层黑粘土的液限为44.4---51.2%（大于40%），缩限32.9—33.6%（大于20%），塑性指数大于17，具有膨胀土的物性特征。室内膨胀试验参数如下：

单元层，自由膨胀率为65--101%，平均值为77.5%，50KP膨胀率为0.4---3.5%，平均值为1.7%，收缩系数为0.19—0.74，平均值为0.53，膨胀力为56---133KPa,平均值为86KPa,缩限为10.3—12.3，平均值为11.0。胀缩总率

单元层，自由膨胀率为53---56.1%，平均值为54.5%，收缩系数为0.23，膨胀力为7KPa,缩限为7.3。

4.3 黑粘土膨胀等级判别

根据我国《膨胀土规范》(GBJ112—87)的膨胀土分级标准，依据液限、自由膨胀率、膨胀力、胀缩总率等指标，将膨胀土的膨胀程度分为弱、中等、强三级（表4）

膨胀土等级划分标准（参考） 表4

评价指标 等级

弱 中等 强

液限WL（%） 40---43 43---57 ＞57

自由膨胀率（%） 40---50 50---60 ＞60

膨胀力P(KPa) 20---35 35---65 ＞65

胀缩总率ep（%） 0.7---2 2---4 ＞4

综上所述，苏丹尼罗河冲积平原上的两层黑粘土都有膨胀性，上部属于中等至强膨胀，下部属于弱膨胀。

黑粘土地基的岩土工程对策

5.1黑粘土的胀缩特性对地基和建筑的损坏

一般来说，黑粘土的胀缩性对地基和建筑的损坏有以下特征：

a 干旱季节或者干旱年份地基开裂、地面上拱变形；

b建筑墙体出现对称或不对称的“八”字形裂缝；墙面裂缝和地面裂缝相通；

5.2 黑粘土地基的岩土工程对策

黑粘土地基的岩土工程对策主要包括基础设计和地基防护两个方面的措施：

a基础埋置深度的选择

要根据黑粘土的埋藏深度，大气降水影响深度来确定基础埋置深度。一般基础不宜设置在大气影响深度内的土层中，当地下水位较高时，基础可以浅埋。

b 基础形式的选择

深基础设计时，应充分考虑黑粘土地基膨胀变形特性，应当缩小基底面积，增大基底压力，减少地基变形量。所以尽量使用桩基，尽可能穿透膨胀土层；

浅基础设计时，可以考虑换土垫层。将地基中的黑粘土部分挖除（厚度不小于1.5米），用砂、碎石、石灰等材料作垫层。垫层宽度应大于基础宽度0.3米为宜。

c 地基防水保护

在建筑物周围设置混泥土散水坡，防止地表水渗入和土层中水的蒸发；

做好排水系统，注意上、下水管道和有水地段的防漏；

参 考文献

﹝1﹞ 万长基，特殊地基，河南，河南科学技术出版社，1992.

城乡建设环境保护部，膨胀土地区建筑技术规范（GBJ112---87)，中国计划出版社,1989.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。