谈非洲地区黑棉土地基处理

2013-12-31王铁于军

山西建筑 2013年9期

王铁于军

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

1 概述

黑棉土(black cotton soil)是一种主要广泛分布在非洲东部的特殊岩土，在埃塞俄比亚、肯尼亚、坦桑尼亚等国家都有发现。顾名思义，黑棉土是一种表观呈黑色且具有膨胀性的土，其土粒的矿物成分中含有大量的强亲水性矿物，它吸水膨胀，失水收缩，并且反复运动，导致地表的开裂及地上建筑物的破坏(见图1，图2)。由于黑棉土具有中～强膨胀性，公路项目建设中必须对其进行处理，以确保工程的安全和质量。

图1 黑棉土远景

图2 黑棉土近景

非洲的气候环境可分为两个阶段，即雨季和旱季，以埃塞俄比亚首都雅迪斯和重要城市阿达玛为例，区域内降雨主要集中在6月～9月，占全年降雨量的71.6%，其他月份则降雨很少，蒸发量大，空气干燥。黑棉土在这两个季节时表现差异很大，旱季时，地表干燥，土壤呈硬塑胶结状态，强度较高，但整体多呈现裂缝状态，缝宽约1 cm～5 cm，深度可达0.3m～0.8 m。雨季时，受地形影响，平原地带地表水主要通过下渗和蒸发排除，地表黑棉土多呈现可塑～软塑状态，粘附性强，强度低。黑棉土在雨季及旱季的不同形态及运动方式，对地表及地面附着建筑物影响较大，往往表现为地表开裂，建筑物地基沉陷、路面裂缝及鼓包等不良病害的出露，对于公路工程的安全和质量产生严重的影响(见图3，图4)。

图3 旱季黑棉土地表裂缝

图4 黑棉土引起路面开裂

2 黑棉土特性及大气影响深度

埃塞俄比亚高速公路全长约80 km，其中黑棉土分布在前50 km的区域，约占总里程的63%。在设计阶段，项目组对黑棉土进行了详细的现场踏勘和大量的试验工作。从图5勘探的结果来看，全线的黑棉土埋藏厚度约为1 m～3m，试验结果显示膨胀等级为弱～强。

图5 K2～K50黑棉土厚度示意图

1)塑性指数(PI)与深度的关系:根据室内试验的成果，加权塑性指数(PIw)和深度的变化关系描述见图6。通过图6可以清晰地看出来具有膨胀性可能的土延伸至地表以下2.5 m。

图6 加权塑性指数随深度变化图

2)天然含水量(NMC)与深度的关系:根据室内试验的成果，天然含水量和深度的变化关系描述见图7。

图7 天然含水量随深度变化图

由图7可以看出，地表1 m～1.5 m内含水量随深度变化大，以下土层含水量较为稳定。在1 m深度左右，含水量在11.7%～41.2%之间变化;在1 m以下，含水量在24.6%～49.3%之间变化。对比可知，1 m深度以下比1 m深度以内潮湿并且较上层稳定。即是说，1 m以内的土层更干燥且比深层土变化更大。

综上所述，并参照大量文献中显示，含水量变化深度通常为1 m～1.5 m，这就是项目区域大气急剧影响层深度范围。

3 国内关于膨胀土的处理方法

1)大气影响深度与大气影响急剧层深度。

中华人民共和国国家标准GBJ 112-87膨胀土地区建筑技术规范3.2.4条规定:

大气影响深度:系指自然气候作用下，由降水、蒸发、地温等因素引起土的升降变形的有效深度。

大气影响急剧层深度:系指大气影响特别显著的深度。

大气影响深度及大气影响急剧层深度用各气候区土的深层变形观测或含水量观测及地温观测资料确定。无此资料时，可按表1采用。大气影响急剧层深度可按表1中的大气影响深度乘以0.45采用。

表1 大气影响深度

根据该规定，中国境内一般大气影响深度为2.5 m～5 m，大气影响急剧层深度为1.3m～2.25 m。据该项目前期国外咨询公司的报告显示:a.本项目区有膨胀可能性的土延伸至超过2.5 m的地下，实际上随着深度的增加不再明显变化;b.含水量在12%～45%之间(平均为31%)，并且在1.0 m深度以下比较潮湿(含水量在25%～48%之间，平均为39%)，但是没有随深度增加而明显变化的趋势。

从工程地质类比法结合勘察挖探工作及钻探情况，综合分析后推断得出以下结论:项目区的大气影响深度为2.5 m～3.5 m;而项目区的大气急剧影响层深度为1.0 m～1.5 m。从项目的安全考虑，设计中取项目区的大气影响深度为3.5 m;取项目区的大气急剧影响层深度为1.6 m。

2)换填深度(基础埋置深度)的确定。

理论和实践均已经证明:埋置于一定深度(大气影响急剧层深度)之下的膨胀土虽然具有膨胀潜能，但因含水量较稳定，因此其胀缩潜能是不会发挥出来的，是不会对建筑物的安全构成威胁的。

基于此种认识，中华人民共和国国家标准GBJ 112-87膨胀土地区建筑技术规范第3.5.1条规定:确定基础埋深应综合考虑“场地类型;膨胀土地基胀缩等级;大气影响急剧层深度;建筑物的结构类型;作用在地基上的荷载大小和建筑物的用途，有无地下室、设备基础和地下设施，基础的形式和构造;相邻建筑物的基础埋深”等条件。第3.5.2条规定:膨胀土地基上建筑物的基础埋置深度，不应小于1 m。以基础埋深为主要防治措施时，基础埋深应取大气影响急剧层深度。

中华人民共和国行业标准JTG D30-2004公路路基设计规范7.8.2条规定:填方路基高速公路及一、二级公路路基填土高度小于路面与路床的总厚度时，基底为膨胀土时，宜挖除地表0.30 m～0.60 m的膨胀土，并将路床换填非膨胀土或掺灰处理。若为强膨胀土，挖除深度应达到大气影响深度。7.8.3条第3款规定:应对路堑、路床0.80 m范围内的膨胀土进行超挖，换填为符合本规范标3.2.1规定的填料，或者进行土质改良或采取其他适宜的加固措施。对强膨胀土、地下水发育、运营中处理困难的路堑、路床的换填深度应加深至1.0 m～1.5 m，并应采取地下排水措施。

实测资料表明，即使同一地区，因地形地貌条件差异及土的胀缩性能差异等，其大气影响深度也不尽相同，所以确定基础有效埋深与换填厚度时，设计上也十分重视埃塞俄比亚的工程建设经验。在对项目区域附近公路工程施工及运营情况调查后，发现黑棉土处理深度一般为0.5 m～0.6 m，经过5年～10年的使用后，目前道路状况良好。

该项目采用高速公路等级，平均路基填高2.5 m左右，不同于普通道路的小于1.0 m的低填方路基，土体荷载比较大，膨胀力对路基的影响比较小。

通过以上分析，从理论与实践两个方面来看，黑棉土填方路基段内挖除地表以下0.6 m～0.8 m黑棉土，将黑棉土埋置于1.7 m(0.6 m路面厚度+0.8 m的路床+大于0.3m的路堤)以下较为合理。

4 黑棉土处理方案

通过对项目沿线进行工程地质调绘、工程地质挖探、工程地质钻探、工程地质原位测试及室内土工试验，在取得大量、翔实、完整、准确基础地质数据与资料的基础上，依据中国规范并参考埃塞俄比亚黑棉土发育区域的工程处理实例，设计上处理黑棉土采用以下方案:

1)挖方段尽可能挖除全部黑棉土，或换填80 cm非膨胀土材料以保证路床的强度，防止工程隐患;

2)填方段高度小于1.7 m时，挖除0.6 m～0.8 m黑棉土，换填适宜性材料，并采用柔性路面结构、封水、排水等措施，保障路基的安全和稳定性。详细方案如表2所示。

表2 膨胀土处理方案一览表

5 施工控制

在具体的施工过程中，根据现场的开挖情况对黑棉土处理方案进行了优化，黑棉土处理深度采用0.8 m～1.0 m，并针对部分地基承载力较弱的路段设置了基底压实过渡层，保证回填材料的强度和压实度满足规范要求;黑棉土地基回填材料采用强度较高的火山渣或红土粒料掺拌粘土，CBR值不小于15%，压实度不小于90%。优化和完善路基防排水措施，对于排水不畅、路基填方高度较低路段设置基底盲沟，降低路基基底含水量，保证路基整体的稳定和强度。控制一定的填方路基高度，部分低填浅挖路段，采用填方断面，下挖边坡至一定深度，采用“以挖变填”的形式，使整个路基处于相对干燥的环境内;施工中严格控制压实度要求，并采用良好的路基填料进行填筑。目前，该项目高速公路黑棉土段的路基已基本成型，并经历了2个雨季的考验，路基情况良好，路基顶面弯沉约120～160(0.01 mm)，CBR值大于96%，无明显的病害现象出露。