埃塞俄比亚拉利贝拉公路黑棉土勘察和处置

■张启龙

（中土集团福州勘察设计研究院有限公司，福州 350011）

埃塞俄比亚海拔2 500～3 000 m，2/3 地区为高原，在非洲各国中平均地势最高，东南属索马里高地，东非大裂谷从中部穿过，沙漠和半沙漠占领土的28%。主要气候为热带草原气候和亚热带森林气候，兼有山地和热带沙漠气候。 年降水量从西部高原的1 500 mm，向东北、东南递减到500 mm。 塔纳湖为埃塞俄比亚境内最大的湖泊，蓝尼罗河发源于该国。

拉利贝拉公路项目（以下简称本项目）位于埃塞俄比亚阿姆哈拉州，该项目的起点位于亚的斯亚贝巴东南部约616 km 处，距离拉利贝拉市中心8 km，经过Nakuto、Genete Mariam、Zeha 和Kulmesk，终点位于Muja 镇的郊区，全长约49 km，项目路线走向如图1 所示。

图1 本项目路线走向

1 项目地质和气象概况

本项目场地地质成分以火山岩为主，河道偶有沉积物，巨石与土壤混杂，部分土壤表现出高塑性。K19+100～K33+800 路段地层主要为浅灰色风化岩石，主要由溢流玄武岩、火山碎屑岩组成，岩层呈现水平层理，玄武岩中包含柱状节理。

该地区年降雨量为747.61 mm，最大平均降水量出现在7 月份，为250.67 mm，最小降水量出现在1 月份，为6.03 mm。 平均气温为19.08℃，平均最高气温为27.5℃，出现在3 月份；平均最低气温为11.85℃，出现在8 月份[1]。

2 黑棉土的勘察方法

埃塞俄比亚的黑棉土的勘察过程主要分为两步，第一步为实地调查，第二步为实验室试验。

2.1 实地调查

根据埃塞俄比亚公路局《Site Investigation Manual》（2013）[2]规定每500 m 应有简易勘探点[3]，本项目采用挖探作为实地调查的主要手段。 挖探是符合埃塞俄比亚国情的最有效的方式，且相比于国内地质钻探，埃塞俄比亚挖探具有周期短、成本低、简易可行的优点[4]。 挖探孔尺寸约为1.5 m×1.5 m，深度根据现场情况而定，一般最深不超过2.5 m，且遇到基岩即停止，主要目的是揭露黑棉土。 挖探完成后需取扰动样，作为实验室试验的样品。 取样结束后，应及时将挖探坑回填，确保行人及牲畜安全。 挖探现场如图2 所示。

图2 挖探现场

2.2 实验室试验

实验室试验的主要目的是获取土样的物理力学参数，主要的试验包括：ASHTO 土壤分级、阿太堡试验、含水量试验、CBR 试验、体积收缩/收缩极限（黑棉土）、比重计测试（仅适用于细粒土）等。

3 黑棉土试验数据分析

本项目于K19+100～K33+800 沿线共挖探坑24个，采集路基样品24 组。

3.1 AASHTO 土壤分级

在24 组土样中，A-7-6 占比最大， 达到29.2%；A-2-6 组占比也较大，达到25.0%；A-2-4 和A-2-7占比均为16.7%；A-6 占比8.3%；A-7-5 占比为4.2%，各组分占比如表1 所示。综上分析可知，大多数原位路基样品都表征为颗粒材料，土样整体质量较好，非常适合用作为路基或路基填料。

表1 本项目K19+100～K33+800AASHTO 土壤分级

此外，“分组指数GI（Grouping Index）”也是AASHTO 土壤分级系统中的关键参数，它是评估路基填料适宜性的重要指标[5]。

GI≤（F-35）[0.2+0.005(LL-40)]+0.01（F-15）（PI-10） （1）其中，F 为通过75 μm（No.200）筛的材料百分数（用整数表示），LL 为液限，PI 为塑性指数。 当分组指数计算值为负数时，直接取为0，分组指数应为整数。路基土样在排水良好且压实的情况下，承载力与其分组指数成反比。 分组指数小于20，表明路基材料为“良”，宜作为路基填料；分组指数为20 或20 以上，表明路基材料为“差”，不宜作为路基填料。

由图3 可知，大部分样本分组指数（GI）低于规定的限值20，但K19+420、K20+560、K32+690 和K33+265 土样高于20。

图3 K19+100～K33+ 800 分组指数（GI）分布情况

3.2 阿太堡试验

3.2.1 塑性指数

土壤的塑性指数可作为评估其膨胀潜势的指标。 根据土壤的可塑性可以对土壤类型进行分类，因此，通过阿太堡极限试验，对路基土样进行评估。塑性图是根据统一土壤分类系统Unified Soil Classification System（USCS）绘制的，如图4 所示。

图4 路基土样塑性图

路基土壤分类取决于A 线的相对位置。A 线以下的土壤样本为淤泥；A 线以上的土壤样本为黏土。仔细分析图4，可以明显看出，约25.00%的路基土样在A 线以下，表明其分类为淤泥；在24 个土样中，12.5%为MI，代表中等可压缩粉质土；12.5%为MH，代表高塑性粉质土。 其余75.00%的土壤样本位于A 线上方，其中33.33%为CI 类别，为无机黏土，如砾石黏土、砂质黏土、粉质黏土和中等塑性的贫黏土；25.00%属于CL 类别，即低塑性无机黏土；最后，16.67%为CH 类别，即具有高可塑性的无机黏土。

3.2.2 塑性指数和液限的分布

根据埃塞俄比亚公路局《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）第4103 节规定[6]，路基填料的塑性指数（PL）最大允许限值为30%，液限（LL）最大允许限值60%。图5 显示，除K32+960 和K33+265，所有土样的塑性指数和液限均满足要求。

图5 K19+100～K33+800 液限和塑性指数分布情况

3.3 最大干密度和最佳含水量试验

采用AASHTO T-180 标准重型击实试验，测得K19+100 ～K33+800 范围路基土样最大干密度（MDD），一般在1.53～2.24 g/cm3之间；最佳含水量（OMC）范围为9.0%～19.80%，如图6 所示。

图6 路基土样最大干密度和最佳含水量关系

根据MDD 和OMC 的关系可看出，土样的最大干密度（MDD）增加，最佳含水量（OMC）减少，反之亦然。 同样，埃塞俄比亚的实际工程经验也表明，粒状的路基填料，在较低的含水率下可以获得较高的干密度值。

3.4 CBR 和膨胀值

3.4.1 CBR

CBR（加州承载比）试验是在湿度和密度受控条件下测试土样的抗剪力。 对土样进行CBR 试验，可以确定其强度等级。 试验前土样需浸泡4 d，在95% MDD 采用AASHTO T180 测定其CBR。

根据图7 可知，K19+100～K33+800 大部分路基土样的CBR 值均超过3%。 此外， 最大CBR 值在K23+000，数值为65.00%，最小CBR 值在K29+000，数值为0.6%。24 个路基土样中，有6 个不满足最低CBR 值要求，约占整个样本的28.6%，此部分为非适宜土，其余部分为适宜土。

图7 95% MDD 路基土样CBR 值分布情况

3.4.2 膨胀值

经过试验获得路基土样的膨胀值Swell（%），试验数据如图8 所示。 从图8 中可知，7 个路基土样，约占29.2%，未能满足埃塞俄比亚公路局《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）[6]第4103 节的要求。 其余土样表现出良好的适用性。

图8 膨胀值里程分布情况

4 黑棉土的判定

根据埃塞俄比亚公路局 《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）[6]第4103 节规定，当液限（LL）超过60%，或塑性指数（PI）超过30%，或浸泡4 d 后（AASHTO T-180） 压实度95%的CBR 值小于3%，或AASHTO T-193 在95%压实度的膨胀值超过3%，均为非适宜路基土。 据此规定，全线有8 个路基土样试验结果不满足当地规定，占比33.3%（表2）。埃塞俄比亚的非适宜土，普遍具有膨胀性，因此在项目实际进行过程中，若发现非适宜土，一般直接初步认定为膨胀土，当地习惯称之为黑棉土。

表2 本项目K19+100～K33+800 黑棉土试验结果

5 膨胀潜势分级

5.1 中国公路规范中的分级

关于膨胀土的判别标准，国内外尚不统一，根据JTG D30-2015《公路路基设计规范》，当黏质土的自由膨胀率大于40%和液限大于40%时，可初步判定为膨胀土[7]，辅以标准吸湿含水率对膨胀潜势分级。JTG C20-2011《公路工程地质勘察规范》中对膨胀土有明确的分级，分级的主要依据为自由膨胀率、塑性指数、标准吸湿含水率[8]。 中国公路项目勘察设计过程中，在初步判断土样呈现出膨胀特性后，进行各项试验，再对膨胀潜势等级进行划分（表3）。

表3 中国公路规范中膨胀潜势分级

5.2 埃塞俄比亚勘察手册中的分级

埃塞俄比亚公路局 《Site Investigation Manual》（2002）第5.4 节[2]，提出一个简单有效的确定膨胀潜势等级的公式，如式（2）所示。

式中：Wp=塑性指数（PI）×通过0.425 mm 筛孔的细颗粒；Ws=收缩极限（SL）×通过0.425 mm 筛孔的细颗粒；∈ex-Expansive 为埃塞俄比亚公路局《Site Investigation Manual》（2013）[2]定义的膨胀度。

根据式（2）计算膨胀度，可对膨胀土的等级进行高膨胀性、中膨胀性、低膨胀性划分，如表4 所示。

表4 埃塞俄比亚勘察手册中膨胀潜势分级

本项目K19+100～K33+800 沿线路基土样中黑棉土的膨胀潜势分级如表5 所示，可知大部分黑棉土为具有中高膨胀潜势的膨胀土，约占75%。

表5 本项目K19+100～K33+800 黑棉土的膨胀潜势分级

6 埃塞俄比亚黑棉土处置措施

埃塞俄比亚黑棉土即膨胀土，主要由具有晶层结构的蒙脱石类黏土矿物组成，为高塑性黏土，具有明显的吸水膨胀与失水收缩特性。 大气湿度变化会引起黑棉土的膨胀与收缩，土体开裂，雨水渗入，强度降低，产生较大的膨胀压力，造成路基破坏。 黑棉土变形破坏多发生在浅层，大气对膨胀土影响深度称为膨胀土活动深度。

6.1 黑棉土处置原则

根据黑棉土的特点，黑棉土地区的路基设计和施工应遵循以下原则：（1）注重实地调查，采用多种勘探方式，初步查明膨胀土分布范围、埋置深度、胀缩特性，确定膨胀土的膨胀潜势等级；（2）尽量避免采用高填路堤和深长路堑，宜采用低路堤或浅路堑；（3）路基设计施工应以防水、控温、防风化为主，结合路面结构，采取有效措施，减少大气湿度的变化对黑棉土路基的影响；黑棉土路基施工应连续，并及时封闭路床和坡面。

6.2 埃塞俄比亚黑棉土路基处置措施

为了减小黑棉土对路基路面结构性能影响，埃塞俄比亚公路项目实践中，一般有如下4 种处理方式：（1）改线以绕开黑棉土地区；（2）改良黑棉土，例如夯实法，掺石灰或水泥；（3）良好的防渗、排水和控温措施，减小大气湿度变化的影响；（4）挖除黑棉土，换填适宜的路基填料。 由于埃塞俄比亚黑棉土范围广，水泥、石灰成本高且购买运输困难，导致改良处理成本高、效率低。 故当地一般采用第四种方式，挖除膨胀土换填适宜路基填料。

根据埃塞俄比亚公路局 《Design Manual for Low Volume Roads》（2011）第6.13 节规定[9]，当填高小于2 m 时，应挖除路基全宽范围内膨胀土，最小深度为0.6 m，换填为适宜土，如图9 所示；当填高大于2 m 时，应挖除路肩内侧至坡脚线间膨胀土，最小深度为0.6 m，换填为适宜土，如图10 所示；当为挖方路基时，应挖除路基范围内膨胀土，最小深度为1 m，换填为适宜土，如图11 所示。

图11 挖方段膨胀土处置示意图

中国公路项目实施过程中，路基膨胀土挖除换填深度的确定，主要有2 种方法：（1）大气影响深度法；（2）膨胀力平衡法。 其中大气影响深度法确定的膨胀土路基施工时，挖除换填最小深度为2.2 m；膨胀力平衡法确定的膨胀土路基施工时，挖除换填最小深度为2.08 m[10]。 中国标准中膨胀土路基处置时要求的埋置深度与埃塞俄比亚基本相同，都在2 m附近，将处置深度、处置范围进行划分，可见两套标准体系有共同之处。 针对膨胀土处置措施中国与埃塞俄比亚也基本相同，但实际选择过程中，中国比较重视多种措施综合处置，如支挡防护、防渗排水隔水、地基加固等。

6.3 处置效果分析

本项目勘察设计和施工正稳步推进中，目前挖除换填膨胀土段落的路基质量良好，未发现路基沉陷变形、开裂等影响路基路面结构性能的病害，证明埃塞俄比亚公路局的膨胀土确定流程和处置方式是合理的。

7 结论

（1）埃塞俄比亚黑棉土的勘察，主要采用挖探方式，该方式简单快捷、成本低廉，符合当地实际情况。 我国的现场勘察以钻探和原位测试为主，此方式揭露的地层深度较深、准确度高，可获得丰富的路基土样物理力学参数，但是成本高、周期长。 （2）埃塞俄比亚黑棉土的确认是根据路基土样室内试验获取液限、塑性指数、浸泡4 d 后压实度95%的CBR 值、95%压实度时膨胀值等数据，初步判定路基土样是否为膨胀土。 我国公路项目采用自由膨胀率和液限2 个指标来初步判定路基土样是否为膨胀土。 （3）埃塞俄比亚黑棉土的膨胀潜势分级采用当地公路局的经验公式计算后分级判定。 我国主要以标准吸湿含水率为膨胀潜势分级。 （4）埃塞俄比亚黑棉土的处置措施主要根据填土高度来划分处置范围，在项目实施执行过程中简单易行、具备较强的可操作性，且已实施黑棉土换填的段落显示处置效果较好。 （5）以拉利贝拉公路项目为例，通过对沿线K19+100～K33+800 路基挖探土样试验数据进行分析，进而得到本段路基黑棉土范围、膨胀潜势分级、处置方式、处置效果，并与我国膨胀土路基的确定流程、处置方式对比。 通过上述研究，可更清晰地了解两国在膨胀土路基确定、分级、处置的异同。