談非洲地區黑棉土地基處理

王鐵 于軍

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710075)

1 概述

黑棉土(black cotton soil)是一種主要廣泛分布在非洲東部的特殊巖土，在埃塞俄比亞、肯尼亞、坦桑尼亞等國家都有發現。顧名思義，黑棉土是一種表觀呈黑色且具有膨脹性的土，其土粒的礦物成分中含有大量的強親水性礦物，它吸水膨脹，失水收縮，并且反復運動，導致地表的開裂及地上建筑物的破壞(見圖1，圖2)。由于黑棉土具有中～強膨脹性，公路項目建設中必須對其進行處理，以確保工程的安全和質量。

圖1 黑棉土遠景

圖2 黑棉土近景

非洲的氣候環境可分為兩個階段，即雨季和旱季，以埃塞俄比亞首都雅迪斯和重要城市阿達瑪為例，區域內降雨主要集中在6月～9月，占全年降雨量的71.6%，其他月份則降雨很少，蒸發量大，空氣干燥。黑棉土在這兩個季節時表現差異很大，旱季時，地表干燥，土壤呈硬塑膠結狀態，強度較高，但整體多呈現裂縫狀態，縫寬約1 cm～5 cm，深度可達0.3m～0.8 m。雨季時，受地形影響，平原地帶地表水主要通過下滲和蒸發排除，地表黑棉土多呈現可塑～軟塑狀態，粘附性強，強度低。黑棉土在雨季及旱季的不同形態及運動方式，對地表及地面附著建筑物影響較大，往往表現為地表開裂，建筑物地基沉陷、路面裂縫及鼓包等不良病害的出露，對于公路工程的安全和質量產生嚴重的影響(見圖3，圖4)。

圖3 旱季黑棉土地表裂縫

圖4 黑棉土引起路面開裂

2 黑棉土特性及大氣影響深度

埃塞俄比亞高速公路全長約80 km，其中黑棉土分布在前50 km的區域，約占總里程的63%。在設計階段，項目組對黑棉土進行了詳細的現場踏勘和大量的試驗工作。從圖5勘探的結果來看，全線的黑棉土埋藏厚度約為1 m～3m，試驗結果顯示膨脹等級為弱～強。

圖5 K2～K50黑棉土厚度示意圖

1)塑性指數(PI)與深度的關系:根據室內試驗的成果，加權塑性指數(PIw)和深度的變化關系描述見圖6。通過圖6可以清晰地看出來具有膨脹性可能的土延伸至地表以下2.5 m。

圖6 加權塑性指數隨深度變化圖

2)天然含水量(NMC)與深度的關系:根據室內試驗的成果，天然含水量和深度的變化關系描述見圖7。

圖7 天然含水量隨深度變化圖

由圖7可以看出，地表1 m～1.5 m內含水量隨深度變化大，以下土層含水量較為穩定。在1 m深度左右，含水量在11.7%～41.2%之間變化;在1 m以下，含水量在24.6%～49.3%之間變化。對比可知，1 m深度以下比1 m深度以內潮濕并且較上層穩定。即是說，1 m以內的土層更干燥且比深層土變化更大。

綜上所述，并參照大量文獻中顯示，含水量變化深度通常為1 m～1.5 m，這就是項目區域大氣急劇影響層深度范圍。

3 國內關于膨脹土的處理方法

1)大氣影響深度與大氣影響急劇層深度。

中華人民共和國國家標準GBJ 112-87膨脹土地區建筑技術規范3.2.4條規定:

大氣影響深度:系指自然氣候作用下，由降水、蒸發、地溫等因素引起土的升降變形的有效深度。

大氣影響急劇層深度:系指大氣影響特別顯著的深度。

大氣影響深度及大氣影響急劇層深度用各氣候區土的深層變形觀測或含水量觀測及地溫觀測資料確定。無此資料時，可按表1采用。大氣影響急劇層深度可按表1中的大氣影響深度乘以0.45采用。

表1 大氣影響深度

根據該規定，中國境內一般大氣影響深度為2.5 m～5 m，大氣影響急劇層深度為1.3m～2.25 m。據該項目前期國外咨詢公司的報告顯示:a.本項目區有膨脹可能性的土延伸至超過2.5 m的地下，實際上隨著深度的增加不再明顯變化;b.含水量在12%～45%之間(平均為31%)，并且在1.0 m深度以下比較潮濕(含水量在25%～48%之間，平均為39%)，但是沒有隨深度增加而明顯變化的趨勢。

從工程地質類比法結合勘察挖探工作及鉆探情況，綜合分析后推斷得出以下結論:項目區的大氣影響深度為2.5 m～3.5 m;而項目區的大氣急劇影響層深度為1.0 m～1.5 m。從項目的安全考慮，設計中取項目區的大氣影響深度為3.5 m;取項目區的大氣急劇影響層深度為1.6 m。

2)換填深度(基礎埋置深度)的確定。

理論和實踐均已經證明:埋置于一定深度(大氣影響急劇層深度)之下的膨脹土雖然具有膨脹潛能，但因含水量較穩定，因此其脹縮潛能是不會發揮出來的，是不會對建筑物的安全構成威脅的。

基于此種認識，中華人民共和國國家標準GBJ 112-87膨脹土地區建筑技術規范第3.5.1條規定:確定基礎埋深應綜合考慮“場地類型;膨脹土地基脹縮等級;大氣影響急劇層深度;建筑物的結構類型;作用在地基上的荷載大小和建筑物的用途，有無地下室、設備基礎和地下設施，基礎的形式和構造;相鄰建筑物的基礎埋深”等條件。第3.5.2條規定:膨脹土地基上建筑物的基礎埋置深度，不應小于1 m。以基礎埋深為主要防治措施時，基礎埋深應取大氣影響急劇層深度。

中華人民共和國行業標準JTG D30-2004公路路基設計規范7.8.2條規定:填方路基高速公路及一、二級公路路基填土高度小于路面與路床的總厚度時，基底為膨脹土時，宜挖除地表0.30 m～0.60 m的膨脹土，并將路床換填非膨脹土或摻灰處理。若為強膨脹土，挖除深度應達到大氣影響深度。7.8.3條第3款規定:應對路塹、路床0.80 m范圍內的膨脹土進行超挖，換填為符合本規范標3.2.1規定的填料，或者進行土質改良或采取其他適宜的加固措施。對強膨脹土、地下水發育、運營中處理困難的路塹、路床的換填深度應加深至1.0 m～1.5 m，并應采取地下排水措施。

實測資料表明，即使同一地區，因地形地貌條件差異及土的脹縮性能差異等，其大氣影響深度也不盡相同，所以確定基礎有效埋深與換填厚度時，設計上也十分重視埃塞俄比亞的工程建設經驗。在對項目區域附近公路工程施工及運營情況調查后，發現黑棉土處理深度一般為0.5 m～0.6 m，經過5年～10年的使用后，目前道路狀況良好。

該項目采用高速公路等級，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，土體荷載比較大，膨脹力對路基的影響比較小。

通過以上分析，從理論與實踐兩個方面來看，黑棉土填方路基段內挖除地表以下0.6 m～0.8 m黑棉土，將黑棉土埋置于1.7 m(0.6 m路面厚度+0.8 m的路床+大于0.3m的路堤)以下較為合理。

4 黑棉土處理方案

通過對項目沿線進行工程地質調繪、工程地質挖探、工程地質鉆探、工程地質原位測試及室內土工試驗，在取得大量、翔實、完整、準確基礎地質數據與資料的基礎上，依據中國規范并參考埃塞俄比亞黑棉土發育區域的工程處理實例，設計上處理黑棉土采用以下方案:

1)挖方段盡可能挖除全部黑棉土，或換填80 cm非膨脹土材料以保證路床的強度，防止工程隱患;

2)填方段高度小于1.7 m時，挖除0.6 m～0.8 m黑棉土，換填適宜性材料，并采用柔性路面結構、封水、排水等措施，保障路基的安全和穩定性。詳細方案如表2所示。

表2 膨脹土處理方案一覽表

5 施工控制

在具體的施工過程中，根據現場的開挖情況對黑棉土處理方案進行了優化，黑棉土處理深度采用0.8 m～1.0 m，并針對部分地基承載力較弱的路段設置了基底壓實過渡層，保證回填材料的強度和壓實度滿足規范要求;黑棉土地基回填材料采用強度較高的火山渣或紅土粒料摻拌粘土，CBR值不小于15%，壓實度不小于90%。優化和完善路基防排水措施，對于排水不暢、路基填方高度較低路段設置基底盲溝，降低路基基底含水量，保證路基整體的穩定和強度。控制一定的填方路基高度，部分低填淺挖路段，采用填方斷面，下挖邊坡至一定深度，采用“以挖變填”的形式，使整個路基處于相對干燥的環境內;施工中嚴格控制壓實度要求，并采用良好的路基填料進行填筑。目前，該項目高速公路黑棉土段的路基已基本成型，并經歷了2個雨季的考驗，路基情況良好，路基頂面彎沉約120～160(0.01 mm)，CBR值大于96%，無明顯的病害現象出露。

6 結語

近幾年來，我國在非洲參與了較多的公路建設項目，很多區域都存在著黑棉土地基。只有做好了地質調查、現場勘探和試驗工作，并擬定合理有效的工程處理方案，才能保證公路建設的質量，促使我國企業更好的在海外發展。

［1］ 埃塞俄比亞公路系列標準、規范［S］.

［2］ JTG D30-2004，公路路基設計規范［S］.

［3］ GBJ 112-87，膨脹土地區建筑技術規范［S］.