肯尼亞內羅畢Embakasi地區黑棉土物理力學特性試驗研究

王 祖 平

(中航勘察設計研究院有限公司，北京　100098)

0　引言

隨著我國“一帶一路”偉大戰略構想的提出與實施，我國企業對“一帶一路”相關的多個國家進行了直接投資，承接相關工程項目達3 000余個。肯尼亞是中國“一帶一路”戰略在非洲唯一的支點，也是新絲綢之路建設中獲得中國資金援助最多的國家。

肯尼亞位于非洲東部，赤道橫貫中部，東非大裂谷縱貫南北，全境位于熱帶季風區，屬于熱帶草原氣候。其首都內羅畢地處肯尼亞中西部高原，屬于半濕潤半干旱熱帶草原氣候，全年大體上分為雨季和旱季兩個季節，其中雨季時幾乎每天均會有暴雨形式的降雨，降雨量占全年降雨量的85%左右，旱季時幾乎無降雨。黑棉土是一種在極端氣候變化條件下，火成巖經風化、地表水長期淋濾殘積而形成的膨脹土，廣泛分布于肯尼亞首都內羅畢高原區地表，一般厚度2 m～5 m，最大厚度可達22 m[1]。

本文以我公司在肯尼亞內羅畢Embakasi地區的勘察成果為基礎，對該地區黑棉土的各項室內土工試驗結果進行分析，并對該地區黑棉土的物理力學特性進行初步研究。

1　區域地質概況

1.1　氣候特征

研究區屬于半濕潤半干旱熱帶草原氣候，全年大體上分為雨季和旱季兩個季節，其中3月～5月為長雨季，10月～12月為短雨季，其他月份為旱季。年平均氣溫一般在18 ℃～20 ℃，年平均最低氣溫為12 ℃～14 ℃，年平均最高氣溫為24 ℃～26 ℃，年平均變化幅度11.6 ℃。多年年平均降水量為900 mm，長雨季(3月～5月)和短雨季(10月～12月)的降雨量尤為集中，占全年降雨量的70%～85%。年平均蒸發量為1 550 mm～2 200 mm。

1.2　地形地貌

研究區位于內羅畢Embakasi平原北部，地面高程在1 600 m左右，地勢較平緩，整體上呈西南高東北低趨勢。

1.3　工程地質條件

Embakasi平原是第三紀地質歷史時期多期火山噴出巖漿的沉積和建造結果，火山巖的原漿主要為響巖、粗面巖，同時伴有大量的火山凝灰沉積。風化沉積后的火山巖，經地表水的長期淋濾殘積，形成呈灰黑色的黑棉土，覆蓋于地表。本研究區地層主要為：上覆為黑棉土層(局部為人工填土)；下伏為第三系火成響巖、粗面巖。

1.4　黑棉土的成因與分布

研究表明，地球表面淺表層的膨脹土主要分為兩大類，第一類為熱帶、亞熱帶殘積黏土，第二類為暖溫帶和南北亞熱帶沉積型高塑性黏土[2]。研究區的黑棉土在成因上屬于第二類，為火成巖風化后，經地表水長期淋濾殘積而成，一般分布于地表，層厚一般0.3 m～3.5 m。

2　黑棉土的物理力學特性試驗

2.1　黑棉土的礦物成分

為了解黑棉土的礦物成分，采取了典型的黑棉土試樣在室內進行了礦物成分測試，測試結果詳見表1。

表1　黑棉土礦物成分含量表　%

由表1可以看出，此黑棉土黏土礦物成分以蒙脫石為主，占93%，不加分散劑時，水懸浮液長期不絮凝，表明此黑棉土中的蒙脫石為鈉蒙脫石。采用次甲基蘭選擇吸附法測試，其有效蒙脫石含量56.38%，比表面積高達468.04 m2/g。

2.2　黑棉土的物理力學特性

黑棉土的常規物理力學試驗結果如表2所示。

表2　黑棉土常規物理力學指標

2.2.1黑棉土的常規物理性質

黑棉土的脹縮特性除了受土體自身的礦物成分及其含量外，含水量變化也是重要的因素。黑棉土中的含水量增加，其體積增大，表現出膨脹性；反之，含水量減少，膨脹土體積減小，表現出收縮性。黑棉土的天然含水量較低時，具有較大的膨脹潛勢和較小的收縮潛勢，反之則相反。由表2可以看出，黑棉土的天然含水量最大值高達42.4%，飽和度最大值高達96%，說明黑棉土的含水量達到基本飽和，具有較小的膨脹潛勢和較大的收縮潛勢。同時，黑棉土的液限和塑限最大值分別高達78.7%和34.8%，表現出高液限和高塑限的特點。

2.2.2黑棉土的強度特性

從黑棉土的壓縮性和剪切參數等強度指標來看，黑棉土在天然狀態下的物理力學指標較高，在過去常被誤解是一種良好的土層，也常引起不同的工程事故發生。

2.2.3黑棉土的脹縮特性

由表1可知，黑棉土蒙脫石絕對含量高達46.8%，且為鈉蒙脫石，由表2可知，黑棉土的自有膨脹率高達170%。大量試驗研究表明[3]，膨脹土的自由膨脹率與蒙脫石含量有著較好的相關關系，一般情況下，蒙脫石含量越高，自由膨脹率越大，此外，黑棉土強膨脹性和高塑性與交換鈉離子為主亦有很大關系。

根據表2中黑棉土的常規物理力學指標，按我國GB 50112—2013膨脹土地區建筑技術規范中膨脹土的膨脹潛勢分類標準，該黑棉土的膨脹潛勢為強，按南非威廉姆斯四分法判別為極高(劇)膨脹土[4]，相當于中國的強膨脹土。

3　結語

1)研究區的黑棉土的礦物成分主要以納蒙脫石為主，在常規試驗指標上表現出高飽和度、高液限、高塑限等特點，在強度指標上表現為高強度，在膨脹性指標上表現出強膨脹性。

2)研究區的黑棉土厚度一般為0.3 m～3.5 m，厚度較薄，工程建設時，常將黑棉土全部挖除換填。當地尚無黑棉土的土性改良經驗數據，因此尚需對研究區的黑棉土土性改良做進一步試驗研究。

3)研究區的氣候條件與我國相差較大，當地黑棉土的物理力學性質及需要采用的工程措施是否適合中國的相關規范還有待進一步探討。