埃塞俄比亞拉利貝拉公路黑棉土勘察和處置

■張啟龍

（中土集團福州勘察設計研究院有限公司，福州 350011）

埃塞俄比亞海拔2 500～3 000 m，2/3 地區為高原，在非洲各國中平均地勢最高，東南屬索馬里高地，東非大裂谷從中部穿過，沙漠和半沙漠占領土的28%。主要氣候為熱帶草原氣候和亞熱帶森林氣候，兼有山地和熱帶沙漠氣候。 年降水量從西部高原的1 500 mm，向東北、東南遞減到500 mm。 塔納湖為埃塞俄比亞境內最大的湖泊，藍尼羅河發源于該國。

拉利貝拉公路項目（以下簡稱本項目）位于埃塞俄比亞阿姆哈拉州，該項目的起點位于亞的斯亞貝巴東南部約616 km 處，距離拉利貝拉市中心8 km，經過Nakuto、Genete Mariam、Zeha 和Kulmesk，終點位于Muja 鎮的郊區，全長約49 km，項目路線走向如圖1 所示。

圖1 本項目路線走向

1 項目地質和氣象概況

本項目場地地質成分以火山巖為主，河道偶有沉積物，巨石與土壤混雜，部分土壤表現出高塑性。K19+100～K33+800 路段地層主要為淺灰色風化巖石，主要由溢流玄武巖、火山碎屑巖組成，巖層呈現水平層理，玄武巖中包含柱狀節理。

該地區年降雨量為747.61 mm，最大平均降水量出現在7 月份，為250.67 mm，最小降水量出現在1 月份，為6.03 mm。 平均氣溫為19.08℃，平均最高氣溫為27.5℃，出現在3 月份；平均最低氣溫為11.85℃，出現在8 月份[1]。

2 黑棉土的勘察方法

埃塞俄比亞的黑棉土的勘察過程主要分為兩步，第一步為實地調查，第二步為實驗室試驗。

2.1 實地調查

根據埃塞俄比亞公路局《Site Investigation Manual》（2013）[2]規定每500 m 應有簡易勘探點[3]，本項目采用挖探作為實地調查的主要手段。 挖探是符合埃塞俄比亞國情的最有效的方式，且相比于國內地質鉆探，埃塞俄比亞挖探具有周期短、成本低、簡易可行的優點[4]。 挖探孔尺寸約為1.5 m×1.5 m，深度根據現場情況而定，一般最深不超過2.5 m，且遇到基巖即停止，主要目的是揭露黑棉土。 挖探完成后需取擾動樣，作為實驗室試驗的樣品。 取樣結束后，應及時將挖探坑回填，確保行人及牲畜安全。 挖探現場如圖2 所示。

圖2 挖探現場

2.2 實驗室試驗

實驗室試驗的主要目的是獲取土樣的物理力學參數，主要的試驗包括：ASHTO 土壤分級、阿太堡試驗、含水量試驗、CBR 試驗、體積收縮/收縮極限（黑棉土）、比重計測試（僅適用于細粒土）等。

3 黑棉土試驗數據分析

本項目于K19+100～K33+800 沿線共挖探坑24個，采集路基樣品24 組。

3.1 AASHTO 土壤分級

在24 組土樣中，A-7-6 占比最大， 達到29.2%；A-2-6 組占比也較大，達到25.0%；A-2-4 和A-2-7占比均為16.7%；A-6 占比8.3%；A-7-5 占比為4.2%，各組分占比如表1 所示。綜上分析可知，大多數原位路基樣品都表征為顆粒材料，土樣整體質量較好，非常適合用作為路基或路基填料。

表1 本項目K19+100～K33+800AASHTO 土壤分級

此外，“分組指數GI（Grouping Index）”也是AASHTO 土壤分級系統中的關鍵參數，它是評估路基填料適宜性的重要指標[5]。

GI≤（F-35）[0.2+0.005(LL-40)]+0.01（F-15）（PI-10） （1）其中，F 為通過75 μm（No.200）篩的材料百分數（用整數表示），LL 為液限，PI 為塑性指數。 當分組指數計算值為負數時，直接取為0，分組指數應為整數。路基土樣在排水良好且壓實的情況下，承載力與其分組指數成反比。 分組指數小于20，表明路基材料為“良”，宜作為路基填料；分組指數為20 或20 以上，表明路基材料為“差”，不宜作為路基填料。

由圖3 可知，大部分樣本分組指數（GI）低于規定的限值20，但K19+420、K20+560、K32+690 和K33+265 土樣高于20。

圖3 K19+100～K33+ 800 分組指數（GI）分布情況

3.2 阿太堡試驗

3.2.1 塑性指數

土壤的塑性指數可作為評估其膨脹潛勢的指標。 根據土壤的可塑性可以對土壤類型進行分類，因此，通過阿太堡極限試驗，對路基土樣進行評估。塑性圖是根據統一土壤分類系統Unified Soil Classification System（USCS）繪制的，如圖4 所示。

圖4 路基土樣塑性圖

路基土壤分類取決于A 線的相對位置。A 線以下的土壤樣本為淤泥；A 線以上的土壤樣本為黏土。仔細分析圖4，可以明顯看出，約25.00%的路基土樣在A 線以下，表明其分類為淤泥；在24 個土樣中，12.5%為MI，代表中等可壓縮粉質土；12.5%為MH，代表高塑性粉質土。 其余75.00%的土壤樣本位于A 線上方，其中33.33%為CI 類別，為無機黏土，如礫石黏土、砂質黏土、粉質黏土和中等塑性的貧黏土；25.00%屬于CL 類別，即低塑性無機黏土；最后，16.67%為CH 類別，即具有高可塑性的無機黏土。

3.2.2 塑性指數和液限的分布

根據埃塞俄比亞公路局《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）第4103 節規定[6]，路基填料的塑性指數（PL）最大允許限值為30%，液限（LL）最大允許限值60%。圖5 顯示，除K32+960 和K33+265，所有土樣的塑性指數和液限均滿足要求。

圖5 K19+100～K33+800 液限和塑性指數分布情況

3.3 最大干密度和最佳含水量試驗

采用AASHTO T-180 標準重型擊實試驗，測得K19+100 ～K33+800 范圍路基土樣最大干密度（MDD），一般在1.53～2.24 g/cm3之間；最佳含水量（OMC）范圍為9.0%～19.80%，如圖6 所示。

圖6 路基土樣最大干密度和最佳含水量關系

根據MDD 和OMC 的關系可看出，土樣的最大干密度（MDD）增加，最佳含水量（OMC）減少，反之亦然。 同樣，埃塞俄比亞的實際工程經驗也表明，粒狀的路基填料，在較低的含水率下可以獲得較高的干密度值。

3.4 CBR 和膨脹值

3.4.1 CBR

CBR（加州承載比）試驗是在濕度和密度受控條件下測試土樣的抗剪力。 對土樣進行CBR 試驗，可以確定其強度等級。 試驗前土樣需浸泡4 d，在95% MDD 采用AASHTO T180 測定其CBR。

根據圖7 可知，K19+100～K33+800 大部分路基土樣的CBR 值均超過3%。 此外， 最大CBR 值在K23+000，數值為65.00%，最小CBR 值在K29+000，數值為0.6%。24 個路基土樣中，有6 個不滿足最低CBR 值要求，約占整個樣本的28.6%，此部分為非適宜土，其余部分為適宜土。

圖7 95% MDD 路基土樣CBR 值分布情況

3.4.2 膨脹值

經過試驗獲得路基土樣的膨脹值Swell（%），試驗數據如圖8 所示。 從圖8 中可知，7 個路基土樣，約占29.2%，未能滿足埃塞俄比亞公路局《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）[6]第4103 節的要求。 其余土樣表現出良好的適用性。

圖8 膨脹值里程分布情況

4 黑棉土的判定

根據埃塞俄比亞公路局 《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）[6]第4103 節規定，當液限（LL）超過60%，或塑性指數（PI）超過30%，或浸泡4 d 后（AASHTO T-180） 壓實度95%的CBR 值小于3%，或AASHTO T-193 在95%壓實度的膨脹值超過3%，均為非適宜路基土。 據此規定，全線有8 個路基土樣試驗結果不滿足當地規定，占比33.3%（表2）。埃塞俄比亞的非適宜土，普遍具有膨脹性，因此在項目實際進行過程中，若發現非適宜土，一般直接初步認定為膨脹土，當地習慣稱之為黑棉土。

表2 本項目K19+100～K33+800 黑棉土試驗結果

5 膨脹潛勢分級

5.1 中國公路規范中的分級

關于膨脹土的判別標準，國內外尚不統一，根據JTG D30-2015《公路路基設計規范》，當黏質土的自由膨脹率大于40%和液限大于40%時，可初步判定為膨脹土[7]，輔以標準吸濕含水率對膨脹潛勢分級。JTG C20-2011《公路工程地質勘察規范》中對膨脹土有明確的分級，分級的主要依據為自由膨脹率、塑性指數、標準吸濕含水率[8]。 中國公路項目勘察設計過程中，在初步判斷土樣呈現出膨脹特性后，進行各項試驗，再對膨脹潛勢等級進行劃分（表3）。

表3 中國公路規范中膨脹潛勢分級

5.2 埃塞俄比亞勘察手冊中的分級

埃塞俄比亞公路局 《Site Investigation Manual》（2002）第5.4 節[2]，提出一個簡單有效的確定膨脹潛勢等級的公式，如式（2）所示。

式中：Wp=塑性指數（PI）×通過0.425 mm 篩孔的細顆粒；Ws=收縮極限（SL）×通過0.425 mm 篩孔的細顆粒；∈ex-Expansive 為埃塞俄比亞公路局《Site Investigation Manual》（2013）[2]定義的膨脹度。

根據式（2）計算膨脹度，可對膨脹土的等級進行高膨脹性、中膨脹性、低膨脹性劃分，如表4 所示。

表4 埃塞俄比亞勘察手冊中膨脹潛勢分級

本項目K19+100～K33+800 沿線路基土樣中黑棉土的膨脹潛勢分級如表5 所示，可知大部分黑棉土為具有中高膨脹潛勢的膨脹土，約占75%。

表5 本項目K19+100～K33+800 黑棉土的膨脹潛勢分級

6 埃塞俄比亞黑棉土處置措施

埃塞俄比亞黑棉土即膨脹土，主要由具有晶層結構的蒙脫石類黏土礦物組成，為高塑性黏土，具有明顯的吸水膨脹與失水收縮特性。 大氣濕度變化會引起黑棉土的膨脹與收縮，土體開裂，雨水滲入，強度降低，產生較大的膨脹壓力，造成路基破壞。 黑棉土變形破壞多發生在淺層，大氣對膨脹土影響深度稱為膨脹土活動深度。

6.1 黑棉土處置原則

根據黑棉土的特點，黑棉土地區的路基設計和施工應遵循以下原則：（1）注重實地調查，采用多種勘探方式，初步查明膨脹土分布范圍、埋置深度、脹縮特性，確定膨脹土的膨脹潛勢等級；（2）盡量避免采用高填路堤和深長路塹，宜采用低路堤或淺路塹；（3）路基設計施工應以防水、控溫、防風化為主，結合路面結構，采取有效措施，減少大氣濕度的變化對黑棉土路基的影響；黑棉土路基施工應連續，并及時封閉路床和坡面。

6.2 埃塞俄比亞黑棉土路基處置措施

為了減小黑棉土對路基路面結構性能影響，埃塞俄比亞公路項目實踐中，一般有如下4 種處理方式：（1）改線以繞開黑棉土地區；（2）改良黑棉土，例如夯實法，摻石灰或水泥；（3）良好的防滲、排水和控溫措施，減小大氣濕度變化的影響；（4）挖除黑棉土，換填適宜的路基填料。 由于埃塞俄比亞黑棉土范圍廣，水泥、石灰成本高且購買運輸困難，導致改良處理成本高、效率低。 故當地一般采用第四種方式，挖除膨脹土換填適宜路基填料。

根據埃塞俄比亞公路局 《Design Manual for Low Volume Roads》（2011）第6.13 節規定[9]，當填高小于2 m 時，應挖除路基全寬范圍內膨脹土，最小深度為0.6 m，換填為適宜土，如圖9 所示；當填高大于2 m 時，應挖除路肩內側至坡腳線間膨脹土，最小深度為0.6 m，換填為適宜土，如圖10 所示；當為挖方路基時，應挖除路基范圍內膨脹土，最小深度為1 m，換填為適宜土，如圖11 所示。

圖11 挖方段膨脹土處置示意圖

中國公路項目實施過程中，路基膨脹土挖除換填深度的確定，主要有2 種方法：（1）大氣影響深度法；（2）膨脹力平衡法。 其中大氣影響深度法確定的膨脹土路基施工時，挖除換填最小深度為2.2 m；膨脹力平衡法確定的膨脹土路基施工時，挖除換填最小深度為2.08 m[10]。 中國標準中膨脹土路基處置時要求的埋置深度與埃塞俄比亞基本相同，都在2 m附近，將處置深度、處置范圍進行劃分，可見兩套標準體系有共同之處。 針對膨脹土處置措施中國與埃塞俄比亞也基本相同，但實際選擇過程中，中國比較重視多種措施綜合處置，如支擋防護、防滲排水隔水、地基加固等。

6.3 處置效果分析

本項目勘察設計和施工正穩步推進中，目前挖除換填膨脹土段落的路基質量良好，未發現路基沉陷變形、開裂等影響路基路面結構性能的病害，證明埃塞俄比亞公路局的膨脹土確定流程和處置方式是合理的。

7 結論

（1）埃塞俄比亞黑棉土的勘察，主要采用挖探方式，該方式簡單快捷、成本低廉，符合當地實際情況。 我國的現場勘察以鉆探和原位測試為主，此方式揭露的地層深度較深、準確度高，可獲得豐富的路基土樣物理力學參數，但是成本高、周期長。 （2）埃塞俄比亞黑棉土的確認是根據路基土樣室內試驗獲取液限、塑性指數、浸泡4 d 后壓實度95%的CBR 值、95%壓實度時膨脹值等數據，初步判定路基土樣是否為膨脹土。 我國公路項目采用自由膨脹率和液限2 個指標來初步判定路基土樣是否為膨脹土。 （3）埃塞俄比亞黑棉土的膨脹潛勢分級采用當地公路局的經驗公式計算后分級判定。 我國主要以標準吸濕含水率為膨脹潛勢分級。 （4）埃塞俄比亞黑棉土的處置措施主要根據填土高度來劃分處置范圍，在項目實施執行過程中簡單易行、具備較強的可操作性，且已實施黑棉土換填的段落顯示處置效果較好。 （5）以拉利貝拉公路項目為例，通過對沿線K19+100～K33+800 路基挖探土樣試驗數據進行分析，進而得到本段路基黑棉土范圍、膨脹潛勢分級、處置方式、處置效果，并與我國膨脹土路基的確定流程、處置方式對比。 通過上述研究，可更清晰地了解兩國在膨脹土路基確定、分級、處置的異同。