黑棉土公路路基處理技術探索

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摘要：文中通過試驗檢測、項目調研和機理分析的手段對埃塞俄比亞Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項目遇到的黑棉土路段問題進行調查研究，并綜合考慮可行的黑棉土處理方法，最終選用保證一定深度的換填方案，對存在黑棉土的公路路段進行綜合處理。工后測試表明，該處理方法能有效解決黑棉土引起的路面破壞問題。

關鍵詞：公路工程；路基處理；黑棉土

在“一帶一路”倡議之下，越來越多工程承包企業走出國門到世界各地開展工程建設［1-2］。不同地域的工程地質差異明顯，所以在工程建設過程中難免會碰到一些新的地質問題［3］。本文對埃塞俄比亞Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項目碰到的黑棉土問題進行調查分析，并提出了合理的解決方案，以期為其他工程承包企業將在該地區進行的工程建設提供參考。

1工程概況

蒙巴薩—內羅畢—亞的斯亞貝巴道路走廊工程為東非走廊交通大動脈工程，北起埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴，途經肯尼亞首都內羅畢并以肯尼亞蒙巴薩港口為終點。Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項目屬于該工程的一部分，全長180km，海拔高度1700~2200m，位于埃塞俄比亞南部。工程所在地氣候為半干旱氣候，雨季和旱季差別非常明顯，每年4~11月為雨季，有大量降水，其余時間為旱季，幾乎無降水。該工程有約3km的填方路段存在黑棉土。

2黑棉土的性質

黑棉土廣泛分布于印度和非洲部分地區，因土壤呈現黑色且肥沃適合種植棉花而得名［4］。其密度一般在1300~1800kg/m3，含有大量的親水性黏土礦物如蒙脫石、伊利石，屬于典型的膨脹土。在當地雨季期，水分充足容易吸水膨脹；旱季期則會因長期水分減少而容易失水收縮。這種特性會對公路工程上部結構造成很大影響，如不妥善處理，會導致上部結構的作者簡介：張寶全（1975-），男，黑龍江樺南人，本科，工程師，主要研究方向為道路工程施工管理。破壞。根據埃塞俄比亞當地規范［5-6］，同時滿足表1中4項指標的土壤可判別為膨脹土。其中CBR95%為土樣擊實至95%最大干密度時對應的加州承載比，CBRSwell為土樣擊實至95%最大干密度時加州承載比對應的線性膨脹率。在確定土樣為膨脹土之后，又可根據公式（1）和表2將膨脹土根據其膨脹系數（Expansiveness）劃分為不同等級膨脹土。Expansivenss(εex)=2.4×Wp-3.9Ws+32.5（1）式中，Wp為塑性指數與通過425mm篩的顆粒質量百分比的乘積；Ws為縮限與通過425mm篩的顆粒質量百分比的乘積。存在黑棉土的路段每隔200m在設計標高位置進行取樣并送檢，具有代表性的檢測結果如表3所示。可見，根據埃塞俄比亞當地標準，該地段大部分位置的黑棉土屬于中、強膨脹土，需要對該地段黑棉土進行合理處理。

3黑棉土對本地公路項目的危害調查

黑棉土吸水時膨脹且承載力急劇降低，失水時雖然承載力上升，但是會產生嚴重的收縮變形。這種長期反復的漲縮對工程上部結構造成不利影響。施工單位在本地監理的陪同下，根據對多個本地含黑棉土的公路工程現場的觀察并結合文獻調查，將常見的黑棉土的工程危害總結如下。（1）道路不均勻沉降變形。埃塞俄比亞大多數地區存在明顯的旱季和雨季，旱季時長達數月，甚至半年幾乎無任何降雨，雨季時則數月陰雨綿綿，所以本地的施工單位均選擇將施工活動安排在旱季進行。一些道路工程路段中含有部分少量黑棉土未予以重視并清除，這些黑棉土在旱季季節時與普通土一樣，具有一定強度，所以往往在施工初期甚至道路完工前面幾年，未顯示出其危害。但是隨著時間增加，多個雨季影響后水汽逐漸滲入一定深度內含有黑棉土的路基內部，逐漸導致道路下部黑棉土承載力明顯下降。這時就可以觀察到一些含有未經處理黑棉土路段的沉降明顯大于其他路段。如果底部黑棉土厚度較大且受到水汽影響部位較厚，一些部位就會出現隆起現象。（2）道路縱向裂縫。從實地考察中發現，道路出現縱向裂縫是常見的黑棉土破壞形式。在含有黑棉土的路段，路肩附近部位經常會發生順著道路縱向的裂縫，這種現象在容易積水的部位更為明顯。調查案例中恰逢一路段正在對道路縱向裂縫造成的破壞進行維修。該路段位于一個人口密集的城鎮附近，有附件居民日常活動產生的排水，所以破壞明顯。經過分析，原因是路肩處土體處于道路兩側，在雨季時更易受到空氣中水汽或雨水的影響，且即使在旱季時，也有附近居民日常活動產生的排水影響。而處于道路中部位置下方的土體則受到道路上部和周邊兩側土體的有效覆蓋，受到覆蓋土體的水分影響。（3）路肩坍塌。這種情況在高路肩路段尤其明顯。路肩位于道路兩側，最容易受到大氣中水分的影響。如含有黑棉土，則易在雨水季節或大氣中水分含量高的季節吸水膨脹，且承載力下降，而在旱季或大氣中水分含量低的季節失水收縮。這種情況下，土體隨著季節進行張弛容易導致路肩坍塌。（4）路面結構破壞。當出現上述情況時，路面結構就會遭受破壞。例如道路不均勻沉降時，說明底部路基內部土體中的黑棉土承載力受到水分影響而明顯下降，這時在上部荷載作用下，容易出現應力集中產生破壞，隨之產生裂縫、翻漿等。而產生的裂縫則會進一步增加底下土體水分的滲入，形成惡性循環。

4黑棉土路基處理方式

4.1化學改性處理

摻入化學改性材料改善膨脹土的特性是改善甚至解決膨脹土危害的一種常用方法。目前，國內外對于膨脹土進行化學改性的常用材料為具有化學活性的無機膠凝材料如生石灰、粉煤灰、水泥、氯化鈉、氯化鈣和磷酸類材料等，其中最常見且效果最明顯的改性材料是水泥和生石灰。通過在膨脹土中摻入部分的上述具備活性的無機膠凝材料并與確保材料的均勻混合，利用無機膠凝材料后期形成的強度改善膨脹土的變形特性。碾壓密實后的混合材料透水性差，有利于保持內部含水率的穩定，且混合材料具備一定的強度，能有效抵抗膨脹土的膨脹勢能，最終確保混合材料的強度和變形的穩定。這種方法優點是不產生大量棄土、可節省工期，缺點是材料成本高。經過與業主方和監理方進行初步的方案分析并進行初步成本估算，采用這種方法需要增加的成本超出業主可接受范圍，故此方案未被采用。

4.2包心法

包心法的原理是將黑棉土盡可能與外部的水分進行隔絕，以防止黑棉土受到外界水分的影響造成吸水膨脹、失水收縮。具體可采用的做法如下：（1）黑棉土的頂部和側邊采用透水性低的粘性土進行封裹；（2）直接使用道路的上部路面結構層作為封閉層對底部黑棉土進行封閉；（3）使用其他人造輔助材料如土工布、土工膜、瀝青作為封閉層。這些做法都可將水分隔絕，以減少周邊環境對內部膨脹土的影響。經封裹的黑棉土內部水分保持相對穩定，從而保持其強度和變形長期穩定，不對上部結構產生不利影響，杜絕各種因黑棉土受到水分變化而造成的各種道路危害。這種處理方法的缺點在于，如果局部位置處理不夠妥善，后期在水分滲入時可能導致由于局部變形造成的路面結構損壞。優點是僅需要移除部分土壤，不會產生大量棄土。經過與業主方和監理方工程師進行研討認為，這種方法質量控制相對比較困難，故此方案未被采用。

4.3換填土

將工程項目中存在黑棉土路段進行一定深度和寬度范圍的黑棉土挖除并換填性能良好的土、石。這種處理方法的缺點是開挖工作量大、產生大量棄土、對周邊環境影響大，優點是一次性將隱患移除，工程質量容易保障。經過業主與當地政府進行征地協商，在存在黑棉土路段附近一處山坳可直接作為棄土場使用，可有效控制運輸成本和征地成本，且最終增加的成本也符合業主預算要求，所以這是最終采用的方案。

5黑棉土換填深度的確定

本項目另外一個關鍵問題是如何合理確定黑棉土的換填深度。如果換填深度不足，則容易使道路建成后底部黑棉土部位易受到大氣環境中水汽的影響而吸水膨脹、失水收縮；如果換填深度過大，雖然有利于提升安全系數，但是會造成不必要的成本增加。因當地缺乏相關規范，本項目黑棉土換填深度的確定綜合考慮了我國GB50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》的規定、JTGD30-2004《公路路基設計規范》的規定和本地相關工程實踐經驗。大氣影響深度指的是地表土體受到地表附近大氣中水分變化如降雨、日曬蒸發等的影響而產生升降變形的有效深度，土地埋深越大，其受到大氣水分變化的影響越小。大氣影響急劇層深度是指土體受到地表附近大氣中水分變化特別顯著的深度范圍內的土體層。黑棉土作為膨脹土的一種，其對于路面的破壞與膨脹土機理一致，所以可以通過大氣影響深度作為黑棉土換填深度確定的一個參考指標。大氣影響深度和大氣影響急劇層深度數據通常可通過工程所在地區的含水量觀測、地溫觀測和各個土體深層變形觀測資料作為依據進行確定。據調查，工程所在地位于兩個大城市中間，無法取得黑棉土路段周邊可靠的氣象觀測數據，僅離路段最近的大城市迪拉市（Dila）有比較準確可用的氣象觀測數據。如要取得準確有效的可用于計算大氣影響深度的關鍵氣象觀測數據，如全年蒸發力數據、全年降雨量等，需要較長時間且需要委托相關專業人員進行長期氣象監測，事實上難以實現，所以和各方協商，最終決定采用地理和氣候都較為相近迪拉市的氣象觀測數據作為參考。經過業主協調，取得相關的氣象觀測數據，對當地統計結果進行數據總結，顯示土的濕度系數可取值0.8。根據GB50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》，大氣影響深度可取值3.5m，大氣影響急劇層深度可取值1.58m。根據JTGD30-2004《公路路基設計規范》，對于高速公路和一、二級公路的填方路基，當路床與路面的厚度之和大于路基填土的高度，如果道路底部土體為膨脹土時，宜將地表30~60cm的膨脹土挖除且路床需進行換填或摻灰處理；如果該膨脹土為強膨脹土，則應將挖除深度控制在大氣影響深度。JTGD30-2004《公路路基設計規范》還規定挖方路基路段需將路床0.8m范圍內的膨脹土進行超挖，然后使用非膨脹土進行換填或采取改良土質的加固措施；如果該膨脹土為強膨脹土，路床的換填深度應加深到1.0~1.5m。本路段部分土質為強膨脹土，部分土質為中膨脹土，參考我國相關規范規定，合理的挖除深度為1.6m。通過對附近已完工項目進行調查對比，該深度具有一定的安全富余度。

6處理方式和工后變形情況

經過和業主、監理方的溝通，結合材料成本、建立棄土場成本等因素，最終決定采用換填土處理方案。按照上述分析，大氣急劇影響層的深度可按1.6m考慮，具體采用措施如下。（1）根據設計圖紙，對路基基底的黑棉土進行挖除處理，確保道路墊層（cappinglayer）底部標高至黑棉土頂部為1.6m，以達到隔絕上部水分影響，同時確保開挖寬度超出道路路床0.8m，隔絕周邊水分可能產生的影響。（2）開挖過程中，配備測量人員動態檢測，檢查是否達到開挖深度，嚴禁超挖和盡可能減少對原土壤的擾動。（3）合理布置當天任務，挖除黑棉土并進行壓實驗收之后，應立即鋪筑首層換填土，防止原土壤水分散失。（4）填土層進行錯縫銜接，防止雨水滲透，嚴禁在雨天進行挖除作業。（5）控制邊坡坡率為1∶2，且在雨水無法及時排走的平緩路段以及有人口聚集地段，加設邊溝進行排水。（6）施工完成后，定期對該路段沉降進行觀測，檢測不均勻沉降情況。黑棉土處理路段完工后進行沉降跟蹤檢測，測試數據表明，完工通車且在經歷過一個雨季和旱季后，該路段路面沉降較為均勻，經檢查不存在路面開裂、翻漿等現象。可見上述處理方案能夠有效解決黑棉土導致的問題。

7結語

本文研究了埃塞俄比亞Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項目遇到的黑棉土的工程性質，結合當地實際工程，調查了黑棉土對道路項目的危害，分析了黑棉土路基的可行處理方式，結合我國規范和實際項目情況，確定了合理的黑棉土換填深度，并闡述了本項目采用的處理方式和實際處理效果，最終可以得到如下結論：（1）黑棉土雖然在我國較為少見，但是作為膨脹土的一種類型，其對道路的基本破壞機理與膨脹土一致，都是通過吸水膨脹喪失承載力和失水產生收縮變形反復作用造成道路破壞。（2）黑棉土對于道路的常見破壞形式有道路不均勻沉降變形、道路縱向裂縫、路肩坍塌、和路面結構破壞等。可行的黑棉土路基處理方式包括對黑棉土路基進行化學改性處理、包心法和換填土法。各種處理方法各有優缺點，應結合項目實際情況選用適當的處理方法。（3）對黑棉土進行換填處理的關鍵步驟是合理確定大氣影響急劇層深度以確定合適的換填深度。通過參考相關規范并結合當地實際工程經驗，本項目對黑棉土進行換填處理在較為合理成本條件下，有效消除了黑棉土可能造成的隱患，確保工程質量符合要求。

作者：張寶全 單位：中國武夷實業股份有限公司