黑棉土公路路基处理技术探索

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摘要：文中通过试验检测、项目调研和机理分析的手段对埃塞俄比亚Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程项目遇到的黑棉土路段问题进行调查研究，并综合考虑可行的黑棉土处理方法，最终选用保证一定深度的换填方案，对存在黑棉土的公路路段进行综合处理。工后测试表明，该处理方法能有效解决黑棉土引起的路面破坏问题。

关键词：公路工程；路基处理；黑棉土

在“一带一路”倡议之下，越来越多工程承包企业走出国门到世界各地开展工程建设［1-2］。不同地域的工程地质差异明显，所以在工程建设过程中难免会碰到一些新的地质问题［3］。本文对埃塞俄比亚Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程项目碰到的黑棉土问题进行调查分析，并提出了合理的解决方案，以期为其他工程承包企业将在该地区进行的工程建设提供参考。

1工程概况

蒙巴萨—内罗毕—亚的斯亚贝巴道路走廊工程为东非走廊交通大动脉工程，北起埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴，途经肯尼亚首都内罗毕并以肯尼亚蒙巴萨港口为终点。Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程项目属于该工程的一部分，全长180km，海拔高度1700~2200m，位于埃塞俄比亚南部。工程所在地气候为半干旱气候，雨季和旱季差别非常明显，每年4~11月为雨季，有大量降水，其余时间为旱季，几乎无降水。该工程有约3km的填方路段存在黑棉土。

2黑棉土的性质

黑棉土广泛分布于印度和非洲部分地区，因土壤呈现黑色且肥沃适合种植棉花而得名［4］。其密度一般在1300~1800kg/m3，含有大量的亲水性黏土矿物如蒙脱石、伊利石，属于典型的膨胀土。在当地雨季期，水分充足容易吸水膨胀；旱季期则会因长期水分减少而容易失水收缩。这种特性会对公路工程上部结构造成很大影响，如不妥善处理，会导致上部结构的作者简介：张宝全（1975-），男，黑龙江桦南人，本科，工程师，主要研究方向为道路工程施工管理。破坏。根据埃塞俄比亚当地规范［5-6］，同时满足表1中4项指标的土壤可判别为膨胀土。其中CBR95%为土样击实至95%最大干密度时对应的加州承载比，CBRSwell为土样击实至95%最大干密度时加州承载比对应的线性膨胀率。在确定土样为膨胀土之后，又可根据公式（1）和表2将膨胀土根据其膨胀系数（Expansiveness）划分为不同等级膨胀土。Expansivenss(εex)=2.4×Wp-3.9Ws+32.5（1）式中，Wp为塑性指数与通过425mm筛的颗粒质量百分比的乘积；Ws为缩限与通过425mm筛的颗粒质量百分比的乘积。存在黑棉土的路段每隔200m在设计标高位置进行取样并送检，具有代表性的检测结果如表3所示。可见，根据埃塞俄比亚当地标准，该地段大部分位置的黑棉土属于中、强膨胀土，需要对该地段黑棉土进行合理处理。

3黑棉土对本地公路项目的危害调查

黑棉土吸水时膨胀且承载力急剧降低，失水时虽然承载力上升，但是会产生严重的收缩变形。这种长期反复的涨缩对工程上部结构造成不利影响。施工单位在本地监理的陪同下，根据对多个本地含黑棉土的公路工程现场的观察并结合文献调查，将常见的黑棉土的工程危害总结如下。（1）道路不均匀沉降变形。埃塞俄比亚大多数地区存在明显的旱季和雨季，旱季时长达数月，甚至半年几乎无任何降雨，雨季时则数月阴雨绵绵，所以本地的施工单位均选择将施工活动安排在旱季进行。一些道路工程路段中含有部分少量黑棉土未予以重视并清除，这些黑棉土在旱季季节时与普通土一样，具有一定强度，所以往往在施工初期甚至道路完工前面几年，未显示出其危害。但是随着时间增加，多个雨季影响后水汽逐渐渗入一定深度内含有黑棉土的路基内部，逐渐导致道路下部黑棉土承载力明显下降。这时就可以观察到一些含有未经处理黑棉土路段的沉降明显大于其他路段。如果底部黑棉土厚度较大且受到水汽影响部位较厚，一些部位就会出现隆起现象。（2）道路纵向裂缝。从实地考察中发现，道路出现纵向裂缝是常见的黑棉土破坏形式。在含有黑棉土的路段，路肩附近部位经常会发生顺着道路纵向的裂缝，这种现象在容易积水的部位更为明显。调查案例中恰逢一路段正在对道路纵向裂缝造成的破坏进行维修。该路段位于一个人口密集的城镇附近，有附件居民日常活动产生的排水，所以破坏明显。经过分析，原因是路肩处土体处于道路两侧，在雨季时更易受到空气中水汽或雨水的影响，且即使在旱季时，也有附近居民日常活动产生的排水影响。而处于道路中部位置下方的土体则受到道路上部和周边两侧土体的有效覆盖，受到覆盖土体的水分影响。（3）路肩坍塌。这种情况在高路肩路段尤其明显。路肩位于道路两侧，最容易受到大气中水分的影响。如含有黑棉土，则易在雨水季节或大气中水分含量高的季节吸水膨胀，且承载力下降，而在旱季或大气中水分含量低的季节失水收缩。这种情况下，土体随着季节进行张弛容易导致路肩坍塌。（4）路面结构破坏。当出现上述情况时，路面结构就会遭受破坏。例如道路不均匀沉降时，说明底部路基内部土体中的黑棉土承载力受到水分影响而明显下降，这时在上部荷载作用下，容易出现应力集中产生破坏，随之产生裂缝、翻浆等。而产生的裂缝则会进一步增加底下土体水分的渗入，形成恶性循环。

4黑棉土路基处理方式

4.1化学改性处理

掺入化学改性材料改善膨胀土的特性是改善甚至解决膨胀土危害的一种常用方法。目前，国内外对于膨胀土进行化学改性的常用材料为具有化学活性的无机胶凝材料如生石灰、粉煤灰、水泥、氯化钠、氯化钙和磷酸类材料等，其中最常见且效果最明显的改性材料是水泥和生石灰。通过在膨胀土中掺入部分的上述具备活性的无机胶凝材料并与确保材料的均匀混合，利用无机胶凝材料后期形成的强度改善膨胀土的变形特性。碾压密实后的混合材料透水性差，有利于保持内部含水率的稳定，且混合材料具备一定的强度，能有效抵抗膨胀土的膨胀势能，最终确保混合材料的强度和变形的稳定。这种方法优点是不产生大量弃土、可节省工期，缺点是材料成本高。经过与业主方和监理方进行初步的方案分析并进行初步成本估算，采用这种方法需要增加的成本超出业主可接受范围，故此方案未被采用。

4.2包心法

包心法的原理是将黑棉土尽可能与外部的水分进行隔绝，以防止黑棉土受到外界水分的影响造成吸水膨胀、失水收缩。具体可采用的做法如下：（1）黑棉土的顶部和侧边采用透水性低的粘性土进行封裹；（2）直接使用道路的上部路面结构层作为封闭层对底部黑棉土进行封闭；（3）使用其他人造辅助材料如土工布、土工膜、沥青作为封闭层。这些做法都可将水分隔绝，以减少周边环境对内部膨胀土的影响。经封裹的黑棉土内部水分保持相对稳定，从而保持其强度和变形长期稳定，不对上部结构产生不利影响，杜绝各种因黑棉土受到水分变化而造成的各种道路危害。这种处理方法的缺点在于，如果局部位置处理不够妥善，后期在水分渗入时可能导致由于局部变形造成的路面结构损坏。优点是仅需要移除部分土壤，不会产生大量弃土。经过与业主方和监理方工程师进行研讨认为，这种方法质量控制相对比较困难，故此方案未被采用。

4.3换填土

将工程项目中存在黑棉土路段进行一定深度和宽度范围的黑棉土挖除并换填性能良好的土、石。这种处理方法的缺点是开挖工作量大、产生大量弃土、对周边环境影响大，优点是一次性将隐患移除，工程质量容易保障。经过业主与当地政府进行征地协商，在存在黑棉土路段附近一处山坳可直接作为弃土场使用，可有效控制运输成本和征地成本，且最终增加的成本也符合业主预算要求，所以这是最终采用的方案。

5黑棉土换填深度的确定

本项目另外一个关键问题是如何合理确定黑棉土的换填深度。如果换填深度不足，则容易使道路建成后底部黑棉土部位易受到大气环境中水汽的影响而吸水膨胀、失水收缩；如果换填深度过大，虽然有利于提升安全系数，但是会造成不必要的成本增加。因当地缺乏相关规范，本项目黑棉土换填深度的确定综合考虑了我国GB50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》的规定、JTGD30-2004《公路路基设计规范》的规定和本地相关工程实践经验。大气影响深度指的是地表土体受到地表附近大气中水分变化如降雨、日晒蒸发等的影响而产生升降变形的有效深度，土地埋深越大，其受到大气水分变化的影响越小。大气影响急剧层深度是指土体受到地表附近大气中水分变化特别显著的深度范围内的土体层。黑棉土作为膨胀土的一种，其对于路面的破坏与膨胀土机理一致，所以可以通过大气影响深度作为黑棉土换填深度确定的一个参考指标。大气影响深度和大气影响急剧层深度数据通常可通过工程所在地区的含水量观测、地温观测和各个土体深层变形观测资料作为依据进行确定。据调查，工程所在地位于两个大城市中间，无法取得黑棉土路段周边可靠的气象观测数据，仅离路段最近的大城市迪拉市（Dila）有比较准确可用的气象观测数据。如要取得准确有效的可用于计算大气影响深度的关键气象观测数据，如全年蒸发力数据、全年降雨量等，需要较长时间且需要委托相关专业人员进行长期气象监测，事实上难以实现，所以和各方协商，最终决定采用地理和气候都较为相近迪拉市的气象观测数据作为参考。经过业主协调，取得相关的气象观测数据，对当地统计结果进行数据总结，显示土的湿度系数可取值0.8。根据GB50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》，大气影响深度可取值3.5m，大气影响急剧层深度可取值1.58m。根据JTGD30-2004《公路路基设计规范》，对于高速公路和一、二级公路的填方路基，当路床与路面的厚度之和大于路基填土的高度，如果道路底部土体为膨胀土时，宜将地表30~60cm的膨胀土挖除且路床需进行换填或掺灰处理；如果该膨胀土为强膨胀土，则应将挖除深度控制在大气影响深度。JTGD30-2004《公路路基设计规范》还规定挖方路基路段需将路床0.8m范围内的膨胀土进行超挖，然后使用非膨胀土进行换填或采取改良土质的加固措施；如果该膨胀土为强膨胀土，路床的换填深度应加深到1.0~1.5m。本路段部分土质为强膨胀土，部分土质为中膨胀土，参考我国相关规范规定，合理的挖除深度为1.6m。通过对附近已完工项目进行调查对比，该深度具有一定的安全富余度。

6处理方式和工后变形情况

经过和业主、监理方的沟通，结合材料成本、建立弃土场成本等因素，最终决定采用换填土处理方案。按照上述分析，大气急剧影响层的深度可按1.6m考虑，具体采用措施如下。（1）根据设计图纸，对路基基底的黑棉土进行挖除处理，确保道路垫层（cappinglayer）底部标高至黑棉土顶部为1.6m，以达到隔绝上部水分影响，同时确保开挖宽度超出道路路床0.8m，隔绝周边水分可能产生的影响。（2）开挖过程中，配备测量人员动态检测，检查是否达到开挖深度，严禁超挖和尽可能减少对原土壤的扰动。（3）合理布置当天任务，挖除黑棉土并进行压实验收之后，应立即铺筑首层换填土，防止原土壤水分散失。（4）填土层进行错缝衔接，防止雨水渗透，严禁在雨天进行挖除作业。（5）控制边坡坡率为1∶2，且在雨水无法及时排走的平缓路段以及有人口聚集地段，加设边沟进行排水。（6）施工完成后，定期对该路段沉降进行观测，检测不均匀沉降情况。黑棉土处理路段完工后进行沉降跟踪检测，测试数据表明，完工通车且在经历过一个雨季和旱季后，该路段路面沉降较为均匀，经检查不存在路面开裂、翻浆等现象。可见上述处理方案能够有效解决黑棉土导致的问题。

7结语

本文研究了埃塞俄比亚Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程项目遇到的黑棉土的工程性质，结合当地实际工程，调查了黑棉土对道路项目的危害，分析了黑棉土路基的可行处理方式，结合我国规范和实际项目情况，确定了合理的黑棉土换填深度，并阐述了本项目采用的处理方式和实际处理效果，最终可以得到如下结论：（1）黑棉土虽然在我国较为少见，但是作为膨胀土的一种类型，其对道路的基本破坏机理与膨胀土一致，都是通过吸水膨胀丧失承载力和失水产生收缩变形反复作用造成道路破坏。（2）黑棉土对于道路的常见破坏形式有道路不均匀沉降变形、道路纵向裂缝、路肩坍塌、和路面结构破坏等。可行的黑棉土路基处理方式包括对黑棉土路基进行化学改性处理、包心法和换填土法。各种处理方法各有优缺点，应结合项目实际情况选用适当的处理方法。（3）对黑棉土进行换填处理的关键步骤是合理确定大气影响急剧层深度以确定合适的换填深度。通过参考相关规范并结合当地实际工程经验，本项目对黑棉土进行换填处理在较为合理成本条件下，有效消除了黑棉土可能造成的隐患，确保工程质量符合要求。

作者：张宝全 单位：中国武夷实业股份有限公司