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(tuán)福州勘察設(shè)計(jì)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(qū)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(lǐng)土的28%。主要?dú)夂驗(yàn)闊釒Р菰瓪夂蚝蛠啛釒謿夂?，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(nèi)最大的湖泊，藍(lán)尼羅河發(fā)源于該國。

拉利貝拉公路項(xiàng)目（以下簡稱本項(xiàng)目）位于埃塞俄比亞阿姆哈拉州，該項(xiàng)目的起點(diǎn)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(jīng)過Nakuto、Genete Mariam、Zeha 和Kulmesk，終點(diǎn)位于Muja 鎮(zhèn)的郊區(qū)，全長約49 km，項(xiàng)目路線走向如圖1 所示。

圖1 本項(xiàng)目路線走向

1 項(xiàng)目地質(zhì)和氣象概況

本項(xiàng)目場地地質(zhì)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(xiàn)出高塑性。K19+100～K33+800 路段地層主要為淺灰色風(fēng)化巖石，主要由溢流玄武巖、火山碎屑巖組成，巖層呈現(xiàn)水平層理，玄武巖中包含柱狀節(jié)理。

該地區(qū)年降雨量為747.61 mm，最大平均降水量出現(xiàn)在7 月份，為250.67 mm，最小降水量出現(xiàn)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(xiàn)在3 月份；平均最低氣溫為11.85℃，出現(xiàn)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(shí)地調(diào)查，第二步為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。

2.1 實(shí)地調(diào)查

根據(jù)埃塞俄比亞公路局《Site Investigation Manual》（2013）[2]規(guī)定每500 m 應(yīng)有簡易勘探點(diǎn)[3]，本項(xiàng)目采用挖探作為實(shí)地調(diào)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(nèi)地質(zhì)鉆探，埃塞俄比亞挖探具有周期短、成本低、簡易可行的優(yōu)點(diǎn)[4]。 挖探孔尺寸約為1.5 m×1.5 m，深度根據(jù)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的樣品。 取樣結(jié)束后，應(yīng)及時將挖探坑回填，確保行人及牲畜安全。 挖探現(xiàn)場如圖2 所示。

圖2 挖探現(xiàn)場

2.2 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的主要目的是獲取土樣的物理力學(xué)參數(shù)，主要的試驗(yàn)包括：ASHTO 土壤分級、阿太堡試驗(yàn)、含水量試驗(yàn)、CBR 試驗(yàn)、體積收縮/收縮極限（黑棉土）、比重計(jì)測試（僅適用于細(xì)粒土）等。

3 黑棉土試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)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(dá)到29.2%；A-2-6 組占比也較大，達(dá)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(shù)原位路基樣品都表征為顆粒材料，土樣整體質(zhì)量較好，非常適合用作為路基或路基填料。

表1 本項(xiàng)目K19+100～K33+800AASHTO 土壤分級

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

GI≤（F-35）[0.2+0.005(LL-40)]+0.01（F-15）（PI-10） （1）其中，F(xiàn) 為通過75 μm（No.200）篩的材料百分?jǐn)?shù)（用整數(shù)表示），LL 為液限，PI 為塑性指數(shù)。 當(dāng)分組指數(shù)計(jì)算值為負(fù)數(shù)時，直接取為0，分組指數(shù)應(yīng)為整數(shù)。路基土樣在排水良好且壓實(shí)的情況下，承載力與其分組指數(shù)成反比。 分組指數(shù)小于20，表明路基材料為“良”，宜作為路基填料；分組指數(shù)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(shù)（GI）低于規(guī)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(shù)（GI）分布情況

3.2 阿太堡試驗(yàn)

3.2.1 塑性指數(shù)

土壤的塑性指數(shù)可作為評估其膨脹潛勢的指標(biāo)。 根據(jù)土壤的可塑性可以對土壤類型進(jìn)行分類，因此，通過阿太堡極限試驗(yàn)，對路基土樣進(jìn)行評估。塑性圖是根據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)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(xì)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(zhì)土；12.5%為MH，代表高塑性粉質(zhì)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(jī)黏土，如礫石黏土、砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和中等塑性的貧黏土；25.00%屬于CL 類別，即低塑性無機(jī)黏土；最后，16.67%為CH 類別，即具有高可塑性的無機(jī)黏土。

3.2.2 塑性指數(shù)和液限的分布

根據(jù)埃塞俄比亞公路局《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）第4103 節(jié)規(guī)定[6]，路基填料的塑性指數(shù)（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(shù)和液限均滿足要求。

圖5 K19+100～K33+800 液限和塑性指數(shù)分布情況

3.3 最大干密度和最佳含水量試驗(yàn)

采用AASHTO T-180 標(biāo)準(zhǔn)重型擊實(shí)試驗(yàn)，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(guān)系

根據(jù)MDD 和OMC 的關(guān)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(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)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(yàn)是在濕度和密度受控條件下測試土樣的抗剪力。 對土樣進(jìn)行CBR 試驗(yàn)，可以確定其強(qiáng)度等級。 試驗(yàn)前土樣需浸泡4 d，在95% MDD 采用AASHTO T180 測定其CBR。

根據(jù)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(shù)值為65.00%，最小CBR 值在K29+000，數(shù)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(jīng)過試驗(yàn)獲得路基土樣的膨脹值Swell（%），試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jié)的要求。 其余土樣表現(xiàn)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(jù)埃塞俄比亞公路局 《Standard Technical Specification and Method of Measurement specification manual》（2013）[6]第4103 節(jié)規(guī)定，當(dāng)液限（LL）超過60%，或塑性指數(shù)（PI）超過30%，或浸泡4 d 后（AASHTO T-180） 壓實(shí)度95%的CBR 值小于3%，或AASHTO T-193 在95%壓實(shí)度的膨脹值超過3%，均為非適宜路基土。 據(jù)此規(guī)定，全線有8 個路基土樣試驗(yàn)結(jié)果不滿足當(dāng)?shù)匾?guī)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(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行過程中，若發(fā)現(xiàn)非適宜土，一般直接初步認(rèn)定為膨脹土，當(dāng)?shù)亓?xí)慣稱之為黑棉土。

表2 本項(xiàng)目K19+100～K33+800 黑棉土試驗(yàn)結(jié)果

5 膨脹潛勢分級

5.1 中國公路規(guī)范中的分級

關(guān)于膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外尚不統(tǒng)一，根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，當(dāng)黏質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率對膨脹潛勢分級。JTG C20-2011《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中對膨脹土有明確的分級，分級的主要依據(jù)為自由膨脹率、塑性指數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率[8]。 中國公路項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)過程中，在初步判斷土樣呈現(xiàn)出膨脹特性后，進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，再對膨脹潛勢等級進(jìn)行劃分（表3）。

表3 中國公路規(guī)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(jié)[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(shù)（PI）×通過0.425 mm 篩孔的細(xì)顆粒；Ws=收縮極限（SL）×通過0.425 mm 篩孔的細(xì)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(jù)式（2）計(jì)算膨脹度，可對膨脹土的等級進(jìn)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(xiàng)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(xiàng)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度降低，產(chǎn)生較大的膨脹壓力，造成路基破壞。 黑棉土變形破壞多發(fā)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(jù)黑棉土的特點(diǎn)，黑棉土地區(qū)的路基設(shè)計(jì)和施工應(yīng)遵循以下原則：（1）注重實(shí)地調(diào)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(shè)計(jì)施工應(yīng)以防水、控溫、防風(fēng)化為主，結(jié)合路面結(jié)構(gòu)，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(yīng)連續(xù)，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(jié)構(gòu)性能影響，埃塞俄比亞公路項(xiàng)目實(shí)踐中，一般有如下4 種處理方式：（1）改線以繞開黑棉土地區(qū)；（2）改良黑棉土，例如夯實(shí)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(yùn)輸困難，導(dǎo)致改良處理成本高、效率低。 故當(dāng)?shù)匾话悴捎玫谒姆N方式，挖除膨脹土換填適宜路基填料。

根據(jù)埃塞俄比亞公路局 《Design Manual for Low Volume Roads》（2011）第6.13 節(jié)規(guī)定[9]，當(dāng)填高小于2 m 時，應(yīng)挖除路基全寬范圍內(nèi)膨脹土，最小深度為0.6 m，換填為適宜土，如圖9 所示；當(dāng)填高大于2 m 時，應(yīng)挖除路肩內(nèi)側(cè)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(dāng)為挖方路基時，應(yīng)挖除路基范圍內(nèi)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(xiàng)目實(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行劃分，可見兩套標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(hù)、防滲排水隔水、地基加固等。

6.3 處置效果分析

本項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)和施工正穩(wěn)步推進(jìn)中，目前挖除換填膨脹土段落的路基質(zhì)量良好，未發(fā)現(xiàn)路基沉陷變形、開裂等影響路基路面結(jié)構(gòu)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(jié)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(dāng)?shù)貙?shí)際情況。 我國的現(xiàn)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(zhǔn)確度高，可獲得豐富的路基土樣物理力學(xué)參數(shù)，但是成本高、周期長。 （2）埃塞俄比亞黑棉土的確認(rèn)是根據(jù)路基土樣室內(nèi)試驗(yàn)獲取液限、塑性指數(shù)、浸泡4 d 后壓實(shí)度95%的CBR 值、95%壓實(shí)度時膨脹值等數(shù)據(jù)，初步判定路基土樣是否為膨脹土。 我國公路項(xiàng)目采用自由膨脹率和液限2 個指標(biāo)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(dāng)?shù)毓肪值慕?jīng)驗(yàn)公式計(jì)算后分級判定。 我國主要以標(biāo)準(zhǔn)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(jù)填土高度來劃分處置范圍，在項(xiàng)目實(shí)施執(zhí)行過程中簡單易行、具備較強(qiáng)的可操作性，且已實(shí)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(xiàng)目為例，通過對沿線K19+100～K33+800 路基挖探土樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)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。