馬金廣

（中交第三公路工程局有限公司，北京100000）

1 引言

黑棉土具有較為顯著的持水力，遇到降雨天氣時，內(nèi)部聚集的雨水存留時間較長，但在旱季又會受到氣候的影響而產(chǎn)生龜裂，具有膨脹性土的特質(zhì)[1]。膨脹土內(nèi)部含大量的黏粒成分，具體以親水性礦物居多，普遍存在遇水膨脹、失水收縮的特點，給內(nèi)羅畢南站通站道路路基的建設(shè)工作造成阻礙，需以合理的方式加以處理。

2 黑棉土膨脹特性

廣義上看，黑棉土的分布較為廣泛，除內(nèi)羅畢外，在埃塞俄比亞、印度等地也存在一定規(guī)模的黑棉土，且厚度差異明顯，少則數(shù)十厘米，多則達到數(shù)米。本次研究重點圍繞內(nèi)羅畢南站通站道路路基項目而展開，探討相適應(yīng)的路基處治技術(shù)。

黑棉土的顯著特點在于顏色為黑褐色且具有膨脹性。具體至內(nèi)羅畢地區(qū)的黑棉土，其呈現(xiàn)較明顯的黑褐色，受到其膨脹性的影響，明顯加大了施工難度，且工程造價也隨之增加。黑棉土的工程特性主要有：

1）自由膨脹率達30%～140%，遇水后將在短時間內(nèi)快速膨脹，強度較以往出現(xiàn)大幅的下降趨勢。

2）在溫度偏高的情況下或人工開挖晾曬時，將發(fā)生明顯的失水、干縮現(xiàn)象，并進一步產(chǎn)生龜裂，不利于路基的完整性[2]。

3）通常黑棉土的強度相對較低，根據(jù)試驗結(jié)果得知，4d 浸水CBR 值（加州承載比）為2%～5%；若處于最佳含水量條件下，此時非浸水CBR 值將提升到8%～13%。當然，無論以何種方式處理黑棉土，其強度提升幅度始終較小，應(yīng)用效果相對有限。

3 黑棉土路基病害成因分析

內(nèi)羅畢南站通站道路路基項目中，靠近內(nèi)羅畢區(qū)域沿線存在大量黑棉土，其中低填路基處存在極為明顯的裂縫病害。按原設(shè)計方案，決定對路床采取換填處理措施[3]，深度設(shè)為100cm，選擇具有透水性和強度良好的材料，源自當?shù)氐募t土礫料。但從實際情況來看，形成裂縫的路段地形較為平坦，若采取開挖、換填的方式，將在人為因素作用下產(chǎn)生路基基底匯水區(qū)，但該處的地形普遍平坦，在高差不足的情況下難以有效排除地表滲水，路基基底長時間處于雨水浸泡的狀態(tài)，黑棉土發(fā)生膨脹；而在干旱季節(jié)，由于缺乏合適的保水措施，將發(fā)生基底失水干縮現(xiàn)象，導(dǎo)致路基開裂。

4 黑棉土路基病害處治

4.1 黑棉土路基處治設(shè)計原則

黑棉土路基處治設(shè)計原則包括：（1）防排結(jié)合：采取封閉、排水措施，最大限度地緩解干濕循環(huán)現(xiàn)象，以免黑棉土受到外界水分的影響。（2）多方類比：深入施工現(xiàn)場，掌握沿線黑棉土路基的實際情況，再從技術(shù)可行性、成本等角度入手對比分析，確定最合適的方法。（3）取樣分析：在黑棉土路段選擇具有代表性的芯樣，確定含水量等相關(guān)指標，創(chuàng)建完善的檢測體系，為質(zhì)量控制提供幫助。

4.2 填方路基黑棉土處治

針對已經(jīng)成形的黑棉土路基，基于現(xiàn)場取樣的方式分析基底黑棉土的情況，得知其已經(jīng)達到飽和狀態(tài)，盡管存在外界水的影響，但極為微弱，而在黑棉土失水的情況下，將出現(xiàn)強度提升的現(xiàn)象，并不會成為危害路基穩(wěn)定性的因素。鑒于此特性，在黑棉土路基處治過程中應(yīng)創(chuàng)建排水系統(tǒng)、選擇合適的填料、做好邊坡設(shè)計。下文做細致的分析：

1）防排水設(shè)計。黑棉土路基處治工作中，最為根本的是做好防排水設(shè)計工作，應(yīng)充分考慮路表和地下水的排水問題。從本文探討的內(nèi)羅畢南站通站道路來看，導(dǎo)致黑棉土路基產(chǎn)生病害的重要原因在于缺乏完善的排水系統(tǒng)，使黑棉土路基處于異常狀態(tài)，發(fā)生浸水→失水反復(fù)循環(huán)的現(xiàn)象，最終使路基開裂。對此，應(yīng)從施工前、施工時、施工后3 個角度入手，分別做好防水設(shè)計工作。

施工準備階段，做好清表工作后及時組織回填作業(yè)，若壓實度偏低，則不宜通過開挖、翻曬的方式處理，應(yīng)充分考慮黑棉土的基本特性，從而選擇相適宜的方法，如改良填料、壓填石方等。施工階段要加強永久排水設(shè)施的建設(shè)，并及時封閉坡面，盡可能消除外界環(huán)境的不良影響，避免黑棉土失水。施工時要定期抽檢，獲得不同深度的試樣，以便掌握其在含水量等方面的表現(xiàn)，并做好對黑棉土膨脹特性的監(jiān)測工作。要全面做好排水設(shè)計工作，要從地表水和地下水2 個角度入手，并以永久性排水為主，輔以合適的臨時排水設(shè)施，多途徑并行。地下水的處理可采取施作盲溝的方式。圖1 為處治方案設(shè)計示意圖。

圖1 低填方路段加深邊溝處治設(shè)計（單位：mm）

2）填料設(shè)計。內(nèi)羅畢南站通站道路填方路基施工中均選擇的是火山渣（紅土礫料），其性質(zhì)較為良好，具有級配良好、強度高、高效透水的特點，是作為填料的首選。為充分發(fā)揮出該填料的性能，組織滲透性試驗，確定滲水能力，從而給紅土礫料的使用提供依據(jù)，結(jié)果如表1 所示。

表1 各料場紅土礫料摻拌及山皮土滲透性試驗結(jié)果

根據(jù)表1 內(nèi)容得知，紅土礫料的滲透性要明顯超過山皮土，但盡管紅土礫料的綜合性質(zhì)較為良好，也不能說明其完全適用于黑棉土路基處治工作。針對內(nèi)羅畢南站通站道路黑棉土路基受損現(xiàn)象，其主要原因在于換填的火山渣性質(zhì)欠佳，如透水性明顯偏高。經(jīng)過開挖換填作業(yè)后，已形成一個較為明顯的匯水區(qū)，若依然使用較強透水性的填料，在現(xiàn)場發(fā)生降雨時將導(dǎo)致黑棉土基底在短時間內(nèi)吸收大量水分并飽和，后續(xù)又會因為失水而出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。對此，需重新審視換填處治工作，即要富有針對性的使用填料，要充分考慮到透水性，兼顧現(xiàn)場地質(zhì)、氣象等方面的情況。綜合考慮試驗資料、實際勘察結(jié)果，得知采取換填山皮土的方式可有效避免路基開裂。而從性質(zhì)的角度來看，山皮土與我國的碎石土在物理性質(zhì)方面具有高度的趨同性。經(jīng)試驗得知，山皮土滲透率相對較小，明顯低于紅土礫料。根據(jù)內(nèi)羅畢當?shù)氐墓こ桃?guī)范，在黑棉土地區(qū)組織回填作業(yè)時選擇的非透水材料必須同時具備非膨脹性、塑性指數(shù)達15%或更高的特點。對此，在黑棉土路基處治中所用的填料應(yīng)注重上述所提的要求，且要控制好回填區(qū)的高度，需適當超出原地表。

3）邊坡設(shè)計?；诳茖W(xué)的邊坡設(shè)計方式，有助于提高黑棉土路基的強度，使其維持穩(wěn)定狀態(tài)。若封閉坡面工作未及時完成，黑棉土將發(fā)生持續(xù)性的飽水、失水過程，處于反復(fù)干濕循環(huán)狀態(tài)，導(dǎo)致低填方路基處形成裂縫。因此，及時封閉坡面至關(guān)重要。在內(nèi)羅畢南站通站道路項目中，則高度強調(diào)了邊坡封閉措施的重要性，并放緩坡率。適當?shù)胤啪忂吰掠兄趧?chuàng)造更安全的行車環(huán)境，邊坡穩(wěn)定性有所保障，也為邊坡植物生長提供了良好條件。

4.3 挖方路基黑棉土處治

挖方路基黑棉土處治需要注意以下要點：

1）若黑棉土淺挖方路段已經(jīng)完成了開挖和回填處理，考慮到地面存在天然橫坡、項目所在地黑棉土具有較強吸水性的特點，選擇的是邊坡+火山渣盲溝相結(jié)合的方式，從而避免邊坡層間水滲入路床的問題。具體而言，地表和坡面2 處均采取加深邊溝以及填方排除措施，而在邊溝底設(shè)置盲溝的方式可實現(xiàn)對層間水的有效攔截，使路基維持相對干燥的狀態(tài)。若部分路段的挖深超過所在處黑棉土層厚，此時已經(jīng)完全將黑棉土挖除，因此，只需要做好邊坡防護工作并加強排水即可。

2）填料設(shè)計。換填首選用料為山皮土，較為關(guān)鍵的是加強對滲透系數(shù)的控制。部分路段增設(shè)了盲溝，可視實際情況選擇適量的紅土礫料用于回填?？紤]到路段路基、路面的穩(wěn)定性要求，在設(shè)計工作中兼顧了大氣影響深度和路基工作區(qū)深度兩方面的因素，適當增加了黑棉土的換填深度，此時由原本的100cm 提升到140cm。對于已經(jīng)挖至穩(wěn)定的土層，則要以實際情況為準靈活調(diào)整換填方法，但無論以何種方式換填，均要確保此時的換填深度至少達到100cm。

3）邊坡設(shè)計?？紤]到淺挖方黑棉土路段的特殊性，理論坡率至少要達到1∶2，而在挖方深度較大的情況下，要充分考慮黑棉土層的分布特點，確定與其他巖土層截面所形成的交界面，于該處設(shè)置寬大平臺，再完成坡頂清方卸載作業(yè)，盡可能消除黑棉土層間水的不良影響，維持挖方邊坡的穩(wěn)定性。部分情況下，正常土層中也將形成黑棉土夾層，此時要根據(jù)實際情況另行設(shè)計。若存在淺層破壞現(xiàn)象，在完成開挖作業(yè)后需及時加強防護，并做好封閉坡面的工作，嚴格控制好邊坡土體天然含水量，使其維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。若存在深層破壞的可能，則要由專員做好勘察與設(shè)計工作，結(jié)合實際情況采取處理措施。

5 結(jié)語

綜上所述，本文以內(nèi)羅畢南站通站道路為基本背景，圍繞黑棉土的特性、分布特點展開分析，探討引發(fā)黑棉土路基病害的原因，視項目所在地的實際情況提出相適應(yīng)的處治要點，以期給同行提供參考，提高在黑棉土路基工程項目中的施工水平。