王 祖 平
(中航勘察设计研究院有限公司,北京 100098)
随着我国“一带一路”伟大战略构想的提出与实施,我国企业对“一带一路”相关的多个国家进行了直接投资,承接相关工程项目达3 000余个。肯尼亚是中国“一带一路”战略在非洲唯一的支点,也是新丝绸之路建设中获得中国资金援助最多的国家。
肯尼亚位于非洲东部,赤道横贯中部,东非大裂谷纵贯南北,全境位于热带季风区,属于热带草原气候。其首都内罗毕地处肯尼亚中西部高原,属于半湿润半干旱热带草原气候,全年大体上分为雨季和旱季两个季节,其中雨季时几乎每天均会有暴雨形式的降雨,降雨量占全年降雨量的85%左右,旱季时几乎无降雨。黑棉土是一种在极端气候变化条件下,火成岩经风化、地表水长期淋滤残积而形成的膨胀土,广泛分布于肯尼亚首都内罗毕高原区地表,一般厚度2 m~5 m,最大厚度可达22 m[1]。
本文以我公司在肯尼亚内罗毕Embakasi地区的勘察成果为基础,对该地区黑棉土的各项室内土工试验结果进行分析,并对该地区黑棉土的物理力学特性进行初步研究。
研究区属于半湿润半干旱热带草原气候,全年大体上分为雨季和旱季两个季节,其中3月~5月为长雨季,10月~12月为短雨季,其他月份为旱季。年平均气温一般在18 ℃~20 ℃,年平均最低气温为12 ℃~14 ℃,年平均最高气温为24 ℃~26 ℃,年平均变化幅度11.6 ℃。多年年平均降水量为900 mm,长雨季(3月~5月)和短雨季(10月~12月)的降雨量尤为集中,占全年降雨量的70%~85%。年平均蒸发量为1 550 mm~2 200 mm。
研究区位于内罗毕Embakasi平原北部,地面高程在1 600 m左右,地势较平缓,整体上呈西南高东北低趋势。
Embakasi平原是第三纪地质历史时期多期火山喷出岩浆的沉积和建造结果,火山岩的原浆主要为响岩、粗面岩,同时伴有大量的火山凝灰沉积。风化沉积后的火山岩,经地表水的长期淋滤残积,形成呈灰黑色的黑棉土,覆盖于地表。本研究区地层主要为:上覆为黑棉土层(局部为人工填土);下伏为第三系火成响岩、粗面岩。
研究表明,地球表面浅表层的膨胀土主要分为两大类,第一类为热带、亚热带残积黏土,第二类为暖温带和南北亚热带沉积型高塑性黏土[2]。研究区的黑棉土在成因上属于第二类,为火成岩风化后,经地表水长期淋滤残积而成,一般分布于地表,层厚一般0.3 m~3.5 m。
为了解黑棉土的矿物成分,采取了典型的黑棉土试样在室内进行了矿物成分测试,测试结果详见表1。
表1 黑棉土矿物成分含量表 %
由表1可以看出,此黑棉土黏土矿物成分以蒙脱石为主,占93%,不加分散剂时,水悬浮液长期不絮凝,表明此黑棉土中的蒙脱石为钠蒙脱石。采用次甲基兰选择吸附法测试,其有效蒙脱石含量56.38%,比表面积高达468.04 m2/g。
黑棉土的常规物理力学试验结果如表2所示。
表2 黑棉土常规物理力学指标
2.2.1黑棉土的常规物理性质
黑棉土的胀缩特性除了受土体自身的矿物成分及其含量外,含水量变化也是重要的因素。黑棉土中的含水量增加,其体积增大,表现出膨胀性;反之,含水量减少,膨胀土体积减小,表现出收缩性。黑棉土的天然含水量较低时,具有较大的膨胀潜势和较小的收缩潜势,反之则相反。由表2可以看出,黑棉土的天然含水量最大值高达42.4%,饱和度最大值高达96%,说明黑棉土的含水量达到基本饱和,具有较小的膨胀潜势和较大的收缩潜势。同时,黑棉土的液限和塑限最大值分别高达78.7%和34.8%,表现出高液限和高塑限的特点。
2.2.2黑棉土的强度特性
从黑棉土的压缩性和剪切参数等强度指标来看,黑棉土在天然状态下的物理力学指标较高,在过去常被误解是一种良好的土层,也常引起不同的工程事故发生。
2.2.3黑棉土的胀缩特性
由表1可知,黑棉土蒙脱石绝对含量高达46.8%,且为钠蒙脱石,由表2可知,黑棉土的自有膨胀率高达170%。大量试验研究表明[3],膨胀土的自由膨胀率与蒙脱石含量有着较好的相关关系,一般情况下,蒙脱石含量越高,自由膨胀率越大,此外,黑棉土强膨胀性和高塑性与交换钠离子为主亦有很大关系。
根据表2中黑棉土的常规物理力学指标,按我国GB 50112—2013膨胀土地区建筑技术规范中膨胀土的膨胀潜势分类标准,该黑棉土的膨胀潜势为强,按南非威廉姆斯四分法判别为极高(剧)膨胀土[4],相当于中国的强膨胀土。
1)研究区的黑棉土的矿物成分主要以纳蒙脱石为主,在常规试验指标上表现出高饱和度、高液限、高塑限等特点,在强度指标上表现为高强度,在膨胀性指标上表现出强膨胀性。
2)研究区的黑棉土厚度一般为0.3 m~3.5 m,厚度较薄,工程建设时,常将黑棉土全部挖除换填。当地尚无黑棉土的土性改良经验数据,因此尚需对研究区的黑棉土土性改良做进一步试验研究。
3)研究区的气候条件与我国相差较大,当地黑棉土的物理力学性质及需要采用的工程措施是否适合中国的相关规范还有待进一步探讨。