肯尼亚蒙内铁路黑棉土特性及路基设计运用研究

何淑军

(中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100088)

黑棉土分布范围比较广，除了印度德干高原分布较为广泛外，在非洲尼日利亚、埃赛俄比亚、肯尼亚、坦桑尼亚等地亦有分布。其厚度一般为0.5～5 m，局部可达10 m以上[1-6]，主要由火山堆积物或火成岩经风化、水蚀、搬运、堆积形成，可分为原生黑棉土和次生黑棉土，多呈黑色、灰黑色，具胀缩性。在干湿条件变化时，易导致地表开裂及地基土上的建构筑物，公路铁路路基等的变形、开裂、破坏等。

肯尼亚蒙内铁路主线全长471.874 km。经过调查，沿线分布有大量的黑棉土(初步统计有95 km，约占全线路20%[7])。对黑棉土的分布、厚度的调查，以及物理力学性质、施工措施等的研究充分与否，对保证工程质量、降低工程造价有着重要意义。

1 黑棉土概述

肯尼亚蒙内铁路沿线分布的原生黑棉土主要为黏性土，一般分布于玄武岩、响岩、凝灰岩地区的地表；次生黑棉土是原生黑棉土经过搬运、冲积、沉积等形成，一般会含有砂砾、细砂等，多分布于冲沟斜坡、低洼处、冲沟汇集地，其母岩仍然主要为玄武岩、橄榄玄武岩、响岩等，矿物成分主要为蒙脱石，并含有少量高岭石等。

肯尼亚野外的黑棉土很容易区分，颜色呈黑褐色，旱季时表现为坚硬状态，地表裂缝延伸较长，宽3～5 cm，且边缘呈锯齿状(见图1)；雨季裂缝消失，强度急剧降低，呈软塑状态(见图2)。

图1 旱季黑棉土地表开裂外观

图2 雨季黑棉土地表浸水外观

1.1 黑棉土的工程特性

(1)压实特性

膨胀土一般不适宜于作为填料，而作为强膨胀土的黑棉土，更不适宜作为换填材料。简单的压实并不能显著提高黑棉土的强度，对其胀缩特性亦影响甚微，调整含水量以期获得较高压实度的做法效果亦不明显[8]。

(2)变形特性

黑棉土变形主要包括：①吸水时，土体膨胀、软化，强度下降，外观上显示为土体松散，地面隆起；②失水后，土体收缩，产生较大变形，外观上显示为土体开裂、地面下降。

(3)强度特性

黑棉土的抗剪强度来源于颗粒间相互移动和胶结作用而形成的摩擦阻力。旱季黑棉土失水，颗粒之间水化膜减薄，颗粒胶结增强，土颗粒之间摩擦力增大，移动困难，宏观表现为土体强度较高。而在雨季，由于裂隙的存在，为雨水浸入创造了条件，土体吸水后颗粒之间水化膜增厚，土颗粒黏结强度减弱，摩擦力减小，表现为土体强度降低。

(4)渗透特性

旱季的黑棉土地区地表裂缝发育，为雨水下渗创造了条件，黑棉土吸水后膨胀，裂缝闭合，颗粒间水化膜增厚，孔隙封闭，导致黑棉土渗透性减少。外在表现就是黑棉土地表大量积水，下渗困难(见图2)。

1.2 黑棉土的物理力学特性

根据蒙内铁路地质勘察资料[7]，选取沿线典型的原生黑棉土进行物理力学指标及膨胀性试验，试验数据如表1。

表1 典型原生黑棉土物理力学数据

注：表中试验数据为剔除异常值后的平均值。

表1中试验数据及勘察报告[7]试验数据统计表明：

(1)黑棉土密度较低，天然密度一般在1.49～1.65 g/cm3，干密度一般在1.14～1.3 g/cm3，其均值分别为1.57 g/cm3、1.19 g/cm3。

(2)黑棉土孔隙比较大，一般在0.943～1.24之间，均值为1.14。

(3)含水量在28%～38%之间，均值为31.9%，液性指数小于0，说明黑棉土在此含水量下大多保持在坚硬—硬塑状态。

(4)原生黑棉土的自由膨胀率较大(为120%～155%之间)，而无荷膨胀率较小(5%～15%之间)，原因为旱季黑棉土内部裂隙发育，在有侧限的条件下膨胀填充了内部的横向裂隙，导致竖向膨胀率较小。

(5)50 kPa荷载下，黑棉土的膨胀率已经比较小(为0.02%～2.75%，均值0.69%)。说明在竖向加载50 kPa的情况下，可以消除黑棉土地基竖向膨胀的影响，这对于高填方路基是一个有利条件。

2 肯尼亚大气影响深度研究

2.1 肯尼亚气候状况

肯尼亚地势高差较大，气候变化也较大，全境主要为热带草原气候和热带季风区，沿海地区天气湿热，高原气候比较温和。蒙内铁路沿线年最高气温34.9 ℃，最低气温9.4 ℃。每年3～6月和10～12月为雨季，其余为旱季。雨季降水量大且集中，年平均降水量为558.6～731.8 mm，年均蒸发量为1 450～2 400 mm[7]。

2.2 大气影响深度

肯尼亚相关的大气影响深度等资料匮乏，加之该项目采用中国标准。因此，根据膨胀土地区建筑技术规范[9]，确定大气影响深度及大气急剧影响深度，如表2所示。

表2 大气影响深度

注：大气急剧影响深度可按表2中的大气影响深度乘以0.45采用。

钻探、探坑及试验资料显示，裂隙深度为2.0～4.0 m，下部土层一般比较均匀，显示为各向同性，湿度比较均匀，含水率为28%～35%之间，平均为31.5%。因此，确定肯尼亚蒙内铁路沿线大气影响深度为2.0～4.0 m，大气急剧影响深度为0.9～1.8 m。根据黑棉土分布厚度，建议的大气急剧影响深度如表3。

表3 大气急剧影响深度建议

3 黑棉土路基地基处理方法

3.1 黑棉土化学改性处理方法

国内常用的膨胀土化学改性方法就是在膨胀土里添加石灰，有研究表明，添加5%～10%的石灰改善效果较好，主要表现为土的液限降低、塑限提高，涨缩性明显减小，而强度显著提高。

文献[10]采用了石灰稳定剂及新型NCS固化材料的加固改良膨胀土。膨胀土填料改性除采用通常使用的石灰外，还可增加石灰与石膏以及NCS固化材料等进行外掺处理。

3.2 黑棉土物理改良法

根据蒙内铁路地质调查报告[7]，沿线零星分布有次生黑棉土，膨胀试验显示这些段落的黑棉土只有弱-中等膨胀，部分甚至无膨胀性，其原因为受到冲洪积的搬运作用，黑棉土中混有非膨胀砾石、粉细砂等颗粒，减弱了膨胀作用。模拟非膨胀物质含量与50 kPa、100 kPa下的膨胀率试验数据如表4。

表4 次生黑棉土模拟试验物理力学数据 %

注：表中试验数据为剔除异常值后的平均值。

由表4可知，添加非膨胀物质，改善黑棉土的颗粒成分比例，可以降低膨胀率，为路基设计提供有利条件。50 kPa、100 kPa外加荷载的等效土体高度分别大约为2.5 m、5.0 m。因此，可以根据非膨胀物质含量与膨胀率换算路基允许沉降量，进而选取路基填土高度。

3.3 黑棉土保湿法地基处理

保湿法处理主要原理就是保持基础以下地基含水量大致稳定，减少因含水量的变化而导致的黑棉土膨胀与收缩。保湿法处理可分为主动和被动处理：主动处理就是对小面积的建筑场地进行主动封闭处理，表面及侧沟均采用隔水措施，侧沟要深至大气影响深度以下。被动处理就是选择合理的基础埋置深度，一般应置于大气急剧影响深度以下。

3.4 黑棉土换填法地基处理

换填法是最常用的处理膨胀土膨胀性的方法之一。根据黑棉土厚度的不同，可以部分换填或全部换填。

4 蒙内铁路黑棉土分布特征及设计运用

4.1 黑棉土分布特征及膨胀等级

依据报告[7]，蒙内铁路沿线黑棉土的分布特征及膨胀等级见表5。

表5 黑棉土分布特征及膨胀等级

从表5中可以看出，其总体分布特点为：①原生黑棉土一般分布在内罗毕高原附近60 km范围内；②黑棉土厚度普遍较小，其厚度一般小于2.5 m，这就决定了黑棉土路基的处理应以挖除换填为主。

4.2 黑棉土路基设计措施

(1)填方高度大于2.5 m的段落，应清除地表0.5 m的黑棉土(小于0.5 m厚的黑棉土则全部清除)，换填非膨胀土。

(2)填方高度小于2.5 m且黑棉土厚度小于1.0 m的段落，应全部挖除换填；黑棉土厚度大于1.0 m时，换填深度应加深至1.0～1.8 m(接近于大气急剧影响深度)，并在坡脚做好封闭措施及边沟排水措施。

(3)当挖方深度大于黑棉土厚度时，则全部挖除黑棉土，并做好边坡的防护设计。

(4)当挖方深度小于黑棉土厚度时，则换填深度至少为1.8 m，并采取边坡防护，封闭防水，加大黑棉土坡比(1∶2)，增加边沟、天沟排水等措施。

4.3 黑棉土路基施工措施

(1)施工时应避开雨季并加强现场排水。路基开挖后各道工序要紧密衔接，连续施工，时间不宜间隔太久。路堤、路堑边坡按设计修整后，应立即浆砌护墙、护坡，防止雨水直接侵蚀。

(2)路堤与路堑的填挖交界处，两边土体的含水量及原有的密实度存在差异，施工压实时，应确保其压实均匀、紧密，避免发生不均匀沉陷。

[1] Oriola F， Moses G. Groundnut shell ash stabilization of black cotton soil[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2010，15(D):415-420

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[7] 王辅圣.渗水条件下膨胀土隧道围岩湿度场演化规律数值模拟研究[J].铁道勘察，2018(1)：49-54

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