黑棉土路基病害处治施工技术

马金广

（中交第三公路工程局有限公司，北京100000）

1 引言

黑棉土具有较为显著的持水力，遇到降雨天气时，内部聚集的雨水存留时间较长，但在旱季又会受到气候的影响而产生龟裂，具有膨胀性土的特质[1]。膨胀土内部含大量的黏粒成分，具体以亲水性矿物居多，普遍存在遇水膨胀、失水收缩的特点，给内罗毕南站通站道路路基的建设工作造成阻碍，需以合理的方式加以处理。

2 黑棉土膨胀特性

广义上看，黑棉土的分布较为广泛，除内罗毕外，在埃塞俄比亚、印度等地也存在一定规模的黑棉土，且厚度差异明显，少则数十厘米，多则达到数米。本次研究重点围绕内罗毕南站通站道路路基项目而展开，探讨相适应的路基处治技术。

黑棉土的显著特点在于颜色为黑褐色且具有膨胀性。具体至内罗毕地区的黑棉土，其呈现较明显的黑褐色，受到其膨胀性的影响，明显加大了施工难度，且工程造价也随之增加。黑棉土的工程特性主要有：

1）自由膨胀率达30%～140%，遇水后将在短时间内快速膨胀，强度较以往出现大幅的下降趋势。

2）在温度偏高的情况下或人工开挖晾晒时，将发生明显的失水、干缩现象，并进一步产生龟裂，不利于路基的完整性[2]。

3）通常黑棉土的强度相对较低，根据试验结果得知，4d 浸水CBR 值（加州承载比）为2%～5%；若处于最佳含水量条件下，此时非浸水CBR 值将提升到8%～13%。当然，无论以何种方式处理黑棉土，其强度提升幅度始终较小，应用效果相对有限。

3 黑棉土路基病害成因分析

内罗毕南站通站道路路基项目中，靠近内罗毕区域沿线存在大量黑棉土，其中低填路基处存在极为明显的裂缝病害。按原设计方案，决定对路床采取换填处理措施[3]，深度设为100cm，选择具有透水性和强度良好的材料，源自当地的红土砾料。但从实际情况来看，形成裂缝的路段地形较为平坦，若采取开挖、换填的方式，将在人为因素作用下产生路基基底汇水区，但该处的地形普遍平坦，在高差不足的情况下难以有效排除地表渗水，路基基底长时间处于雨水浸泡的状态，黑棉土发生膨胀；而在干旱季节，由于缺乏合适的保水措施，将发生基底失水干缩现象，导致路基开裂。

4 黑棉土路基病害处治

4.1 黑棉土路基处治设计原则

黑棉土路基处治设计原则包括：（1）防排结合：采取封闭、排水措施，最大限度地缓解干湿循环现象，以免黑棉土受到外界水分的影响。（2）多方类比：深入施工现场，掌握沿线黑棉土路基的实际情况，再从技术可行性、成本等角度入手对比分析，确定最合适的方法。（3）取样分析：在黑棉土路段选择具有代表性的芯样，确定含水量等相关指标，创建完善的检测体系，为质量控制提供帮助。

4.2 填方路基黑棉土处治

针对已经成形的黑棉土路基，基于现场取样的方式分析基底黑棉土的情况，得知其已经达到饱和状态，尽管存在外界水的影响，但极为微弱，而在黑棉土失水的情况下，将出现强度提升的现象，并不会成为危害路基稳定性的因素。鉴于此特性，在黑棉土路基处治过程中应创建排水系统、选择合适的填料、做好边坡设计。下文做细致的分析：

1）防排水设计。黑棉土路基处治工作中，最为根本的是做好防排水设计工作，应充分考虑路表和地下水的排水问题。从本文探讨的内罗毕南站通站道路来看，导致黑棉土路基产生病害的重要原因在于缺乏完善的排水系统，使黑棉土路基处于异常状态，发生浸水→失水反复循环的现象，最终使路基开裂。对此，应从施工前、施工时、施工后3 个角度入手，分别做好防水设计工作。

施工准备阶段，做好清表工作后及时组织回填作业，若压实度偏低，则不宜通过开挖、翻晒的方式处理，应充分考虑黑棉土的基本特性，从而选择相适宜的方法，如改良填料、压填石方等。施工阶段要加强永久排水设施的建设，并及时封闭坡面，尽可能消除外界环境的不良影响，避免黑棉土失水。施工时要定期抽检，获得不同深度的试样，以便掌握其在含水量等方面的表现，并做好对黑棉土膨胀特性的监测工作。要全面做好排水设计工作，要从地表水和地下水2 个角度入手，并以永久性排水为主，辅以合适的临时排水设施，多途径并行。地下水的处理可采取施作盲沟的方式。图1 为处治方案设计示意图。

图1 低填方路段加深边沟处治设计（单位：mm）

2）填料设计。内罗毕南站通站道路填方路基施工中均选择的是火山渣（红土砾料），其性质较为良好，具有级配良好、强度高、高效透水的特点，是作为填料的首选。为充分发挥出该填料的性能，组织渗透性试验，确定渗水能力，从而给红土砾料的使用提供依据，结果如表1 所示。

表1 各料场红土砾料掺拌及山皮土渗透性试验结果

根据表1 内容得知，红土砾料的渗透性要明显超过山皮土，但尽管红土砾料的综合性质较为良好，也不能说明其完全适用于黑棉土路基处治工作。针对内罗毕南站通站道路黑棉土路基受损现象，其主要原因在于换填的火山渣性质欠佳，如透水性明显偏高。经过开挖换填作业后，已形成一个较为明显的汇水区，若依然使用较强透水性的填料，在现场发生降雨时将导致黑棉土基底在短时间内吸收大量水分并饱和，后续又会因为失水而出现开裂现象。对此，需重新审视换填处治工作，即要富有针对性的使用填料，要充分考虑到透水性，兼顾现场地质、气象等方面的情况。综合考虑试验资料、实际勘察结果，得知采取换填山皮土的方式可有效避免路基开裂。而从性质的角度来看，山皮土与我国的碎石土在物理性质方面具有高度的趋同性。经试验得知，山皮土渗透率相对较小，明显低于红土砾料。根据内罗毕当地的工程规范，在黑棉土地区组织回填作业时选择的非透水材料必须同时具备非膨胀性、塑性指数达15%或更高的特点。对此，在黑棉土路基处治中所用的填料应注重上述所提的要求，且要控制好回填区的高度，需适当超出原地表。

3）边坡设计。基于科学的边坡设计方式，有助于提高黑棉土路基的强度，使其维持稳定状态。若封闭坡面工作未及时完成，黑棉土将发生持续性的饱水、失水过程，处于反复干湿循环状态，导致低填方路基处形成裂缝。因此，及时封闭坡面至关重要。在内罗毕南站通站道路项目中，则高度强调了边坡封闭措施的重要性，并放缓坡率。适当地放缓边坡有助于创造更安全的行车环境，边坡稳定性有所保障，也为边坡植物生长提供了良好条件。

4.3 挖方路基黑棉土处治

挖方路基黑棉土处治需要注意以下要点：

1）若黑棉土浅挖方路段已经完成了开挖和回填处理，考虑到地面存在天然横坡、项目所在地黑棉土具有较强吸水性的特点，选择的是边坡+火山渣盲沟相结合的方式，从而避免边坡层间水渗入路床的问题。具体而言，地表和坡面2 处均采取加深边沟以及填方排除措施，而在边沟底设置盲沟的方式可实现对层间水的有效拦截，使路基维持相对干燥的状态。若部分路段的挖深超过所在处黑棉土层厚，此时已经完全将黑棉土挖除，因此，只需要做好边坡防护工作并加强排水即可。

2）填料设计。换填首选用料为山皮土，较为关键的是加强对渗透系数的控制。部分路段增设了盲沟，可视实际情况选择适量的红土砾料用于回填。考虑到路段路基、路面的稳定性要求，在设计工作中兼顾了大气影响深度和路基工作区深度两方面的因素，适当增加了黑棉土的换填深度，此时由原本的100cm 提升到140cm。对于已经挖至稳定的土层，则要以实际情况为准灵活调整换填方法，但无论以何种方式换填，均要确保此时的换填深度至少达到100cm。

3）边坡设计。考虑到浅挖方黑棉土路段的特殊性，理论坡率至少要达到1∶2，而在挖方深度较大的情况下，要充分考虑黑棉土层的分布特点，确定与其他岩土层截面所形成的交界面，于该处设置宽大平台，再完成坡顶清方卸载作业，尽可能消除黑棉土层间水的不良影响，维持挖方边坡的稳定性。部分情况下，正常土层中也将形成黑棉土夹层，此时要根据实际情况另行设计。若存在浅层破坏现象，在完成开挖作业后需及时加强防护，并做好封闭坡面的工作，严格控制好边坡土体天然含水量，使其维持在相对稳定的状态。若存在深层破坏的可能，则要由专员做好勘察与设计工作，结合实际情况采取处理措施。

5 结语

综上所述，本文以内罗毕南站通站道路为基本背景，围绕黑棉土的特性、分布特点展开分析，探讨引发黑棉土路基病害的原因，视项目所在地的实际情况提出相适应的处治要点，以期给同行提供参考，提高在黑棉土路基工程项目中的施工水平。