黑棉土公路路基處理技術(shù)探索

時(shí)間:2022-08-30 10:56:32

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黑棉土公路路基處理技術(shù)探索

摘要:文中通過試驗(yàn)檢測、項(xiàng)目調(diào)研和機(jī)理分析的手段對(duì)埃塞俄比亞Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項(xiàng)目遇到的黑棉土路段問題進(jìn)行調(diào)查研究,并綜合考慮可行的黑棉土處理方法,最終選用保證一定深度的換填方案,對(duì)存在黑棉土的公路路段進(jìn)行綜合處理。工后測試表明,該處理方法能有效解決黑棉土引起的路面破壞問題。

關(guān)鍵詞:公路工程;路基處理;黑棉土

在“一帶一路”倡議之下,越來越多工程承包企業(yè)走出國門到世界各地開展工程建設(shè)[1-2]。不同地域的工程地質(zhì)差異明顯,所以在工程建設(shè)過程中難免會(huì)碰到一些新的地質(zhì)問題[3]。本文對(duì)埃塞俄比亞Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項(xiàng)目碰到的黑棉土問題進(jìn)行調(diào)查分析,并提出了合理的解決方案,以期為其他工程承包企業(yè)將在該地區(qū)進(jìn)行的工程建設(shè)提供參考。

1工程概況

蒙巴薩—內(nèi)羅畢—亞的斯亞貝巴道路走廊工程為東非走廊交通大動(dòng)脈工程,北起埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴,途經(jīng)肯尼亞首都內(nèi)羅畢并以肯尼亞蒙巴薩港口為終點(diǎn)。Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項(xiàng)目屬于該工程的一部分,全長180km,海拔高度1700~2200m,位于埃塞俄比亞南部。工程所在地氣候?yàn)榘敫珊禋夂颍昙竞秃导静顒e非常明顯,每年4~11月為雨季,有大量降水,其余時(shí)間為旱季,幾乎無降水。該工程有約3km的填方路段存在黑棉土。

2黑棉土的性質(zhì)

黑棉土廣泛分布于印度和非洲部分地區(qū),因土壤呈現(xiàn)黑色且肥沃適合種植棉花而得名[4]。其密度一般在1300~1800kg/m3,含有大量的親水性黏土礦物如蒙脫石、伊利石,屬于典型的膨脹土。在當(dāng)?shù)赜昙酒冢殖渥闳菀孜蛎洠缓导酒趧t會(huì)因長期水分減少而容易失水收縮。這種特性會(huì)對(duì)公路工程上部結(jié)構(gòu)造成很大影響,如不妥善處理,會(huì)導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的作者簡介:張寶全(1975-),男,黑龍江樺南人,本科,工程師,主要研究方向?yàn)榈缆饭こ淌┕す芾怼F茐摹8鶕?jù)埃塞俄比亞當(dāng)?shù)匾?guī)范[5-6],同時(shí)滿足表1中4項(xiàng)指標(biāo)的土壤可判別為膨脹土。其中CBR95%為土樣擊實(shí)至95%最大干密度時(shí)對(duì)應(yīng)的加州承載比,CBRSwell為土樣擊實(shí)至95%最大干密度時(shí)加州承載比對(duì)應(yīng)的線性膨脹率。在確定土樣為膨脹土之后,又可根據(jù)公式(1)和表2將膨脹土根據(jù)其膨脹系數(shù)(Expansiveness)劃分為不同等級(jí)膨脹土。Expansivenss(εex)=2.4×Wp-3.9Ws+32.5(1)式中,Wp為塑性指數(shù)與通過425mm篩的顆粒質(zhì)量百分比的乘積;Ws為縮限與通過425mm篩的顆粒質(zhì)量百分比的乘積。存在黑棉土的路段每隔200m在設(shè)計(jì)標(biāo)高位置進(jìn)行取樣并送檢,具有代表性的檢測結(jié)果如表3所示。可見,根據(jù)埃塞俄比亞當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn),該地段大部分位置的黑棉土屬于中、強(qiáng)膨脹土,需要對(duì)該地段黑棉土進(jìn)行合理處理。

3黑棉土對(duì)本地公路項(xiàng)目的危害調(diào)查

黑棉土吸水時(shí)膨脹且承載力急劇降低,失水時(shí)雖然承載力上升,但是會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮變形。這種長期反復(fù)的漲縮對(duì)工程上部結(jié)構(gòu)造成不利影響。施工單位在本地監(jiān)理的陪同下,根據(jù)對(duì)多個(gè)本地含黑棉土的公路工程現(xiàn)場的觀察并結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)查,將常見的黑棉土的工程危害總結(jié)如下。(1)道路不均勻沉降變形。埃塞俄比亞大多數(shù)地區(qū)存在明顯的旱季和雨季,旱季時(shí)長達(dá)數(shù)月,甚至半年幾乎無任何降雨,雨季時(shí)則數(shù)月陰雨綿綿,所以本地的施工單位均選擇將施工活動(dòng)安排在旱季進(jìn)行。一些道路工程路段中含有部分少量黑棉土未予以重視并清除,這些黑棉土在旱季季節(jié)時(shí)與普通土一樣,具有一定強(qiáng)度,所以往往在施工初期甚至道路完工前面幾年,未顯示出其危害。但是隨著時(shí)間增加,多個(gè)雨季影響后水汽逐漸滲入一定深度內(nèi)含有黑棉土的路基內(nèi)部,逐漸導(dǎo)致道路下部黑棉土承載力明顯下降。這時(shí)就可以觀察到一些含有未經(jīng)處理黑棉土路段的沉降明顯大于其他路段。如果底部黑棉土厚度較大且受到水汽影響部位較厚,一些部位就會(huì)出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。(2)道路縱向裂縫。從實(shí)地考察中發(fā)現(xiàn),道路出現(xiàn)縱向裂縫是常見的黑棉土破壞形式。在含有黑棉土的路段,路肩附近部位經(jīng)常會(huì)發(fā)生順著道路縱向的裂縫,這種現(xiàn)象在容易積水的部位更為明顯。調(diào)查案例中恰逢一路段正在對(duì)道路縱向裂縫造成的破壞進(jìn)行維修。該路段位于一個(gè)人口密集的城鎮(zhèn)附近,有附件居民日常活動(dòng)產(chǎn)生的排水,所以破壞明顯。經(jīng)過分析,原因是路肩處土體處于道路兩側(cè),在雨季時(shí)更易受到空氣中水汽或雨水的影響,且即使在旱季時(shí),也有附近居民日常活動(dòng)產(chǎn)生的排水影響。而處于道路中部位置下方的土體則受到道路上部和周邊兩側(cè)土體的有效覆蓋,受到覆蓋土體的水分影響。(3)路肩坍塌。這種情況在高路肩路段尤其明顯。路肩位于道路兩側(cè),最容易受到大氣中水分的影響。如含有黑棉土,則易在雨水季節(jié)或大氣中水分含量高的季節(jié)吸水膨脹,且承載力下降,而在旱季或大氣中水分含量低的季節(jié)失水收縮。這種情況下,土體隨著季節(jié)進(jìn)行張弛容易導(dǎo)致路肩坍塌。(4)路面結(jié)構(gòu)破壞。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí),路面結(jié)構(gòu)就會(huì)遭受破壞。例如道路不均勻沉降時(shí),說明底部路基內(nèi)部土體中的黑棉土承載力受到水分影響而明顯下降,這時(shí)在上部荷載作用下,容易出現(xiàn)應(yīng)力集中產(chǎn)生破壞,隨之產(chǎn)生裂縫、翻漿等。而產(chǎn)生的裂縫則會(huì)進(jìn)一步增加底下土體水分的滲入,形成惡性循環(huán)。

4黑棉土路基處理方式

4.1化學(xué)改性處理

摻入化學(xué)改性材料改善膨脹土的特性是改善甚至解決膨脹土危害的一種常用方法。目前,國內(nèi)外對(duì)于膨脹土進(jìn)行化學(xué)改性的常用材料為具有化學(xué)活性的無機(jī)膠凝材料如生石灰、粉煤灰、水泥、氯化鈉、氯化鈣和磷酸類材料等,其中最常見且效果最明顯的改性材料是水泥和生石灰。通過在膨脹土中摻入部分的上述具備活性的無機(jī)膠凝材料并與確保材料的均勻混合,利用無機(jī)膠凝材料后期形成的強(qiáng)度改善膨脹土的變形特性。碾壓密實(shí)后的混合材料透水性差,有利于保持內(nèi)部含水率的穩(wěn)定,且混合材料具備一定的強(qiáng)度,能有效抵抗膨脹土的膨脹勢能,最終確保混合材料的強(qiáng)度和變形的穩(wěn)定。這種方法優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生大量棄土、可節(jié)省工期,缺點(diǎn)是材料成本高。經(jīng)過與業(yè)主方和監(jiān)理方進(jìn)行初步的方案分析并進(jìn)行初步成本估算,采用這種方法需要增加的成本超出業(yè)主可接受范圍,故此方案未被采用。

4.2包心法

包心法的原理是將黑棉土盡可能與外部的水分進(jìn)行隔絕,以防止黑棉土受到外界水分的影響造成吸水膨脹、失水收縮。具體可采用的做法如下:(1)黑棉土的頂部和側(cè)邊采用透水性低的粘性土進(jìn)行封裹;(2)直接使用道路的上部路面結(jié)構(gòu)層作為封閉層對(duì)底部黑棉土進(jìn)行封閉;(3)使用其他人造輔助材料如土工布、土工膜、瀝青作為封閉層。這些做法都可將水分隔絕,以減少周邊環(huán)境對(duì)內(nèi)部膨脹土的影響。經(jīng)封裹的黑棉土內(nèi)部水分保持相對(duì)穩(wěn)定,從而保持其強(qiáng)度和變形長期穩(wěn)定,不對(duì)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響,杜絕各種因黑棉土受到水分變化而造成的各種道路危害。這種處理方法的缺點(diǎn)在于,如果局部位置處理不夠妥善,后期在水分滲入時(shí)可能導(dǎo)致由于局部變形造成的路面結(jié)構(gòu)損壞。優(yōu)點(diǎn)是僅需要移除部分土壤,不會(huì)產(chǎn)生大量棄土。經(jīng)過與業(yè)主方和監(jiān)理方工程師進(jìn)行研討認(rèn)為,這種方法質(zhì)量控制相對(duì)比較困難,故此方案未被采用。

4.3換填土

將工程項(xiàng)目中存在黑棉土路段進(jìn)行一定深度和寬度范圍的黑棉土挖除并換填性能良好的土、石。這種處理方法的缺點(diǎn)是開挖工作量大、產(chǎn)生大量棄土、對(duì)周邊環(huán)境影響大,優(yōu)點(diǎn)是一次性將隱患移除,工程質(zhì)量容易保障。經(jīng)過業(yè)主與當(dāng)?shù)卣M(jìn)行征地協(xié)商,在存在黑棉土路段附近一處山坳可直接作為棄土場使用,可有效控制運(yùn)輸成本和征地成本,且最終增加的成本也符合業(yè)主預(yù)算要求,所以這是最終采用的方案。

5黑棉土換填深度的確定

本項(xiàng)目另外一個(gè)關(guān)鍵問題是如何合理確定黑棉土的換填深度。如果換填深度不足,則容易使道路建成后底部黑棉土部位易受到大氣環(huán)境中水汽的影響而吸水膨脹、失水收縮;如果換填深度過大,雖然有利于提升安全系數(shù),但是會(huì)造成不必要的成本增加。因當(dāng)?shù)厝狈ο嚓P(guān)規(guī)范,本項(xiàng)目黑棉土換填深度的確定綜合考慮了我國GB50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定、JTGD30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定和本地相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。大氣影響深度指的是地表土體受到地表附近大氣中水分變化如降雨、日曬蒸發(fā)等的影響而產(chǎn)生升降變形的有效深度,土地埋深越大,其受到大氣水分變化的影響越小。大氣影響急劇層深度是指土體受到地表附近大氣中水分變化特別顯著的深度范圍內(nèi)的土體層。黑棉土作為膨脹土的一種,其對(duì)于路面的破壞與膨脹土機(jī)理一致,所以可以通過大氣影響深度作為黑棉土換填深度確定的一個(gè)參考指標(biāo)。大氣影響深度和大氣影響急劇層深度數(shù)據(jù)通常可通過工程所在地區(qū)的含水量觀測、地溫觀測和各個(gè)土體深層變形觀測資料作為依據(jù)進(jìn)行確定。據(jù)調(diào)查,工程所在地位于兩個(gè)大城市中間,無法取得黑棉土路段周邊可靠的氣象觀測數(shù)據(jù),僅離路段最近的大城市迪拉市(Dila)有比較準(zhǔn)確可用的氣象觀測數(shù)據(jù)。如要取得準(zhǔn)確有效的可用于計(jì)算大氣影響深度的關(guān)鍵氣象觀測數(shù)據(jù),如全年蒸發(fā)力數(shù)據(jù)、全年降雨量等,需要較長時(shí)間且需要委托相關(guān)專業(yè)人員進(jìn)行長期氣象監(jiān)測,事實(shí)上難以實(shí)現(xiàn),所以和各方協(xié)商,最終決定采用地理和氣候都較為相近迪拉市的氣象觀測數(shù)據(jù)作為參考。經(jīng)過業(yè)主協(xié)調(diào),取得相關(guān)的氣象觀測數(shù)據(jù),對(duì)當(dāng)?shù)亟y(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)總結(jié),顯示土的濕度系數(shù)可取值0.8。根據(jù)GB50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》,大氣影響深度可取值3.5m,大氣影響急劇層深度可取值1.58m。根據(jù)JTGD30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》,對(duì)于高速公路和一、二級(jí)公路的填方路基,當(dāng)路床與路面的厚度之和大于路基填土的高度,如果道路底部土體為膨脹土?xí)r,宜將地表30~60cm的膨脹土挖除且路床需進(jìn)行換填或摻灰處理;如果該膨脹土為強(qiáng)膨脹土,則應(yīng)將挖除深度控制在大氣影響深度。JTGD30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》還規(guī)定挖方路基路段需將路床0.8m范圍內(nèi)的膨脹土進(jìn)行超挖,然后使用非膨脹土進(jìn)行換填或采取改良土質(zhì)的加固措施;如果該膨脹土為強(qiáng)膨脹土,路床的換填深度應(yīng)加深到1.0~1.5m。本路段部分土質(zhì)為強(qiáng)膨脹土,部分土質(zhì)為中膨脹土,參考我國相關(guān)規(guī)范規(guī)定,合理的挖除深度為1.6m。通過對(duì)附近已完工項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)查對(duì)比,該深度具有一定的安全富余度。

6處理方式和工后變形情況

經(jīng)過和業(yè)主、監(jiān)理方的溝通,結(jié)合材料成本、建立棄土場成本等因素,最終決定采用換填土處理方案。按照上述分析,大氣急劇影響層的深度可按1.6m考慮,具體采用措施如下。(1)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,對(duì)路基基底的黑棉土進(jìn)行挖除處理,確保道路墊層(cappinglayer)底部標(biāo)高至黑棉土頂部為1.6m,以達(dá)到隔絕上部水分影響,同時(shí)確保開挖寬度超出道路路床0.8m,隔絕周邊水分可能產(chǎn)生的影響。(2)開挖過程中,配備測量人員動(dòng)態(tài)檢測,檢查是否達(dá)到開挖深度,嚴(yán)禁超挖和盡可能減少對(duì)原土壤的擾動(dòng)。(3)合理布置當(dāng)天任務(wù),挖除黑棉土并進(jìn)行壓實(shí)驗(yàn)收之后,應(yīng)立即鋪筑首層換填土,防止原土壤水分散失。(4)填土層進(jìn)行錯(cuò)縫銜接,防止雨水滲透,嚴(yán)禁在雨天進(jìn)行挖除作業(yè)。(5)控制邊坡坡率為1∶2,且在雨水無法及時(shí)排走的平緩路段以及有人口聚集地段,加設(shè)邊溝進(jìn)行排水。(6)施工完成后,定期對(duì)該路段沉降進(jìn)行觀測,檢測不均勻沉降情況。黑棉土處理路段完工后進(jìn)行沉降跟蹤檢測,測試數(shù)據(jù)表明,完工通車且在經(jīng)歷過一個(gè)雨季和旱季后,該路段路面沉降較為均勻,經(jīng)檢查不存在路面開裂、翻漿等現(xiàn)象。可見上述處理方案能夠有效解決黑棉土導(dǎo)致的問題。

7結(jié)語

本文研究了埃塞俄比亞Yirgacheffe-AgeraMariam公路工程項(xiàng)目遇到的黑棉土的工程性質(zhì),結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際工程,調(diào)查了黑棉土對(duì)道路項(xiàng)目的危害,分析了黑棉土路基的可行處理方式,結(jié)合我國規(guī)范和實(shí)際項(xiàng)目情況,確定了合理的黑棉土換填深度,并闡述了本項(xiàng)目采用的處理方式和實(shí)際處理效果,最終可以得到如下結(jié)論:(1)黑棉土雖然在我國較為少見,但是作為膨脹土的一種類型,其對(duì)道路的基本破壞機(jī)理與膨脹土一致,都是通過吸水膨脹喪失承載力和失水產(chǎn)生收縮變形反復(fù)作用造成道路破壞。(2)黑棉土對(duì)于道路的常見破壞形式有道路不均勻沉降變形、道路縱向裂縫、路肩坍塌、和路面結(jié)構(gòu)破壞等。可行的黑棉土路基處理方式包括對(duì)黑棉土路基進(jìn)行化學(xué)改性處理、包心法和換填土法。各種處理方法各有優(yōu)缺點(diǎn),應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況選用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ā#?)對(duì)黑棉土進(jìn)行換填處理的關(guān)鍵步驟是合理確定大氣影響急劇層深度以確定合適的換填深度。通過參考相關(guān)規(guī)范并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際工程經(jīng)驗(yàn),本項(xiàng)目對(duì)黑棉土進(jìn)行換填處理在較為合理成本條件下,有效消除了黑棉土可能造成的隱患,確保工程質(zhì)量符合要求。

作者:張寶全 單位:中國武夷實(shí)業(yè)股份有限公司