蘇丹黑粘土的膨脹特性

摘要：本文重點描述了蘇丹共和國尼羅河流域廣泛分布的黑粘土的宏觀特征、空間分布、沉積環(huán)境、物理力學性質(zhì)。尤其對黑粘土的膨脹性進行了分析，認為蘇丹黑粘土普遍具有膨脹性，并且其膨脹潛勢具有上層強，下層弱的特點。以期能夠給在蘇丹從事水利水電、市政設(shè)施、工業(yè)和民用建筑以及道路交通等領(lǐng)域的施工的巖土工程界的人士參考。

關(guān)鍵詞：黑粘土、膨脹性、蘇丹、尼羅河

Theexpansibilityofblack clayinsudan

Abstract: This paper mainly describes The Nile Valleyof republic of Sudan widely distributed black clay and its macro feature 、Space distribution,sedimentary environment、 physical and mechanical properties .this papermakes analysis especially for the expansibility of black clay , itThinks that Sudan black clay are generally have the expansibility, andit has features :the upper layer of its expansion potential is strong ,the under layeris weak . I hope this paper can give reference to the people who engaged in Water conservancy and hydropower 、Municipal facilities 、industrial and civil construction and road traffic and other areas of the geotechnical engineering people in Sudan.

Key words:black clay； expansibility；Sudan；The Nile river

引言

非洲的母親河----尼羅河，從南到北縱貫蘇丹共和國（簡稱蘇丹）全境，在首都喀土穆以南分為兩支，西支為白尼羅河，東支為青尼羅河。常年川流不息的尼羅河，給蘇丹人民生產(chǎn)、生活和農(nóng)田灌溉提供了水源。沿岸沖積平原的淺表廣泛分布有黑色粘性土，顏色多為黑色、灰褐色。這些黑粘土常常是是工業(yè)與民用建筑以及道路等基礎(chǔ)設(shè)施的地基土，因為其有失水收縮，吸水膨脹的變形特性，給各類建筑基礎(chǔ)施工帶來很多不便。筆者有幸組織并參與了蘇丹港供水工程巖土工程勘察項目，項目區(qū)涉及到了蘇丹黑粘土。本文借鑒蘇丹港供水工程巖土勘察的相關(guān)工作成果，對蘇丹的黑粘土膨脹特性與以闡述。以期給越來越多的到蘇丹從事巖土工程勘察和施工的同仁以參考。

.黑粘土的宏觀特征

蘇丹黑粘土，多為黑色、黑褐色。多分布在尼羅河一級和二級階地上，其典型的宏觀特征是，失水干裂，飽水松軟。旱季時，地表隨處可見走向不規(guī)則的裂縫，裂縫剖面上多呈“V”字型（見圖1）；雨季時黑粘土，飽水膨脹，多呈軟縮狀態(tài)，粘連，地表難以通行。其厚度不均，在一級階地上多為2--3米；二級階地多為5—8米。

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作者簡介：劉建方（1965--），男（漢族），河南省鄭州人，高級工程師。

圖1尼羅河階地黑粘土干裂縫照片

2.黑粘土的沉積環(huán)境

從空間分布上看，黑粘土主要分布在尼羅河的一級和二級階地的淺表。其下為沙層，呈現(xiàn)典型的上細下粗二元結(jié)構(gòu)。巖性上多為粉土和粉質(zhì)粘土，有層理，常常含有粉沙透鏡體。因此，從其空間分布，巖性結(jié)構(gòu)看，黑色粘土屬于河流沖積相的泛流堆積。據(jù)蘇丹相關(guān)地質(zhì)資料分析，其堆積時代為第四紀上更新世或者全新世沉。

3.黑粘土的物理力學性質(zhì)

3.1黑粘土物理力學性質(zhì)指標

蘇丹港供水工程是從Atbara附近的尼羅河取水10萬立方/天，通過加壓輸送到470公里外的蘇丹港。工程的取水口和凈水廠在尼羅河右岸，工程布置在尼羅河的二級階地上，地表耕植層下就是黑粘土。在擬建凈水廠（距尼羅河右岸70米）區(qū)內(nèi)共施工鉆孔57個，一般勘探孔8--12米，控制性鉆孔15---20米；取原狀土樣52組，在現(xiàn)場進行了土工試驗。對于黑粘土的物理力學性質(zhì)有了充分的了解。根據(jù)凈水廠的勘察資料（1），對黑粘土的特征和物理力學性質(zhì)表述如下：

在凈水廠場地地表下20米深度內(nèi)的地基土，根據(jù)鉆探、標準貫入試驗、巖性特征的不同，自上而下共劃分7個工程地質(zhì)單元層。①、②單元層是黑粘土，③單元層以下以沙層為主。所以，僅對上部兩個單元層進行描述。

①層：粉質(zhì)粘土、灰褐色，硬塑，中等干強度，中等韌性，無搖震反應，切面稍光滑，含植物根系。層厚0.5---3.8米，平級厚度2.74米，層底標高345.78---349.68米。

②層：粉質(zhì)粘土，褐黃色，可塑至硬塑，中等干強度，中等韌性，無搖震反應，切面稍光滑，局部夾薄層粉砂，層厚0.85---5.40米，平局厚度2.59米，層底埋深3.00---8.60米，層底標高341。60---346.98米。

這兩個單元層黑粘土的物理力學性質(zhì)指標如下（表1）：

河南省水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，

蘇丹港供水工程勘測報告，2007，

內(nèi)部資料未出版

蘇丹黑粘土物理力學性質(zhì)指標統(tǒng)計表表1

層

號 指 標

特征值 天然含水量

W 重度

干密度 比重 天然孔隙比 飽和度 液限 塑限 塑性指數(shù) 液性指數(shù) 內(nèi)摩镲角 凝聚力 壓縮系數(shù) 壓縮模量

① % G e % % % Ip Il c a E

樣本數(shù) 29 28 28 29 28 28 29 29 24 24 7 7 28 28

最大值 40.3 20.2 1.69 2.76 1.22 100 59.4 38.6 24.3 0.08 35.5 96.0 0.38 24.1

最小值 16.1 15.5 1.22 2.69 0.63 49 32.4 25 10.8 0.01 19.0 59.0 0.07 5.80

平均值 26.7 18.6 1.47 2.74 0.87 85 51.2 33.6 19.2 0.04 25.7 78.1 0.15 14.50

標準差 5.19 1.07 0.11 0.02 0.13 11.4 8.16 3.60 4.17 0.26 6.70 13.28 0.07 5.43

變異系數(shù) 0.19 0.05 0.07 0.01 0.15 0.14 0.16 0.17 0.21 0.30 0.26 0.17 0.30 0.30

② 樣本數(shù) 21 21 21 21 21 21 21 21 6 6 6 6 21 21

最大值 50.5 18.3 1.39 2.76 1.30 100 56.8 38.3 18.8 0.49 42.2 99 0.81 26.1

最小值 29.2 15.9 1.18 2.67 0.97 66 36.2 28.2 10.5 0.11 22.4 17 0.08 2.76

平均值 35.2 17.3 1.27 2.71 1.13 84.5 44.4 32.9 13.6 0.23 28.5 54 0.24 12.8

標準差 4.61 0.06 0.05 0.02 0.09 8.04 5.84 3.36 2.80 0.14 7.68 33.5 0.20 6.42

變異系數(shù) 0.13 0.04 0.04 0.01 0.08 0.09 0.13 0.11 0.21 0.30 0.27 0.30 0.30 0.30

表中為快剪值，第②層的固結(jié)快剪平均值分別為19.7 KPa 和27.6°；

黑粘土的現(xiàn)場標準貫入試驗結(jié)果統(tǒng)計如下（表2）

蘇丹黑粘土標準貫入試驗成果表表2

層號 巖

性 樣本數(shù)

n 原始擊數(shù)(擊) 經(jīng)桿長修正后擊數(shù)(擊) 修正

擊數(shù)

N

（擊）

最小值 最大值 平均值 標準差 變異系數(shù) 最小值 最大值 平均值 標準差 變異系數(shù)

① 粉質(zhì)

粘土 55 6 22 17.2 3.2 0.19 5.8 22 17.2 3.2 0.19 16

② 粉質(zhì)

粘土 61 7 21 15 3.2 0.22 6.6 25.9 14 3.2 0.23 13

3.2 黑粘土地基承載力特征值

根據(jù)室內(nèi)土工試驗成果及原位測試資料，結(jié)合當?shù)亟ㄖ?jīng)驗，綜合分析后提供兩層黑粘土的承載力特征值（表3）

蘇丹黑粘土地基承載力特征值fak(KPa)表3

層 號 ① ②

物性指標查表確定 150 120

標準貫入試驗確定 140 140

承載力特征值 140 120

4．黑粘土的膨脹性評價

4.1黑粘土膨脹性初判

根據(jù)蘇丹尼羅河沖積平原的黑色粘土多分布在河流階地；有干裂現(xiàn)象，裂縫發(fā)育且方向不規(guī)則；可見建筑其上的民房開裂；具有干時堅硬，遇水軟化的現(xiàn)象等等這些宏觀特征，可以初步判定黑粘土具有膨脹性，屬于膨脹土。

4.2黑粘土膨脹特性指標

根據(jù)室內(nèi)土工試驗結(jié)果看，這兩層黑粘土的液限為44.4---51.2%（大于40%），縮限32.9—33.6%（大于20%），塑性指數(shù)大于17，具有膨脹土的物性特征。室內(nèi)膨脹試驗參數(shù)如下：

單元層，自由膨脹率為65--101%，平均值為77.5%，50KP膨脹率為0.4---3.5%，平均值為1.7%，收縮系數(shù)為0.19—0.74，平均值為0.53，膨脹力為56---133KPa,平均值為86KPa,縮限為10.3—12.3，平均值為11.0。脹縮總率

單元層，自由膨脹率為53---56.1%，平均值為54.5%，收縮系數(shù)為0.23，膨脹力為7KPa,縮限為7.3。

4.3 黑粘土膨脹等級判別

根據(jù)我國《膨脹土規(guī)范》(GBJ112—87)的膨脹土分級標準，依據(jù)液限、自由膨脹率、膨脹力、脹縮總率等指標，將膨脹土的膨脹程度分為弱、中等、強三級（表4）

膨脹土等級劃分標準（參考） 表4

評價指標 等級

弱 中等 強

液限WL（%） 40---43 43---57 ＞57

自由膨脹率（%） 40---50 50---60 ＞60

膨脹力P(KPa) 20---35 35---65 ＞65

脹縮總率ep（%） 0.7---2 2---4 ＞4

綜上所述，蘇丹尼羅河沖積平原上的兩層黑粘土都有膨脹性，上部屬于中等至強膨脹，下部屬于弱膨脹。

黑粘土地基的巖土工程對策

5.1黑粘土的脹縮特性對地基和建筑的損壞

一般來說，黑粘土的脹縮性對地基和建筑的損壞有以下特征：

a 干旱季節(jié)或者干旱年份地基開裂、地面上拱變形；

b建筑墻體出現(xiàn)對稱或不對稱的“八”字形裂縫；墻面裂縫和地面裂縫相通；

5.2 黑粘土地基的巖土工程對策

黑粘土地基的巖土工程對策主要包括基礎(chǔ)設(shè)計和地基防護兩個方面的措施：

a基礎(chǔ)埋置深度的選擇

要根據(jù)黑粘土的埋藏深度，大氣降水影響深度來確定基礎(chǔ)埋置深度。一般基礎(chǔ)不宜設(shè)置在大氣影響深度內(nèi)的土層中，當?shù)叵滤惠^高時，基礎(chǔ)可以淺埋。

b 基礎(chǔ)形式的選擇

深基礎(chǔ)設(shè)計時，應充分考慮黑粘土地基膨脹變形特性，應當縮小基底面積，增大基底壓力，減少地基變形量。所以盡量使用樁基，盡可能穿透膨脹土層；

淺基礎(chǔ)設(shè)計時，可以考慮換土墊層。將地基中的黑粘土部分挖除（厚度不小于1.5米），用砂、碎石、石灰等材料作墊層。墊層寬度應大于基礎(chǔ)寬度0.3米為宜。

c 地基防水保護

在建筑物周圍設(shè)置混泥土散水坡，防止地表水滲入和土層中水的蒸發(fā)；

做好排水系統(tǒng)，注意上、下水管道和有水地段的防漏；

參 考文獻

﹝1﹞ 萬長基，特殊地基，河南，河南科學技術(shù)出版社，1992.

城鄉(xiāng)建設(shè)環(huán)境保護部，膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范（GBJ112---87)，中國計劃出版社,1989.

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請用PDF形式查看。