肯尼亞內(nèi)羅畢Embakasi地區(qū)黑棉土物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究

王 祖 平

(中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京　100098)

0　引言

隨著我國(guó)“一帶一路”偉大戰(zhàn)略構(gòu)想的提出與實(shí)施，我國(guó)企業(yè)對(duì)“一帶一路”相關(guān)的多個(gè)國(guó)家進(jìn)行了直接投資，承接相關(guān)工程項(xiàng)目達(dá)3 000余個(gè)。肯尼亞是中國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略在非洲唯一的支點(diǎn)，也是新絲綢之路建設(shè)中獲得中國(guó)資金援助最多的國(guó)家。

肯尼亞位于非洲東部，赤道橫貫中部，東非大裂谷縱貫?zāi)媳保澄挥跓釒Ъ撅L(fēng)區(qū)，屬于熱帶草原氣候。其首都內(nèi)羅畢地處肯尼亞中西部高原，屬于半濕潤(rùn)半干旱熱帶草原氣候，全年大體上分為雨季和旱季兩個(gè)季節(jié)，其中雨季時(shí)幾乎每天均會(huì)有暴雨形式的降雨，降雨量占全年降雨量的85%左右，旱季時(shí)幾乎無降雨。黑棉土是一種在極端氣候變化條件下，火成巖經(jīng)風(fēng)化、地表水長(zhǎng)期淋濾殘積而形成的膨脹土，廣泛分布于肯尼亞首都內(nèi)羅畢高原區(qū)地表，一般厚度2 m～5 m，最大厚度可達(dá)22 m[1]。

本文以我公司在肯尼亞內(nèi)羅畢Embakasi地區(qū)的勘察成果為基礎(chǔ)，對(duì)該地區(qū)黑棉土的各項(xiàng)室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)該地區(qū)黑棉土的物理力學(xué)特性進(jìn)行初步研究。

1　區(qū)域地質(zhì)概況

1.1　氣候特征

研究區(qū)屬于半濕潤(rùn)半干旱熱帶草原氣候，全年大體上分為雨季和旱季兩個(gè)季節(jié)，其中3月～5月為長(zhǎng)雨季，10月～12月為短雨季，其他月份為旱季。年平均氣溫一般在18 ℃～20 ℃，年平均最低氣溫為12 ℃～14 ℃，年平均最高氣溫為24 ℃～26 ℃，年平均變化幅度11.6 ℃。多年年平均降水量為900 mm，長(zhǎng)雨季(3月～5月)和短雨季(10月～12月)的降雨量尤為集中，占全年降雨量的70%～85%。年平均蒸發(fā)量為1 550 mm～2 200 mm。

1.2　地形地貌

研究區(qū)位于內(nèi)羅畢Embakasi平原北部，地面高程在1 600 m左右，地勢(shì)較平緩，整體上呈西南高東北低趨勢(shì)。

1.3　工程地質(zhì)條件

Embakasi平原是第三紀(jì)地質(zhì)歷史時(shí)期多期火山噴出巖漿的沉積和建造結(jié)果，火山巖的原漿主要為響巖、粗面巖，同時(shí)伴有大量的火山凝灰沉積。風(fēng)化沉積后的火山巖，經(jīng)地表水的長(zhǎng)期淋濾殘積，形成呈灰黑色的黑棉土，覆蓋于地表。本研究區(qū)地層主要為：上覆為黑棉土層(局部為人工填土)；下伏為第三系火成響巖、粗面巖。

1.4　黑棉土的成因與分布

研究表明，地球表面淺表層的膨脹土主要分為兩大類，第一類為熱帶、亞熱帶殘積黏土，第二類為暖溫帶和南北亞熱帶沉積型高塑性黏土[2]。研究區(qū)的黑棉土在成因上屬于第二類，為火成巖風(fēng)化后，經(jīng)地表水長(zhǎng)期淋濾殘積而成，一般分布于地表，層厚一般0.3 m～3.5 m。

2　黑棉土的物理力學(xué)特性試驗(yàn)

2.1　黑棉土的礦物成分

為了解黑棉土的礦物成分，采取了典型的黑棉土試樣在室內(nèi)進(jìn)行了礦物成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果詳見表1。

表1　黑棉土礦物成分含量表　%

由表1可以看出，此黑棉土黏土礦物成分以蒙脫石為主，占93%，不加分散劑時(shí)，水懸浮液長(zhǎng)期不絮凝，表明此黑棉土中的蒙脫石為鈉蒙脫石。采用次甲基蘭選擇吸附法測(cè)試，其有效蒙脫石含量56.38%，比表面積高達(dá)468.04 m2/g。

2.2　黑棉土的物理力學(xué)特性

黑棉土的常規(guī)物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　黑棉土常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)

2.2.1黑棉土的常規(guī)物理性質(zhì)

黑棉土的脹縮特性除了受土體自身的礦物成分及其含量外，含水量變化也是重要的因素。黑棉土中的含水量增加，其體積增大，表現(xiàn)出膨脹性；反之，含水量減少，膨脹土體積減小，表現(xiàn)出收縮性。黑棉土的天然含水量較低時(shí)，具有較大的膨脹潛勢(shì)和較小的收縮潛勢(shì)，反之則相反。由表2可以看出，黑棉土的天然含水量最大值高達(dá)42.4%，飽和度最大值高達(dá)96%，說明黑棉土的含水量達(dá)到基本飽和，具有較小的膨脹潛勢(shì)和較大的收縮潛勢(shì)。同時(shí)，黑棉土的液限和塑限最大值分別高達(dá)78.7%和34.8%，表現(xiàn)出高液限和高塑限的特點(diǎn)。

2.2.2黑棉土的強(qiáng)度特性

從黑棉土的壓縮性和剪切參數(shù)等強(qiáng)度指標(biāo)來看，黑棉土在天然狀態(tài)下的物理力學(xué)指標(biāo)較高，在過去常被誤解是一種良好的土層，也常引起不同的工程事故發(fā)生。

2.2.3黑棉土的脹縮特性

由表1可知，黑棉土蒙脫石絕對(duì)含量高達(dá)46.8%，且為鈉蒙脫石，由表2可知，黑棉土的自有膨脹率高達(dá)170%。大量試驗(yàn)研究表明[3]，膨脹土的自由膨脹率與蒙脫石含量有著較好的相關(guān)關(guān)系，一般情況下，蒙脫石含量越高，自由膨脹率越大，此外，黑棉土強(qiáng)膨脹性和高塑性與交換鈉離子為主亦有很大關(guān)系。

根據(jù)表2中黑棉土的常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)，按我國(guó)GB 50112—2013膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范中膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類標(biāo)準(zhǔn)，該黑棉土的膨脹潛勢(shì)為強(qiáng)，按南非威廉姆斯四分法判別為極高(劇)膨脹土[4]，相當(dāng)于中國(guó)的強(qiáng)膨脹土。

3　結(jié)語

1)研究區(qū)的黑棉土的礦物成分主要以納蒙脫石為主，在常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)上表現(xiàn)出高飽和度、高液限、高塑限等特點(diǎn)，在強(qiáng)度指標(biāo)上表現(xiàn)為高強(qiáng)度，在膨脹性指標(biāo)上表現(xiàn)出強(qiáng)膨脹性。

2)研究區(qū)的黑棉土厚度一般為0.3 m～3.5 m，厚度較薄，工程建設(shè)時(shí)，常將黑棉土全部挖除換填。當(dāng)?shù)厣袩o黑棉土的土性改良經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此尚需對(duì)研究區(qū)的黑棉土土性改良做進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

3)研究區(qū)的氣候條件與我國(guó)相差較大，當(dāng)?shù)睾诿尥恋奈锢砹W(xué)性質(zhì)及需要采用的工程措施是否適合中國(guó)的相關(guān)規(guī)范還有待進(jìn)一步探討。