黑棉土路基病害處治施工技術

馬金廣

（中交第三公路工程局有限公司，北京100000）

1 引言

黑棉土具有較為顯著的持水力，遇到降雨天氣時，內部聚集的雨水存留時間較長，但在旱季又會受到氣候的影響而產生龜裂，具有膨脹性土的特質[1]。膨脹土內部含大量的黏粒成分，具體以親水性礦物居多，普遍存在遇水膨脹、失水收縮的特點，給內羅畢南站通站道路路基的建設工作造成阻礙，需以合理的方式加以處理。

2 黑棉土膨脹特性

廣義上看，黑棉土的分布較為廣泛，除內羅畢外，在埃塞俄比亞、印度等地也存在一定規模的黑棉土，且厚度差異明顯，少則數十厘米，多則達到數米。本次研究重點圍繞內羅畢南站通站道路路基項目而展開，探討相適應的路基處治技術。

黑棉土的顯著特點在于顏色為黑褐色且具有膨脹性。具體至內羅畢地區的黑棉土，其呈現較明顯的黑褐色，受到其膨脹性的影響，明顯加大了施工難度，且工程造價也隨之增加。黑棉土的工程特性主要有：

1）自由膨脹率達30%～140%，遇水后將在短時間內快速膨脹，強度較以往出現大幅的下降趨勢。

2）在溫度偏高的情況下或人工開挖晾曬時，將發生明顯的失水、干縮現象，并進一步產生龜裂，不利于路基的完整性[2]。

3）通常黑棉土的強度相對較低，根據試驗結果得知，4d 浸水CBR 值（加州承載比）為2%～5%；若處于最佳含水量條件下，此時非浸水CBR 值將提升到8%～13%。當然，無論以何種方式處理黑棉土，其強度提升幅度始終較小，應用效果相對有限。

3 黑棉土路基病害成因分析

內羅畢南站通站道路路基項目中，靠近內羅畢區域沿線存在大量黑棉土，其中低填路基處存在極為明顯的裂縫病害。按原設計方案，決定對路床采取換填處理措施[3]，深度設為100cm，選擇具有透水性和強度良好的材料，源自當地的紅土礫料。但從實際情況來看，形成裂縫的路段地形較為平坦，若采取開挖、換填的方式，將在人為因素作用下產生路基基底匯水區，但該處的地形普遍平坦，在高差不足的情況下難以有效排除地表滲水，路基基底長時間處于雨水浸泡的狀態，黑棉土發生膨脹；而在干旱季節，由于缺乏合適的保水措施，將發生基底失水干縮現象，導致路基開裂。

4 黑棉土路基病害處治

4.1 黑棉土路基處治設計原則

黑棉土路基處治設計原則包括：（1）防排結合：采取封閉、排水措施，最大限度地緩解干濕循環現象，以免黑棉土受到外界水分的影響。（2）多方類比：深入施工現場，掌握沿線黑棉土路基的實際情況，再從技術可行性、成本等角度入手對比分析，確定最合適的方法。（3）取樣分析：在黑棉土路段選擇具有代表性的芯樣，確定含水量等相關指標，創建完善的檢測體系，為質量控制提供幫助。

4.2 填方路基黑棉土處治

針對已經成形的黑棉土路基，基于現場取樣的方式分析基底黑棉土的情況，得知其已經達到飽和狀態，盡管存在外界水的影響，但極為微弱，而在黑棉土失水的情況下，將出現強度提升的現象，并不會成為危害路基穩定性的因素。鑒于此特性，在黑棉土路基處治過程中應創建排水系統、選擇合適的填料、做好邊坡設計。下文做細致的分析：

1）防排水設計。黑棉土路基處治工作中，最為根本的是做好防排水設計工作，應充分考慮路表和地下水的排水問題。從本文探討的內羅畢南站通站道路來看，導致黑棉土路基產生病害的重要原因在于缺乏完善的排水系統，使黑棉土路基處于異常狀態，發生浸水→失水反復循環的現象，最終使路基開裂。對此，應從施工前、施工時、施工后3 個角度入手，分別做好防水設計工作。

施工準備階段，做好清表工作后及時組織回填作業，若壓實度偏低，則不宜通過開挖、翻曬的方式處理，應充分考慮黑棉土的基本特性，從而選擇相適宜的方法，如改良填料、壓填石方等。施工階段要加強永久排水設施的建設，并及時封閉坡面，盡可能消除外界環境的不良影響，避免黑棉土失水。施工時要定期抽檢，獲得不同深度的試樣，以便掌握其在含水量等方面的表現，并做好對黑棉土膨脹特性的監測工作。要全面做好排水設計工作，要從地表水和地下水2 個角度入手，并以永久性排水為主，輔以合適的臨時排水設施，多途徑并行。地下水的處理可采取施作盲溝的方式。圖1 為處治方案設計示意圖。

圖1 低填方路段加深邊溝處治設計（單位：mm）

2）填料設計。內羅畢南站通站道路填方路基施工中均選擇的是火山渣（紅土礫料），其性質較為良好，具有級配良好、強度高、高效透水的特點，是作為填料的首選。為充分發揮出該填料的性能，組織滲透性試驗，確定滲水能力，從而給紅土礫料的使用提供依據，結果如表1 所示。

表1 各料場紅土礫料摻拌及山皮土滲透性試驗結果

根據表1 內容得知，紅土礫料的滲透性要明顯超過山皮土，但盡管紅土礫料的綜合性質較為良好，也不能說明其完全適用于黑棉土路基處治工作。針對內羅畢南站通站道路黑棉土路基受損現象，其主要原因在于換填的火山渣性質欠佳，如透水性明顯偏高。經過開挖換填作業后，已形成一個較為明顯的匯水區，若依然使用較強透水性的填料，在現場發生降雨時將導致黑棉土基底在短時間內吸收大量水分并飽和，后續又會因為失水而出現開裂現象。對此，需重新審視換填處治工作，即要富有針對性的使用填料，要充分考慮到透水性，兼顧現場地質、氣象等方面的情況。綜合考慮試驗資料、實際勘察結果，得知采取換填山皮土的方式可有效避免路基開裂。而從性質的角度來看，山皮土與我國的碎石土在物理性質方面具有高度的趨同性。經試驗得知，山皮土滲透率相對較小，明顯低于紅土礫料。根據內羅畢當地的工程規范，在黑棉土地區組織回填作業時選擇的非透水材料必須同時具備非膨脹性、塑性指數達15%或更高的特點。對此，在黑棉土路基處治中所用的填料應注重上述所提的要求，且要控制好回填區的高度，需適當超出原地表。

3）邊坡設計。基于科學的邊坡設計方式，有助于提高黑棉土路基的強度，使其維持穩定狀態。若封閉坡面工作未及時完成，黑棉土將發生持續性的飽水、失水過程，處于反復干濕循環狀態，導致低填方路基處形成裂縫。因此，及時封閉坡面至關重要。在內羅畢南站通站道路項目中，則高度強調了邊坡封閉措施的重要性，并放緩坡率。適當地放緩邊坡有助于創造更安全的行車環境，邊坡穩定性有所保障，也為邊坡植物生長提供了良好條件。

4.3 挖方路基黑棉土處治

挖方路基黑棉土處治需要注意以下要點：

1）若黑棉土淺挖方路段已經完成了開挖和回填處理，考慮到地面存在天然橫坡、項目所在地黑棉土具有較強吸水性的特點，選擇的是邊坡+火山渣盲溝相結合的方式，從而避免邊坡層間水滲入路床的問題。具體而言，地表和坡面2 處均采取加深邊溝以及填方排除措施，而在邊溝底設置盲溝的方式可實現對層間水的有效攔截，使路基維持相對干燥的狀態。若部分路段的挖深超過所在處黑棉土層厚，此時已經完全將黑棉土挖除，因此，只需要做好邊坡防護工作并加強排水即可。

2）填料設計。換填首選用料為山皮土，較為關鍵的是加強對滲透系數的控制。部分路段增設了盲溝，可視實際情況選擇適量的紅土礫料用于回填。考慮到路段路基、路面的穩定性要求，在設計工作中兼顧了大氣影響深度和路基工作區深度兩方面的因素，適當增加了黑棉土的換填深度，此時由原本的100cm 提升到140cm。對于已經挖至穩定的土層，則要以實際情況為準靈活調整換填方法，但無論以何種方式換填，均要確保此時的換填深度至少達到100cm。

3）邊坡設計。考慮到淺挖方黑棉土路段的特殊性，理論坡率至少要達到1∶2，而在挖方深度較大的情況下，要充分考慮黑棉土層的分布特點，確定與其他巖土層截面所形成的交界面，于該處設置寬大平臺，再完成坡頂清方卸載作業，盡可能消除黑棉土層間水的不良影響，維持挖方邊坡的穩定性。部分情況下，正常土層中也將形成黑棉土夾層，此時要根據實際情況另行設計。若存在淺層破壞現象，在完成開挖作業后需及時加強防護，并做好封閉坡面的工作，嚴格控制好邊坡土體天然含水量，使其維持在相對穩定的狀態。若存在深層破壞的可能，則要由專員做好勘察與設計工作，結合實際情況采取處理措施。

5 結語

綜上所述，本文以內羅畢南站通站道路為基本背景，圍繞黑棉土的特性、分布特點展開分析，探討引發黑棉土路基病害的原因，視項目所在地的實際情況提出相適應的處治要點，以期給同行提供參考，提高在黑棉土路基工程項目中的施工水平。