非洲膨胀土处理方法探究

文/施恺

　　近年来，我国对外承包工程业务在总规模和地域上逐渐扩大，尤其是在非洲地区以及亚洲除中东以外地区，中国企业长期占据着市场高地。随着工程分布地域的扩张，中国企业在工程施工建设中必然会遇到一些新情况和新问题，其中的典型代表就是特殊地质。以肯尼亚和埃塞俄比亚为例，当地地表多为火山灰沉积物或火成岩经过风化、水蚀等作用形成的岩土，膨胀性粘土十分常见。一直以来，膨胀土都是困扰岩土工程的重大问题，膨胀土遇水膨胀、失水收缩的特性及其边坡浸水强度衰减特性对于膨胀土地区的工业民用建筑、水利、铁道、公路等工程施工和工程运营都起到极大的破坏作用。因此，如何处理膨胀土就成为了项目施工质量的关键。

　　本文依托埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴的工程项目，对土壤固化剂稳定当地黑棉土作为筑路材料的路用性进行了研究，并对施工工艺进行了探讨，旨在为中国公司在非洲地区的膨胀土处理提供一些工程经验。

　　膨胀土的危害

　　膨胀土的危害是潜在、长期和反复的，美国工程界称之为“隐藏的灾害”。据统计，美国每年用于解决膨胀土危害的成本高达几十亿美元，已超过洪水、飓风、地震和龙卷风所造成的损失之合。膨胀土能够破坏建筑物、公路、铁路、机场跑道、下水道、地下管线和水利灌溉系统的结构。很多破坏是由于膨胀土在设计和施工前未被确定，另一些情况则是低估了膨胀土的潜在危害性，导致工程完工后遭到破坏。膨胀土对道路的危害主要体现在以下几个方面。

　　一是导致沉沦变形。膨胀土初期结构强度较高，施工时不易粉碎和压实，路堤建成后由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解，在路面和路堤自重及汽车荷载作用下，路堤易产生不均匀下沉，路堤愈高，沉陷量愈大，严重时可致使路面变形破坏。

　　二是导致滑坡。滑坡具有弧形外貌，有明显滑床，滑床后壁陡直，前缘平缓，主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状，成群发生。滑坡与大气风化作用层深度、土的类型、土体结构较密切。

　　三是导致溜塌。边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱和，在重力与渗透压力的作用下，沿坡面向下产生流塑状溜塌，多发生在雨季。

　　四是导致纵裂。路肩部常因机械碾压不到，填土达不到要求的密实度，后期沉降量相对较大，加之路肩临空，对大气风化作用特别敏感，干湿交替频繁，肩部土体收缩远大于堤身，故在路肩上常发生顺路线方向的开裂，行程数十米至上百米的张开裂缝。

　　五是导致坍肩。路堤肩部土体压实不够，又处于两面临空部位，易受风化作用影响而导致强度衰减。当有雨水渗入时，特别是当有路肩纵向裂缝出现时，在汽车动荷载作用下，很容易发生路肩坍塌，也常发生在雨季。

　　因此，在充分认识到膨胀土的潜在危险性的同时，在设计、施工中采取合理有效的应对措施是十分必要的。对膨胀土的认识不足常常会导致巨大的损失，一些工程中，用于修复和替换受破坏结构的开支甚至超过了原有投资。

　　膨胀土地基处理措施

　　传统膨胀土的处理方法归纳起来主要有三种。一是采用换填土处理路基施工工艺，即将建筑场地的膨胀土全部挖除，回填砂卵石和非膨胀土，分层进行碾压夯实，以降低膨胀土带来的危害；二是包心法，即采用粘土对膨胀土四周包封，减少外界气候对膨胀土的影响，让膨胀土的湿度变化保持在较小范围内，以达到强度不发生较大衰变的目的；三是进行化学改良，即本文重点介绍的土壤固化处理法，这也是控制工程造价、加快施工进度最为有利的处理方法。

　　土壤固化处理法的优势

　　土壤固化剂能够有效改善土壤强度，提高土壤性能，并将工程中需要被换填的低质量土壤改良成为可使用的性能优良的材料。目前，土壤固化技术在非洲地区已经被广泛地应用于各类工程当中。例如各级公路路基工程、铁路路基工程、机场跑道、堆料场地基处理等。采用化学改良法的主要优势体现在以下几方面。

　　第一，固化作用持续反应。固化过程通过离子交换作用改变土壤本身的性质，形成水泥基凝胶。水泥基凝胶会在很长一段时间内持续存在和反应，使功效持续发挥，得到永久固化。

　　第二，增强水稳性。由于固化过程中破坏了粘土颗粒的离子结构，阻止水分进入土体，从而提高了土壤的承载能力，延长路面的使用寿命。

　　第三，增强抗裂性能。传统处理方法有收缩开裂的弊端，固化剂的使用能够使土壤颗粒间形成结晶机构，形成的纤维网络可以进一步起到物理固化作用，从而使抗拉、抗弯、抗收缩和开裂的能力得到了极大的加强。

　　第四，强度与钢度。使用土壤固化剂对土材料进行稳定性改造，能够有效地降低弯沉，提高土基回弹模量。

第五，降低时间成本。能够在雨季前及时处理，以便在在雨季进行施工，从而节省不必要的工期浪费。

　　处理实例

　　Ginchi-Boa路段位于埃塞俄比亚中部高原地区，该路段底基中存在大量黑棉土，因此，对膨胀土的处理成为该段道路升级的关键。埃塞俄比亚公路交通管理局（RTA）对土壤固化剂进行了严格的筛选，筛选范围集中在已经在非洲地区大规模应用的土壤固化剂，经过对比分析后决定采用AnyWay公司的ANSS产品。以色列AnyWay受RTA委托针对Ginchi-Boa路段提供了一整套修复方案，利用成熟的设计、技术以及设备进行了成功的道路修复。现场调查结果显示，道路全线破损情况严重，膨胀土路段破损更为严重，地勘报告显示道路病害情况主要为纵横向裂痕、坑槽、车辙、龟裂、路基不均匀沉降等。AnyＷay对黑棉土路段的土壤进行了取样、实验、并用成熟检测体系对不同土壤的按水量等指标进行了检测，以作为动态设计的参考。

　　最终Ginchi-Boa项目选用了4%的ANSS固化地基，处理厚度为200mm。与换填方案相比，节约成本达35%，节省工期达50%。此种方法对土壤的固化效果持久有效，前期强度增长快，后期强度持续稳定增长，且强度性能好。主要节省了换填、运输、人工及机械成本，同时还能够节省占地费用及管理费用，减少施工时间。

　　此外，就地取材，减少对砂石料的使用，无需开山炸石，成功地将不能使用的膨胀土变废为宝，改造成为良好的工程材料。

　　总之，固化剂在实际运用中操控简单、运输方便，能够最大程度地减少换填成本，在非洲膨胀土地区被广泛使用，成为必不可少的建筑材料。不仅在路基方面，在各种公路道路的建设施工中，固化剂都能够充分地发挥作用。合理使用固化剂既可以减少工程成本和时间成本，又可以保护生态环境，减少施工中的交通事故，优势非常明显。以色列由于地缘原因，对土壤固化剂的研究起步较早。从环保及充分利用资源的角度出发，综合了土力学、土壤化学、化学工程、材料工程、有机高分子化学、环境工程等学科，研究出了交叉学科解决方案，是膨胀土改造技术较为发达的国家，为膨胀土改造的技术革新作出了巨大贡献。

　　（本文作者系AnyWay Solutions公司中国区首席代表）