肯尼亚内罗毕Embakasi地区黑棉土物理力学特性试验研究

2018-06-11王祖平

山西建筑 2018年13期

王祖平

(中航勘察设计研究院有限公司，北京　100098)

0　引言

随着我国“一带一路”伟大战略构想的提出与实施，我国企业对“一带一路”相关的多个国家进行了直接投资，承接相关工程项目达3 000余个。肯尼亚是中国“一带一路”战略在非洲唯一的支点，也是新丝绸之路建设中获得中国资金援助最多的国家。

肯尼亚位于非洲东部，赤道横贯中部，东非大裂谷纵贯南北，全境位于热带季风区，属于热带草原气候。其首都内罗毕地处肯尼亚中西部高原，属于半湿润半干旱热带草原气候，全年大体上分为雨季和旱季两个季节，其中雨季时几乎每天均会有暴雨形式的降雨，降雨量占全年降雨量的85%左右，旱季时几乎无降雨。黑棉土是一种在极端气候变化条件下，火成岩经风化、地表水长期淋滤残积而形成的膨胀土，广泛分布于肯尼亚首都内罗毕高原区地表，一般厚度2 m～5 m，最大厚度可达22 m[1]。

本文以我公司在肯尼亚内罗毕Embakasi地区的勘察成果为基础，对该地区黑棉土的各项室内土工试验结果进行分析，并对该地区黑棉土的物理力学特性进行初步研究。

1　区域地质概况

1.1　气候特征

研究区属于半湿润半干旱热带草原气候，全年大体上分为雨季和旱季两个季节，其中3月～5月为长雨季，10月～12月为短雨季，其他月份为旱季。年平均气温一般在18 ℃～20 ℃，年平均最低气温为12 ℃～14 ℃，年平均最高气温为24 ℃～26 ℃，年平均变化幅度11.6 ℃。多年年平均降水量为900 mm，长雨季(3月～5月)和短雨季(10月～12月)的降雨量尤为集中，占全年降雨量的70%～85%。年平均蒸发量为1 550 mm～2 200 mm。

1.2　地形地貌

研究区位于内罗毕Embakasi平原北部，地面高程在1 600 m左右，地势较平缓，整体上呈西南高东北低趋势。

1.3　工程地质条件

Embakasi平原是第三纪地质历史时期多期火山喷出岩浆的沉积和建造结果，火山岩的原浆主要为响岩、粗面岩，同时伴有大量的火山凝灰沉积。风化沉积后的火山岩，经地表水的长期淋滤残积，形成呈灰黑色的黑棉土，覆盖于地表。本研究区地层主要为：上覆为黑棉土层(局部为人工填土)；下伏为第三系火成响岩、粗面岩。

1.4　黑棉土的成因与分布

研究表明，地球表面浅表层的膨胀土主要分为两大类，第一类为热带、亚热带残积黏土，第二类为暖温带和南北亚热带沉积型高塑性黏土[2]。研究区的黑棉土在成因上属于第二类，为火成岩风化后，经地表水长期淋滤残积而成，一般分布于地表，层厚一般0.3 m～3.5 m。

2　黑棉土的物理力学特性试验

2.1　黑棉土的矿物成分

为了解黑棉土的矿物成分，采取了典型的黑棉土试样在室内进行了矿物成分测试，测试结果详见表1。

表1　黑棉土矿物成分含量表　%

由表1可以看出，此黑棉土黏土矿物成分以蒙脱石为主，占93%，不加分散剂时，水悬浮液长期不絮凝，表明此黑棉土中的蒙脱石为钠蒙脱石。采用次甲基兰选择吸附法测试，其有效蒙脱石含量56.38%，比表面积高达468.04 m2/g。

2.2　黑棉土的物理力学特性

黑棉土的常规物理力学试验结果如表2所示。

表2　黑棉土常规物理力学指标

2.2.1黑棉土的常规物理性质

黑棉土的胀缩特性除了受土体自身的矿物成分及其含量外，含水量变化也是重要的因素。黑棉土中的含水量增加，其体积增大，表现出膨胀性；反之，含水量减少，膨胀土体积减小，表现出收缩性。黑棉土的天然含水量较低时，具有较大的膨胀潜势和较小的收缩潜势，反之则相反。由表2可以看出，黑棉土的天然含水量最大值高达42.4%，饱和度最大值高达96%，说明黑棉土的含水量达到基本饱和，具有较小的膨胀潜势和较大的收缩潜势。同时，黑棉土的液限和塑限最大值分别高达78.7%和34.8%，表现出高液限和高塑限的特点。

2.2.2黑棉土的强度特性

从黑棉土的压缩性和剪切参数等强度指标来看，黑棉土在天然状态下的物理力学指标较高，在过去常被误解是一种良好的土层，也常引起不同的工程事故发生。

2.2.3黑棉土的胀缩特性

由表1可知，黑棉土蒙脱石绝对含量高达46.8%，且为钠蒙脱石，由表2可知，黑棉土的自有膨胀率高达170%。大量试验研究表明[3]，膨胀土的自由膨胀率与蒙脱石含量有着较好的相关关系，一般情况下，蒙脱石含量越高，自由膨胀率越大，此外，黑棉土强膨胀性和高塑性与交换钠离子为主亦有很大关系。

根据表2中黑棉土的常规物理力学指标，按我国GB 50112—2013膨胀土地区建筑技术规范中膨胀土的膨胀潜势分类标准，该黑棉土的膨胀潜势为强，按南非威廉姆斯四分法判别为极高(剧)膨胀土[4]，相当于中国的强膨胀土。