非洲膨脹土處理方法探究

近年來，我國對外承包工程業(yè)務(wù)在總規(guī)模和地域上逐漸擴(kuò)大，尤其是在非洲地區(qū)以及亞洲除中東以外地區(qū)，中國企業(yè)長期占據(jù)著市場高地。隨著工程分布地域的擴(kuò)張，中國企業(yè)在工程施工建設(shè)中必然會(huì)遇到一些新情況和新問題，其中的典型代表就是特殊地質(zhì)。以肯尼亞和埃塞俄比亞為例，當(dāng)?shù)氐乇矶酁榛鹕交页练e物或火成巖經(jīng)過風(fēng)化、水蝕等作用形成的巖土，膨脹性粘土十分常見。一直以來，膨脹土都是困擾巖土工程的重大問題，膨脹土遇水膨脹、失水收縮的特性及其邊坡浸水強(qiáng)度衰減特性對于膨脹土地區(qū)的工業(yè)民用建筑、水利、鐵道、公路等工程施工和工程運(yùn)營都起到極大的破壞作用。因此，如何處理膨脹土就成為了項(xiàng)目施工質(zhì)量的關(guān)鍵。本文依托埃塞俄比亞首都亞的斯亞貝巴的工程項(xiàng)目，對土壤固化劑穩(wěn)定當(dāng)?shù)睾诿尥磷鳛橹凡牧系穆酚眯赃M(jìn)行了研究，并對施工工藝進(jìn)行了探討，旨在為中國公司在非洲地區(qū)的膨脹土處理提供一些工程經(jīng)驗(yàn)。膨脹土的危害膨脹土的危害是潛在、長期和反復(fù)的，美國工程界稱之為“隱藏的災(zāi)害”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國每年用于解決膨脹土危害的成本高達(dá)幾十億美元，已超過洪水、颶風(fēng)、地震和龍卷風(fēng)所造成的損失之合。膨脹土能夠破壞建筑物、公路、鐵路、機(jī)場跑道、下水道、地下管線和水利灌溉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。很多破壞是由于膨脹土在設(shè)計(jì)和施工前未被確定，另一些情況則是低估了膨脹土的潛在危害性，導(dǎo)致工程完工后遭到破壞。膨脹土對道路的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。一是導(dǎo)致沉淪變形。膨脹土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，施工時(shí)不易粉碎和壓實(shí)，路堤建成后由于大氣物理風(fēng)化作用和濕脹干縮效應(yīng)，土塊崩解，在路面和路堤自重及汽車荷載作用下，路堤易產(chǎn)生不均勻下沉，路堤愈高，沉陷量愈大，嚴(yán)重時(shí)可致使路面變形破壞。二是導(dǎo)致滑坡?；戮哂谢⌒瓮饷?，有明顯滑床，滑床后壁陡直，前緣平緩，主要受裂隙控制?；露喑薁恳匠霈F(xiàn)，具疊瓦狀，成群發(fā)生?；屡c大氣風(fēng)化作用層深度、土的類型、土體結(jié)構(gòu)較密切。三是導(dǎo)致溜塌。邊坡表層、強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)的土體吸水過飽和，在重力與滲透壓力的作用下，沿坡面向下產(chǎn)生流塑狀溜塌，多發(fā)生在雨季。四是導(dǎo)致縱裂。路肩部常因機(jī)械碾壓不到，填土達(dá)不到要求的密實(shí)度，后期沉降量相對較大，加之路肩臨空，對大氣風(fēng)化作用特別敏感，干濕交替頻繁，肩部土體收縮遠(yuǎn)大于堤身，故在路肩上常發(fā)生順路線方向的開裂，行程數(shù)十米至上百米的張開裂縫。五是導(dǎo)致坍肩。路堤肩部土體壓實(shí)不夠，又處于兩面臨空部位，易受風(fēng)化作用影響而導(dǎo)致強(qiáng)度衰減。當(dāng)有雨水滲入時(shí)，特別是當(dāng)有路肩縱向裂縫出現(xiàn)時(shí)，在汽車動(dòng)荷載作用下，很容易發(fā)生路肩坍塌，也常發(fā)生在雨季。因此，在充分認(rèn)識到膨脹土的潛在危險(xiǎn)性的同時(shí)，在設(shè)計(jì)、施工中采取合理有效的應(yīng)對措施是十分必要的。對膨脹土的認(rèn)識不足常常會(huì)導(dǎo)致巨大的損失，一些工程中，用于修復(fù)和替換受破壞結(jié)構(gòu)的開支甚至超過了原有投資。膨脹土地基處理措施傳統(tǒng)膨脹土的處理方法歸納起來主要有三種。一是采用換填土處理路基施工工藝，即將建筑場地的膨脹土全部挖除，回填砂卵石和非膨脹土，分層進(jìn)行碾壓夯實(shí)，以降低膨脹土帶來的危害；二是包心法，即采用粘土對膨脹土四周包封，減少外界氣候?qū)ε蛎浲恋挠绊?，讓膨脹土的濕度變化保持在較小范圍內(nèi)，以達(dá)到強(qiáng)度不發(fā)生較大衰變的目的；三是進(jìn)行化學(xué)改良，即本文重點(diǎn)介紹的土壤固化處理法，這也是控制工程造價(jià)、加快施工進(jìn)度最為有利的處理方法。土壤固化處理法的優(yōu)勢土壤固化劑能夠有效改善土壤強(qiáng)度，提高土壤性能，并將工程中需要被換填的低質(zhì)量土壤改良成為可使用的性能優(yōu)良的材料。目前，土壤固化技術(shù)在非洲地區(qū)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各類工程當(dāng)中。例如各級公路路基工程、鐵路路基工程、機(jī)場跑道、堆料場地基處理等。采用化學(xué)改良法的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面。第一，固化作用持續(xù)反應(yīng)。固化過程通過離子交換作用改變土壤本身的性質(zhì)，形成水泥基凝膠。水泥基凝膠會(huì)在很長一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)存在和反應(yīng)，使功效持續(xù)發(fā)揮，得到永久固化。第二，增強(qiáng)水穩(wěn)性。由于固化過程中破壞了粘土顆粒的離子結(jié)構(gòu)，阻止水分進(jìn)入土體，從而提高了土壤的承載能力，延長路面的使用壽命。第三，增強(qiáng)抗裂性能。傳統(tǒng)處理方法有收縮開裂的弊端，固化劑的使用能夠使土壤顆粒間形成結(jié)晶機(jī)構(gòu)，形成的纖維網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步起到物理固化作用，從而使抗拉、抗彎、抗收縮和開裂的能力得到了極大的加強(qiáng)。第四，強(qiáng)度與鋼度。使用土壤固化劑對土材料進(jìn)行穩(wěn)定性改造，能夠有效地降低彎沉，提高土基回彈模量。第五，降低時(shí)間成本。能夠在雨季前及時(shí)處理，以便在在雨季進(jìn)行施工，從而節(jié)省不必要的工期浪費(fèi)。處理實(shí)例Ginchi-Boa路段位于埃塞俄比亞中部高原地區(qū)，該路段底基中存在大量黑棉土，因此，對膨脹土的處理成為該段道路升級的關(guān)鍵。埃塞俄比亞公路交通管理局（RTA）對土壤固化劑進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選，篩選范圍集中在已經(jīng)在非洲地區(qū)大規(guī)模應(yīng)用的土壤固化劑，經(jīng)過對比分析后決定采用AnyWay公司的ANSS產(chǎn)品。以色列AnyWay受RTA委托針對Ginchi-Boa路段提供了一整套修復(fù)方案，利用成熟的設(shè)計(jì)、技術(shù)以及設(shè)備進(jìn)行了成功的道路修復(fù)?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果顯示，道路全線破損情況嚴(yán)重，膨脹土路段破損更為嚴(yán)重，地勘報(bào)告顯示道路病害情況主要為縱橫向裂痕、坑槽、車轍、龜裂、路基不均勻沉降等。AnyＷay對黑棉土路段的土壤進(jìn)行了取樣、實(shí)驗(yàn)、并用成熟檢測體系對不同土壤的按水量等指標(biāo)進(jìn)行了檢測，以作為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的參考。最終Ginchi-Boa項(xiàng)目選用了4%的ANSS固化地基，處理厚度為200mm。與換填方案相比，節(jié)約成本達(dá)35%，節(jié)省工期達(dá)50%。此種方法對土壤的固化效果持久有效，前期強(qiáng)度增長快，后期強(qiáng)度持續(xù)穩(wěn)定增長，且強(qiáng)度性能好。主要節(jié)省了換填、運(yùn)輸、人工及機(jī)械成本，同時(shí)還能夠節(jié)省占地費(fèi)用及管理費(fèi)用，減少施工時(shí)間。此外，就地取材，減少對砂石料的使用，無需開山炸石，成功地將不能使用的膨脹土變廢為寶，改造成為良好的工程材料?？傊?，固化劑在實(shí)際運(yùn)用中操控簡單、運(yùn)輸方便，能夠最大程度地減少換填成本，在非洲膨脹土地區(qū)被廣泛使用，成為必不可少的建筑材料。不僅在路基方面，在各種公路道路的建設(shè)施工中，固化劑都能夠充分地發(fā)揮作用。合理使用固化劑既可以減少工程成本和時(shí)間成本，又可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少施工中的交通事