張呼客運專線沿線膨脹巖土特性研究與探討

曾祥福，張生偉，錢國玉，祝振華

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

膨脹土一般認為由蒙脫石、伊利石等親水礦物組成，土體隨環境的干濕變化，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂、硬結現象，并能產生往復脹縮變形的高液限黏性土［1］。膨脹巖屬于特殊軟巖，濕度變化時其體積與膨脹土類似也發生顯著變化。國內學者對膨脹巖土的研究較多，分別從膨脹巖土的判別與分類、膨脹巖土不同含水率的應變問題、膨脹巖土的本構關系和膨脹巖土的特性及處理措施等方面進行了有益探索［2-14］。膨脹巖還有其特殊性，膨脹巖一旦發生膨脹作用就會發生由巖到土的轉變，膨脹巖的工程性能還需進一步研究［1］。張呼客運專線沿線膨脹巖土分布廣泛，尤其膠結較差的半成巖狀膨脹巖更需進一步研究。

1 概況

新建張呼客運專線位于張家口西部和內蒙古東南部地區。東起張家口南站，終至呼和浩特東站，全長286.77 km。沿途依次經過洋河河谷及階地區、懷安—烏蘭察布低山丘陵區、黃旗海湖積盆地區、卓資低中山區和大青山山前沖積平原區五大地貌單元。線路整體位于燕山沉降帶及內蒙古地軸二級區域構造單元。沿線構造以非活動斷裂構造為主，活動斷裂不發育，褶皺構造分布較少。不良地質及膨脹巖土發育。

2 膨脹巖土分布特征

2.1 地形地貌

全線膨脹巖土分布長度80.85 km，約占線路總長的28.19%。主要分布于懷安-烏蘭察布低山丘陵、卓資低中山區。膨脹巖土地貌上一般呈低緩丘陵，丘頂多呈渾圓狀，丘陵之間多為寬坦的U形谷地。由于山前坡腳覆蓋較厚的砂質黃土，渾圓的丘陵坡腳沖溝發育，沖溝底部出露膨脹巖。當膨脹巖山頂被玄武巖覆蓋時呈平頂山地貌。

2.2 膨脹巖土分布

張呼客運專線沿線膨脹巖膠結較差，半成巖狀，地表巖石風化呈碎塊狀，局部夾灰綠色、灰白色的蒙脫石、伊利石粉末。沖溝底部潮濕的巖石暴曬后干裂，坡腳干燥的巖石泡水后崩解，鉆孔巖芯暴露在空氣中，一段時間后，破碎分解為碎屑或土狀。從巖石飽和抗壓強度判定屬于極軟巖-軟巖。按時代劃分各類膨脹巖土分布特征如下。

第四系上更新統(Q3)殘坡積的粉質黏土主要分布于全線膨脹巖地段的地表，厚度較薄，一般由膨脹巖風化殘積而成。第三系(N2)殘坡積的粉質黏土，一般覆蓋在膨脹巖或玄武巖之上，厚度隨地形起伏變化較大。

第三系漸新統、中新統、上新統(N1、N2、E3)膨脹巖:分布于興和、烏蘭察布、卓資山一帶，包括半成巖狀的泥巖、泥質砂巖、砂質泥巖、砂巖，局部有礫巖，褐黃色、紫紅色，成巖作用差。當夾在玄武巖中或者被玄武巖層所覆蓋時，分布無規律，巖層厚度不均勻。

白堊系下統固陽組(K1g)膨脹巖:在卓資一帶山區分布廣泛。巖性主要為半成巖狀的砂巖、泥巖、泥質砂巖，黃褐色、黃綠色、黃色、紫紅色，層理不發育;部分地段夾有礫巖，泥質膠結，成巖作用差，厚度大于100 m。

侏羅系(J2-3)膨脹巖:分布于尚義與興和交界處、呼和浩特旗下營至陶卜齊段，紅褐色、黃綠色和灰白色為主，巖性為泥巖、砂巖、泥質砂巖、礫巖。泥質膠結或者鈣質膠結，中厚層構造，成巖作用一般，泥質膠結時巖質軟，鈣質膠結時巖質較硬，抗壓強度變化幅度較大。

2.3 膨脹巖土膨脹性試驗指標

2.3.1 膨脹土試驗指標

Q3粉質黏土的自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量，比N2的粉質黏土要小，如表1所示。分析認為張呼客運專線沿線Q3的粉質黏土由膨脹巖風化殘積而成，埋深較淺，一般位于丘陵坡腳，易受大氣降水的往復侵潤，黏土中的活性陽離子與周圍環境土壤頻繁交換，并可能隨著雨水帶走，導致膨脹性減少。而N2的粉質黏土埋深一般較大，上部覆蓋土層或玄武巖厚度較大，幾乎不受大氣降水影響。

表1 張呼客運專線膨脹性土試驗結果

2.3.2 膨脹巖試驗方法及試驗指標

根據規范［1］規定，巖石可劃分為膨脹巖和非膨脹巖。判定膨脹巖可采用2種試驗方法。試驗方法1，對于不易崩解的巖石，測試其膨脹率VH、膨脹力Pp、飽和吸水率wsa;試驗方法2，對于易崩解的巖石，比照膨脹土判定方法進行試驗。當試驗指標2項達到規定值時，判定為膨脹巖，規范中并未對膨脹巖的膨脹等級做進一步細分。

張呼客運專線沿線膨脹巖成巖作用差、呈半成巖狀，遇水易崩解，共取樣262組，全部試樣經過粉碎，過0.5 mm的篩除去粗顆粒后，比照膨脹土判定方法進行試驗，試驗結果如表2所示。其中6組試樣因崩解程度小，同時還測定了自由膨脹率和膨脹力如表3所示。

表2 張呼客運專線膨脹性巖試驗結果(一)

表3 張呼客運專線膨脹巖試驗結果(二)

(1)對比表2和表3數據發現，按照試驗方法1，判定白堊系固陽組強風化砂質泥巖1組為膨脹巖，2組為非膨脹巖，侏羅系泥質砂巖均為非膨脹巖。而采用試驗方法2，判定上述2個時代的巖石均為膨脹巖。顯然按照試驗方法2判定半成巖狀膨脹巖偏于安全。

(2)總體上看 N2、N1、E3、K1g、J1-2同一時代的半成巖狀膨脹巖，隨著風化程度的增加，其自由膨脹率有增加的趨勢，如表2所示。而K1g全風化層比強風化層的自由膨脹率有所減少的主要原因是K1g全風化膨脹樣中礫巖所占的比例相對較大。試驗數據顯示半成巖狀砂巖、礫巖層明顯比泥巖自由膨脹率要小很多。泥巖、砂巖、礫巖粉碎過0.5 mm篩后，由砂和更細的黏土礦物組成，由于砂的礦物成分為長石和石英，沒有膨脹性，所以半成巖狀泥巖、砂巖、礫巖的自由膨脹率主要與細顆粒黏土礦物含量有關，含量越大膨脹性越強。而砂含量越大，自由膨脹率越小。

不同時代，相同風化程度的半成巖狀膨脹巖自由膨脹率未見有明顯規律性，關系如下:弱風化層，第三系(N2、N1、E3)＜白堊系(K1G)＞侏羅系(J1-2);強風化層，第三系(N2、N1、E3)＞白堊系(K1G)＞侏羅系(J1-2);全風化層，第三系(N2、N1、E3)＞ 白堊系(K1G)＜侏羅系(J1-2)。

(3)黏土礦物中能參與陽離子交換的主要為蒙脫石、伊利石。高嶺土晶架聯結牢固，一般很少有交換能力的陽離子［15］。蒙脫石體積膨脹分為兩部分，一是吸水后晶架內膨脹，二是由于吸附陽離子產生粒間膨脹。粒間膨脹要比晶架內膨脹小得多。伊利石膨脹為粒間膨脹。所以蒙脫石吸水后膨脹性要比伊利石大得多。測定陽離子交換量可定性判定主要黏土礦物類型，也能判定巖土膨脹性。

對全線半成巖狀膨脹巖共計262組陽離子交換量與蒙脫石含量、自由膨脹率與蒙脫石含量試驗數據進行線性回歸分析，設定置信度為99%，并根據樣本數量查表［17］獲得臨界值Ra。擬合后如表4中公式(1)、公式(2)所示。

表4 擬合公式

如表4中公式(1)，R1=0.927＞0.90，表明陽離子交換量與蒙脫石含量呈極高度正相關。在設定置信度為99%時，R1=0.927＞0.181，表明擬合程度較好且線性關系顯著，擬合曲線如圖1所示。以上結果表明蒙脫石含量對半成巖狀膨脹巖的膨脹性起決定性作用，其膨脹性產生的根本原因與膨脹土相似，采用試驗方法2判定半成巖狀膨脹巖是符合工程要求的。

如表4中公式(2)，0.89＞R2=0.771 ＞0.70，表明自由膨脹率與蒙脫石含量呈高度正相關。在設定置信度為99%時，R2=0.771＞0.181，表明擬合程度較好且線性關系顯著，擬合曲線如圖2所示。

公式(1)和公式(2)相關系數R1和R2的大小差異明顯，表示陽離子交換量與蒙脫石含量、自由膨脹率與蒙脫石含量相關性并不同步，研究認為與自由膨脹率試驗誤差有關，有學者建議采用自由膨脹比［16］替代自由膨脹率能較好反應膨脹性的本質特征。

圖1 陽離子交換量與蒙脫石含量關系

圖2 自由膨脹率與蒙脫石含量關系

3 結論

(1)第四系上更新統粉質黏土埋深淺，易受大氣降雨影響，其膨脹性比第三系粉質黏土弱。

(2)總體上看隨著半成巖狀的膨脹巖風化程度的增加，自由膨脹率有增加的趨勢。半成巖狀的泥巖、砂巖、礫巖的自由膨脹率主要與細顆粒黏土礦物含量有關，含量越大膨脹性越強。而砂含量越大，自由膨脹率越小。

(3)半成巖狀的膨脹巖陽離子交換量與蒙脫石含量呈極高度正相關且線性關系顯著，其膨脹性產生的根本原因與膨脹土相似。采用比照膨脹土判定方法進行試驗判定半成巖狀的膨脹巖符合工程要求，且偏于安全。

(4)自由膨脹率與蒙脫石含量、陽離子交換量與蒙脫石含量相關性并不同步，與自由膨脹率的試驗誤差有關，自由膨脹率不能完全反應膨脹巖膨脹性的本質特征。有學者建議采用自由膨脹比代替自由膨脹率能較好反應膨脹性的本質特征。目前在鐵路部門對自由膨脹比的研究數據還沒有，需進一步研究探討。

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