錫二線膨脹性泥巖的工程特性及處理

左衛(wèi)財(cái)

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院，山東濟(jì)南 250022)

錫二線地處內(nèi)蒙古自治區(qū)北部錫林郭勒盟境內(nèi)，位于內(nèi)蒙古高原中東部，東起錫林浩特，途經(jīng)阿巴嘎旗、蘇尼特左旗，西至二連浩特，線路全長(zhǎng)363.381 km。線路走行區(qū)域?yàn)檫|闊的錫林郭勒大草原，地勢(shì)中東部高，兩端稍低，地形起伏較小，沿線最高峰為阿巴嘎旗西南的查干烏拉，海拔高程1 366 m，最低點(diǎn)位于巴彥陶勒蓋附近，海拔高程923 m。線路DK89+360～DK341+200部分地段(合計(jì)約78.8 km)分布有上第三系上、中新統(tǒng)泥巖，全風(fēng)化，具膨脹性，屬于沉積性泥質(zhì)膨脹巖。

結(jié)合錫二鐵路的工程地質(zhì)勘察，對(duì)泥巖地層巖性特征、物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，并提出了路基工程的處理措施。

1 膨脹性泥巖的工程特性分析

1.1 分布及巖性特征

該地層廣泛分布在新生代凹陷盆地中，構(gòu)成熔巖臺(tái)地、各級(jí)高平原的基底，為一套內(nèi)陸河湖相沉積，在低山丘陵邊緣帶為河相、濱湖相沉積，分選差，泥砂卵礫混雜，在高平原區(qū)主要為淺、深湖相沉積。

(1)上第三系上新統(tǒng)(N2)全風(fēng)化泥巖

主要分布在希勒希格至毛呼都格塔拉，昌特敖包至道布音呼都格，淖兒及道布音呼都格—巴彥陶勒蓋二級(jí)高平原一級(jí)高平原，希勒希格至昌特敖包之間的丘間盆地、溝谷洼地內(nèi)，查干希熱至希勒希格之間熔巖臺(tái)地沖溝、火山口邊緣有零星分布。

巖性主要為棕紅色、紅褐色、灰褐色、青灰色、灰綠色、灰白色泥巖，成巖差，鉆探巖芯呈硬黏土狀，自由膨脹率一般為30% ～119%，具膨脹性。區(qū)域最大控制厚度達(dá)300余米，本次勘探最大深度60 m，未揭穿本層。

(2)上第三系中新統(tǒng)(N1)全風(fēng)化泥巖

主要分布在道布音呼都格至巴彥陶勒蓋之間三級(jí)高平原與二級(jí)高平原過(guò)渡地帶，為濱湖相沉積，與下伏下第三系始新統(tǒng)地層呈平行不整合接觸。

巖性為厚層狀磚紅色泥巖，含古脊椎動(dòng)物化石，鉆探巖芯呈硬黏土狀，自由膨脹率一般為41% ～106%，具膨脹性。區(qū)域調(diào)查，該層厚15～50 m。

1.2 膨脹巖物理力學(xué)性質(zhì)分析

本線全風(fēng)化泥巖最典型的特征是具有中—強(qiáng)膨脹性，局部弱膨脹性，由于風(fēng)化成黏土狀，一般具有黏性土的特征，可按膨脹土考慮。膨脹土是指土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的黏性土。膨脹土具干縮濕脹特性，吸水膨脹時(shí)將對(duì)路基支擋建筑物產(chǎn)生膨脹力。膨脹土裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面呈高塑性黏土狀，有地下水時(shí)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度大大降低，導(dǎo)致路塹邊坡失穩(wěn)。由于該土具有吸水膨脹、失水收縮并往復(fù)變形的性質(zhì)，對(duì)路基、橋梁、房屋建筑的破壞作用不可低估，并且構(gòu)成的破壞不易修復(fù)。

膨脹土的詳判應(yīng)根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB10038—2012)表5.5.2－2判定。自由膨脹率≥40、蒙脫石含量≥7、陽(yáng)離子交換量≥170，當(dāng)土質(zhì)符合上面任意兩項(xiàng)指標(biāo)時(shí)可判定為膨脹土。膨脹土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)應(yīng)按表5.5.2－3判定。本文抽取了24個(gè)膨脹(巖)土的土工試驗(yàn)成果，見(jiàn)表1。

表1 錫二線膨脹(巖)土試驗(yàn)成果

膨脹土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)平均值:天然含水率為22.5%，天然密度 ρ為1.94 g/cm3，顆粒密度 ρs為2.75 g/cm3，孔隙比e為0.73，飽和度Sr為83.3%，液限WL為45.6%，塑限Wp為25.2%，塑性指數(shù)Ip為20.36%，液性指數(shù) IL為 －0.12，壓縮系數(shù)為0.218 MPa－1，壓縮模量為 9.87 MPa，黏聚力 c 為 63.8 kPa，內(nèi)摩擦角φ為28.5°。

由試驗(yàn)指標(biāo)可知，本線全風(fēng)化泥巖天然密度較大、含水率較低、孔隙比相對(duì)較大，具中壓縮性黏性土特征，處于堅(jiān)硬、局部硬塑狀態(tài)，具有侵水膨脹，失水收縮性質(zhì)，其塑性指數(shù)、天然快剪黏聚力較大，黏性含量較高，吸水能力強(qiáng)，脹縮變形大，判別結(jié)果為中強(qiáng)膨脹土，局部為弱膨脹土。對(duì)該膨脹性泥巖進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)測(cè)錘擊數(shù)N均大于25擊，由試驗(yàn)知承載力較大，但膨脹土表層受氣候作用影響的深度范圍內(nèi)，承載力的衰減狀況明顯且幅度漸大，特別是經(jīng)過(guò)一次嚴(yán)重干旱以后再浸試時(shí)，地基強(qiáng)度有較大的降低。因此，推薦承載力σ0=200 kPa。

2 工程處理措施

膨脹(巖)土段落沿線路塹應(yīng)放緩塹坡并防護(hù)，塹頂外設(shè)天溝并防護(hù)，做好截排水工作。路塹基床需換填或改良，路基兩側(cè)禁止取土。膨脹(巖)土一般不可作為路基填料使用，必須采用時(shí)須對(duì)棕紅色、灰綠色、灰白色泥巖進(jìn)行改良，對(duì)泥巖進(jìn)行篩棄。

膨脹(巖)土地基可采用換土、補(bǔ)償墊層或樁基礎(chǔ)處理，邊坡治理可采用支擋結(jié)構(gòu)、土工合成材料等。

2.1 路塹

膨脹土地段路塹設(shè)計(jì)須結(jié)合工點(diǎn)的地質(zhì)資料確定邊坡坡率、防護(hù)措施等，一般可按如下設(shè)計(jì)。

(1)路塹邊坡高度小于等于6.0 m的弱膨脹巖(土)路塹

圖1 膨脹土路基橫斷面設(shè)計(jì)(一)(單位:m)

①路塹邊坡坡度采用1∶1.75。

②路塹邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架(4 m×3 m)護(hù)坡防護(hù)，主骨架厚0.80 m，骨架內(nèi)鋪砌M7.5水泥砂漿砌片石，厚0.3 m，下設(shè)0.2 m厚砂夾卵石墊層(如圖1)。

(2)路塹邊坡高度小于等于6.0 m的中—強(qiáng)膨脹巖(土)路塹

①路塹邊坡坡度采用1∶1.75。

②坡腳側(cè)溝平臺(tái)外側(cè)設(shè)5.0 m高C20片石混凝土路塹擋土墻，面坡及背坡均為1∶0.25，底坡0.2∶1，頂寬1.8 m(地震動(dòng)峰值加速度0.20g時(shí)路塹頂寬2.0 m)，基礎(chǔ)埋深2.5 m。

③墻頂后設(shè)2.0 m寬平臺(tái)，墻背設(shè)0.5 m厚砂夾卵石反濾層。墻頂路塹邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架(4 m×3 m)護(hù)坡防護(hù)，主骨架厚0.80 m，骨架內(nèi)鋪砌M7.5水泥砂漿砌片石，厚0.3 m，下設(shè)0.2 m厚砂夾卵石墊層(如圖2)。

圖2 膨脹土路基橫斷面設(shè)計(jì)(二)(單位:m)

(3)路塹邊坡高度大于6.0 m小于等于14.0 m的弱—強(qiáng)膨脹巖(土)路塹

①路塹邊坡坡度:弱膨脹巖(土)路塹采用1∶1.75;中—強(qiáng)膨脹巖(土)路塹采用1∶2.0;每6.0 m一級(jí)，級(jí)間設(shè)2.0 m寬平臺(tái)。

②坡腳側(cè)溝平臺(tái)外側(cè)設(shè)5.0 m高C20片石混凝土路塹擋土墻，面坡及背坡均為1∶0.25，底坡0.2∶1，頂寬1.8 m(地震動(dòng)峰值加速度0.20g時(shí)路塹頂寬2.0 m)，基礎(chǔ)埋深2.5 m，墻后設(shè)2.0 m寬平臺(tái)，墻背設(shè)0.5 m厚砂夾卵石反濾層。

③墻頂路塹邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架(4 m×3 m)護(hù)坡防護(hù)，主骨架厚0.80 m，骨架內(nèi)鋪砌M7.5水泥砂漿砌片石，厚0.3 m，下設(shè)0.2 m厚砂夾卵石墊層。

路塹基床挖除1.1 m，其中表層0.6 m填筑0.5 m厚(級(jí)配碎石)A組土加0.1 m厚中粗砂，下部換填0.5 m厚三七灰土;中粗砂墊層中間夾鋪一層兩布一膜不透水土工布(600 g/m聚脂長(zhǎng)絲土工布)。

圖3 膨脹土路基橫斷面設(shè)計(jì)(三)(單位:m)

線路兩側(cè)設(shè)M7.5水泥砂漿砌片石矩形蓋板側(cè)溝，側(cè)溝外側(cè)留2.0 m寬側(cè)溝平臺(tái)，厚0.3 m，側(cè)溝及側(cè)溝平臺(tái)下?lián)Q填0.3 m厚三七灰土墊層。

2.2 路堤

當(dāng)路堤高度≤2.5 m時(shí)，基床表層深度范圍內(nèi)換填0.5 m A、B組土+0.1 m中粗砂+兩布一膜土工布。基床表層以下0.5 m厚采用摻入6%生石灰改良土填筑，路堤邊坡坡率1∶1.5，邊坡進(jìn)行防護(hù)(如圖4)。

圖4 膨脹土路基橫斷面設(shè)計(jì)(四)(單位:m)

當(dāng)路堤高度H大于2.5 m時(shí)，對(duì)路堤下伏的泥巖不予處理。邊坡應(yīng)進(jìn)行防護(hù)，路堤邊坡高度不宜大于10 m。

3 結(jié)束語(yǔ)

在勘測(cè)階段，需要對(duì)重點(diǎn)膨脹(巖)土路基地段適當(dāng)多鉆探、取樣，準(zhǔn)確判定膨脹潛勢(shì)分級(jí)。膨脹(巖)土段落沿線路塹應(yīng)放緩塹坡并防護(hù)，塹頂外設(shè)天溝并防護(hù)，做好截排水工作。路塹基床需換填或改良，邊坡治理可采用支擋結(jié)構(gòu)、土工合成材料等。

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