某客運專線膨脹巖(土)路塹處理原則探討

陳新新

(烏魯木齊鐵路局庫爾勒鐵路建設指揮部，新疆庫爾勒　841000)

Discuss Treatment Principle of Cut Slope in Expansive Rock(Soil) at One Passenger Dedicated Line

CHEN Xinxin

某客運專線膨脹巖(土)路塹處理原則探討

陳新新

(烏魯木齊鐵路局庫爾勒鐵路建設指揮部，新疆庫爾勒841000)

Discuss Treatment Principle of Cut Slope in Expansive Rock(Soil) at One Passenger Dedicated Line

CHEN Xinxin

摘要在分析西北某客運專線地質勘察資料并結合現有研究成果的基礎上，通過室內試驗研究沿線膨脹巖(土)的工程性質，并針對膨脹巖與膨脹土的不同特性，提出放緩邊坡、加寬平臺、鞏固坡腳、加強排水和適宜的坡面防護相結合的處理原則，并在設計施工中加以應用。

關鍵詞膨脹巖膨脹土路塹邊坡處理原則

膨脹巖(土)是指含有較多親水礦物，含水量變化時發(fā)生較大體積變化的巖土體，具有遇水膨脹、軟化、崩解，失水收縮、開裂的特性，在工程中較為常見，危害性也較大[1]。目前對膨脹巖土體的判定、分類、變形特點等方面已有大量研究成果，但針對膨脹巖土邊坡的處理原則和防治措施研究尚不完善[2-4]。同時，膨脹巖與膨脹土兩者雖均具有吸水膨脹、失水收縮并產生往復脹縮變形的性能，但在物質組成和工程性質等方面還是存在一定差異性，設計中膨脹巖邊坡防護措施多參照膨脹土的處理方法，容易造成加固工程數量偏大、成本偏高等問題[5-11]。

新建西北某客運專線沿線膨脹巖土分布廣泛，主要為第四系和第三系粉質黏土，白堊系、侏羅系泥質砂巖，泥巖大部分具有弱—中膨脹性。全線膨脹巖土區(qū)段長度73.5 km，膨脹巖土路塹長度約13 km，其中具中—強膨脹性、挖深超過10 m的路塹邊坡單側長度就有2.2 km，是本線路基設計的重點和難點。通過研究沿線膨脹巖土的工程特性，并借鑒相關研究成果，探討膨脹巖土路塹邊坡的處理方式和原則，為進一步有效治理膨脹巖土邊坡的失穩(wěn)破壞積累經驗。

1地質特征

1.1　地形地貌

沿線膨脹巖土體主要分布于剝蝕低山丘陵區(qū)，地形起伏較大，山勢陡峻，丘頂多呈渾圓狀，丘間發(fā)育大量U形洼溝，沖溝發(fā)育，沖溝底部出露膨脹巖。河流較多，在流水的作用下，沖溝易發(fā)生坍塌，植被發(fā)育程度一般。

1.2　地層巖性

(1)第四系上更新統(tǒng)(Q3el+dl)殘坡積粉質黏土：主要分布于膨脹巖土地段地表層，厚度較薄，一般由膨脹原巖風化殘積形成。

(2)第三系上新統(tǒng)(2Nel+dl)殘坡積粉質黏土：一般覆蓋于膨脹巖層或玄武巖層之上，厚度隨地勢起伏變化較大。

(3)白堊系下統(tǒng)固陽組(K1g)膨脹巖：主要為半成巖狀的泥質砂巖、泥巖組成，黃褐色、黃色等，層理、結構不發(fā)育；部分夾有礫巖，泥質膠結，成巖作用較差，厚度較大。

(4)侏羅系(J2-3)膨脹巖：以紅褐色、褐色為主，巖性主要為泥巖、泥質砂巖，泥質膠結或鈣質膠結，成巖作用較差，泥質膠結時整體巖質較軟，鈣質膠結時巖質相對較硬，尤其單軸抗壓強度變化極大。

2氣象特征

本線膨脹巖土地段處中溫帶亞干旱區(qū)，春秋兩季干旱多風、沙塵頻發(fā)；夏季短促，晝夜溫差大；冬季漫長，天氣寒冷而干燥；全年降水量較小，多集中在夏季7～9月份，蒸發(fā)量偏大，霜凍期較長。年平均氣溫為4.0 ℃，極端最高氣溫為35.2 ℃，極端最低氣溫為-38.2 ℃，年平均降雨量為366.1 mm，年平均蒸發(fā)量為1 690.6 mm，年平均風速為1.5 m/s，最大風速為25.7 m/s，最冷月平均氣溫達-15.9°(1月)。最大積雪厚度為15 cm，最大凍結深度為246 cm。

3工程特性

沿線膨脹巖土的工程特征主要體現在膨脹性、宜崩解、強度低等方面，一般采用自由膨脹率(Fs)、蒙脫石含量(M)和陽離子交換量(CEC)三項試驗指標評定膨脹巖土特性。為了進一步對膨脹巖的工程特性進行分析，在參考以上膨脹土評定試驗的基礎上，對于膨脹巖還測定了膨脹率(VH)和膨脹力(PP)兩項試驗指標。具體試驗結果如表1所示。

從表1數據可以看出：第四系上更新統(tǒng)(Q3el+dl)和第三系上新統(tǒng)(N2el+dl)殘坡積粉質黏土、白堊系(K1g)和侏羅系(J2-3)泥質砂巖均具有膨脹性，部分地段分布的膨脹巖土具有中—強膨脹潛勢。四種膨脹巖土體的礦物成分中蒙脫石含量和陽離子交換量偏高，自由膨脹率相對較低，巖體的親水性較強，易吸水，快速崩解成泥狀。受風化程度、埋設深度等因素影響，第四系上更新統(tǒng)(Q3el+dl)粉質黏土的各項試驗指標較第三系上新統(tǒng)(N2el+dl)粉質黏土均偏小。

4膨脹巖土路塹處理原則

一般而言，膨脹巖土的邊坡破壞類型可分為坡面病害和坡體病害兩大類型，坡面病害包括剝落、溜塌、局部崩塌等；坡體病害包括坍塌和滑坡等，坍塌和滑坡的產生與膨脹巖土邊坡的坡高、坡率、結構面的發(fā)育特征等因素密切相關[12-17]。針對沿線膨脹巖土的工程特性，綜合考慮路塹邊坡的施工措施，通過防止坡面破壞和坡體破壞兩個方面，提出“放緩邊坡、加寬平臺、鞏固坡腳、加強排水和適宜的坡面加固防護相結合”的處理原則。

4.1　放緩坡率和加寬平臺

膨脹巖土路塹采用放緩坡率，加寬邊坡平臺的防護措施，可減小坡體自重，減緩坡體的下滑趨勢，進而減小坡腳應力，處理效果明顯。根據膨脹巖土的不同試驗結果，并結合邊坡高度，分別確定膨脹巖土的邊坡坡率及平臺寬度，膨脹巖土路塹邊坡分級、側溝平臺及塹坡平臺寬度按照表2、表3執(zhí)行。其中膨脹巖全風化層可按膨脹土設計，中—強膨脹性膨脹巖(土)邊坡高度大于15 m時，邊坡平臺寬度根據檢算確定。

4.2　鞏固坡腳

對于挖深較大的膨脹巖土邊坡，為了避免坡腳處應力集中，設置擋土墻、樁板墻等支擋結構，可以有效防止膨脹巖土的坡體病害，減少坍塌和滑坡的發(fā)生。

①邊坡挖深大于3 m小于10 m時，坡腳處設3.0～5.0 m混凝土擋墻，擋墻埋深應大于凍結深度+0.25 m，墻頂設2.0～3.0 m混凝土平臺。

②邊坡高大于10 m時，弱—中等的膨脹巖邊坡可采用6.0～8.0 m高混凝土擋墻，對于強膨脹巖路塹，易發(fā)生擋墻尺寸不足而出現破壞，以抗滑樁和樁板墻支擋結構為主，樁懸臂段長度不宜超過4 m，墻頂設2.0～3.0 m寬混凝土平臺。

③對少量膨脹巖土塹坡較高區(qū)段，必要時在邊坡中部設置預加固樁。

4.3　坡面加固和防護

從試驗結果來看，本地區(qū)膨脹巖土的吸水性較強，路塹邊坡易發(fā)生地表水沖蝕和干濕循環(huán)造成的巖體破碎和淺層坍滑。根據室內試驗結果，膨脹巖邊坡的穩(wěn)定性強于膨脹土邊坡，坡面病害相對較少，應注意防止膨脹巖的坡面風化，根據挖深采用不同的邊坡處理措施：

①膨脹巖土路塹挖深不大于3 m時，邊坡采用空心磚客土植草，并間種灌木防護即可。

②邊坡高度大于3 m小于10 m時，每5～6 m分為一級，膨脹土邊坡采用混凝土拱形截水骨架(主骨架厚0.8 m，拱骨架厚0.6 m，拱間凈距3.0 m)內鋪設空心磚客土植草，間種灌木，膨脹巖邊坡可采用錨桿框架梁內鋪設空心磚客土植草，間種灌木。

③邊坡高大于10 m時，上部膨脹土坡面可采用混凝土截水骨架內空心磚客土植草，間種灌木防護；下部膨脹巖邊坡采用錨索框架內空心磚客土植草，間種灌木防護。框架間坡面巖體的防風化措施是必不可少的，否則，剝落、溜塌病害的不斷發(fā)展會使框架梁的作用失去效能。

4.4　排水工程

良好的排水系統(tǒng)對緩解膨脹巖土邊坡的病害起著重要的作用。截排地表水方面，路肩兩側設鋼筋混凝土現澆側溝，側溝外與邊坡設3.0 m寬漿砌片石平臺。在塹頂外3.0～5.0 m設鋼筋混凝土天溝，為了防止地表水下滲，塹頂與天溝之間也應采用混凝土或漿砌片石封閉。為避免匯水對膨脹巖土邊坡的沖刷，分級平臺設截水溝。

除地面水外，淺層滯水、潛水等地下水對膨脹巖土的危害也很大，因此在常規(guī)排水措施的基礎上，為了進一步疏排地下水，在膨脹土邊坡設支撐滲溝，膨脹巖土側溝平臺下設截水滲溝。支撐滲溝斷面采用矩形，寬1.2 m，支撐滲溝的深度應大于凍結深度+0.25 m。截水滲溝設在側溝平臺下，滲溝寬1.2 m，其中外側設無砂混凝土板，內充填洗凈碎石，下設C25混凝土基礎，其上設PVC帶孔雙壁波紋滲水管，滲水管頂埋深不小于凍結深度+0.25 m。

5結論

(1)膨脹巖土室內試驗表明，受風化程度、埋設深度等因素影響，第四系上更新統(tǒng)的膨脹性較第三系上新統(tǒng)均偏小，膨脹巖的整體膨脹性明顯小于膨脹土。

(2)針對試驗結果，提出了放緩邊坡、加寬平臺、鞏固坡腳、加強排水和適宜的坡面防護相結合的處理原則，并對膨脹巖與膨脹土邊坡分別采取不同的設計措施，即保證了邊坡穩(wěn)定又避免了工程浪費。

(3)目前全線已基本完成膨脹巖土邊坡的開挖和支擋工程施工，邊坡加固和防護也陸續(xù)在施工中。從現場實施情況看，膨脹巖土邊坡自身穩(wěn)定，未發(fā)生坡面和坡體病害。

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中圖分類號：U213.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)05-0053-03

收稿日期：2015-08-13