张呼客运专线沿线膨胀岩土特性研究与探讨

2014-01-03曾祥福张生伟钱国玉祝振华

铁道标准设计 2014年1期

曾祥福，张生伟，钱国玉，祝振华

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

膨胀土一般认为由蒙脱石、伊利石等亲水矿物组成，土体随环境的干湿变化，具有吸水显著膨胀、软化、崩解和失水急剧收缩、开裂、硬结现象，并能产生往复胀缩变形的高液限黏性土［1］。膨胀岩属于特殊软岩，湿度变化时其体积与膨胀土类似也发生显著变化。国内学者对膨胀岩土的研究较多，分别从膨胀岩土的判别与分类、膨胀岩土不同含水率的应变问题、膨胀岩土的本构关系和膨胀岩土的特性及处理措施等方面进行了有益探索［2-14］。膨胀岩还有其特殊性，膨胀岩一旦发生膨胀作用就会发生由岩到土的转变，膨胀岩的工程性能还需进一步研究［1］。张呼客运专线沿线膨胀岩土分布广泛，尤其胶结较差的半成岩状膨胀岩更需进一步研究。

1 概况

新建张呼客运专线位于张家口西部和内蒙古东南部地区。东起张家口南站，终至呼和浩特东站，全长286.77 km。沿途依次经过洋河河谷及阶地区、怀安—乌兰察布低山丘陵区、黄旗海湖积盆地区、卓资低中山区和大青山山前冲积平原区五大地貌单元。线路整体位于燕山沉降带及内蒙古地轴二级区域构造单元。沿线构造以非活动断裂构造为主，活动断裂不发育，褶皱构造分布较少。不良地质及膨胀岩土发育。

2 膨胀岩土分布特征

2.1 地形地貌

全线膨胀岩土分布长度80.85 km，约占线路总长的28.19%。主要分布于怀安-乌兰察布低山丘陵、卓资低中山区。膨胀岩土地貌上一般呈低缓丘陵，丘顶多呈浑圆状，丘陵之间多为宽坦的U形谷地。由于山前坡脚覆盖较厚的砂质黄土，浑圆的丘陵坡脚冲沟发育，冲沟底部出露膨胀岩。当膨胀岩山顶被玄武岩覆盖时呈平顶山地貌。

2.2 膨胀岩土分布

张呼客运专线沿线膨胀岩胶结较差，半成岩状，地表岩石风化呈碎块状，局部夹灰绿色、灰白色的蒙脱石、伊利石粉末。冲沟底部潮湿的岩石暴晒后干裂，坡脚干燥的岩石泡水后崩解，钻孔岩芯暴露在空气中，一段时间后，破碎分解为碎屑或土状。从岩石饱和抗压强度判定属于极软岩-软岩。按时代划分各类膨胀岩土分布特征如下。

第四系上更新统(Q3)残坡积的粉质黏土主要分布于全线膨胀岩地段的地表，厚度较薄，一般由膨胀岩风化残积而成。第三系(N2)残坡积的粉质黏土，一般覆盖在膨胀岩或玄武岩之上，厚度随地形起伏变化较大。

第三系渐新统、中新统、上新统(N1、N2、E3)膨胀岩:分布于兴和、乌兰察布、卓资山一带，包括半成岩状的泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩、砂岩，局部有砾岩，褐黄色、紫红色，成岩作用差。当夹在玄武岩中或者被玄武岩层所覆盖时，分布无规律，岩层厚度不均匀。

白垩系下统固阳组(K1g)膨胀岩:在卓资一带山区分布广泛。岩性主要为半成岩状的砂岩、泥岩、泥质砂岩，黄褐色、黄绿色、黄色、紫红色，层理不发育;部分地段夹有砾岩，泥质胶结，成岩作用差，厚度大于100 m。

侏罗系(J2-3)膨胀岩:分布于尚义与兴和交界处、呼和浩特旗下营至陶卜齐段，红褐色、黄绿色和灰白色为主，岩性为泥岩、砂岩、泥质砂岩、砾岩。泥质胶结或者钙质胶结，中厚层构造，成岩作用一般，泥质胶结时岩质软，钙质胶结时岩质较硬，抗压强度变化幅度较大。

2.3 膨胀岩土膨胀性试验指标

2.3.1 膨胀土试验指标

Q3粉质黏土的自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量，比N2的粉质黏土要小，如表1所示。分析认为张呼客运专线沿线Q3的粉质黏土由膨胀岩风化残积而成，埋深较浅，一般位于丘陵坡脚，易受大气降水的往复侵润，黏土中的活性阳离子与周围环境土壤频繁交换，并可能随着雨水带走，导致膨胀性减少。而N2的粉质黏土埋深一般较大，上部覆盖土层或玄武岩厚度较大，几乎不受大气降水影响。

表1 张呼客运专线膨胀性土试验结果

2.3.2 膨胀岩试验方法及试验指标

根据规范［1］规定，岩石可划分为膨胀岩和非膨胀岩。判定膨胀岩可采用2种试验方法。试验方法1，对于不易崩解的岩石，测试其膨胀率VH、膨胀力Pp、饱和吸水率wsa;试验方法2，对于易崩解的岩石，比照膨胀土判定方法进行试验。当试验指标2项达到规定值时，判定为膨胀岩，规范中并未对膨胀岩的膨胀等级做进一步细分。

张呼客运专线沿线膨胀岩成岩作用差、呈半成岩状，遇水易崩解，共取样262组，全部试样经过粉碎，过0.5 mm的筛除去粗颗粒后，比照膨胀土判定方法进行试验，试验结果如表2所示。其中6组试样因崩解程度小，同时还测定了自由膨胀率和膨胀力如表3所示。

表2 张呼客运专线膨胀性岩试验结果(一)

表3 张呼客运专线膨胀岩试验结果(二)

(1)对比表2和表3数据发现，按照试验方法1，判定白垩系固阳组强风化砂质泥岩1组为膨胀岩，2组为非膨胀岩，侏罗系泥质砂岩均为非膨胀岩。而采用试验方法2，判定上述2个时代的岩石均为膨胀岩。显然按照试验方法2判定半成岩状膨胀岩偏于安全。

(2)总体上看 N2、N1、E3、K1g、J1-2同一时代的半成岩状膨胀岩，随着风化程度的增加，其自由膨胀率有增加的趋势，如表2所示。而K1g全风化层比强风化层的自由膨胀率有所减少的主要原因是K1g全风化膨胀样中砾岩所占的比例相对较大。试验数据显示半成岩状砂岩、砾岩层明显比泥岩自由膨胀率要小很多。泥岩、砂岩、砾岩粉碎过0.5 mm筛后，由砂和更细的黏土矿物组成，由于砂的矿物成分为长石和石英，没有膨胀性，所以半成岩状泥岩、砂岩、砾岩的自由膨胀率主要与细颗粒黏土矿物含量有关，含量越大膨胀性越强。而砂含量越大，自由膨胀率越小。

不同时代，相同风化程度的半成岩状膨胀岩自由膨胀率未见有明显规律性，关系如下:弱风化层，第三系(N2、N1、E3)＜白垩系(K1G)＞侏罗系(J1-2);强风化层，第三系(N2、N1、E3)＞白垩系(K1G)＞侏罗系(J1-2);全风化层，第三系(N2、N1、E3)＞白垩系(K1G)＜侏罗系(J1-2)。

(3)黏土矿物中能参与阳离子交换的主要为蒙脱石、伊利石。高岭土晶架联结牢固，一般很少有交换能力的阳离子［15］。蒙脱石体积膨胀分为两部分，一是吸水后晶架内膨胀，二是由于吸附阳离子产生粒间膨胀。粒间膨胀要比晶架内膨胀小得多。伊利石膨胀为粒间膨胀。所以蒙脱石吸水后膨胀性要比伊利石大得多。测定阳离子交换量可定性判定主要黏土矿物类型，也能判定岩土膨胀性。

对全线半成岩状膨胀岩共计262组阳离子交换量与蒙脱石含量、自由膨胀率与蒙脱石含量试验数据进行线性回归分析，设定置信度为99%，并根据样本数量查表［17］获得临界值Ra。拟合后如表4中公式(1)、公式(2)所示。

表4 拟合公式

如表4中公式(1)，R1=0.927＞0.90，表明阳离子交换量与蒙脱石含量呈极高度正相关。在设定置信度为99%时，R1=0.927＞0.181，表明拟合程度较好且线性关系显著，拟合曲线如图1所示。以上结果表明蒙脱石含量对半成岩状膨胀岩的膨胀性起决定性作用，其膨胀性产生的根本原因与膨胀土相似，采用试验方法2判定半成岩状膨胀岩是符合工程要求的。

如表4中公式(2)，0.89＞R2=0.771 ＞0.70，表明自由膨胀率与蒙脱石含量呈高度正相关。在设定置信度为99%时，R2=0.771＞0.181，表明拟合程度较好且线性关系显著，拟合曲线如图2所示。

公式(1)和公式(2)相关系数R1和R2的大小差异明显，表示阳离子交换量与蒙脱石含量、自由膨胀率与蒙脱石含量相关性并不同步，研究认为与自由膨胀率试验误差有关，有学者建议采用自由膨胀比［16］替代自由膨胀率能较好反应膨胀性的本质特征。