對(duì)公路勘察中膨脹巖的物理性能的研究

馬廣坡

1 概述

張石高速公路張北—羅家洼段,是膨脹巖集中發(fā)育的典型地區(qū),由于膨脹巖土而導(dǎo)致已建 207國(guó)道滑坡、崩塌、路面開(kāi)裂、路基不均勻下沉和涵洞開(kāi)裂頻繁發(fā)生,病害治理代價(jià)昂貴,行車(chē)安全和道路暢通受到嚴(yán)重影響。因此開(kāi)展膨脹巖土工程地質(zhì)性能的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,通過(guò)對(duì)典型地段膨脹巖產(chǎn)出的地質(zhì)特征、物理性能的分析,得出其工程地質(zhì)性能,為以后修建公路和已建公路的地質(zhì)災(zāi)害治理提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù),把災(zāi)害減至最低限度。

2 膨脹巖地質(zhì)特征

2.1 膨脹巖的時(shí)代、分布范圍及產(chǎn)出形式

根據(jù)勘察資料表明,膨脹巖時(shí)代為白堊紀(jì),屬河流相沉積。膨脹巖分布范圍極為廣泛,包括張北縣全部、萬(wàn)全盆地、望虎臺(tái)—水關(guān)以及水泉一帶,直接裸露地表者達(dá) 13km。

膨脹巖按其產(chǎn)出形式可分為三種類(lèi)型,分別為隱伏式、包體式和裸露式。

在三種產(chǎn)出形式中,隱伏式膨脹巖在已建的公路工程和民用建筑中(路基、橋梁、涵洞)均未產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害,橋梁采取摩擦—嵌巖樁,效果良好,故工程地質(zhì)條件不屬于不良地質(zhì)。當(dāng)上部有濕陷性黃土存在時(shí),其不良地質(zhì)也僅限于濕陷性黃土,膨脹巖因埋深大,故對(duì)公路工程不產(chǎn)生不良影響。工程病害頻繁發(fā)生的地段主要集中在包體式和裸露式膨脹巖分布地段,因此是分析的重點(diǎn)。

2.2 膨脹巖的地層結(jié)構(gòu)

本區(qū)膨脹巖由強(qiáng)～中等崩解和弱膨脹巖的白堊紀(jì)系粘土質(zhì)砂巖、泥巖和砂泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖組成。這三種巖石在垂向上構(gòu)成若干韻律層,最大厚度達(dá) 579m。因各地沉積環(huán)境變化較大,因此厚度極不穩(wěn)定,因地而異。單個(gè)韻律層底部為厚約幾米至幾十米的礫巖;中部砂巖厚 0.5m至幾米;上部泥巖厚幾米至幾十米。因受沉積過(guò)程中水流沖刷的影響,某些韻律的層序往往不全,上部的泥巖和中部的砂巖常具缺失現(xiàn)象,且在層面間常見(jiàn)沖溝和剝蝕現(xiàn)象。

3 膨脹巖的物理性能

膨脹巖普遍具有吸水性強(qiáng)、干燥致密堅(jiān)硬、遇水膨脹崩解和干涸收縮的物理性能。膨脹巖的物理性能取決于組成巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、成因類(lèi)型及其外界條件下的變化程度,對(duì)本區(qū)沉積類(lèi)型的膨脹性砂巖、礫巖和泥巖而言,前兩者中膠結(jié)物的成分及含量,后者粘土礦物的含量、巖石的含水量及風(fēng)化程度是影響物理性能的決定性因素。

粘土礦物主要為蒙脫石、伊利石和高嶺石,三種礦物的比表面積、陽(yáng)離子交換能力、膨脹率以及親水性以蒙脫石最大和最強(qiáng),次為伊利石,而高嶺石最小且親水性不強(qiáng)烈。但晶格層組間的結(jié)合力正好相反。這說(shuō)明在膨脹巖中影響其物理性能的決定性礦物為蒙脫石,次為伊利石,而高嶺石即使出現(xiàn),影響也相對(duì)較小。有關(guān)膨脹土的研究結(jié)果表明,當(dāng)其內(nèi)蒙脫石有效含量達(dá) 70%以上時(shí),即會(huì)對(duì)土的脹縮特性產(chǎn)生明顯影響,且隨著蒙脫石含量的增大,線(xiàn)脹縮總率也愈大,建筑物的損壞程度相應(yīng)增大。對(duì)于膨脹巖而言,這一規(guī)律同樣適用。

3.1 影響本區(qū)膨脹巖物理性能的主要因素

1)礦物組成。本區(qū)膨脹性砂巖中砂巖和泥巖,其主要礦物組成為石英 +鉀長(zhǎng)石 +鈉長(zhǎng)石,含量 60.24%～73.31%,這些礦物均屬于穩(wěn)性礦物,因此即使浸于水中,也不會(huì)呈其塑性,礦物本身的強(qiáng)度也不會(huì)降低。唯所含粘土礦物(蒙脫石、伊利巖和高嶺石)不同,雖然它們含量?jī)H為 18.65%～43.79%,但由于它們具有吸水性強(qiáng)、遇水膨脹、干涸收縮以及遇水軟化等性能,因此成為主導(dǎo)該巖類(lèi)物理性能的決定因素。

2)水的因素。本區(qū)新鮮膨脹巖的含水量為 0.5%～2.95%,平均 2.18%;泥巖為 1.89%～5.64%,平均 3.16%。在此條件下,巖石致密,其堅(jiān)硬程度與泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖和一般泥巖雷同,由之構(gòu)成的邊坡是穩(wěn)定的,即使構(gòu)成路基,承載力也能滿(mǎn)足工程的要求。但一旦遇水浸泡,則會(huì)迅速崩解,并引起一系列物理性能的相應(yīng)變化,導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。取150mm長(zhǎng),直徑 87mm的膨脹性泥巖巖芯浸入水中,8′20″后巖芯殘余長(zhǎng)度為 85mm;10′08″后殘余長(zhǎng)度僅剩 20mm。之后崩解速度顯著減慢,巖芯開(kāi)始破裂,產(chǎn)生裂隙,4 h后殘余長(zhǎng)度已不再減小,崩解物粉泥質(zhì)呈流體態(tài),此時(shí)膨脹巖實(shí)際上已與飽和的膨脹土毫無(wú)區(qū)別。因此在不同含水條件下,膨脹巖的物理性能也互不相同。在浸水條件下,水可使巖石轉(zhuǎn)變?yōu)橥?這是該巖類(lèi)與其他巖石的最大區(qū)別。

3.2 本區(qū)膨脹巖物理性能

1)吸水性。強(qiáng)吸水性是本區(qū)膨脹巖重要的物理性能之一。膨脹性砂巖、礫巖膠結(jié)物和泥巖的吸水率,其中砂巖天然含水量為 2.23%～14.25%,干燥巖塊飽和吸水率為 9.30%～47.73%,后者較原巖天然含水量提高了 2.38倍 ～4.25倍;泥巖天然含水量為6.45%～16.91%,干燥巖塊的飽和吸水率為 16.75%～47.85%,后者較原巖天然含水量增大 2.83倍～5.47倍。伴隨著含水量的增加,原巖的物理性能也隨之變化,崩解性就是這種變化的重要特征之一。

2)崩解性。在干燥條件下,以粘土質(zhì)膠結(jié)的砂巖和礫巖以及成凝聚狀態(tài)的泥巖,其內(nèi)聚力足以使巖石呈致密堅(jiān)固狀,并具有足夠的強(qiáng)度承載構(gòu)造物。但一旦遇水浸泡,則砂巖和礫巖的粘土質(zhì)礦物由于強(qiáng)烈吸水,導(dǎo)致了該類(lèi)礦物的軟化和顆粒分離,抑或呈其流體狀,于是被膠結(jié)的砂粒也會(huì)隨之分散,最終使堅(jiān)硬的巖塊變成疏松的砂泥質(zhì)土。泥巖也同樣如此。測(cè)試結(jié)果表明,本區(qū)砂巖除個(gè)別崩解性較弱處,多具強(qiáng)崩解性,其崩解耐久性指標(biāo) Id1主要在 0%～26.29%,崩解物為砂粒。泥巖全具強(qiáng)崩解性,崩解物呈碎屑泥狀。且砂巖的飽和吸水率與其Id1呈典型的反消長(zhǎng)關(guān)系,即巖石的飽和吸水率愈大,則巖石最易崩解。

3)自由膨脹率和膨脹力。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,本區(qū)泥巖的自由膨脹率介于 26.5%～66.5%之間,平均值為 40.82%。按照膨脹土的膨脹潛勢(shì)分級(jí),其膨脹潛勢(shì)以弱為主,個(gè)別達(dá)中等。膨脹力為1.96 kPa～10.21 kPa,平均為 5.295 kPa。但對(duì)該類(lèi)膨脹巖而言,這一膨脹潛勢(shì)則不能低估,因?yàn)榕蛎泿r較為致密,故當(dāng)其粘土礦物的體積增大后,由于巖石本身的孔隙有限,所引起的災(zāi)害要比膨脹土嚴(yán)重的多,為此關(guān)于膨脹土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)不適用于膨脹巖,應(yīng)較之分級(jí)數(shù)值低。

4)巖石力學(xué)性能。本區(qū)膨脹性砂巖和泥巖的抗壓和抗拉、抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果表明,其中泥巖抗壓強(qiáng)度介于 0.4MPa～2.4MPa,平均為 1MPa;砂巖為 25.1 MPa。依照巖石強(qiáng)度劃分巖石類(lèi)別,兩者均屬軟巖。不同測(cè)試方法和測(cè)試條件下φ′(內(nèi)摩擦角)和 C′(內(nèi)聚力)的變化有區(qū)別,其中 φ值在所有條件下均變化不大,各種方法的測(cè)試結(jié)果連線(xiàn)較為平直。但C值UU法測(cè)試值遠(yuǎn)大于其他方法的測(cè)試值,因此在邊坡和滑坡等工程設(shè)計(jì)時(shí)不宜應(yīng)用。

5)垂直和水平滲透系數(shù)。本區(qū)泥巖的垂直滲透系數(shù)最大為37.32×10-5cm/s,最小為 3.94×10-5cm/s,平均為 17.68×10-5cm/s。水平滲透系數(shù)最大為 147.47×10-5cm/s,最小為 28.99×10-5cm/s,平均為 73.62×10-5cm/s。其水平滲透系數(shù)為垂直滲透系數(shù)的4.16倍。因此當(dāng)雨水滲透時(shí),所影響巖體的垂直深度遠(yuǎn)小于水平寬度,所以在區(qū)域內(nèi),泥巖通常均屬隔水層,多數(shù)滑坡的滑坡面也位于這一部位。

6)液限和塑限。膨脹巖塑限為 17.9% ～24.7%,平均21.26%。在此界限范圍內(nèi),當(dāng)山體的邊坡坡腳不受破壞時(shí),其邊坡是穩(wěn)定的,否則邊坡將會(huì)失穩(wěn),產(chǎn)生滑坡,特別是巖石的含水量達(dá) 31.6%～48.2%,即液限時(shí),則邊坡更不穩(wěn)定。因此,可依含水量 20%為界限,作為判斷邊坡穩(wěn)定與否的界限,大于該值則開(kāi)挖的邊坡屬于不穩(wěn)定邊坡,小于該值則邊坡屬半穩(wěn)定～穩(wěn)定邊坡。本區(qū)已發(fā)生的滑坡,其巖石的含水量均接近或大于液限。

7)干涸收縮性。當(dāng)飽和巖石干涸后,即產(chǎn)生收縮裂縫,從而導(dǎo)致巖石的碎裂,使其抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度下降。當(dāng)這種膨脹巖和收縮反復(fù)進(jìn)行時(shí),將促使巖石破裂程度的加劇。巖石的破裂化,又增強(qiáng)了巖石的透水性能,從而使膨脹和收縮的影響范圍逐漸加大。這些破碎的巖塊和巖屑一旦停積在邊坡之上,則容易產(chǎn)生滑動(dòng),形成滑坡。

[1] JTJ 064-98,公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[2] JTG D30-2004,公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] TB 10025-2006,鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院.張石高速公路張北—羅家洼段工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].2007.

[5] GBT 50266-1999,工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] GBJ 112-87,膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范[S].