成都鐵路樞紐區(qū)黏土的工程特性分析

王勁光，陳建發(fā)

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

成都黏土廣泛分布于成都平原內(nèi)，隨工程實(shí)踐的深入，對(duì)成都黏土的工程地質(zhì)特性認(rèn)識(shí)越來越深刻[1-2]。成都黏土為風(fēng)成產(chǎn)物，不同地區(qū)宏觀特征基本相近，微觀構(gòu)成略有差異。據(jù)工程試驗(yàn)，羅筱青總結(jié)了成都黏土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)范圍[3]。張羅致、付光強(qiáng)、徐漢斌等對(duì)成都黏土在路塹、基坑邊坡防護(hù)工程中的膨脹性有了一定程度的揭識(shí)[4-6]。成都黏土裂隙壁處含蒙脫石、伊利石較多，具有較高的孔隙比以及較弱的粒間聯(lián)結(jié)力[7]。目前對(duì)成都黏土裂隙特性工程影響的宏觀分析還存在一定不足。本文，以成都鐵路樞紐區(qū)成都黏土試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)，分析了成都黏土物質(zhì)組成、力學(xué)參數(shù)的特點(diǎn)及與含水率的關(guān)系、成都黏土膨脹性指標(biāo)內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，總結(jié)了成都黏土膨脹性、裂隙性特征。成都黏土為成都鐵路樞紐區(qū)典型地層，屬第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積層黏土，土質(zhì)均勻，黏性較強(qiáng);主要分布于鐵路樞紐區(qū)第四系全新統(tǒng)沖洪積層、坡洪積層、人工棄填土層與中更新統(tǒng)冰水—流水堆積層之間，多呈層狀連續(xù)分布，一般厚3～10 m，局部厚度＞20 m。

1 成都黏土的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)

1.1 微觀構(gòu)成

成都黏土，以黏粒為主，約占60% ～75%，粉粒約為25% ～35%，另夾少許鐵質(zhì)及鈣質(zhì)顆粒(結(jié)核)，顆粒粒徑一般介于2～50 mm，含量約為2% ～5%。成都黏土的礦物成分以強(qiáng)親水礦物(伊利石、蒙脫石)為主，含少許石英、長(zhǎng)石、綠泥石、白云母、透閃石等。其中，條帶狀或團(tuán)狀灰白色黏土內(nèi)富含較多蒙脫石、伊利石等親水物質(zhì)。

1.2 層次結(jié)構(gòu)

上部顏色較暗，以淺灰、淺褐為輔色，多呈灰黃色、褐黃色，土質(zhì)較均勻，夾強(qiáng)～全風(fēng)化鐵錳質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)核顆粒(如圖1)。鐵錳質(zhì)結(jié)核，灰黑色、黑色，多呈豆?fàn)?、塊狀，粒徑一般1～3 mm;鈣質(zhì)結(jié)核，灰白色、白色，多呈棗狀，結(jié)核粒徑一般5～50 mm。土質(zhì)黏性較強(qiáng)，硬塑狀，裂隙不甚發(fā)育。

圖1 鐵錳質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)核

中部顏色較新鮮，呈棕黃色、黃色，夾灰白色條帶或團(tuán)塊，土質(zhì)純正，結(jié)核分布上多下少。黏性強(qiáng)，硬塑狀，局部零星呈軟塑狀。裂隙主要沿灰白色黏土與母體黏土接觸面發(fā)育，裂面光滑，網(wǎng)狀展布(如圖2)。

圖2 網(wǎng)狀裂隙

下部以棕紅為輔色，多為紅黃色，夾灰白色網(wǎng)格或團(tuán)塊，土質(zhì)均勻、純正，無明顯結(jié)核分布，黏性強(qiáng)，硬塑狀，裂隙發(fā)育。

受風(fēng)化作用影響，成都黏土往往隨埋置深度的增加，顏色由灰黃色、淺黃色、黃色，向紅黃色過渡，顏色由暗變亮，土質(zhì)漸純，層次結(jié)構(gòu)隨區(qū)段略有變化。基于沉積微環(huán)境及堆積物成分的差異性，成都黏土結(jié)核類型及空間分布略有差別，裂隙空間展布特點(diǎn)也不盡相同。

2 成都黏土工程特性

成都黏土層次結(jié)構(gòu)上無明顯工程地質(zhì)特征差別。

2.1 物理力學(xué)指標(biāo)的離散性

據(jù)140組不同深度處原狀土樣試驗(yàn)資料(見表1)分析，成都黏土物理參數(shù)變化幅度大，力學(xué)參數(shù)離散性強(qiáng)。其中，天然快剪黏聚力介于26.6～140 kPa，內(nèi)摩擦角介于5.7°～20.9°，黏聚力及內(nèi)摩擦角變異系數(shù)為0.25～0.30。據(jù)巖土參數(shù)變異系數(shù)，判定變異等級(jí)屬中等～高等，見表2。

表1 成都黏土基本物理力學(xué)指標(biāo)

表2 巖土參數(shù)變異等級(jí)[8]

2.2 物質(zhì)組成與含水率的關(guān)系

成都黏土物質(zhì)組成與含水率密切相關(guān)，圖3為密度與含水率線性回歸圖。由圖3可知，密度與含水率成反向變化關(guān)系，水文地質(zhì)環(huán)境為影響成都黏土密度的重要因素。圖4為孔隙比與含水率線性回歸圖。由圖4可知，孔隙比與含水率成正相關(guān)變化趨勢(shì)。圖5為含水率與自由膨脹率二項(xiàng)式回歸圖，二者大致呈拋物線關(guān)系，在含水率小于極限值范圍內(nèi)，隨含水率的增加，膨脹性增強(qiáng)。因此，成都黏土含水率越大，密度越小，孔隙比越大，膨脹性越強(qiáng)。這是因?yàn)槌啥拣ね劣H水物質(zhì)含量相對(duì)較高的緣故。

圖3 密度與含水率線性回歸

圖4 孔隙比與含水率線性回歸

圖5 自由膨脹率與含水率二項(xiàng)式回歸

2.3 力學(xué)參數(shù)與含水率的關(guān)系

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，天然快剪黏聚力、內(nèi)摩擦角與含水率成反向變化，隨含水率的增加，天然快剪黏聚力、內(nèi)摩擦角減小，展現(xiàn)出成都黏土吸水軟化，強(qiáng)度衰減的特性。

在液性指數(shù)0～0.25范圍內(nèi)，成都黏土黏聚力較強(qiáng)，黏聚力為一般黏土的1.3倍;隨含水率的增加，力學(xué)參數(shù)較一般黏性土降低較快，在液性指數(shù)0.25～0.50范圍內(nèi)，力學(xué)參數(shù)為一般黏土的0.88～0.57倍。見表 3、表 4。

表3 黏性土力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值[9-10]

表4 成都黏土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值與一般黏土經(jīng)驗(yàn)值的比值

由表3和表4可見，隨含水率的增大，成都黏土無論自身縱向?qū)Ρ?，還是與一般黏土橫向?qū)φ?，其?qiáng)度都表現(xiàn)出快速下降的特點(diǎn)。

2.4 膨脹性及膨脹土指標(biāo)

據(jù)全線134組土樣試驗(yàn)資料，陽離子交換量CEC(NH+4)=170.0～409.5 mmol/kg;蒙脫石含量M=7.59% ～28.34%;自由膨脹率Fs=37% ～82%。134組試樣中有83組為弱膨脹土，50組為中等膨脹土，1組為強(qiáng)膨脹土。結(jié)合野外地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)綜合分析，成都鐵路樞紐區(qū)成都黏土屬弱～中等膨脹土。

圖6、圖7、圖8分別為蒙脫石含量與陽離子交換量線性回歸圖、蒙脫石含量與自由膨脹率線性回歸圖、陽離子交換量與自由膨脹率線性回歸圖。由圖6可知，蒙脫石含量與陽離子交換量線性回歸函數(shù)擬合較好?；貧w函數(shù)為y=－8.5+0.096x。其中，y為蒙脫石含量，%;x為陽離子交換量，mmol/kg。由圖7和圖8可見，成都黏土隨蒙脫石含量與陽離子交換量的增加，自由膨脹率有增大趨勢(shì)。

圖6 蒙脫石含量與陽離子交換量線性回歸

圖7 蒙脫石含量與自由膨脹率線性回歸

圖8 陽離子交換量與自由膨脹率線性回歸

表5 膨脹土的詳判指標(biāo)

表6 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)

表5、表6分別為膨脹土的詳判指標(biāo)、膨脹土的膨脹潛勢(shì)分級(jí)。根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》[11]，當(dāng)土質(zhì)符合表5中任意2項(xiàng)以上指標(biāo)時(shí)，應(yīng)判定為膨脹土;當(dāng)土質(zhì)符合表6中一列任意2項(xiàng)以上指標(biāo)時(shí)，即判定為該等級(jí)。表7為據(jù)蒙脫石含量與陽離子交換量回歸方程演算的對(duì)應(yīng)值。判定成都黏土是否為膨脹土?xí)r，當(dāng)條件滿足陽離子交換量，蒙脫石含量M≥7%就失去意義;判定成都黏土膨脹潛勢(shì)等級(jí)時(shí)，當(dāng) 17%≤M＜27%，M≥27%，相應(yīng) 260≤時(shí)條件失效。因此據(jù)現(xiàn)行鐵路勘察規(guī)程判定成都黏土的膨脹性、膨脹潛勢(shì)存在局限性。

表7 成都黏土蒙脫石含量與陽離子交換量對(duì)應(yīng)值

2.5 裂隙性

不同區(qū)段的成都黏土，裂隙發(fā)育程度略有不同，成都黏土中下部裂隙發(fā)育，裂隙呈網(wǎng)格狀展布，規(guī)模大小懸殊，數(shù)厘米至數(shù)米不等，裂隙面形態(tài)各異，裂隙間距數(shù)厘米乃至數(shù)十厘數(shù)，裂隙側(cè)壁多為灰白色富含強(qiáng)親水性礦物黏土，吸水后強(qiáng)度顯著降低，水分散失不及時(shí)，裂隙面往往發(fā)展為貫通性軟弱結(jié)構(gòu)面，控制著土體強(qiáng)度。成都樞紐區(qū)路塹、基坑邊坡往往由于大氣降雨、地表水沿黏土裂隙下滲，引起土體膨脹軟化，繼而邊坡沿裂隙面或軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，形成淺表層溜坍或深層土質(zhì)滑坡，見圖9、圖10。

圖9 成都黏土邊坡沿裂隙面溜坍現(xiàn)象

圖10 邊坡沿裂隙面滑動(dòng)

3 結(jié)論與建議

因微沉積環(huán)境的差異，不同區(qū)段成都黏土物質(zhì)組成略有不同，成都黏土物理力學(xué)指標(biāo)離散性較強(qiáng)。成都黏土物理力學(xué)參數(shù)與含水率多呈線性相關(guān)。成都黏土富含強(qiáng)親水性礦物，為弱～中等膨脹土。成都黏土蒙脫石含量與陽離子交換量密切相關(guān)，據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》分析其膨脹性、膨脹潛勢(shì)存在一定的局限性。

工程設(shè)計(jì)及施工中，各類建筑物基礎(chǔ)應(yīng)置于大氣影響急劇層深度(成都鐵路樞紐區(qū)為1.4 m)之下;膨脹土水效應(yīng)明顯，遇水強(qiáng)度降低、土體穩(wěn)定性差，應(yīng)盡量選擇在旱季施工，施工中加強(qiáng)地表水及地下水疏排措施。各類基坑、邊坡宜防護(hù)，基坑開挖后及時(shí)封閉回填，防止地表水下滲影響邊坡及基底的穩(wěn)定。膨脹土須改良處理后才能用作填料。成都黏土裂隙發(fā)育，裂隙面為工程不利軟弱結(jié)構(gòu)面，路塹、基坑邊坡應(yīng)加強(qiáng)支擋。

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