甘肅慶陽N2cr紅黏土崩解特性研究

謝騰飛

摘要：銀（川）-西（安）高鐵下穿甘肅慶陽地區(qū)董志塬，該黃土塬區(qū)下層普遍發(fā)育了一層15～40m的新近紀(jì)上新統(tǒng)紅黏土。為了研究其物理、力學(xué)性質(zhì)及崩解特性，為隧道施工快速判定圍巖強(qiáng)度提供依據(jù)，通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲得基本物理、力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行浸水崩解試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：該層紅黏土浸水崩解初期體現(xiàn)出黃土崩解特性，5d后體現(xiàn)出泥巖的崩解特性，崩解過程趨于收斂。

Abstract： The Yin （Chuan）-West （An） high-speed railway was worn by Dong Zhiwei in the Qingyang area of Gansu Province. A layer of 15 to 40 m Neogene Pliocene red clay was generally developed in the lower part of the loess area. In order to study its physical， mechanical properties and disintegration characteristics， it provides a basis for the rapid determination of surrounding rock strength in tunnel construction. The basic physical and mechanical parameters are obtained through laboratory experiments， and the water immersion disintegration test is carried out. The results show that the disintegration characteristics of loess in the early stage of water-disintegration of red clay show the disintegration characteristics of mudstone after 5 days， and the disintegration process tends to converge.

關(guān)鍵詞：紅黏土;力學(xué)特性;崩解特性

Key words： red clay;mechanical properties;disintegration characteristics

中圖分類號：0TU41? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0248-02

0? 引言

慶陽隧道是銀（川）-西（安）穿越董志塬地區(qū)的重要隧道之一。隧道起訖里程：DK259+340～DK273+255全長13.915km，其中大部穿越新近紀(jì)上新統(tǒng)紅黏土地層，隧道最大埋深約248m，該地層沉積時間長、有部分成巖作用的同時具有土體的特征。

本文通過對紅黏土地質(zhì)特性、基本物理、力學(xué)性質(zhì)及其浸水崩解過程，可以給隧道施工提供參考依據(jù)。

1? 地質(zhì)特性分析

紅層是由李四光提出的一種特殊地層的統(tǒng)稱，主要指三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、古近紀(jì)形成的，根據(jù)其成因不同，紅層分為原生紅層與次生紅層。紅層在我國大部地區(qū)廣泛分布，形成年代以中生代為主。

慶陽地區(qū)白堊系砂巖層上覆大于30m厚紅黏土（N2Cr），其顏色介于黃褐色與紅棕色之間，局部可見灰褐色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，含有少量白色網(wǎng)狀鈣質(zhì)菌絲，土質(zhì)結(jié)構(gòu)極其致密，手捻有明顯顆粒感，自然含水率下可用刀具剝落表面松散體，空氣中自然風(fēng)干后硬度極大，普通切土刀無法削切制樣。根據(jù)先期地勘報(bào)告，沿線該層厚度大致為15～40m，地層埋深達(dá)280m，其細(xì)顆粒較黃土多。工程性質(zhì)與第四紀(jì)黃土有顯著區(qū)別。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 50123-1999）》進(jìn)行干燥樣的篩分實(shí)驗(yàn)，篩分結(jié)果如表1所示?？梢钥闯錾闲陆y(tǒng)紅黏土顆粒組成與黃土類似，其細(xì)顆粒占比大于黃土，根據(jù)顆粒組成情況，判別該地區(qū)紅黏土為風(fēng)成堆積后沉積形成。

2? 基本物理、力學(xué)性質(zhì)

采用烘干法測定含水率，用比重瓶法測定顆粒比重，利用液塑限聯(lián)合測定儀測定液塑限、含水率為現(xiàn)場取樣中取新鮮開挖土樣測定。測試結(jié)果如表2、表3所示。

從表中可以看出，該地層紅黏土接近飽和，孔隙率較低，密度、顆粒比重較大，單軸抗壓強(qiáng)度大，可以認(rèn)為具有部分沉積成巖的趨勢。

3? 上新統(tǒng)紅黏土崩解過程

紅黏土土樣采自慶陽隧道掌子面，取樣位置埋深240m，其中土樣下部靠近標(biāo)尺一側(cè)為開挖過程中自然破裂面，上部為取樣過程中人工破開面。

實(shí)驗(yàn)過程首先烘干土樣24h，后放入水中浸泡24h，定義為一次干濕循環(huán)。首次放入水中，土樣表面產(chǎn)生細(xì)碎粉末剝落，有1～3mm厚鱗片狀碎末與少量泥狀物，如圖1所示位置連續(xù)緩慢冒出氣泡，土體處于吸水飽和的過程，未發(fā)現(xiàn)塊狀剝落的現(xiàn)象。

持續(xù)浸泡72h，表面產(chǎn)生極細(xì)裂紋，不易辨認(rèn)，從水中取出時，土樣斷裂且明顯可看出有斷裂模式有一致性規(guī)律如圖2所示。

可以判斷在土樣增濕過程中內(nèi)部產(chǎn)生肉眼不可見的貫通裂紋。黏粒含量高，粒間黏結(jié)力大導(dǎo)致崩解速率緩慢。土樣增濕過程中罕見整塊剝落，但從水中取出的瞬間往往發(fā)生斷裂，并暴露層狀結(jié)構(gòu)如圖3所示。與層理面垂直位置為層內(nèi)斷裂。

120h后形成大小混雜的巖塊，崩解過程幾乎停滯，重復(fù)干濕循環(huán)僅見表面剝落與氣泡產(chǎn)生，未見繼續(xù)崩開的情況。其中礫塊用力手捻即碎同時形成大量泥狀物。

4? 崩解過程現(xiàn)象分析

崩解過程在土工范疇稱為濕化，即含水量增加過程中發(fā)生的土體原始塊狀碎散解體，塊粒表面剝落的現(xiàn)象。研究者認(rèn)為崩解過程受到黏土礦物與水間的物理化學(xué)作用影響。天然含水量、土顆粒膠結(jié)作用、自然沉積情況、土體中某些礦物成分膨脹作用都會影響增濕崩解特性。

紅黏土增濕過程中原有層間強(qiáng)度喪失，層內(nèi)結(jié)構(gòu)性退化?？梢哉J(rèn)為是部分成巖沉積物由于膠結(jié)力減弱、膨脹性礦物撐開、土顆粒間氣體協(xié)助劈裂逐漸還原為不同粒徑顆粒的漸進(jìn)過程過程。其沉積模式、膨脹性礦物含量及天然孔隙率對其崩解不同階段的崩解類型有著至關(guān)重要的作用。針對該紅黏土崩解過程可以劃分為三個階段。這三個階段中都伴隨著表層紅黏土黏質(zhì)被水溶解，干燥—增濕過程中類似黃土崩解形成泥狀、粉狀剝落的情況。

第一階段（24h、一次干濕循環(huán)）：土體表面呈現(xiàn)的的泥狀崩落與魚鱗狀剝落體與黃土遇水崩解的特性類似。

第二階段（72h、兩次干濕循環(huán)）：內(nèi)部孔隙被水填充過程中，根據(jù)氣泡冒出快慢可以認(rèn)為層間滲水速度大于層內(nèi)滲水速度，表面肉眼極難發(fā)現(xiàn)貫通裂紋，但內(nèi)部存在較大裂紋，說明在這個階段，紅黏土崩解的主導(dǎo)因素為層間黏質(zhì)減少，黏結(jié)力下降，其自身弱膨脹性對崩解過程影響不大。

第三階段（120h、三次干濕循環(huán)）：土體已沿層間薄弱面崩解完成，在取出土樣過程中發(fā)生土樣斷裂，這個現(xiàn)象說明層間黏結(jié)力已不能維持土樣基本形態(tài)。土樣發(fā)生層內(nèi)斷裂，層內(nèi)結(jié)構(gòu)面出露，說明層內(nèi)黏聚在無外力擾動的情況下仍可保持土樣形態(tài)不改變，但擾動過程中發(fā)生斷裂說明其黏聚效果已達(dá)到臨界狀態(tài)?？偟膩碚f，該層紅黏土有明顯的泥巖特征。由于膠接連接緊密且有部分成巖作用，其崩解產(chǎn)物多以塊粒為主。結(jié)合1節(jié)可以看出，該層紅黏土在顆粒分布上與黃土有著類似的特性，但蓋層固結(jié)歷史長，固結(jié)深度大，從物理指標(biāo)與崩解產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)上又體現(xiàn)出了泥巖的特性。

5? 結(jié)論

本研究屬銀西高鐵慶陽隧道所穿越地層工程性質(zhì)先期研究。通過現(xiàn)場取樣、室內(nèi)土工試驗(yàn)、圖像處理等手段，研究了該地區(qū)紅黏土的工程特性，得出以下結(jié)論：

①甘肅慶陽紅黏土屬于次生古土壤范疇，由于沉積歷史較長，<0.002顆粒占絕大部分，可從顆粒、塑性指數(shù)角度認(rèn)定為黏土，從密度、孔隙率及崩解產(chǎn)物可以認(rèn)定該層紅黏土為部分成巖作用的極硬質(zhì)土。

②浸水過程中初始崩解過程類似于黃土崩解過程。無外力擾動的情況下，層間黏聚力能維持土樣形態(tài)，層間黏聚力在無外力擾動的情況下可以維持土樣形態(tài)，崩解產(chǎn)物表面有類似泥巖崩解的明顯層狀結(jié)構(gòu)。

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