鐵路路基段差異風(fēng)化工程特性研究

馮 濤，李維克，蔡家鵬

(中鐵二院 地勘巖土公司地質(zhì)三所，成都 610031)

鐵路路基段差異風(fēng)化工程特性研究

馮 濤，李維克，蔡家鵬

(中鐵二院 地勘巖土公司地質(zhì)三所，成都 610031)

結(jié)合擬建貴廣鐵路高培二號(hào)隧道出口外路基工點(diǎn)(DK308+500～DK308+560)，對(duì)基巖(砂巖夾硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖)中的差異風(fēng)化現(xiàn)象進(jìn)行了研究。探討了差異風(fēng)化的成因、機(jī)理，工程特性及其對(duì)鐵路工程的危害，并提出了相應(yīng)的工程勘察、設(shè)計(jì)和處理措施建議，對(duì)類(lèi)似的路基工程具有一定的參考價(jià)值。

貴廣鐵路 差異風(fēng)化 工程特性 工程處理措施

礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及節(jié)理狀況不同的巖石共生在一起，在相同的條件下，它們抵抗風(fēng)化的能力不相一致。其風(fēng)化速度不等，則抗風(fēng)化能力強(qiáng)的巖石突出地表、弱者就凹入，這一現(xiàn)象稱(chēng)為差異風(fēng)化[1]。差異風(fēng)化現(xiàn)象普遍發(fā)生在含軟巖夾層的硬質(zhì)巖層或軟、硬質(zhì)巖互層中。由于軟質(zhì)巖和硬質(zhì)巖具有不同的抗風(fēng)化能力，在同等的風(fēng)化條件下，風(fēng)化程度就將不同，從而使二者形成的整體基巖層具有不均勻的工程特性[2]。如果在勘設(shè)和施工過(guò)程中不加以重視，將其作為相同的物理力學(xué)參數(shù)的均質(zhì)體來(lái)處理，將會(huì)對(duì)鐵路工程造成無(wú)法估量的損失，給鐵路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)重大安全隱患。

本文針對(duì)這一情況，結(jié)合擬建貴廣鐵路從江段高培二號(hào)隧道出口外路基(DK308+500～DK308+560)這一工程實(shí)例，匯總地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、標(biāo)貫試驗(yàn)及鉆孔取樣室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)等多項(xiàng)技術(shù)資料，綜合分析了該處差異風(fēng)化層的分布情況、地質(zhì)特征、形成機(jī)理、工程特性。進(jìn)而判定可能對(duì)路基工程產(chǎn)生的影響，提出了相應(yīng)的地質(zhì)設(shè)計(jì)意見(jiàn)及工程處理措施，并對(duì)今后相似地段的地質(zhì)勘探提出一些建議。

1 工點(diǎn)介紹

1.1 概況

擬建中的途經(jīng)貴州、廣西、廣東三省的一條高速鐵路，正線建設(shè)長(zhǎng)度833.365 km。本文所研究的路基段位于貴州省從江縣，線路里程DK308+500～DK308+560。該路基段小里程方向?yàn)楦吲喽?hào)隧道出口，線路以半挖半填方形式通過(guò)。工點(diǎn)地質(zhì)平面圖見(jiàn)圖1。

1.2 工點(diǎn)自然特征

圖1 工點(diǎn)地質(zhì)平面

測(cè)區(qū)為剝蝕中低山地貌，絕對(duì)高程200～400 m，相對(duì)高差最大達(dá)200 m，自然橫坡5°～50°。本段路基的前半段(DK308+500～DK308+530)處于溝槽中，表層為坡洪積的碎石土夾軟粉質(zhì)黏土;后半段(DK308+530～DK308+560)位于斜坡上，表層為全風(fēng)化基巖層?；鶐r為寒武系清溪組中段(∈q2)砂巖夾頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖，下段(∈q1)砂巖夾硅質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖，偶夾灰?guī)r。中段(∈q2)和下段(∈q1)巖層在溝槽內(nèi)整合接觸。

1)地質(zhì)構(gòu)造:段內(nèi)未見(jiàn)斷層構(gòu)造跡象。大部分地段被第四系覆蓋，基巖的節(jié)理、裂隙發(fā)育。

2)氣候條件:測(cè)區(qū)氣候?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)型氣候，總的特點(diǎn)為春暖潮濕，陰雨連綿;夏熱干燥，暴雨常臨;秋涼氣爽，冬冷霜降。年均氣溫16℃ ～19℃，一月最冷，最低氣溫-7.5℃，七月最熱，最高氣溫39℃;年均降水量1 600～2 200 mm，4～8月為雨季，約占全年降水量的70% ～80%。

3)水文地質(zhì):出口端地表水為溝水及水田水，水量小。地下水主要為基巖裂隙水。含水巖組為碎屑巖類(lèi)含水巖組，形成碎屑巖類(lèi)基巖裂隙水。大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給來(lái)源，經(jīng)入滲補(bǔ)給，沿著地形的自然坡向及構(gòu)造裂隙往低處滲流，于坡腳排泄于溪溝中，年水位變幅1～5 m。

2 差異風(fēng)化特征分析

2.1 飽水基巖層特征

據(jù)鉆探揭示，飽水基巖層在BDZ-308-02-4孔中埋深18.9～21.9 m，在 BDZ-308-03孔埋深 24.6～25.5 m，而 BDZ-308-02、BDZ-308-03-2孔中缺失。故表明該層以透鏡狀分布，揭示其厚度0.9～3.0 m，位于底部弱風(fēng)化帶巖層的頂部的強(qiáng)風(fēng)化層中。鉆探所揭示的全風(fēng)化飽水巖層主要成分為頁(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖，灰黑色、褐黃色夾灰黃色斑塊。巖心呈土狀，黏性較強(qiáng)，含水量較大，含水狀態(tài)似黏性土的軟塑偏硬塑狀。原生結(jié)構(gòu)已經(jīng)被破壞，局部有細(xì)微孔洞，有兩種不同顏色的粉黏粒條帶相互穿插，呈斑紋狀。手指擠壓易變形，能搓成2 mm的細(xì)條，具滑膩感。該層分布于隧道出口端外DK308+505～DK308+563段，在(4)層的強(qiáng)風(fēng)化層(W3)中以透鏡狀分布。該層局部頂板為灰?guī)r，層厚0～3 m。根據(jù)標(biāo)貫試驗(yàn)，該差異風(fēng)化層標(biāo)貫錘擊數(shù)6～8擊，近似于松軟土的錘擊數(shù)，屬Ⅱ級(jí)普通土。

2.2 差異風(fēng)化形成機(jī)理

本路基段差異風(fēng)化層主要體現(xiàn)為全風(fēng)化飽水基巖層以透鏡體形式分布于強(qiáng)風(fēng)化砂巖層中。砂巖層屬于正常碎屑巖類(lèi)，主要礦物成分為石英，含少量斜長(zhǎng)石，砂狀結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造;飽水基巖層中的頁(yè)巖屬于黏土巖類(lèi)，主要礦物成分為高嶺土、黑云母，含少量綠泥石及其他黏土礦物。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄層狀、頁(yè)理構(gòu)造[3]。根據(jù)鮑文反應(yīng)原理，礦物抗風(fēng)化能力如圖2。

圖2 礦物抗風(fēng)化能力系列

從圖2可以看出，石英抗風(fēng)化能力極強(qiáng)，而黑云母抗風(fēng)化能力較弱，比石英要弱三個(gè)級(jí)別，在相同的風(fēng)化條件下，以石英為主要礦物成分的砂巖不易風(fēng)化，而以黑云母為主要礦物成分的頁(yè)巖則較易風(fēng)化(頁(yè)巖中的高嶺土、綠泥石等黏土礦物本身就是長(zhǎng)石、云母等的風(fēng)化產(chǎn)物)。

本地段地表水、地下水較為發(fā)育，入滲到基巖層中，砂巖為透水巖層，水滲透至頁(yè)巖層中，頁(yè)巖遇水易風(fēng)化崩解，形成飽水的相對(duì)隔水層。在該風(fēng)化條件下，砂巖層風(fēng)化較弱，而頁(yè)巖則風(fēng)化成以高嶺土、綠泥石、絹云母為主要礦物成分的土狀巖層，形成差異風(fēng)化明顯的復(fù)合巖層。

同時(shí)，風(fēng)化作用的進(jìn)行將使頁(yè)巖層的微結(jié)構(gòu)單元間的連接力大大減弱，結(jié)構(gòu)愈加松散，受力變形變大，更易發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。與此同時(shí)，由于砂巖層為透水巖層，水對(duì)砂巖的風(fēng)化影響較小，而石英抗風(fēng)化能力極強(qiáng)，風(fēng)化程度微弱，砂巖層的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等改變很小。

2.3 差異風(fēng)化層工程特性

孫廣忠[4]教授指出，“巖體力學(xué)性質(zhì)決定于組成巖體結(jié)構(gòu)單元及其組合、排列特征，即結(jié)構(gòu)特征。巖體變形不僅是材料變形，而許多情況下是結(jié)構(gòu)變形，巖體破壞也不僅是材料破壞，而且許多情況下是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)”。具體而言，影響巖體強(qiáng)度的因素主要包括兩個(gè)方面:巖石性質(zhì)和外載荷的加載條件、溫度、濕度等。巖石性質(zhì)包括組成巖石的礦物成分、巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造、微結(jié)構(gòu)面等。其中，巖石性質(zhì)是決定巖石強(qiáng)度的最本質(zhì)的內(nèi)在因素[5]。

由2.2的分析可知，在相同的風(fēng)化條件下，砂巖層的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征沒(méi)有明顯改變，力學(xué)性能改變很小。而頁(yè)巖層的礦物成分變成了以高嶺石、絹云母、綠泥石等片狀黏土礦物為主，微裂隙增加，結(jié)構(gòu)變得更加松散，在荷載作用下變形增加，更易發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞，沉降量將大大增加。因此，頁(yè)巖層的力學(xué)性能將大大差于砂巖層，二者形成的差異風(fēng)化層的整體力學(xué)性能具有嚴(yán)重的不均勻性。

通過(guò)對(duì)鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，得到路基段各巖土層物理力學(xué)參數(shù)表如表1。由表1看出，飽水全風(fēng)化層(5)的重度及黏聚力略低于第(4)層的全風(fēng)化層(W4)，而內(nèi)摩擦角、基本承載力、基地摩擦系數(shù)及樁周土極限摩擦力均遠(yuǎn)低于第(4)層的全風(fēng)化層(W4)。這表明，飽水基巖全風(fēng)化層(5)的力學(xué)參數(shù)遠(yuǎn)低于第(4)層的全風(fēng)化層，主要力學(xué)參數(shù)指標(biāo)更低于第(4)層的強(qiáng)風(fēng)化層(W3)及弱風(fēng)化層(W2)，而且還要略低于坡殘積的粉質(zhì)黏土層。由于第(5)層以透鏡體形式分布于第(4)層的強(qiáng)風(fēng)化層中，因此使二者形成的整體基巖層具有明顯的力學(xué)和工程特性的不均勻性。

2.4 差異風(fēng)化對(duì)工程的影響

飽水巖層以透鏡體形式分布于第(4)層及寒武系清溪組下段強(qiáng)風(fēng)化(W3)砂巖層中，埋深為 18.9～25.2 m。透鏡體中部差異風(fēng)化層較厚，兩端較薄直至尖滅。在鐵路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的荷載作用下，飽水基巖層中部變形沉降將較大，往兩側(cè)發(fā)展逐步減小。路基段將產(chǎn)生不均勻沉降，從而使路基面出現(xiàn)沉降開(kāi)裂，嚴(yán)重影響到路基巖土的受力平衡條件，并可能成為鐵路運(yùn)行的安全隱患，如不及時(shí)處理，可能造成重大損失。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)表

3 工程處理措施

由上述分析可知，在相同的風(fēng)化條件下，飽水巖層的力學(xué)性能大大低于砂巖層，二者形成的差異風(fēng)化層具有嚴(yán)重的不均勻性。在鐵路荷載的作用下，將使路基段產(chǎn)生不均勻沉降或剪切破壞，因此，必須采取合理的工程處理措施。鐵路工程對(duì)軟弱層的處理方法主要有換填、強(qiáng)夯加固、化學(xué)加固、預(yù)壓加固、注漿加固、設(shè)樁加固等，各種處理措施均有其適用范圍，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件選用。

本文所針對(duì)的路基軟弱下臥層，主要是由于差異風(fēng)化形成，地表水及地下水通過(guò)透水層(砂巖層)下滲至隔水層(頁(yè)巖層)，在頁(yè)巖層形成飽水帶。由于該層埋深較大(18.9～25.5 m)，綜合考慮地質(zhì)條件、工程造價(jià)、施工難度等因素，建議采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理，并加強(qiáng)地下水的引排疏干。

高壓噴射注漿是靠其噴嘴以很高的壓力噴射出能量大、速度快的漿液，當(dāng)它連續(xù)和集中的作用于土體上時(shí)，壓應(yīng)力和沖蝕等多種因素便在很小的區(qū)域產(chǎn)生效應(yīng)。對(duì)粒徑很小的細(xì)土粒到含有粒徑較大的卵石、碎石土，均有巨大的沖擊和攪拌作用，使注入的漿液和土拌合凝固為新的固結(jié)體。通過(guò)專(zhuān)用的施工機(jī)械，在土中形成一定直徑的樁體，與樁間土形成復(fù)合地基承擔(dān)基礎(chǔ)傳來(lái)的荷載，可提高地基承載力和改善地基變形特征[6]。

4 工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)建議

1)首先應(yīng)展開(kāi)區(qū)域地質(zhì)資料的收集和詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)繪，充分了解測(cè)段的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)以及特殊巖土等地質(zhì)情況，以及氣候條件和水文條件。

2)在沿線路中線和線路橫斷面方向，結(jié)合地質(zhì)條件布置適量的鉆孔，多方位、多層次、立體性的把握地下巖土體的層厚和變化情況，繪制縱、橫斷面圖。

3)對(duì)飽水基巖層進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)，獲取不擾動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

4)鉆孔內(nèi)取樣，進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，獲取詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5)結(jié)合地質(zhì)調(diào)繪、鉆探、標(biāo)貫試驗(yàn)、孔內(nèi)取樣室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果，綜合分析差異風(fēng)化層的形成機(jī)理、工程特性、變形破壞特征，在此基礎(chǔ)上，分析其對(duì)工程的影響，并提出相應(yīng)的工程處理措施意見(jiàn)。

5 結(jié)論

本文結(jié)合從江段路基工點(diǎn)，在完成詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)繪、開(kāi)展鉆探、標(biāo)貫試驗(yàn)、孔內(nèi)取樣試驗(yàn)等工作基礎(chǔ)上，綜合分析了該路基段差異風(fēng)化層的地質(zhì)特征、形成機(jī)理、工程特性及變形破壞機(jī)理，判明了下臥透鏡狀飽水軟層的不良力學(xué)性質(zhì)和所存在的工程地質(zhì)危害。在綜合考慮地質(zhì)條件、工程造價(jià)、處理難度等前提下，建議采用高壓旋噴樁、加強(qiáng)引排地下水等工程處理措施。對(duì)類(lèi)似情況的路基工程開(kāi)展勘察、設(shè)計(jì)及施工具有一定的參考價(jià)值。

[1]夏邦棟.普通地質(zhì)學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社，1995.

[2]北京大學(xué)等六校.地貌學(xué)[M].北京:人民教育出版社，1979.

[3]鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2002.

[4]孫廣忠.巖體力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社，1983.

[5]謝和平，陳忠輝.巖石力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

[6]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ—792002 建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

U213.1;P512.1

B

1003-1995(2010)04-0076-03

2009-10-21;

2009-12-30

馮濤(1978— )，男，湖北麻城人，工程師，博士。

(責(zé)任審編 趙其文)