青島地區(qū)紅色泥巖工程地質(zhì)性質(zhì)及處理方案分析研究

張旭旭 李偉

收稿日期：2024-01-15

作者簡(jiǎn)介：張旭旭（1987—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：交通工程。

摘要 采用鉆探取芯并輔以地質(zhì)雷達(dá)掃描方式，分析大沽河河堤中紅色泥巖分布；通過擊實(shí)試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)和浸水試驗(yàn)等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析紅色泥巖礦物組成、物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性。采取摻加不同比例石灰改良劑消除紅色泥巖路基土的不良特性，揭示石灰改良紅色泥巖的最佳摻入比。根據(jù)紅色泥巖分布情況，采取直接上鋪筑路面結(jié)構(gòu)層、加鋪18 cm厚水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂、石灰（6%）處置路床20 cm厚表層等三種處理方案進(jìn)行改良。

關(guān)鍵詞 青島地區(qū)；紅色泥巖；工程地質(zhì)；處理方案

中圖分類號(hào) U416.16文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）09-0089-03

0 引言

青島地區(qū)的紅色泥巖作為一種特殊的工程地質(zhì)材料，在大沽河河堤等工程中得到了廣泛應(yīng)用。然而，由于其特殊的礦物組成和物理力學(xué)性質(zhì)，紅色泥巖在工程應(yīng)用中存在諸多問題，如易崩解、泥化和承載力不足等。這些問題不僅影響了工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性，還對(duì)工程的安全和壽命造成了嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)青島地區(qū)紅色泥巖的工程地質(zhì)性質(zhì)及處理方案進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。該文旨在通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和分析，深入探討紅色泥巖的礦物組成、物理力學(xué)性質(zhì)和工程特性，為解決紅色泥巖在工程應(yīng)用中存在的問題提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。同時(shí)，該文還針對(duì)不同處理方案進(jìn)行了比較和分析，以期為實(shí)際工程提供有效的解決方案。

1 工程概況

大沽河的堤頂?shù)缆纷鳛橐粭l沿河公路，利用水利堤壩作為路基，前期堤壩施工過程中因當(dāng)?shù)赝猎礂l件部分路段采用紅色泥巖作為填料填筑路床，詳見圖1所示。通過鉆探取芯（如圖2所示），對(duì)堤壩不同層位的土樣進(jìn)行含水量和干密度等實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，得到堤壩土的密實(shí)程度、稠度及土性狀況，并輔以地質(zhì)雷達(dá)掃描的點(diǎn)面結(jié)合驗(yàn)證。通過三維探地雷達(dá)的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)路堤進(jìn)行了全斷面的檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的填筑分層和薄弱區(qū)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，分析結(jié)果從宏觀上驗(yàn)證了鉆芯結(jié)果，紅色泥巖埋深自堤壩頂（路床頂）向下約0.5～3 m。

根據(jù)鉆芯取樣的結(jié)果，作為堤頂?shù)缆仿坊牡谭拦こ?，路基中上部填筑了一層砂質(zhì)泥巖層。該夾層遇水強(qiáng)度將明顯喪失，砂質(zhì)泥巖遇水崩解的特性使之不適用于路基的填筑。

采用鉆探取芯，并輔以地質(zhì)雷達(dá)掃描的點(diǎn)面結(jié)合的檢測(cè)手段，核查紅色泥巖的填筑分布情況，為處治方案選擇提供依據(jù)。

圖1 路基填筑圖2 取芯芯樣

2 紅色泥巖特性

2.1 礦物組成

紅色填筑材料為一種泥巖。這種紅色泥巖外觀上是以紅色為主色調(diào)的陸相碎屑沉積黏土。紅色泥巖由紅色礫巖、砂巖、砂礫巖、粉砂巖、砂質(zhì)頁巖和泥質(zhì)巖等交互組成，主要為泥質(zhì)膠結(jié)，少量為石膏、鈣質(zhì)和硅質(zhì)膠結(jié)。填充物或膠結(jié)物主要為氧化鐵，呈現(xiàn)紅色。

2.2 物理力學(xué)性質(zhì)

紅色泥巖的物理力學(xué)性質(zhì)為塑限低、塑性指數(shù)高和自由膨脹率大，天然狀態(tài)下的強(qiáng)度較高，擊實(shí)的最優(yōu)含水率較低。但在降水、曝曬等天氣時(shí)，易崩解破碎[1]、甚至泥化，詳見圖3所示。在雨季容易崩解甚至泥化、在旱季容易產(chǎn)生收縮變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致土體的開裂。

圖3 崩解

2.3 工程特性

青島地區(qū)的紅色泥巖破碎后性質(zhì)類似于黏土或粉質(zhì)黏土，具有微弱的膨脹性、黏粒含量較高，水穩(wěn)性、黏性差、吸水性強(qiáng)，液限不高，壓碎后屬低液限黏土類，含有大量親水性黏土礦物、泥巖結(jié)構(gòu)，親水性黏土礦物[2]、泥巖結(jié)構(gòu)浸水易于松散[3]。雜基成分和膠結(jié)物成分的強(qiáng)度決定紅色泥巖強(qiáng)度，而大量黏土雜基和鈣質(zhì)膠結(jié)物強(qiáng)度較低，極易溶蝕或軟化，導(dǎo)致紅色泥巖比一般砂巖強(qiáng)度要低。對(duì)大沽河堤頂路基的試驗(yàn)段中填筑的紅色泥巖進(jìn)行了試驗(yàn)分析，路基填料物理性狀詳見表1和表2所示。

表1 堤壩紅色泥巖基本指標(biāo)

紅色泥巖

指標(biāo) 最佳

含水量/% 最大干

密度/（g/cm3） CBR/

% 含水量/

% 自由

膨脹率/%

試驗(yàn)結(jié)果 7.8 2.16 2.6 4.3 17.0

表2 顆粒組成

顆粒尺寸/

mm <20 <10 <5 <2 <1 <0.5 <0.25 <0.075

重量

百分率/% 100 100 97.38 86.25 79.7 65.9 52 49

（1）紅層泥巖松散體的擊實(shí)試驗(yàn)表明，在最佳含水量為8.1%時(shí)可以獲得最大干密度，為1.99 g/cm3。

（2）承載比試驗(yàn)表明，壓實(shí)紅層泥巖的CBR值較低，壓實(shí)度為95%的試樣的CBR值為2.6%，低于公路下路堤強(qiáng)度的要求。

（3）自由膨脹率試驗(yàn)：根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，該紅色泥巖散體浸水后膨脹，其自由膨脹率約為17%，膨脹性遠(yuǎn)小于弱膨脹土。

（4）根據(jù)浸水試驗(yàn)的研究表明，紅色泥巖浸水之后2 h就完全崩解，強(qiáng)度接近為零。

3 工程危害

在低含水量條件下施工，無論強(qiáng)度還是穩(wěn)定性都與風(fēng)化料相似，很容易將其誤認(rèn)為是性能優(yōu)良的路基填筑材料，但紅色泥巖填筑的路基表面具有松散、揚(yáng)塵和承載力不足等缺點(diǎn)，是一種不良的路基填料。

紅色泥巖容易失水，易發(fā)生土體礦物分離、凝結(jié)復(fù)雜過程，導(dǎo)致崩解和沙化。吸水膨脹和失水崩解將導(dǎo)致路基表面松散、承載力不足。壓好路基失水，造成膨脹后的收縮，在表面層形成龜狀裂隙。碾壓成形后裸露空氣中，就會(huì)出現(xiàn)開裂、起皮和揚(yáng)塵[4]。

紅色泥巖路基邊坡處碾壓不密實(shí)，邊坡及路緣被雨水沖刷成溝，產(chǎn)生路肩滑塌及開裂[5]。

工后沉降大，易出現(xiàn)局部不均勻沉降，易產(chǎn)生邊坡坍陷和局部塌陷、沿路基縱向兩側(cè)邊緣部分開裂下沉。

孔隙率大，毛細(xì)管通道發(fā)達(dá)，地下水容易上升從而危害路基。對(duì)含水率大的紅色泥巖土，在填筑的時(shí)候常出現(xiàn)孔隙水不能迅速消散，土體隆起，形成“橡皮泥”[6]。

4 處理方案

該類土水穩(wěn)定性較差，CBR值較低，其路用性能變化較大，存在許多不利的工程特性，是一種不良的路基填料。需采取一定的處置措施改善其工程性質(zhì)，以滿足路基填料要求。處理方案主要針對(duì)中間帶隔水、路面和路床進(jìn)行處理。

4.1 中間帶隔水

完善中分帶隔和排水設(shè)置，增設(shè)防滲土工布，使?jié)B入中分帶的水盡快排出，詳見圖4所示。

4.2 路面和路床處理方案

如要根除紅色泥巖給路基帶來的危害，需將其全部挖除、換填合格的路基填料。但是，此方案需將路床范圍全部挖除，并摻灰處理或換其他填料回填后重新碾壓，工程量增加大，耗費(fèi)時(shí)間長。考慮工程投資和建設(shè)工期的限制，難以實(shí)施全部換填的方案。對(duì)紅色泥巖路段的處置應(yīng)結(jié)合紅色泥巖路基情況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及試驗(yàn)情況，路面和路床的處理采用以下三種方案進(jìn)行分段實(shí)施：

（1）在原設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)底加鋪18 cm厚的水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂（4%），增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度；可在現(xiàn)有路床基礎(chǔ)上直接施工，保證工期；并可利用現(xiàn)有設(shè)備拌和和碾壓，施工較方便。

（2）石灰（6%）處置路床20 cm的厚表層（詳見圖5所示），通過素土及改良土擊實(shí)試驗(yàn)[7]，得到最大干密度和最近含水量，制備擊實(shí)試樣，測(cè)量膨脹率，進(jìn)行承載比貫入試驗(yàn)。采用石灰改良劑可消除泥巖路基土的不良特性，大幅度提高其承載力及抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，其耐崩解性及水穩(wěn)定性也得到提高和改善，石灰對(duì)紅色泥巖的改良效果非常明顯，石灰劑量為6%的抗壓強(qiáng)度為900 kPa；石灰改良土后CBR值提高很大，石灰劑量為6%的CBR值為62%，膨脹率很小，接近為零，能改善路床性能（詳見表3）；起到隔水層作用，防止路面水下滲。通過室內(nèi)試驗(yàn)表明，無機(jī)結(jié)合料改良紅色泥巖是可行的，強(qiáng)度和施工和易性都能夠滿足施工要求。

表3 石灰改良土試驗(yàn)指標(biāo)

填料種類 最大干密度/

（g/cm3） 最佳

含水量/% CBR/

% 膨脹量/

%

紅色泥巖 1.99 13.4 2.5 12.5

4.5%水泥改良土 1.93 12.7 44 1.26

5.5%水泥改良土 1.93 12.7 47.5 0.83

6.5%水泥改良土 1.95 12.8 — —

（3）直接鋪筑路面結(jié)構(gòu)層。零填挖路段，紅色泥巖較薄，按原設(shè)計(jì)直接在其上鋪筑路面結(jié)構(gòu)層（見圖6所示），并做好中分帶的隔排水設(shè)施，不影響工期進(jìn)度，不增加投資，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在三種處理方案完成后，通過運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)管理等措施的綜合使用，延緩路基問題造成路面損壞的時(shí)間，降低道路病害程度，能在一定程度上延長路面使用壽命，對(duì)保證路面工程質(zhì)量有著積極作用。

5 結(jié)語

采用鉆探取芯和地質(zhì)雷達(dá)掃描方式，分析了大沽河堤頂路工程河堤中紅色泥巖分布，對(duì)紅色泥巖進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析，采取了三種處理方案進(jìn)行改良，得出以下結(jié)論：

（1）采用鉆探取芯，并輔以地質(zhì)雷達(dá)掃描的點(diǎn)面結(jié)合的檢測(cè)手段，核查紅色泥巖的填筑分布情況，紅色泥巖埋深自堤壩頂（路床頂）向下約0.5～3 m。

（2）通過擊實(shí)試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)、自由膨脹率試驗(yàn)和浸水試驗(yàn)等，得出：青島地區(qū)的紅色泥巖破碎后的性質(zhì)類似于黏土或粉質(zhì)黏土，具有微弱的膨脹性、黏粒含量較高，水穩(wěn)性、黏性差吸水性強(qiáng)，液限不高，壓碎后屬低液限黏土類。

（3）加鋪18 cm厚水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂處理方式，可延緩路基問題造成路面損壞的時(shí)間，降低道路病害程度，延長路面使用壽命。

（4）對(duì)紅色泥巖較薄，按原設(shè)計(jì)直接在其上鋪筑路面結(jié)構(gòu)層，并做好中分帶的隔排水設(shè)施，在不增加投資的情況下，較好地保證了工程質(zhì)量。

（5）通過擊實(shí)試驗(yàn)、膨脹率和承載比試驗(yàn)，采用石灰改良劑可消除泥巖路基土的不良特性，大幅度提高其承載力及抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，其耐崩解性及水穩(wěn)定性也得到提高和改善，充分考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)后，6%為石灰改良的最佳摻比。

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