膨胀岩的工程特性与路基工程防治途径

第２１卷第１期　兰州铁道学院学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＬＡＮＺＨＯＵ　ＲＡＩＬＷＡＹ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｔｕｒ＇￣ｓｃｉｄ１ｃ　）　Ⅷ．２１　Ｎ０１　２Ｏ０２年２月　Ｆｅｂ．２ｏ０２　文章缩号：１００１—４３７３（２００２）０１—０１１１—０４　膨胀岩的工程特性与路基工程防治途径　汤国璋　（铁道第一勘察设计院，甘肃兰州７３００００）　摘要：浅析了膨胀岩的工程特性与路基工程稿害的关系．说明了工程病害产生的原固．通过工程实地调查，分析　了传统蛄构的适应性．井提出了适用条件，指出和反证了晦胀岩路基工程防护连径　关键词：膨胀岩；路基；工程特性；调查；防护逢径　中国分类号：Ｕ２１３　１　文献标识码：Ｂ　膨胀岩是当今工程地质学和岩土力学领域中复　对表层的影响尤为严重，将导致不加防护工程产生　病害．　１．３胀缩性　杂的研究课题之一，其特殊的物理力学性质给各种　工程造成危害．在膨胀岩地区铁路路基工程中，工程　病害更是屡见不鲜．遍及数十条铁路线，十几个省　市．路基基床翻浆冒泥、侧沟挤坏、路肩外鼓、路基沉　降、边坡溜坍、滑坡，严重影响着行车安全．在南昆　线，膨胀岩工程病害尤为严重．　膨胀岩的胀缩性是指它吸水体积增大，失水收　缩的性质其胀缩性取决于粘土矿物含量、结构特征　及岩石的初始含水状态．膨胀力与初始含水状态成　反向“Ｓ　曲线变化＿２１．膨胀力的大小与膨胀率密切　相关，随着变形的增加，膨胀力急剧衰减，衰减速率　１膨胀岩的工程特性　膨胀岩是一类与水发生物理化学反应而引起岩　先陕后慢．早期变形对膨胀力的影响极大，如果支护　具有一定的变形能力，即允许一定的变形．就可降低　结构所受膨胀力．因此．结构背后的砂垫层不仅起着　排水作用，尚具有释放一定的膨胀力的作用，从而减　小结构的所受到的膨胀力．　膨胀岩地区的支挡结构须考虑膨胀力的作用　膨胀力的确定方法大多是根据含水量变化曲线演变　而来的［３３．根据以往的实测资料来分析，侧向膨胀　力在浅层近似呈抛物线变化的规律．在折减范围内，　石含水率增大、体积膨胀的岩石．具有裂隙性、湿化　性和胀缩性等特征．其表现为遇水后的膨胀性和强　度衰减特征．　Ｌ１裂隙性　膨胀岩的裂隙性是指发育的结构面纵横交锗地　将岩体切割成碎块状的特性．由于这种特性，使得　岩体强度和岩块强度相差悬殊，岩体强度降低．裂　隙给岩体中自由水提供了通道，使裂缝相互贯通。　形成深大的结构面，当结构面与边坡平行或近似平　行时，对边坡稳定极为不利，其结构面频数为４～３６　条／米…．　１．２湿化性　侧向膨胀力近似按二次抛物线计算：当深度超出折　减范围己时，膨胀力呈指数曲线递减，膨胀力可近　似按三角形计算，其简化计算公式为　ｒ　７＂２ｖ　ｌ　２　一　ｆ　厶　（ｚ≤己）　湿化是指膨胀岩遇水崩解的过程，湿化性则是　湿化过程中表现出的性质，即强度大幅度衰减的性　质．膨胀岩遇水崩解，岩石结构被破坏，强度降低．　尽管原状膨胀岩的强度差异很大，经过２－－４次干湿　循环后的强度基本接近，强度的稳定值为６～１６　ｋＰａＬ２Ｊ，强度衰减可达２０％～９９．６％．这种湿化特征　收甍日期：２００１—１２—２０　１ｌ　．　０　～（Ｚｑ＜ｚ≤ｚｏ）（１）　（ｚ＞　）　式中：Ｐ　为膨胀力，ｋＰａ；ｙ为膨胀岩容重，ｋＮ／ｍ３；　乙为最大折减深度，ｒｉｏｔ．　一些地区实测资料表明：此折减深度近似等于　怍者筒彳卜：沥国璋０９６５一），男．捌北孝感人，铁道第一勘察设计院高级工程师　维普资讯 http://www.cqvip.com

兰州铁道学院学报（自然科学敝）　第２ｌ卷　气候强烈影响深度，因此，可取气候强烈影响深度代　替最大折减深度．气候强烈影响深度可通过实测确　定．无条件时，可根据经验确定，弱中膨胀岩取１．５　－示）　表２膨胀岩原位水平挤出法剪切试验结果【　２．２　ｍ，中强膨胀岩取１＿８～２．５　ｍ；　为气候影响　深度（ｍ），可通过实测确定，经验值为：弱中膨胀岩　取３．０～４．０　ｍ，中强膨胀岩取３．５～４．５　ｍ．从理论　上分析，这一计算方法偏于安全．　１．４强度特征　膨胀岩的裂隙性、湿化性和胀缩性三项性质具　有相互作用的性质．由于裂隙的存在，自由水提供了　通道，自由水的进入使湿化加剧，岩体结构破坏，破　碎的结构面易形成连续的破坏面．对于工程设计而　言，其性质最终表现在力和位移的特征上，即强度和　膨胀特征．　膨胀岩的单轴强度多数小于１０　ＭＰａ，弹性模量　在１０３ＭＰａ数量级上，泊松效应明显．单轴压缩时．　岩石的塑性变形大于弹形变形，当压应力接近１，／２　的单轴强度时．岩石由压缩转为膨胀，且长期强度仅　由于存在尺寸效应，建议在选择强度参数时宜　采用大尺寸原位试验结果　对于铁路线长面广、相对　为单轴强度１／３左右，这对于强度参数的取值十分　重要．　分散的工程，对每个工点都进行原位测试不太可能．　所以，笔者建议展开大规模的室内外强度试验．确定　较全面准确的室内外试验结果关系，或建立我国膨　由于膨胀岩的裂隙性，使岩体强度和岩块强度　相差悬殊，室内三轴剪切试验与野外大尺寸原位剪　切结果相比，前者强度指标要高得多（见表１）　丧１南昆铁路泥岩剪切结果比较【　胀岩强度分区表．供设计时选用．　２工程调查分析　为了了解各种工程措施对膨胀岩的适应性，笔　者进行了较大规模的工程实地调查，调查范围遍及　湘桂线、集通线、焦柳线、侯月线、梅七线、广大线、荆　东线、成渝线、京九线、宝中线、灵静线、南防线、贵昆　线、南昆线等铁路工程及部分其它工程．膨胀岩地区　路基工程主要病害有基床翻浆冒泥、路肩外挤、侧沟　因为室内试验的尺寸较小，不能反映膨胀岩的　裂隙性，其试验结果仅代表岩块强度．如南昆铁路将　路基强度按室内试验结果的１／６进行折减＿３　Ｊ，在本　地区具有指导意义　挤坏、路堑边坡风化剥落、路堤沉降、边坡溜坍、滑　坡，其中基床翻浆冒泥最为普遍．　２．１基床病害分析　尽管多数基床经过数次处理，但由于处理深度　不超过０．５　ｍ，处理层底部的应力普遍高于膨胀岩　的动强度，在此超强应力区形成软弱层，影响基床的　稳定性　再者处理层不能有效地隔断地表水或不能　引排地下水，形成翻浆冒泥，以至污染整个道床，使　道碴失去弹性，影响行车速度．调查中发现，南防线　Ｋ７～Ｋ８车站、南宁邕江铁路桥两端和安康车站部　分股道采用换填土处理，换填深度１．０　ｍ，经过十几　年运营，状态良好，与基床激振试验结果吻合较好．　２．２边坡加固防护的适用性　膨胀岩地区的边坡工程较多采用的是以浆砌片　此外，强度与含水状态密切相关，随着含水率增　加，强度急剧衰减，南昆线试验表明：含水率每增加　１％，膨胀岩承载力降低ｌＯ～１５　ｋＰａ，Ｃ值降低ｌ７　ｋＰａ，综合　角降低３。．因此，设计应充分考虑水对　工程稳定性的影响　从这个意义上讲，只要岩体中的　含水量变化达２％以上，很可能导致工程失稳　事实　上，无论如何设置加固防护，都无法保证岩体中的含　水量变化值不超过２％所以，加固防护都必须具有　疏导地下水的功能．不同地区膨胀岩原位水平挤出　法剪切试验结果同样证明了这种关系（如表２所　维普资讯 http://www.cqvip.com

骨架护坡＋草皮：对于路堤而言，４８例工程就有　封闭式护坡：在调查的ｌＯ例中有３例破坏，破坏　２Ｏ处失稳，成功率仅为５８．３％，说明此结构不适用于　形式为鼓胀挤出，而且失稳都发生在降雨量大于　路堤边坡．对于路堑边坡而言，从调查的１１７例工程　１　２００　ｍｍ地区，说明当降雨量较大时，单一的封闭式　看，成功率为７６．９％，表明此结构对路堑边坡有一定　护坡不适应．这种形式虽然可以起到一定的保湿防渗　的适用性　从现场调查分析，在降雨量较大地区（大于　作用，但不利于地下水的疏导，边坡岩体的膨胀容易　１　２００　ｍｍ）．由于骨架的设置改变了坡面水的流动路　引起防护结构开裂。出现胀缩恶性循环，直至边坡失　封闭式护坡适用于无地下水的弱中膨胀岩　径，坡面水在翻越骨架时形成跌水，对下方造成局部　稳．因此，冲刷，方格骨架节点的下角冲刷尤其严重；这些局部　地区．当降雨量较大时或有地下水时．应同时设置疏　冲刷点很快又成为水进人边坡的人口，这种冲刷的结　导地下水的措施．　果不是掏空骨架下方，使骨架折断，或造成边坡坍滑，　支撑渗淘：调查的６９例中，２例出现病害，病害　而且，大部分破坏的是方格骨架．拱形骨架有较好的　的表现形式是渗淘之间的土体溜坍．说明在降雨量较　适应性，因为拱形骨架的结构特征和受力条件以及支　大的中强膨胀岩地区还须加设横向拱形支撑．　撑效果都较方格骨架好得多．从调查结果看，骨架护　坡不宜用于降雨量大于１　５００ＩＴＩＴＩ的地区．　挡土墙或抗滑桩：调查的５６例挡土墙中５例破　环．从破坏的机理来分析，大多数是由于基础埋深不　植物防护：调查的２４９例路堤边坡中５２例失稳，　够，或设计时膨胀力考虑不足，或参数选择不当．如侧　没有　成功率７９．１％；８例路堑边坡全部完好，这些边坡高　压力按库仑理论计算而综合内摩擦角取值过高．或仅按增大库仑土压力５０％　度均低于６　ｍ．在膨胀岩地区用于边坡防护的植物，　考虑水对强度的影响；应是根系发达而树冠较小的类型，以尽可能减小岩体　考虑膨胀力等．在调查的案例中，有很多工程虽经过　中含水率的变化．虽然发达的根系在坡面表层可形成　数次整治，但边坡并束稳定，最后不得不采用抗滑桩，　加筋体，增加表层的稳定性，且植物防护能承受或释　问题才得以解决．南昆铁路修建后期，由于汲取了前　放膨胀力。但由于降雨仍可从坡面渗入，从而使岩体　期的教训．大量采用了边坡预加固措施，成功地解决　强度下降．南昆线的气候强烈影响深度为２．０～２．５　了膨胀岩地区较高边坡支护问题．无论在经济还是技　ｍ，湿化层厚度为０．４－－０．６ｍ，边坡失稳时的内摩擦　术方面．膨胀岩地区的边坡预加固都是可行的．　角为８。～１２。，换算坡率为１：７～１：２．７５，设计坡均陡　工程实例分析表明：所有的工程失稳均由水引　于１：２．５，因此，边坡岩体含水率的增大，增加了边坡　起，绝大多数都是对水的处理不合理．对于膨胀岩的　稳定的危险性．所以，植物防护主要用于辅助防治边　性质而言，这些失稳的结构多数功能单一，只能适应　坡浅层变形．　于膨胀岩的某种性质，没有考虑膨胀岩的多种性质的　维普资讯 http://www.cqvip.com

ｌ１４　兰州铁道学院学报（自然科学版）　第２１卷　共同作用．　标，应通过原位测试确定．无条件时，力学指标可采用　经验数值，作为设计依据．　表４睁胀岩力学指标经验裹　３路基工程防护途径　３．１路基基床处理　根据试验和工程实践，基床处理应符合：（１）基床　处理深度为：路堤路肩以下１．０～１　２　ｍ，弱膨胀岩　１．０ｍ，中强膨胀岩１．２　ｍ；路堑路肩以下０．８～１　２　设计荷载取库仑土压力与膨胀力之和或按滑动　ｍ　弱膨胀岩０．８　ｍ，中膨胀岩１．０　ｍ，强膨胀岩１．２　　ｍ基床处理宽度为路基面宽度．（２）基床处理措施应　荷载中较大者．具有截流地表水，疏导地下水的功能．　４结论　３．２边坡加固与防护　１）膨胀岩具有裂隙性、湿化性和膨胀性，其三性　边坡防护加固的原则应为加固坡脚与坡面防护　使其强度降低，设计时应充分考虑．　并举，保湿防渗措施和疏导地下水措施并举，即深层　相互作用，稳定和浅层破坏同时考虑．边坡宜采用预加固措施；　２）膨胀岩路基工程措施须符合截流地表水，疏导　地下水，加固土体的原则．　边坡防护应按其适用条件合理选用．　３）膨胀岩路基基床病害是由于处理深度不足引　植物防护：边坡坡面满铺草皮或种灌术，主要用　起，因此，基床处理深度应适当加深．　于辅助肪止边坡浅层变形　骨架护坡：常用拱形或方格形骨架，拱形骨架格　４）传统的加固防护结构有一定的适用条件，为减　边坡宜采用预加固措施．　内坡面应及时铺草皮　方格骨架内坡面宜采用干砌片　少工程病害，５）建议进行太规模的室内外强度试验，全面准确　石防护，骨架嵌入坡面不少于０．５　ｍ，适用于降雨量　地确定尺寸效应，并建立膨胀岩强度分区表，为工程　较小的弱中膨胀岩地区．　　边坡支撑渗沟：适用于路堑边坡中有地下水，或　设计提供依据．分类等级属中强的膨胀岩路堤边坡．　封闭式防护：适用于弱、中膨胀岩且无地下水，年　［１］蒋忠信．百色盆地膨胀岩特性的试验研究［Ｊ］中国地质　降雨量小于１　２００　ｎＬｒｎ的路堑边坡　灾害与防治学报，１９９５，（６）：２５—３４．　挡土墙或抗滑桩加固边坡：挡土墙墙背的反滤层　［２］王小军．膨胀岩的工程特性及判别标准与分类［ｚ３铁　或垫层宜适当加厚，基础宜埋置深度应太于气候影响　参考文献　深度，挡土墙基础的埋置深度不宜小于２　ｍ，抗滑桩　［３］蒋忠信．百色盆地膨胀岩强度试验条件效应的研究［Ｊ］　埋深度不宜小于４　ｍ，边坡侧压力计算时的力学指　中国地质灾害与防治学报，１９９５，（６）：４２—５０　道部科学研究院西北分院等　１９９５　Ｔｈｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｏｆ　Ｓｗｅｌｌｉｎｇ　Ｒｏｃｋ　ａｎｄ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｓｕｌ￣ｒａｄｅ　Ｔａｎｇ　Ｇｕｏｚｈａｎｇ　（　ｅ￣３ｒｓｔ　Ｓｕｒｖｅｙ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｋｔｕｔｅ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ．Ｌｗｈ口ｕ　７３００００，ｃ　）　Ａｉｏｓｌｒａｅｌ：Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｏｆ　ｓｗｄｌｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｏｆ　ＳＵｂｇｒａｄｅ［ｔｒｅ　ａｌｉａ．　１ｙｚｘｘｔ・Ｔｈｅ　ｌｅａ￣ｏｎ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｄｉｓａｓｔｅｒ　ｉｓ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ．Ｔｈｅ　ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｅｎｄｉｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｒａｉｓｅｄ　ｂｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｇ　ｓｉｎｔｅ　ｓｕｒｖｅｙＦｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｇ　ｎ．ｍ￣ｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｓｕｂｇｒａｄｅ　ｏｆ　ｓｗｅｌｌｉｇ　ｒｎｏｃｋ　ａｌｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｗｅｌｌｉｇ　ｒｏｃｋ；ｓｕｂｇｒａｄｅ；ｅｎｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ；ｓｕｒｖｅｙ；ｐｒｅｖｅｎｔｉｇ　ｍｅｔｎｈｏｄ