錫二線膨脹性泥巖的工程特性及處理

左衛財

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，山東濟南 250022)

錫二線地處內蒙古自治區北部錫林郭勒盟境內，位于內蒙古高原中東部，東起錫林浩特，途經阿巴嘎旗、蘇尼特左旗，西至二連浩特，線路全長363.381 km。線路走行區域為遼闊的錫林郭勒大草原，地勢中東部高，兩端稍低，地形起伏較小，沿線最高峰為阿巴嘎旗西南的查干烏拉，海拔高程1 366 m，最低點位于巴彥陶勒蓋附近，海拔高程923 m。線路DK89+360～DK341+200部分地段(合計約78.8 km)分布有上第三系上、中新統泥巖，全風化，具膨脹性，屬于沉積性泥質膨脹巖。

結合錫二鐵路的工程地質勘察，對泥巖地層巖性特征、物理力學性質進行了分析評價，并提出了路基工程的處理措施。

1 膨脹性泥巖的工程特性分析

1.1 分布及巖性特征

該地層廣泛分布在新生代凹陷盆地中，構成熔巖臺地、各級高平原的基底，為一套內陸河湖相沉積，在低山丘陵邊緣帶為河相、濱湖相沉積，分選差，泥砂卵礫混雜，在高平原區主要為淺、深湖相沉積。

(1)上第三系上新統(N2)全風化泥巖

主要分布在希勒希格至毛呼都格塔拉，昌特敖包至道布音呼都格，淖兒及道布音呼都格—巴彥陶勒蓋二級高平原一級高平原，希勒希格至昌特敖包之間的丘間盆地、溝谷洼地內，查干希熱至希勒希格之間熔巖臺地沖溝、火山口邊緣有零星分布。

巖性主要為棕紅色、紅褐色、灰褐色、青灰色、灰綠色、灰白色泥巖，成巖差，鉆探巖芯呈硬黏土狀，自由膨脹率一般為30% ～119%，具膨脹性。區域最大控制厚度達300余米，本次勘探最大深度60 m，未揭穿本層。

(2)上第三系中新統(N1)全風化泥巖

主要分布在道布音呼都格至巴彥陶勒蓋之間三級高平原與二級高平原過渡地帶，為濱湖相沉積，與下伏下第三系始新統地層呈平行不整合接觸。

巖性為厚層狀磚紅色泥巖，含古脊椎動物化石，鉆探巖芯呈硬黏土狀，自由膨脹率一般為41% ～106%，具膨脹性。區域調查，該層厚15～50 m。

1.2 膨脹巖物理力學性質分析

本線全風化泥巖最典型的特征是具有中—強膨脹性，局部弱膨脹性，由于風化成黏土狀，一般具有黏性土的特征，可按膨脹土考慮。膨脹土是指土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特征的黏性土。膨脹土具干縮濕脹特性，吸水膨脹時將對路基支擋建筑物產生膨脹力。膨脹土裂隙發育，結構面呈高塑性黏土狀，有地下水時結構面強度大大降低，導致路塹邊坡失穩。由于該土具有吸水膨脹、失水收縮并往復變形的性質，對路基、橋梁、房屋建筑的破壞作用不可低估，并且構成的破壞不易修復。

膨脹土的詳判應根據《鐵路工程特殊巖土勘察規程》(TB10038—2012)表5.5.2－2判定。自由膨脹率≥40、蒙脫石含量≥7、陽離子交換量≥170，當土質符合上面任意兩項指標時可判定為膨脹土。膨脹土的膨脹潛勢分級應按表5.5.2－3判定。本文抽取了24個膨脹(巖)土的土工試驗成果，見表1。

表1 錫二線膨脹(巖)土試驗成果

膨脹土物理力學指標統計平均值:天然含水率為22.5%，天然密度 ρ為1.94 g/cm3，顆粒密度 ρs為2.75 g/cm3，孔隙比e為0.73，飽和度Sr為83.3%，液限WL為45.6%，塑限Wp為25.2%，塑性指數Ip為20.36%，液性指數 IL為 －0.12，壓縮系數為0.218 MPa－1，壓縮模量為 9.87 MPa，黏聚力 c 為 63.8 kPa，內摩擦角φ為28.5°。

由試驗指標可知，本線全風化泥巖天然密度較大、含水率較低、孔隙比相對較大，具中壓縮性黏性土特征，處于堅硬、局部硬塑狀態，具有侵水膨脹，失水收縮性質，其塑性指數、天然快剪黏聚力較大，黏性含量較高，吸水能力強，脹縮變形大，判別結果為中強膨脹土，局部為弱膨脹土。對該膨脹性泥巖進行標準貫入試驗，試驗實測錘擊數N均大于25擊，由試驗知承載力較大，但膨脹土表層受氣候作用影響的深度范圍內，承載力的衰減狀況明顯且幅度漸大，特別是經過一次嚴重干旱以后再浸試時，地基強度有較大的降低。因此，推薦承載力σ0=200 kPa。

2 工程處理措施

膨脹(巖)土段落沿線路塹應放緩塹坡并防護，塹頂外設天溝并防護，做好截排水工作。路塹基床需換填或改良，路基兩側禁止取土。膨脹(巖)土一般不可作為路基填料使用，必須采用時須對棕紅色、灰綠色、灰白色泥巖進行改良，對泥巖進行篩棄。

膨脹(巖)土地基可采用換土、補償墊層或樁基礎處理，邊坡治理可采用支擋結構、土工合成材料等。

2.1 路塹

膨脹土地段路塹設計須結合工點的地質資料確定邊坡坡率、防護措施等，一般可按如下設計。

(1)路塹邊坡高度小于等于6.0 m的弱膨脹巖(土)路塹

圖1 膨脹土路基橫斷面設計(一)(單位:m)

①路塹邊坡坡度采用1∶1.75。

②路塹邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架(4 m×3 m)護坡防護，主骨架厚0.80 m，骨架內鋪砌M7.5水泥砂漿砌片石，厚0.3 m，下設0.2 m厚砂夾卵石墊層(如圖1)。

(2)路塹邊坡高度小于等于6.0 m的中—強膨脹巖(土)路塹

①路塹邊坡坡度采用1∶1.75。

②坡腳側溝平臺外側設5.0 m高C20片石混凝土路塹擋土墻，面坡及背坡均為1∶0.25，底坡0.2∶1，頂寬1.8 m(地震動峰值加速度0.20g時路塹頂寬2.0 m)，基礎埋深2.5 m。

③墻頂后設2.0 m寬平臺，墻背設0.5 m厚砂夾卵石反濾層。墻頂路塹邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架(4 m×3 m)護坡防護，主骨架厚0.80 m，骨架內鋪砌M7.5水泥砂漿砌片石，厚0.3 m，下設0.2 m厚砂夾卵石墊層(如圖2)。

圖2 膨脹土路基橫斷面設計(二)(單位:m)

(3)路塹邊坡高度大于6.0 m小于等于14.0 m的弱—強膨脹巖(土)路塹

①路塹邊坡坡度:弱膨脹巖(土)路塹采用1∶1.75;中—強膨脹巖(土)路塹采用1∶2.0;每6.0 m一級，級間設2.0 m寬平臺。

②坡腳側溝平臺外側設5.0 m高C20片石混凝土路塹擋土墻，面坡及背坡均為1∶0.25，底坡0.2∶1，頂寬1.8 m(地震動峰值加速度0.20g時路塹頂寬2.0 m)，基礎埋深2.5 m，墻后設2.0 m寬平臺，墻背設0.5 m厚砂夾卵石反濾層。

③墻頂路塹邊坡采用M7.5水泥砂漿砌片石帶截水槽拱形骨架(4 m×3 m)護坡防護，主骨架厚0.80 m，骨架內鋪砌M7.5水泥砂漿砌片石，厚0.3 m，下設0.2 m厚砂夾卵石墊層。

路塹基床挖除1.1 m，其中表層0.6 m填筑0.5 m厚(級配碎石)A組土加0.1 m厚中粗砂，下部換填0.5 m厚三七灰土;中粗砂墊層中間夾鋪一層兩布一膜不透水土工布(600 g/m聚脂長絲土工布)。

圖3 膨脹土路基橫斷面設計(三)(單位:m)

線路兩側設M7.5水泥砂漿砌片石矩形蓋板側溝，側溝外側留2.0 m寬側溝平臺，厚0.3 m，側溝及側溝平臺下換填0.3 m厚三七灰土墊層。

2.2 路堤

當路堤高度≤2.5 m時，基床表層深度范圍內換填0.5 m A、B組土+0.1 m中粗砂+兩布一膜土工布。基床表層以下0.5 m厚采用摻入6%生石灰改良土填筑，路堤邊坡坡率1∶1.5，邊坡進行防護(如圖4)。

圖4 膨脹土路基橫斷面設計(四)(單位:m)

當路堤高度H大于2.5 m時，對路堤下伏的泥巖不予處理。邊坡應進行防護，路堤邊坡高度不宜大于10 m。

3 結束語

在勘測階段，需要對重點膨脹(巖)土路基地段適當多鉆探、取樣，準確判定膨脹潛勢分級。膨脹(巖)土段落沿線路塹應放緩塹坡并防護，塹頂外設天溝并防護，做好截排水工作。路塹基床需換填或改良，邊坡治理可采用支擋結構、土工合成材料等。

［1］ 中華人民共和國鐵道部．TB10001—2005 鐵路路基設計規范［S］．北京:中國鐵道出版社，2005

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