曾祥福，張生偉，錢國玉，祝振華

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

膨脹土一般認(rèn)為由蒙脫石、伊利石等親水礦物組成，土體隨環(huán)境的干濕變化，具有吸水顯著膨脹、軟化、崩解和失水急劇收縮、開裂、硬結(jié)現(xiàn)象，并能產(chǎn)生往復(fù)脹縮變形的高液限黏性土［1］。膨脹巖屬于特殊軟巖，濕度變化時(shí)其體積與膨脹土類似也發(fā)生顯著變化。國內(nèi)學(xué)者對(duì)膨脹巖土的研究較多，分別從膨脹巖土的判別與分類、膨脹巖土不同含水率的應(yīng)變問題、膨脹巖土的本構(gòu)關(guān)系和膨脹巖土的特性及處理措施等方面進(jìn)行了有益探索［2-14］。膨脹巖還有其特殊性，膨脹巖一旦發(fā)生膨脹作用就會(huì)發(fā)生由巖到土的轉(zhuǎn)變，膨脹巖的工程性能還需進(jìn)一步研究［1］。張呼客運(yùn)專線沿線膨脹巖土分布廣泛，尤其膠結(jié)較差的半成巖狀膨脹巖更需進(jìn)一步研究。

1 概況

新建張呼客運(yùn)專線位于張家口西部和內(nèi)蒙古東南部地區(qū)。東起張家口南站，終至呼和浩特東站，全長286.77 km。沿途依次經(jīng)過洋河河谷及階地區(qū)、懷安—烏蘭察布低山丘陵區(qū)、黃旗海湖積盆地區(qū)、卓資低中山區(qū)和大青山山前沖積平原區(qū)五大地貌單元。線路整體位于燕山沉降帶及內(nèi)蒙古地軸二級(jí)區(qū)域構(gòu)造單元。沿線構(gòu)造以非活動(dòng)斷裂構(gòu)造為主，活動(dòng)斷裂不發(fā)育，褶皺構(gòu)造分布較少。不良地質(zhì)及膨脹巖土發(fā)育。

2 膨脹巖土分布特征

2.1 地形地貌

全線膨脹巖土分布長度80.85 km，約占線路總長的28.19%。主要分布于懷安-烏蘭察布低山丘陵、卓資低中山區(qū)。膨脹巖土地貌上一般呈低緩丘陵，丘頂多呈渾圓狀，丘陵之間多為寬坦的U形谷地。由于山前坡腳覆蓋較厚的砂質(zhì)黃土，渾圓的丘陵坡腳沖溝發(fā)育，沖溝底部出露膨脹巖。當(dāng)膨脹巖山頂被玄武巖覆蓋時(shí)呈平頂山地貌。

2.2 膨脹巖土分布

張呼客運(yùn)專線沿線膨脹巖膠結(jié)較差，半成巖狀，地表巖石風(fēng)化呈碎塊狀，局部夾灰綠色、灰白色的蒙脫石、伊利石粉末。沖溝底部潮濕的巖石暴曬后干裂，坡腳干燥的巖石泡水后崩解，鉆孔巖芯暴露在空氣中，一段時(shí)間后，破碎分解為碎屑或土狀。從巖石飽和抗壓強(qiáng)度判定屬于極軟巖-軟巖。按時(shí)代劃分各類膨脹巖土分布特征如下。

第四系上更新統(tǒng)(Q3)殘坡積的粉質(zhì)黏土主要分布于全線膨脹巖地段的地表，厚度較薄，一般由膨脹巖風(fēng)化殘積而成。第三系(N2)殘坡積的粉質(zhì)黏土，一般覆蓋在膨脹巖或玄武巖之上，厚度隨地形起伏變化較大。

第三系漸新統(tǒng)、中新統(tǒng)、上新統(tǒng)(N1、N2、E3)膨脹巖:分布于興和、烏蘭察布、卓資山一帶，包括半成巖狀的泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖，局部有礫巖，褐黃色、紫紅色，成巖作用差。當(dāng)夾在玄武巖中或者被玄武巖層所覆蓋時(shí)，分布無規(guī)律，巖層厚度不均勻。

白堊系下統(tǒng)固陽組(K1g)膨脹巖:在卓資一帶山區(qū)分布廣泛。巖性主要為半成巖狀的砂巖、泥巖、泥質(zhì)砂巖，黃褐色、黃綠色、黃色、紫紅色，層理不發(fā)育;部分地段夾有礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖作用差，厚度大于100 m。

侏羅系(J2-3)膨脹巖:分布于尚義與興和交界處、呼和浩特旗下營至陶卜齊段，紅褐色、黃綠色和灰白色為主，巖性為泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖、礫巖。泥質(zhì)膠結(jié)或者鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚層構(gòu)造，成巖作用一般，泥質(zhì)膠結(jié)時(shí)巖質(zhì)軟，鈣質(zhì)膠結(jié)時(shí)巖質(zhì)較硬，抗壓強(qiáng)度變化幅度較大。

2.3 膨脹巖土膨脹性試驗(yàn)指標(biāo)

2.3.1 膨脹土試驗(yàn)指標(biāo)

Q3粉質(zhì)黏土的自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量，比N2的粉質(zhì)黏土要小，如表1所示。分析認(rèn)為張呼客運(yùn)專線沿線Q3的粉質(zhì)黏土由膨脹巖風(fēng)化殘積而成，埋深較淺，一般位于丘陵坡腳，易受大氣降水的往復(fù)侵潤，黏土中的活性陽離子與周圍環(huán)境土壤頻繁交換，并可能隨著雨水帶走，導(dǎo)致膨脹性減少。而N2的粉質(zhì)黏土埋深一般較大，上部覆蓋土層或玄武巖厚度較大，幾乎不受大氣降水影響。

表1 張呼客運(yùn)專線膨脹性土試驗(yàn)結(jié)果

2.3.2 膨脹巖試驗(yàn)方法及試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)規(guī)范［1］規(guī)定，巖石可劃分為膨脹巖和非膨脹巖。判定膨脹巖可采用2種試驗(yàn)方法。試驗(yàn)方法1，對(duì)于不易崩解的巖石，測(cè)試其膨脹率VH、膨脹力Pp、飽和吸水率wsa;試驗(yàn)方法2，對(duì)于易崩解的巖石，比照膨脹土判定方法進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)指標(biāo)2項(xiàng)達(dá)到規(guī)定值時(shí)，判定為膨脹巖，規(guī)范中并未對(duì)膨脹巖的膨脹等級(jí)做進(jìn)一步細(xì)分。

張呼客運(yùn)專線沿線膨脹巖成巖作用差、呈半成巖狀，遇水易崩解，共取樣262組，全部試樣經(jīng)過粉碎，過0.5 mm的篩除去粗顆粒后，比照膨脹土判定方法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中6組試樣因崩解程度小，同時(shí)還測(cè)定了自由膨脹率和膨脹力如表3所示。

表2 張呼客運(yùn)專線膨脹性巖試驗(yàn)結(jié)果(一)

表3 張呼客運(yùn)專線膨脹巖試驗(yàn)結(jié)果(二)

(1)對(duì)比表2和表3數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，按照試驗(yàn)方法1，判定白堊系固陽組強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖1組為膨脹巖，2組為非膨脹巖，侏羅系泥質(zhì)砂巖均為非膨脹巖。而采用試驗(yàn)方法2，判定上述2個(gè)時(shí)代的巖石均為膨脹巖。顯然按照試驗(yàn)方法2判定半成巖狀膨脹巖偏于安全。

(2)總體上看 N2、N1、E3、K1g、J1-2同一時(shí)代的半成巖狀膨脹巖，隨著風(fēng)化程度的增加，其自由膨脹率有增加的趨勢(shì)，如表2所示。而K1g全風(fēng)化層比強(qiáng)風(fēng)化層的自由膨脹率有所減少的主要原因是K1g全風(fēng)化膨脹樣中礫巖所占的比例相對(duì)較大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示半成巖狀砂巖、礫巖層明顯比泥巖自由膨脹率要小很多。泥巖、砂巖、礫巖粉碎過0.5 mm篩后，由砂和更細(xì)的黏土礦物組成，由于砂的礦物成分為長石和石英，沒有膨脹性，所以半成巖狀泥巖、砂巖、礫巖的自由膨脹率主要與細(xì)顆粒黏土礦物含量有關(guān)，含量越大膨脹性越強(qiáng)。而砂含量越大，自由膨脹率越小。

不同時(shí)代，相同風(fēng)化程度的半成巖狀膨脹巖自由膨脹率未見有明顯規(guī)律性，關(guān)系如下:弱風(fēng)化層，第三系(N2、N1、E3)＜白堊系(K1G)＞侏羅系(J1-2);強(qiáng)風(fēng)化層，第三系(N2、N1、E3)＞白堊系(K1G)＞侏羅系(J1-2);全風(fēng)化層，第三系(N2、N1、E3)＞ 白堊系(K1G)＜侏羅系(J1-2)。

(3)黏土礦物中能參與陽離子交換的主要為蒙脫石、伊利石。高嶺土晶架聯(lián)結(jié)牢固，一般很少有交換能力的陽離子［15］。蒙脫石體積膨脹分為兩部分，一是吸水后晶架內(nèi)膨脹，二是由于吸附陽離子產(chǎn)生粒間膨脹。粒間膨脹要比晶架內(nèi)膨脹小得多。伊利石膨脹為粒間膨脹。所以蒙脫石吸水后膨脹性要比伊利石大得多。測(cè)定陽離子交換量可定性判定主要黏土礦物類型，也能判定巖土膨脹性。

對(duì)全線半成巖狀膨脹巖共計(jì)262組陽離子交換量與蒙脫石含量、自由膨脹率與蒙脫石含量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，設(shè)定置信度為99%，并根據(jù)樣本數(shù)量查表［17］獲得臨界值Ra。擬合后如表4中公式(1)、公式(2)所示。

表4 擬合公式

如表4中公式(1)，R1=0.927＞0.90，表明陽離子交換量與蒙脫石含量呈極高度正相關(guān)。在設(shè)定置信度為99%時(shí)，R1=0.927＞0.181，表明擬合程度較好且線性關(guān)系顯著，擬合曲線如圖1所示。以上結(jié)果表明蒙脫石含量對(duì)半成巖狀膨脹巖的膨脹性起決定性作用，其膨脹性產(chǎn)生的根本原因與膨脹土相似，采用試驗(yàn)方法2判定半成巖狀膨脹巖是符合工程要求的。

如表4中公式(2)，0.89＞R2=0.771 ＞0.70，表明自由膨脹率與蒙脫石含量呈高度正相關(guān)。在設(shè)定置信度為99%時(shí)，R2=0.771＞0.181，表明擬合程度較好且線性關(guān)系顯著，擬合曲線如圖2所示。

公式(1)和公式(2)相關(guān)系數(shù)R1和R2的大小差異明顯，表示陽離子交換量與蒙脫石含量、自由膨脹率與蒙脫石含量相關(guān)性并不同步，研究認(rèn)為與自由膨脹率試驗(yàn)誤差有關(guān)，有學(xué)者建議采用自由膨脹比［16］替代自由膨脹率能較好反應(yīng)膨脹性的本質(zhì)特征。

圖1 陽離子交換量與蒙脫石含量關(guān)系

圖2 自由膨脹率與蒙脫石含量關(guān)系

3 結(jié)論

(1)第四系上更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土埋深淺，易受大氣降雨影響，其膨脹性比第三系粉質(zhì)黏土弱。

(2)總體上看隨著半成巖狀的膨脹巖風(fēng)化程度的增加，自由膨脹率有增加的趨勢(shì)。半成巖狀的泥巖、砂巖、礫巖的自由膨脹率主要與細(xì)顆粒黏土礦物含量有關(guān)，含量越大膨脹性越強(qiáng)。而砂含量越大，自由膨脹率越小。

(3)半成巖狀的膨脹巖陽離子交換量與蒙脫石含量呈極高度正相關(guān)且線性關(guān)系顯著，其膨脹性產(chǎn)生的根本原因與膨脹土相似。采用比照膨脹土判定方法進(jìn)行試驗(yàn)判定半成巖狀的膨脹巖符合工程要求，且偏于安全。

(4)自由膨脹率與蒙脫石含量、陽離子交換量與蒙脫石含量相關(guān)性并不同步，與自由膨脹率的試驗(yàn)誤差有關(guān)，自由膨脹率不能完全反應(yīng)膨脹巖膨脹性的本質(zhì)特征。有學(xué)者建議采用自由膨脹比代替自由膨脹率能較好反應(yīng)膨脹性的本質(zhì)特征。目前在鐵路部門對(duì)自由膨脹比的研究數(shù)據(jù)還沒有，需進(jìn)一步研究探討。

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