对公路勘察中膨胀岩的物理性能的研究

马广坡

1 概述

张石高速公路张北—罗家洼段,是膨胀岩集中发育的典型地区,由于膨胀岩土而导致已建 207国道滑坡、崩塌、路面开裂、路基不均匀下沉和涵洞开裂频繁发生,病害治理代价昂贵,行车安全和道路畅通受到严重影响。因此开展膨胀岩土工程地质性能的研究具有重要的现实意义,通过对典型地段膨胀岩产出的地质特征、物理性能的分析,得出其工程地质性能,为以后修建公路和已建公路的地质灾害治理提供一定的设计依据,把灾害减至最低限度。

2 膨胀岩地质特征

2.1 膨胀岩的时代、分布范围及产出形式

根据勘察资料表明,膨胀岩时代为白垩纪,属河流相沉积。膨胀岩分布范围极为广泛,包括张北县全部、万全盆地、望虎台—水关以及水泉一带,直接裸露地表者达 13km。

膨胀岩按其产出形式可分为三种类型,分别为隐伏式、包体式和裸露式。

在三种产出形式中,隐伏式膨胀岩在已建的公路工程和民用建筑中(路基、桥梁、涵洞)均未产生地质灾害,桥梁采取摩擦—嵌岩桩,效果良好,故工程地质条件不属于不良地质。当上部有湿陷性黄土存在时,其不良地质也仅限于湿陷性黄土,膨胀岩因埋深大,故对公路工程不产生不良影响。工程病害频繁发生的地段主要集中在包体式和裸露式膨胀岩分布地段,因此是分析的重点。

2.2 膨胀岩的地层结构

本区膨胀岩由强～中等崩解和弱膨胀岩的白垩纪系粘土质砂岩、泥岩和砂泥质胶结的砾岩组成。这三种岩石在垂向上构成若干韵律层,最大厚度达 579m。因各地沉积环境变化较大,因此厚度极不稳定,因地而异。单个韵律层底部为厚约几米至几十米的砾岩;中部砂岩厚 0.5m至几米;上部泥岩厚几米至几十米。因受沉积过程中水流冲刷的影响,某些韵律的层序往往不全,上部的泥岩和中部的砂岩常具缺失现象,且在层面间常见冲沟和剥蚀现象。

3 膨胀岩的物理性能

膨胀岩普遍具有吸水性强、干燥致密坚硬、遇水膨胀崩解和干涸收缩的物理性能。膨胀岩的物理性能取决于组成岩石的矿物成分、结构、构造、成因类型及其外界条件下的变化程度,对本区沉积类型的膨胀性砂岩、砾岩和泥岩而言,前两者中胶结物的成分及含量,后者粘土矿物的含量、岩石的含水量及风化程度是影响物理性能的决定性因素。

粘土矿物主要为蒙脱石、伊利石和高岭石,三种矿物的比表面积、阳离子交换能力、膨胀率以及亲水性以蒙脱石最大和最强,次为伊利石,而高岭石最小且亲水性不强烈。但晶格层组间的结合力正好相反。这说明在膨胀岩中影响其物理性能的决定性矿物为蒙脱石,次为伊利石,而高岭石即使出现,影响也相对较小。有关膨胀土的研究结果表明,当其内蒙脱石有效含量达 70%以上时,即会对土的胀缩特性产生明显影响,且随着蒙脱石含量的增大,线胀缩总率也愈大,建筑物的损坏程度相应增大。对于膨胀岩而言,这一规律同样适用。

3.1 影响本区膨胀岩物理性能的主要因素

1)矿物组成。本区膨胀性砂岩中砂岩和泥岩,其主要矿物组成为石英 +钾长石 +钠长石,含量 60.24%～73.31%,这些矿物均属于稳性矿物,因此即使浸于水中,也不会呈其塑性,矿物本身的强度也不会降低。唯所含粘土矿物(蒙脱石、伊利岩和高岭石)不同,虽然它们含量仅为 18.65%～43.79%,但由于它们具有吸水性强、遇水膨胀、干涸收缩以及遇水软化等性能,因此成为主导该岩类物理性能的决定因素。

2)水的因素。本区新鲜膨胀岩的含水量为 0.5%～2.95%,平均 2.18%;泥岩为 1.89%～5.64%,平均 3.16%。在此条件下,岩石致密,其坚硬程度与泥质胶结的砂岩和一般泥岩雷同,由之构成的边坡是稳定的,即使构成路基,承载力也能满足工程的要求。但一旦遇水浸泡,则会迅速崩解,并引起一系列物理性能的相应变化,导致地质灾害的发生。取150mm长,直径 87mm的膨胀性泥岩岩芯浸入水中,8′20″后岩芯残余长度为 85mm;10′08″后残余长度仅剩 20mm。之后崩解速度显著减慢,岩芯开始破裂,产生裂隙,4 h后残余长度已不再减小,崩解物粉泥质呈流体态,此时膨胀岩实际上已与饱和的膨胀土毫无区别。因此在不同含水条件下,膨胀岩的物理性能也互不相同。在浸水条件下,水可使岩石转变为土,这是该岩类与其他岩石的最大区别。

3.2 本区膨胀岩物理性能

1)吸水性。强吸水性是本区膨胀岩重要的物理性能之一。膨胀性砂岩、砾岩胶结物和泥岩的吸水率,其中砂岩天然含水量为 2.23%～14.25%,干燥岩块饱和吸水率为 9.30%～47.73%,后者较原岩天然含水量提高了 2.38倍 ～4.25倍;泥岩天然含水量为6.45%～16.91%,干燥岩块的饱和吸水率为 16.75%～47.85%,后者较原岩天然含水量增大 2.83倍～5.47倍。伴随着含水量的增加,原岩的物理性能也随之变化,崩解性就是这种变化的重要特征之一。

2)崩解性。在干燥条件下,以粘土质胶结的砂岩和砾岩以及成凝聚状态的泥岩,其内聚力足以使岩石呈致密坚固状,并具有足够的强度承载构造物。但一旦遇水浸泡,则砂岩和砾岩的粘土质矿物由于强烈吸水,导致了该类矿物的软化和颗粒分离,抑或呈其流体状,于是被胶结的砂粒也会随之分散,最终使坚硬的岩块变成疏松的砂泥质土。泥岩也同样如此。测试结果表明,本区砂岩除个别崩解性较弱处,多具强崩解性,其崩解耐久性指标 Id1主要在 0%～26.29%,崩解物为砂粒。泥岩全具强崩解性,崩解物呈碎屑泥状。且砂岩的饱和吸水率与其Id1呈典型的反消长关系,即岩石的饱和吸水率愈大,则岩石最易崩解。

3)自由膨胀率和膨胀力。统计结果表明,本区泥岩的自由膨胀率介于 26.5%～66.5%之间,平均值为 40.82%。按照膨胀土的膨胀潜势分级,其膨胀潜势以弱为主,个别达中等。膨胀力为1.96 kPa～10.21 kPa,平均为 5.295 kPa。但对该类膨胀岩而言,这一膨胀潜势则不能低估,因为膨胀岩较为致密,故当其粘土矿物的体积增大后,由于岩石本身的孔隙有限,所引起的灾害要比膨胀土严重的多,为此关于膨胀土的膨胀潜势分级不适用于膨胀岩,应较之分级数值低。

4)岩石力学性能。本区膨胀性砂岩和泥岩的抗压和抗拉、抗剪强度测试结果表明,其中泥岩抗压强度介于 0.4MPa～2.4MPa,平均为 1MPa;砂岩为 25.1 MPa。依照岩石强度划分岩石类别,两者均属软岩。不同测试方法和测试条件下φ′(内摩擦角)和 C′(内聚力)的变化有区别,其中 φ值在所有条件下均变化不大,各种方法的测试结果连线较为平直。但C值UU法测试值远大于其他方法的测试值,因此在边坡和滑坡等工程设计时不宜应用。

5)垂直和水平渗透系数。本区泥岩的垂直渗透系数最大为37.32×10-5cm/s,最小为 3.94×10-5cm/s,平均为 17.68×10-5cm/s。水平渗透系数最大为 147.47×10-5cm/s,最小为 28.99×10-5cm/s,平均为 73.62×10-5cm/s。其水平渗透系数为垂直渗透系数的4.16倍。因此当雨水渗透时,所影响岩体的垂直深度远小于水平宽度,所以在区域内,泥岩通常均属隔水层,多数滑坡的滑坡面也位于这一部位。

6)液限和塑限。膨胀岩塑限为 17.9% ～24.7%,平均21.26%。在此界限范围内,当山体的边坡坡脚不受破坏时,其边坡是稳定的,否则边坡将会失稳,产生滑坡,特别是岩石的含水量达 31.6%～48.2%,即液限时,则边坡更不稳定。因此,可依含水量 20%为界限,作为判断边坡稳定与否的界限,大于该值则开挖的边坡属于不稳定边坡,小于该值则边坡属半稳定～稳定边坡。本区已发生的滑坡,其岩石的含水量均接近或大于液限。

7)干涸收缩性。当饱和岩石干涸后,即产生收缩裂缝,从而导致岩石的碎裂,使其抗压、抗拉和抗剪强度下降。当这种膨胀岩和收缩反复进行时,将促使岩石破裂程度的加剧。岩石的破裂化,又增强了岩石的透水性能,从而使膨胀和收缩的影响范围逐渐加大。这些破碎的岩块和岩屑一旦停积在边坡之上,则容易产生滑动,形成滑坡。

[1] JTJ 064-98,公路工程地质勘察规范[S].

[2] JTG D30-2004,公路路基设计规范[S].

[3] TB 10025-2006,铁路路基支挡结构设计规范[S].

[4] 中交第一公路勘察设计研究院.张石高速公路张北—罗家洼段工程地质勘察报告[R].2007.

[5] GBT 50266-1999,工程岩体试验方法标准[S].

[6] GBJ 112-87,膨胀土地区建筑技术规范[S].