锡二线膨胀性泥岩的工程特性及处理

左卫财

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

锡二线地处内蒙古自治区北部锡林郭勒盟境内，位于内蒙古高原中东部，东起锡林浩特，途经阿巴嘎旗、苏尼特左旗，西至二连浩特，线路全长363.381 km。线路走行区域为辽阔的锡林郭勒大草原，地势中东部高，两端稍低，地形起伏较小，沿线最高峰为阿巴嘎旗西南的查干乌拉，海拔高程1 366 m，最低点位于巴彦陶勒盖附近，海拔高程923 m。线路DK89+360～DK341+200部分地段(合计约78.8 km)分布有上第三系上、中新统泥岩，全风化，具膨胀性，属于沉积性泥质膨胀岩。

结合锡二铁路的工程地质勘察，对泥岩地层岩性特征、物理力学性质进行了分析评价，并提出了路基工程的处理措施。

1 膨胀性泥岩的工程特性分析

1.1 分布及岩性特征

该地层广泛分布在新生代凹陷盆地中，构成熔岩台地、各级高平原的基底，为一套内陆河湖相沉积，在低山丘陵边缘带为河相、滨湖相沉积，分选差，泥砂卵砾混杂，在高平原区主要为浅、深湖相沉积。

(1)上第三系上新统(N2)全风化泥岩

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，淖儿及道布音呼都格—巴彦陶勒盖二级高平原一级高平原，希勒希格至昌特敖包之间的丘间盆地、沟谷洼地内，查干希热至希勒希格之间熔岩台地冲沟、火山口边缘有零星分布。

岩性主要为棕红色、红褐色、灰褐色、青灰色、灰绿色、灰白色泥岩，成岩差，钻探岩芯呈硬黏土状，自由膨胀率一般为30% ～119%，具膨胀性。区域最大控制厚度达300余米，本次勘探最大深度60 m，未揭穿本层。

(2)上第三系中新统(N1)全风化泥岩

主要分布在道布音呼都格至巴彦陶勒盖之间三级高平原与二级高平原过渡地带，为滨湖相沉积，与下伏下第三系始新统地层呈平行不整合接触。

岩性为厚层状砖红色泥岩，含古脊椎动物化石，钻探岩芯呈硬黏土状，自由膨胀率一般为41% ～106%，具膨胀性。区域调查，该层厚15～50 m。

1.2 膨胀岩物理力学性质分析

本线全风化泥岩最典型的特征是具有中—强膨胀性，局部弱膨胀性，由于风化成黏土状，一般具有黏性土的特征，可按膨胀土考虑。膨胀土是指土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的黏性土。膨胀土具干缩湿胀特性，吸水膨胀时将对路基支挡建筑物产生膨胀力。膨胀土裂隙发育，结构面呈高塑性黏土状，有地下水时结构面强度大大降低，导致路堑边坡失稳。由于该土具有吸水膨胀、失水收缩并往复变形的性质，对路基、桥梁、房屋建筑的破坏作用不可低估，并且构成的破坏不易修复。

膨胀土的详判应根据《铁路工程特殊岩土勘察规程》(TB10038—2012)表5.5.2－2判定。自由膨胀率≥40、蒙脱石含量≥7、阳离子交换量≥170，当土质符合上面任意两项指标时可判定为膨胀土。膨胀土的膨胀潜势分级应按表5.5.2－3判定。本文抽取了24个膨胀(岩)土的土工试验成果，见表1。

表1 锡二线膨胀(岩)土试验成果

膨胀土物理力学指标统计平均值:天然含水率为22.5%，天然密度 ρ为1.94 g/cm3，颗粒密度 ρs为2.75 g/cm3，孔隙比e为0.73，饱和度Sr为83.3%，液限WL为45.6%，塑限Wp为25.2%，塑性指数Ip为20.36%，液性指数 IL为 －0.12，压缩系数为0.218 MPa－1，压缩模量为 9.87 MPa，黏聚力 c 为 63.8 kPa，内摩擦角φ为28.5°。

由试验指标可知，本线全风化泥岩天然密度较大、含水率较低、孔隙比相对较大，具中压缩性黏性土特征，处于坚硬、局部硬塑状态，具有侵水膨胀，失水收缩性质，其塑性指数、天然快剪黏聚力较大，黏性含量较高，吸水能力强，胀缩变形大，判别结果为中强膨胀土，局部为弱膨胀土。对该膨胀性泥岩进行标准贯入试验，试验实测锤击数N均大于25击，由试验知承载力较大，但膨胀土表层受气候作用影响的深度范围内，承载力的衰减状况明显且幅度渐大，特别是经过一次严重干旱以后再浸试时，地基强度有较大的降低。因此，推荐承载力σ0=200 kPa。

2 工程处理措施

膨胀(岩)土段落沿线路堑应放缓堑坡并防护，堑顶外设天沟并防护，做好截排水工作。路堑基床需换填或改良，路基两侧禁止取土。膨胀(岩)土一般不可作为路基填料使用，必须采用时须对棕红色、灰绿色、灰白色泥岩进行改良，对泥岩进行筛弃。

膨胀(岩)土地基可采用换土、补偿垫层或桩基础处理，边坡治理可采用支挡结构、土工合成材料等。

2.1 路堑

膨胀土地段路堑设计须结合工点的地质资料确定边坡坡率、防护措施等，一般可按如下设计。

(1)路堑边坡高度小于等于6.0 m的弱膨胀岩(土)路堑

图1 膨胀土路基横断面设计(一)(单位:m)

①路堑边坡坡度采用1∶1.75。

②路堑边坡采用M7.5水泥砂浆砌片石带截水槽拱形骨架(4 m×3 m)护坡防护，主骨架厚0.80 m，骨架内铺砌M7.5水泥砂浆砌片石，厚0.3 m，下设0.2 m厚砂夹卵石垫层(如图1)。

(2)路堑边坡高度小于等于6.0 m的中—强膨胀岩(土)路堑

①路堑边坡坡度采用1∶1.75。

②坡脚侧沟平台外侧设5.0 m高C20片石混凝土路堑挡土墙，面坡及背坡均为1∶0.25，底坡0.2∶1，顶宽1.8 m(地震动峰值加速度0.20g时路堑顶宽2.0 m)，基础埋深2.5 m。

③墙顶后设2.0 m宽平台，墙背设0.5 m厚砂夹卵石反滤层。墙顶路堑边坡采用M7.5水泥砂浆砌片石带截水槽拱形骨架(4 m×3 m)护坡防护，主骨架厚0.80 m，骨架内铺砌M7.5水泥砂浆砌片石，厚0.3 m，下设0.2 m厚砂夹卵石垫层(如图2)。

图2 膨胀土路基横断面设计(二)(单位:m)

(3)路堑边坡高度大于6.0 m小于等于14.0 m的弱—强膨胀岩(土)路堑

①路堑边坡坡度:弱膨胀岩(土)路堑采用1∶1.75;中—强膨胀岩(土)路堑采用1∶2.0;每6.0 m一级，级间设2.0 m宽平台。

②坡脚侧沟平台外侧设5.0 m高C20片石混凝土路堑挡土墙，面坡及背坡均为1∶0.25，底坡0.2∶1，顶宽1.8 m(地震动峰值加速度0.20g时路堑顶宽2.0 m)，基础埋深2.5 m，墙后设2.0 m宽平台，墙背设0.5 m厚砂夹卵石反滤层。

③墙顶路堑边坡采用M7.5水泥砂浆砌片石带截水槽拱形骨架(4 m×3 m)护坡防护，主骨架厚0.80 m，骨架内铺砌M7.5水泥砂浆砌片石，厚0.3 m，下设0.2 m厚砂夹卵石垫层。

路堑基床挖除1.1 m，其中表层0.6 m填筑0.5 m厚(级配碎石)A组土加0.1 m厚中粗砂，下部换填0.5 m厚三七灰土;中粗砂垫层中间夹铺一层两布一膜不透水土工布(600 g/m聚脂长丝土工布)。

图3 膨胀土路基横断面设计(三)(单位:m)

线路两侧设M7.5水泥砂浆砌片石矩形盖板侧沟，侧沟外侧留2.0 m宽侧沟平台，厚0.3 m，侧沟及侧沟平台下换填0.3 m厚三七灰土垫层。

2.2 路堤

当路堤高度≤2.5 m时，基床表层深度范围内换填0.5 m A、B组土+0.1 m中粗砂+两布一膜土工布。基床表层以下0.5 m厚采用掺入6%生石灰改良土填筑，路堤边坡坡率1∶1.5，边坡进行防护(如图4)。

图4 膨胀土路基横断面设计(四)(单位:m)

当路堤高度H大于2.5 m时，对路堤下伏的泥岩不予处理。边坡应进行防护，路堤边坡高度不宜大于10 m。

3 结束语

在勘测阶段，需要对重点膨胀(岩)土路基地段适当多钻探、取样，准确判定膨胀潜势分级。膨胀(岩)土段落沿线路堑应放缓堑坡并防护，堑顶外设天沟并防护，做好截排水工作。路堑基床需换填或改良，边坡治理可采用支挡结构、土工合成材料等。

［1］ 中华人民共和国铁道部．TB10001—2005 铁路路基设计规范［S］．北京:中国铁道出版社，2005

［2］ 中华人民共和国铁道部．TB10038—2012 铁路工程特殊岩土勘察规程［S］．北京:中国铁道出版社，2012

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［4］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50112—2013 膨胀土地区建筑技术规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012

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