某客运专线膨胀岩(土)路堑处理原则探讨

2015-02-11陈新新

铁道勘察 2015年5期

关键词：路堑坡脚坡面

陈新新

(乌鲁木齐铁路局库尔勒铁路建设指挥部，新疆库尔勒　841000)

Discuss Treatment Principle of Cut Slope in Expansive Rock(Soil) at One Passenger Dedicated Line

CHEN Xinxin

某客运专线膨胀岩(土)路堑处理原则探讨

陈新新

(乌鲁木齐铁路局库尔勒铁路建设指挥部，新疆库尔勒841000)

Discuss Treatment Principle of Cut Slope in Expansive Rock(Soil) at One Passenger Dedicated Line

CHEN Xinxin

摘要在分析西北某客运专线地质勘察资料并结合现有研究成果的基础上，通过室内试验研究沿线膨胀岩(土)的工程性质，并针对膨胀岩与膨胀土的不同特性，提出放缓边坡、加宽平台、巩固坡脚、加强排水和适宜的坡面防护相结合的处理原则，并在设计施工中加以应用。

关键词膨胀岩膨胀土路堑边坡处理原则

膨胀岩(土)是指含有较多亲水矿物，含水量变化时发生较大体积变化的岩土体，具有遇水膨胀、软化、崩解，失水收缩、开裂的特性，在工程中较为常见，危害性也较大[1]。目前对膨胀岩土体的判定、分类、变形特点等方面已有大量研究成果，但针对膨胀岩土边坡的处理原则和防治措施研究尚不完善[2-4]。同时，膨胀岩与膨胀土两者虽均具有吸水膨胀、失水收缩并产生往复胀缩变形的性能，但在物质组成和工程性质等方面还是存在一定差异性，设计中膨胀岩边坡防护措施多参照膨胀土的处理方法，容易造成加固工程数量偏大、成本偏高等问题[5-11]。

新建西北某客运专线沿线膨胀岩土分布广泛，主要为第四系和第三系粉质黏土，白垩系、侏罗系泥质砂岩，泥岩大部分具有弱—中膨胀性。全线膨胀岩土区段长度73.5 km，膨胀岩土路堑长度约13 km，其中具中—强膨胀性、挖深超过10 m的路堑边坡单侧长度就有2.2 km，是本线路基设计的重点和难点。通过研究沿线膨胀岩土的工程特性，并借鉴相关研究成果，探讨膨胀岩土路堑边坡的处理方式和原则，为进一步有效治理膨胀岩土边坡的失稳破坏积累经验。

1地质特征

1.1　地形地貌

沿线膨胀岩土体主要分布于剥蚀低山丘陵区，地形起伏较大，山势陡峻，丘顶多呈浑圆状，丘间发育大量U形洼沟，冲沟发育，冲沟底部出露膨胀岩。河流较多，在流水的作用下，冲沟易发生坍塌，植被发育程度一般。

1.2　地层岩性

(1)第四系上更新统(Q3el+dl)残坡积粉质黏土：主要分布于膨胀岩土地段地表层，厚度较薄，一般由膨胀原岩风化残积形成。

(2)第三系上新统(2Nel+dl)残坡积粉质黏土：一般覆盖于膨胀岩层或玄武岩层之上，厚度随地势起伏变化较大。

(3)白垩系下统固阳组(K1g)膨胀岩：主要为半成岩状的泥质砂岩、泥岩组成，黄褐色、黄色等，层理、结构不发育；部分夹有砾岩，泥质胶结，成岩作用较差，厚度较大。

(4)侏罗系(J2-3)膨胀岩：以红褐色、褐色为主，岩性主要为泥岩、泥质砂岩，泥质胶结或钙质胶结，成岩作用较差，泥质胶结时整体岩质较软，钙质胶结时岩质相对较硬，尤其单轴抗压强度变化极大。

2气象特征

本线膨胀岩土地段处中温带亚干旱区，春秋两季干旱多风、沙尘频发；夏季短促，昼夜温差大；冬季漫长，天气寒冷而干燥；全年降水量较小，多集中在夏季7～9月份，蒸发量偏大，霜冻期较长。年平均气温为4.0 ℃，极端最高气温为35.2 ℃，极端最低气温为-38.2 ℃，年平均降雨量为366.1 mm，年平均蒸发量为1 690.6 mm，年平均风速为1.5 m/s，最大风速为25.7 m/s，最冷月平均气温达-15.9°(1月)。最大积雪厚度为15 cm，最大冻结深度为246 cm。

3工程特性

沿线膨胀岩土的工程特征主要体现在膨胀性、宜崩解、强度低等方面，一般采用自由膨胀率(Fs)、蒙脱石含量(M)和阳离子交换量(CEC)三项试验指标评定膨胀岩土特性。为了进一步对膨胀岩的工程特性进行分析，在参考以上膨胀土评定试验的基础上，对于膨胀岩还测定了膨胀率(VH)和膨胀力(PP)两项试验指标。具体试验结果如表1所示。

从表1数据可以看出：第四系上更新统(Q3el+dl)和第三系上新统(N2el+dl)残坡积粉质黏土、白垩系(K1g)和侏罗系(J2-3)泥质砂岩均具有膨胀性，部分地段分布的膨胀岩土具有中—强膨胀潜势。四种膨胀岩土体的矿物成分中蒙脱石含量和阳离子交换量偏高，自由膨胀率相对较低，岩体的亲水性较强，易吸水，快速崩解成泥状。受风化程度、埋设深度等因素影响，第四系上更新统(Q3el+dl)粉质黏土的各项试验指标较第三系上新统(N2el+dl)粉质黏土均偏小。

4膨胀岩土路堑处理原则

一般而言，膨胀岩土的边坡破坏类型可分为坡面病害和坡体病害两大类型，坡面病害包括剥落、溜塌、局部崩塌等；坡体病害包括坍塌和滑坡等，坍塌和滑坡的产生与膨胀岩土边坡的坡高、坡率、结构面的发育特征等因素密切相关[12-17]。针对沿线膨胀岩土的工程特性，综合考虑路堑边坡的施工措施，通过防止坡面破坏和坡体破坏两个方面，提出“放缓边坡、加宽平台、巩固坡脚、加强排水和适宜的坡面加固防护相结合”的处理原则。

4.1　放缓坡率和加宽平台

膨胀岩土路堑采用放缓坡率，加宽边坡平台的防护措施，可减小坡体自重，减缓坡体的下滑趋势，进而减小坡脚应力，处理效果明显。根据膨胀岩土的不同试验结果，并结合边坡高度，分别确定膨胀岩土的边坡坡率及平台宽度，膨胀岩土路堑边坡分级、侧沟平台及堑坡平台宽度按照表2、表3执行。其中膨胀岩全风化层可按膨胀土设计，中—强膨胀性膨胀岩(土)边坡高度大于15 m时，边坡平台宽度根据检算确定。

4.2　巩固坡脚

对于挖深较大的膨胀岩土边坡，为了避免坡脚处应力集中，设置挡土墙、桩板墙等支挡结构，可以有效防止膨胀岩土的坡体病害，减少坍塌和滑坡的发生。

①边坡挖深大于3 m小于10 m时，坡脚处设3.0～5.0 m混凝土挡墙，挡墙埋深应大于冻结深度+0.25 m，墙顶设2.0～3.0 m混凝土平台。

②边坡高大于10 m时，弱—中等的膨胀岩边坡可采用6.0～8.0 m高混凝土挡墙，对于强膨胀岩路堑，易发生挡墙尺寸不足而出现破坏，以抗滑桩和桩板墙支挡结构为主，桩悬臂段长度不宜超过4 m，墙顶设2.0～3.0 m宽混凝土平台。

③对少量膨胀岩土堑坡较高区段，必要时在边坡中部设置预加固桩。

4.3　坡面加固和防护

从试验结果来看，本地区膨胀岩土的吸水性较强，路堑边坡易发生地表水冲蚀和干湿循环造成的岩体破碎和浅层坍滑。根据室内试验结果，膨胀岩边坡的稳定性强于膨胀土边坡，坡面病害相对较少，应注意防止膨胀岩的坡面风化，根据挖深采用不同的边坡处理措施：

①膨胀岩土路堑挖深不大于3 m时，边坡采用空心砖客土植草，并间种灌木防护即可。

②边坡高度大于3 m小于10 m时，每5～6 m分为一级，膨胀土边坡采用混凝土拱形截水骨架(主骨架厚0.8 m，拱骨架厚0.6 m，拱间净距3.0 m)内铺设空心砖客土植草，间种灌木，膨胀岩边坡可采用锚杆框架梁内铺设空心砖客土植草，间种灌木。

③边坡高大于10 m时，上部膨胀土坡面可采用混凝土截水骨架内空心砖客土植草，间种灌木防护；下部膨胀岩边坡采用锚索框架内空心砖客土植草，间种灌木防护。框架间坡面岩体的防风化措施是必不可少的，否则，剥落、溜塌病害的不断发展会使框架梁的作用失去效能。

4.4　排水工程

良好的排水系统对缓解膨胀岩土边坡的病害起着重要的作用。截排地表水方面，路肩两侧设钢筋混凝土现浇侧沟，侧沟外与边坡设3.0 m宽浆砌片石平台。在堑顶外3.0～5.0 m设钢筋混凝土天沟，为了防止地表水下渗，堑顶与天沟之间也应采用混凝土或浆砌片石封闭。为避免汇水对膨胀岩土边坡的冲刷，分级平台设截水沟。

除地面水外，浅层滞水、潜水等地下水对膨胀岩土的危害也很大，因此在常规排水措施的基础上，为了进一步疏排地下水，在膨胀土边坡设支撑渗沟，膨胀岩土侧沟平台下设截水渗沟。支撑渗沟断面采用矩形，宽1.2 m，支撑渗沟的深度应大于冻结深度+0.25 m。截水渗沟设在侧沟平台下，渗沟宽1.2 m，其中外侧设无砂混凝土板，内充填洗净碎石，下设C25混凝土基础，其上设PVC带孔双壁波纹渗水管，渗水管顶埋深不小于冻结深度+0.25 m。

5结论

(1)膨胀岩土室内试验表明，受风化程度、埋设深度等因素影响，第四系上更新统的膨胀性较第三系上新统均偏小，膨胀岩的整体膨胀性明显小于膨胀土。

(2)针对试验结果，提出了放缓边坡、加宽平台、巩固坡脚、加强排水和适宜的坡面防护相结合的处理原则，并对膨胀岩与膨胀土边坡分别采取不同的设计措施，即保证了边坡稳定又避免了工程浪费。

(3)目前全线已基本完成膨胀岩土边坡的开挖和支挡工程施工，边坡加固和防护也陆续在施工中。从现场实施情况看，膨胀岩土边坡自身稳定，未发生坡面和坡体病害。

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中图分类号：U213.1