泥巖夾石工程性質(zhì)與作用范文
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崩解性
野外調(diào)查結(jié)果表明，西寧北山地區(qū)泥巖夾石膏巖近直立，產(chǎn)狀水平，并發(fā)育兩組垂直節(jié)理裂隙，走向?yàn)镹10°W和N40°E;由于泥巖夾石膏巖含硫酸鹽及巖鹽，溶蝕后形成大量空洞，經(jīng)風(fēng)化作用，崩積后在北山地區(qū)形成大量崩塌、危巖落石、滑坡、巖堆及泥石流溝，構(gòu)成不良地質(zhì)發(fā)育帶。坡面上形成以黃土、碎石類(lèi)土為主的堆積層，碎石類(lèi)土成分為泥巖夾石膏巖。北山地區(qū)主要的沖溝均為泥石流溝，其中無(wú)名溝、紅溝、小山溝、褚家營(yíng)溝為小型泥石流溝，索鹽溝為中型泥石流溝。勘探結(jié)果也表明，完整的柱狀泥巖夾石膏巖巖芯在剛施鉆完后錘擊不易碎，在空氣中暴露數(shù)天后，很快就會(huì)崩解成碎塊狀、土狀，工程性質(zhì)變差。
膨脹性
對(duì)巖石膨脹性判定目前還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》條文說(shuō)明中建議膨脹巖按膨脹土進(jìn)行自由膨脹率、蒙脫石含量、陽(yáng)離子交換量試驗(yàn)，并參照膨脹土的判定指標(biāo)，間接判定膨脹巖的膨脹性。《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定依據(jù)自由膨脹率將膨脹土的膨脹潛勢(shì)劃分為弱、中、強(qiáng)。對(duì)膨脹巖的判斷依據(jù)為《鐵路工程巖土分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定當(dāng)自由膨脹率、膨脹力、飽和吸水率中兩項(xiàng)符合所列指標(biāo)時(shí)，可判定為膨脹巖，并沒(méi)有明確強(qiáng)、中、弱等指標(biāo)。曲永新提出用不規(guī)則巖塊干燥飽和吸水率判別法和成巖膠結(jié)系數(shù)指標(biāo)法對(duì)泥質(zhì)巖的膨脹性進(jìn)行了綜合判定，并將泥質(zhì)巖分為非膨脹性、微、弱、強(qiáng)或劇膨脹性。對(duì)泥巖夾石膏巖膨脹性試驗(yàn)依據(jù)膨脹土進(jìn)行，測(cè)試了自由膨脹率、蒙脫石含量及陽(yáng)離子交換量等值。表中數(shù)據(jù)顯示，自由膨脹率Fs范圍值為41%～90%，平均為60%，蒙脫石含量M范圍值在7%～15．6%，平均10．43%，陽(yáng)離子交換量CEC(NH+4)范圍值為82～231mmol/kg，平均值為156mmol/kg。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，判定其具弱膨脹潛勢(shì)，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》判定其具弱、中膨脹潛勢(shì)。由于成巖作用，泥巖夾石膏巖顆粒之間有較強(qiáng)的聯(lián)通性，這種連接通過(guò)機(jī)械破碎不能完全，因此膨脹巖的自由膨脹率較低，但泥巖夾石膏巖中親水礦物蒙脫石含量較高。青海省第三系泥巖膨脹力試驗(yàn)結(jié)果表明膨脹力Pp數(shù)值在581～2100kPa之間，膨脹力值較大。結(jié)合自由膨脹率試驗(yàn)數(shù)據(jù)，判定泥巖夾石膏巖為膨脹巖。其指標(biāo)如表2所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)表明，西寧地區(qū)第三系泥巖夾石膏巖首先具膨脹性，為膨脹巖，其膨脹潛勢(shì)的特征還需進(jìn)一步的研究，對(duì)規(guī)范進(jìn)行完善、明確，以便更科學(xué)地指導(dǎo)工程勘察設(shè)計(jì)。2．4腐蝕性由于泥巖夾石膏巖化學(xué)成分中含有硫酸鹽結(jié)晶體及巖鹽，為查明其化學(xué)組分，進(jìn)行了易溶鹽分析。
主要指標(biāo)中pH值為7．56～9．0，SO2－4含量8884～232175mg/kg，HCO－3含量118～647mg/kg，Cl－含量810～25075mg/kg，Mg2+含量26～189mg/kg。各類(lèi)規(guī)范中并未明確表明巖的腐蝕性如何判定，按《巖土工程勘察規(guī)范》，場(chǎng)地土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽強(qiáng)腐蝕性;對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性。根據(jù)物探資料顯示，泥巖夾石膏巖的電阻率＜20Ω•m，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具強(qiáng)腐蝕性。
對(duì)泥巖和石膏巖是否具有腐蝕性的問(wèn)題還存在爭(zhēng)議，《巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定對(duì)于地下水位以下的巖土只做地下水水質(zhì)分析，以此結(jié)果來(lái)判定其對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕性。西寧地區(qū)各級(jí)階地地下水位一般埋深小于10m，主要為第四系松散層孔隙水，泥巖夾石膏巖位于地下水位以下，根據(jù)水質(zhì)的判定結(jié)果，該區(qū)地下水水質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具硫酸鹽強(qiáng)腐蝕性，具總礦化度中等腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋長(zhǎng)期浸水時(shí)具微腐蝕性;在干濕交替條件下，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性。兩者的判定結(jié)果基本相同。筆者認(rèn)為，由于水和巖石的相互作用，該區(qū)的地下水水質(zhì)本身就較差，也反應(yīng)了泥巖夾石膏巖的一些特性及成分，另由于石膏層在有水的情況下易發(fā)生溶蝕，使其強(qiáng)度降低、變形增大，并產(chǎn)生對(duì)混凝土有腐蝕的水溶液。因此泥巖夾石膏巖的腐蝕性在工程中應(yīng)該考慮，其判定結(jié)果也應(yīng)參考泥巖夾石膏巖的巖土的分析結(jié)果，如表3所示。
對(duì)鐵路工程的影響
西寧地區(qū)第三系泥巖夾石膏巖長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中后或遇水后，泥巖夾石膏巖極易膨脹、溶蝕、軟化、崩解，強(qiáng)度會(huì)迅速降低。其中膨脹巖巖體吸水膨脹、脫水收縮，使巖體體積發(fā)生變化，往往形成隧道襯砌開(kāi)裂，道床膨脹或沉陷，邊坡剝落、滑動(dòng)，石膏層在有水的情況下發(fā)生溶蝕，產(chǎn)生對(duì)鋼筋混凝土有腐蝕的水溶液。針對(duì)不同的工程提出其影響及措施建議。
1路基工程
西寧北山地區(qū)泥石流溝發(fā)育，位于山前的路基及場(chǎng)區(qū)工程應(yīng)遠(yuǎn)離泥石流溝，并做好排水措施。以西寧站改動(dòng)車(chē)應(yīng)用所為例，勘測(cè)階段共有兩個(gè)方案，其中一個(gè)方案位于北山無(wú)名溝和紅溝溝口附近，兩個(gè)沖溝均為小型泥石流溝，最近距溝口約100m，另一方案位于下游的蘭新高速公路和既有蘭青線之間的階地上，遠(yuǎn)離泥石流溝。由于沖溝內(nèi)物源豐富，溝內(nèi)筑有攔石、攔水壩，為保證工程安全，推薦遠(yuǎn)離泥石流溝的方案。由于該區(qū)第三系泥巖夾石膏巖遇水膨脹并具腐蝕性，作為路堤工程基礎(chǔ)時(shí)，應(yīng)防止暴露，工程開(kāi)挖暴露的，應(yīng)用防腐蝕性材料進(jìn)行嚴(yán)格封閉，可采用二八灰土或者水泥改良土，阻止雨水對(duì)路基侵入，并做好排水措施。對(duì)于開(kāi)挖后的泥巖夾石膏巖不能直接作為路基填料，須進(jìn)行改良，可添加水泥或者石灰。路塹工程開(kāi)挖中應(yīng)放緩邊坡、加強(qiáng)支擋、防護(hù)、做好邊坡排水措施，避免泥巖及石膏巖遇水及長(zhǎng)時(shí)間暴露，同時(shí)應(yīng)做好路基的排水設(shè)施。北山附近由于泥巖夾石膏巖風(fēng)化引起的崩塌、巖堆、危巖、落石等發(fā)育。由于該層易溶鹽含量高，在大氣降水等因素影響下，很容易形成軟弱結(jié)構(gòu)面，在通過(guò)軟弱結(jié)構(gòu)面將易溶鹽帶走，使軟弱結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)大，致使巖體內(nèi)的應(yīng)力進(jìn)行重新分布，因此路基邊坡工程經(jīng)過(guò)不良地質(zhì)段時(shí)，應(yīng)做好防護(hù)，防止開(kāi)挖引起的次生災(zāi)害發(fā)生。
2橋梁、站房工程
弱風(fēng)化泥巖夾石膏巖屬于良好的天然地基，可以作為橋梁、站房基礎(chǔ)持力層。由于泥巖具膨脹性;石膏巖遇水易膨脹、軟化、溶蝕，基坑及樁基開(kāi)挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)灌注，避免暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或長(zhǎng)時(shí)間浸水引起泥巖崩解，石膏巖溶蝕，承載力降低。西寧地區(qū)各級(jí)階地第四系松散層孔隙水發(fā)育，泥巖夾石膏巖位于地下水位以下或變化幅度范圍內(nèi)。因此應(yīng)注意地層中易溶鹽被溶解、帶走，造成地層結(jié)構(gòu)的破壞。同時(shí)施工中應(yīng)避免地下水及施工用水長(zhǎng)時(shí)間浸泡下部的泥巖夾石膏巖，引起環(huán)境水腐蝕性加強(qiáng)。同時(shí)應(yīng)采取抗腐蝕性材料，特別是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的硫酸鹽強(qiáng)腐蝕性以及對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具強(qiáng)腐蝕性，并對(duì)抗腐蝕性做出針對(duì)性設(shè)計(jì)。
3隧道工程
對(duì)于隧道工程，在選線階段，進(jìn)出口應(yīng)盡量繞避危巖、落石、巖堆及滑坡發(fā)育地段。對(duì)無(wú)法繞避的，施工階段要注意巖堆、崩塌、滑坡體的監(jiān)測(cè)工作，并加強(qiáng)施工方法與支護(hù)措施，防止隧道洞頂及側(cè)壁產(chǎn)生坍塌。洞身部位第三系泥巖夾石膏巖圍巖級(jí)別以四級(jí)為主，具有膨脹性，且含鹽量大，浸水易溶蝕、軟化、膨脹，導(dǎo)致強(qiáng)度大幅降低，形成孔隙、孔洞，自穩(wěn)能力下降，危及工程安全。隧道施工開(kāi)挖后，盡快封閉圍巖，以隔絕大氣濕度的影響，減少?lài)鷰r吸水膨脹，防止崩塌;加強(qiáng)支護(hù)，減少?lài)鷰r變形，防止變形過(guò)大而坍塌;及時(shí)襯砌，并采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工用水和及時(shí)疏排地下水，加強(qiáng)防排水措施，開(kāi)挖時(shí)如遇地下水滲流地段，應(yīng)及時(shí)采取封堵等措施。
結(jié)論
(1)泥巖夾石膏巖的力學(xué)性質(zhì)在一定的環(huán)境下，表現(xiàn)出不同的特征，在自然狀態(tài)下，其工程性質(zhì)較好，但在浸水及長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中后，極易膨脹、溶蝕、軟化、崩解，其強(qiáng)度將大大降低，基本承載力降低。
(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，泥巖夾石膏巖應(yīng)按膨脹巖考慮，建議增做膨脹力試驗(yàn)，對(duì)其膨脹特征進(jìn)一步分析研究。鐵路路堤、路塹、隧道工程應(yīng)對(duì)其膨脹特性采取相應(yīng)工程措施。
(3)泥巖夾石膏巖遇水使得環(huán)境水對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕性，橋梁及房建等樁基工程應(yīng)對(duì)抗腐蝕性做出針對(duì)性設(shè)計(jì)。針對(duì)此類(lèi)巖土特點(diǎn)，應(yīng)做巖土的易溶鹽分析。
作者：張曉宇單位：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司