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泥岩夹石工程性质与作用

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崩解性

野外调查结果表明,西宁北山地区泥岩夹石膏岩近直立,产状水平,并发育两组垂直节理裂隙,走向为N10°W和N40°E;由于泥岩夹石膏岩含硫酸盐及岩盐,溶蚀后形成大量空洞,经风化作用,崩积后在北山地区形成大量崩塌、危岩落石、滑坡、岩堆及泥石流沟,构成不良地质发育带。坡面上形成以黄土、碎石类土为主的堆积层,碎石类土成分为泥岩夹石膏岩。北山地区主要的冲沟均为泥石流沟,其中无名沟、红沟、小山沟、褚家营沟为小型泥石流沟,索盐沟为中型泥石流沟。勘探结果也表明,完整的柱状泥岩夹石膏岩岩芯在刚施钻完后锤击不易碎,在空气中暴露数天后,很快就会崩解成碎块状、土状,工程性质变差。

膨胀性

对岩石膨胀性判定目前还没有统一的标准。《铁路工程地质勘察规范》条文说明中建议膨胀岩按膨胀土进行自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量试验,并参照膨胀土的判定指标,间接判定膨胀岩的膨胀性。《膨胀土地区建筑技术规范》中规定依据自由膨胀率将膨胀土的膨胀潜势划分为弱、中、强。对膨胀岩的判断依据为《铁路工程岩土分类标准》,规定当自由膨胀率、膨胀力、饱和吸水率中两项符合所列指标时,可判定为膨胀岩,并没有明确强、中、弱等指标。曲永新提出用不规则岩块干燥饱和吸水率判别法和成岩胶结系数指标法对泥质岩的膨胀性进行了综合判定,并将泥质岩分为非膨胀性、微、弱、强或剧膨胀性。对泥岩夹石膏岩膨胀性试验依据膨胀土进行,测试了自由膨胀率、蒙脱石含量及阳离子交换量等值。表中数据显示,自由膨胀率Fs范围值为41%~90%,平均为60%,蒙脱石含量M范围值在7%~15.6%,平均10.43%,阳离子交换量CEC(NH+4)范围值为82~231mmol/kg,平均值为156mmol/kg。根据《铁路工程地质勘察规范》,判定其具弱膨胀潜势,根据《膨胀土地区建筑技术规范》判定其具弱、中膨胀潜势。由于成岩作用,泥岩夹石膏岩颗粒之间有较强的联通性,这种连接通过机械破碎不能完全,因此膨胀岩的自由膨胀率较低,但泥岩夹石膏岩中亲水矿物蒙脱石含量较高。青海省第三系泥岩膨胀力试验结果表明膨胀力Pp数值在581~2100kPa之间,膨胀力值较大。结合自由膨胀率试验数据,判定泥岩夹石膏岩为膨胀岩。其指标如表2所示。试验数据和工程经验表明,西宁地区第三系泥岩夹石膏岩首先具膨胀性,为膨胀岩,其膨胀潜势的特征还需进一步的研究,对规范进行完善、明确,以便更科学地指导工程勘察设计。2.4腐蚀性由于泥岩夹石膏岩化学成分中含有硫酸盐结晶体及岩盐,为查明其化学组分,进行了易溶盐分析。

主要指标中pH值为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。各类规范中并未明确表明岩的腐蚀性如何判定,按《岩土工程勘察规范》,场地土对混凝土结构具硫酸盐强腐蚀性;对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性。根据物探资料显示,泥岩夹石膏岩的电阻率<20Ω•m,对钢结构具强腐蚀性。

对泥岩和石膏岩是否具有腐蚀性的问题还存在争议,《岩土工程勘察规范》规定对于地下水位以下的岩土只做地下水水质分析,以此结果来判定其对钢筋混凝土的腐蚀性。西宁地区各级阶地地下水位一般埋深小于10m,主要为第四系松散层孔隙水,泥岩夹石膏岩位于地下水位以下,根据水质的判定结果,该区地下水水质对混凝土结构具硫酸盐强腐蚀性,具总矿化度中等腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋长期浸水时具微腐蚀性;在干湿交替条件下,对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性。两者的判定结果基本相同。笔者认为,由于水和岩石的相互作用,该区的地下水水质本身就较差,也反应了泥岩夹石膏岩的一些特性及成分,另由于石膏层在有水的情况下易发生溶蚀,使其强度降低、变形增大,并产生对混凝土有腐蚀的水溶液。因此泥岩夹石膏岩的腐蚀性在工程中应该考虑,其判定结果也应参考泥岩夹石膏岩的岩土的分析结果,如表3所示。

对铁路工程的影响

西宁地区第三系泥岩夹石膏岩长时间暴露在空气中后或遇水后,泥岩夹石膏岩极易膨胀、溶蚀、软化、崩解,强度会迅速降低。其中膨胀岩岩体吸水膨胀、脱水收缩,使岩体体积发生变化,往往形成隧道衬砌开裂,道床膨胀或沉陷,边坡剥落、滑动,石膏层在有水的情况下发生溶蚀,产生对钢筋混凝土有腐蚀的水溶液。针对不同的工程提出其影响及措施建议。

1路基工程

西宁北山地区泥石流沟发育,位于山前的路基及场区工程应远离泥石流沟,并做好排水措施。以西宁站改动车应用所为例,勘测阶段共有两个方案,其中一个方案位于北山无名沟和红沟沟口附近,两个冲沟均为小型泥石流沟,最近距沟口约100m,另一方案位于下游的兰新高速公路和既有兰青线之间的阶地上,远离泥石流沟。由于冲沟内物源丰富,沟内筑有拦石、拦水坝,为保证工程安全,推荐远离泥石流沟的方案。由于该区第三系泥岩夹石膏岩遇水膨胀并具腐蚀性,作为路堤工程基础时,应防止暴露,工程开挖暴露的,应用防腐蚀性材料进行严格封闭,可采用二八灰土或者水泥改良土,阻止雨水对路基侵入,并做好排水措施。对于开挖后的泥岩夹石膏岩不能直接作为路基填料,须进行改良,可添加水泥或者石灰。路堑工程开挖中应放缓边坡、加强支挡、防护、做好边坡排水措施,避免泥岩及石膏岩遇水及长时间暴露,同时应做好路基的排水设施。北山附近由于泥岩夹石膏岩风化引起的崩塌、岩堆、危岩、落石等发育。由于该层易溶盐含量高,在大气降水等因素影响下,很容易形成软弱结构面,在通过软弱结构面将易溶盐带走,使软弱结构面不断扩大,致使岩体内的应力进行重新分布,因此路基边坡工程经过不良地质段时,应做好防护,防止开挖引起的次生灾害发生。

2桥梁、站房工程

弱风化泥岩夹石膏岩属于良好的天然地基,可以作为桥梁、站房基础持力层。由于泥岩具膨胀性;石膏岩遇水易膨胀、软化、溶蚀,基坑及桩基开挖后应及时进行基础灌注,避免暴露时间过长或长时间浸水引起泥岩崩解,石膏岩溶蚀,承载力降低。西宁地区各级阶地第四系松散层孔隙水发育,泥岩夹石膏岩位于地下水位以下或变化幅度范围内。因此应注意地层中易溶盐被溶解、带走,造成地层结构的破坏。同时施工中应避免地下水及施工用水长时间浸泡下部的泥岩夹石膏岩,引起环境水腐蚀性加强。同时应采取抗腐蚀性材料,特别是对混凝土结构的硫酸盐强腐蚀性以及对钢筋混凝土结构中的钢筋具强腐蚀性,并对抗腐蚀性做出针对性设计。

3隧道工程

对于隧道工程,在选线阶段,进出口应尽量绕避危岩、落石、岩堆及滑坡发育地段。对无法绕避的,施工阶段要注意岩堆、崩塌、滑坡体的监测工作,并加强施工方法与支护措施,防止隧道洞顶及侧壁产生坍塌。洞身部位第三系泥岩夹石膏岩围岩级别以四级为主,具有膨胀性,且含盐量大,浸水易溶蚀、软化、膨胀,导致强度大幅降低,形成孔隙、孔洞,自稳能力下降,危及工程安全。隧道施工开挖后,尽快封闭围岩,以隔绝大气湿度的影响,减少围岩吸水膨胀,防止崩塌;加强支护,减少围岩变形,防止变形过大而坍塌;及时衬砌,并采用钢筋混凝土结构。同时施工过程中应严格控制施工用水和及时疏排地下水,加强防排水措施,开挖时如遇地下水渗流地段,应及时采取封堵等措施。

结论

(1)泥岩夹石膏岩的力学性质在一定的环境下,表现出不同的特征,在自然状态下,其工程性质较好,但在浸水及长时间暴露在空气中后,极易膨胀、溶蚀、软化、崩解,其强度将大大降低,基本承载力降低。

(2)试验数据表明,泥岩夹石膏岩应按膨胀岩考虑,建议增做膨胀力试验,对其膨胀特征进一步分析研究。铁路路堤、路堑、隧道工程应对其膨胀特性采取相应工程措施。

(3)泥岩夹石膏岩遇水使得环境水对钢筋混凝土结构产生腐蚀性,桥梁及房建等桩基工程应对抗腐蚀性做出针对性设计。针对此类岩土特点,应做岩土的易溶盐分析。

作者:张晓宇 单位:中铁第一勘察设计院集团有限公司

 

泥岩夹石工程性质与作用责任编辑:陈老师    阅读:人次