铁路路基段差异风化工程特性研究

冯 涛，李维克，蔡家鹏

(中铁二院 地勘岩土公司地质三所，成都 610031)

铁路路基段差异风化工程特性研究

冯 涛，李维克，蔡家鹏

(中铁二院 地勘岩土公司地质三所，成都 610031)

结合拟建贵广铁路高培二号隧道出口外路基工点(DK308+500～DK308+560)，对基岩(砂岩夹硅质页岩、炭质页岩)中的差异风化现象进行了研究。探讨了差异风化的成因、机理，工程特性及其对铁路工程的危害，并提出了相应的工程勘察、设计和处理措施建议，对类似的路基工程具有一定的参考价值。

贵广铁路 差异风化 工程特性 工程处理措施

矿物成分、结构、构造及节理状况不同的岩石共生在一起，在相同的条件下，它们抵抗风化的能力不相一致。其风化速度不等，则抗风化能力强的岩石突出地表、弱者就凹入，这一现象称为差异风化[1]。差异风化现象普遍发生在含软岩夹层的硬质岩层或软、硬质岩互层中。由于软质岩和硬质岩具有不同的抗风化能力，在同等的风化条件下，风化程度就将不同，从而使二者形成的整体基岩层具有不均匀的工程特性[2]。如果在勘设和施工过程中不加以重视，将其作为相同的物理力学参数的均质体来处理，将会对铁路工程造成无法估量的损失，给铁路运营带来重大安全隐患。

本文针对这一情况，结合拟建贵广铁路从江段高培二号隧道出口外路基(DK308+500～DK308+560)这一工程实例，汇总地质调绘、钻探、标贯试验及钻孔取样室内物理力学试验等多项技术资料，综合分析了该处差异风化层的分布情况、地质特征、形成机理、工程特性。进而判定可能对路基工程产生的影响，提出了相应的地质设计意见及工程处理措施，并对今后相似地段的地质勘探提出一些建议。

1 工点介绍

1.1 概况

拟建中的途经贵州、广西、广东三省的一条高速铁路，正线建设长度833.365 km。本文所研究的路基段位于贵州省从江县，线路里程DK308+500～DK308+560。该路基段小里程方向为高培二号隧道出口，线路以半挖半填方形式通过。工点地质平面图见图1。

1.2 工点自然特征

图1 工点地质平面

测区为剥蚀中低山地貌，绝对高程200～400 m，相对高差最大达200 m，自然横坡5°～50°。本段路基的前半段(DK308+500～DK308+530)处于沟槽中，表层为坡洪积的碎石土夹软粉质黏土;后半段(DK308+530～DK308+560)位于斜坡上，表层为全风化基岩层。基岩为寒武系清溪组中段(∈q2)砂岩夹页岩、硅质页岩，下段(∈q1)砂岩夹硅质页岩、炭质页岩，偶夹灰岩。中段(∈q2)和下段(∈q1)岩层在沟槽内整合接触。

1)地质构造:段内未见断层构造迹象。大部分地段被第四系覆盖，基岩的节理、裂隙发育。

2)气候条件:测区气候属亚热带季风型气候，总的特点为春暖潮湿，阴雨连绵;夏热干燥，暴雨常临;秋凉气爽，冬冷霜降。年均气温16℃ ～19℃，一月最冷，最低气温-7.5℃，七月最热，最高气温39℃;年均降水量1 600～2 200 mm，4～8月为雨季，约占全年降水量的70% ～80%。

3)水文地质:出口端地表水为沟水及水田水，水量小。地下水主要为基岩裂隙水。含水岩组为碎屑岩类含水岩组，形成碎屑岩类基岩裂隙水。大气降水是地下水的主要补给来源，经入渗补给，沿着地形的自然坡向及构造裂隙往低处渗流，于坡脚排泄于溪沟中，年水位变幅1～5 m。

2 差异风化特征分析

2.1 饱水基岩层特征

据钻探揭示，饱水基岩层在BDZ-308-02-4孔中埋深18.9～21.9 m，在 BDZ-308-03孔埋深 24.6～25.5 m，而 BDZ-308-02、BDZ-308-03-2孔中缺失。故表明该层以透镜状分布，揭示其厚度0.9～3.0 m，位于底部弱风化带岩层的顶部的强风化层中。钻探所揭示的全风化饱水岩层主要成分为页岩夹炭质页岩，灰黑色、褐黄色夹灰黄色斑块。岩心呈土状，黏性较强，含水量较大，含水状态似黏性土的软塑偏硬塑状。原生结构已经被破坏，局部有细微孔洞，有两种不同颜色的粉黏粒条带相互穿插，呈斑纹状。手指挤压易变形，能搓成2 mm的细条，具滑腻感。该层分布于隧道出口端外DK308+505～DK308+563段，在(4)层的强风化层(W3)中以透镜状分布。该层局部顶板为灰岩，层厚0～3 m。根据标贯试验，该差异风化层标贯锤击数6～8击，近似于松软土的锤击数，属Ⅱ级普通土。

2.2 差异风化形成机理

本路基段差异风化层主要体现为全风化饱水基岩层以透镜体形式分布于强风化砂岩层中。砂岩层属于正常碎屑岩类，主要矿物成分为石英，含少量斜长石，砂状结构，薄～中厚层状构造;饱水基岩层中的页岩属于黏土岩类，主要矿物成分为高岭土、黑云母，含少量绿泥石及其他黏土矿物。泥质结构，薄层状、页理构造[3]。根据鲍文反应原理，矿物抗风化能力如图2。

图2 矿物抗风化能力系列

从图2可以看出，石英抗风化能力极强，而黑云母抗风化能力较弱，比石英要弱三个级别，在相同的风化条件下，以石英为主要矿物成分的砂岩不易风化，而以黑云母为主要矿物成分的页岩则较易风化(页岩中的高岭土、绿泥石等黏土矿物本身就是长石、云母等的风化产物)。

本地段地表水、地下水较为发育，入渗到基岩层中，砂岩为透水岩层，水渗透至页岩层中，页岩遇水易风化崩解，形成饱水的相对隔水层。在该风化条件下，砂岩层风化较弱，而页岩则风化成以高岭土、绿泥石、绢云母为主要矿物成分的土状岩层，形成差异风化明显的复合岩层。

同时，风化作用的进行将使页岩层的微结构单元间的连接力大大减弱，结构愈加松散，受力变形变大，更易发生结构失稳破坏。与此同时，由于砂岩层为透水岩层，水对砂岩的风化影响较小，而石英抗风化能力极强，风化程度微弱，砂岩层的岩石性质、结构、构造等改变很小。

2.3 差异风化层工程特性

孙广忠[4]教授指出，“岩体力学性质决定于组成岩体结构单元及其组合、排列特征，即结构特征。岩体变形不仅是材料变形，而许多情况下是结构变形，岩体破坏也不仅是材料破坏，而且许多情况下是结构失稳”。具体而言，影响岩体强度的因素主要包括两个方面:岩石性质和外载荷的加载条件、温度、湿度等。岩石性质包括组成岩石的矿物成分、岩石结构和构造、微结构面等。其中，岩石性质是决定岩石强度的最本质的内在因素[5]。

由2.2的分析可知，在相同的风化条件下，砂岩层的岩石性质、结构、构造等特征没有明显改变，力学性能改变很小。而页岩层的矿物成分变成了以高岭石、绢云母、绿泥石等片状黏土矿物为主，微裂隙增加，结构变得更加松散，在荷载作用下变形增加，更易发生结构失稳破坏，沉降量将大大增加。因此，页岩层的力学性能将大大差于砂岩层，二者形成的差异风化层的整体力学性能具有严重的不均匀性。

通过对钻孔取样进行室内物理力学试验，得到路基段各岩土层物理力学参数表如表1。由表1看出，饱水全风化层(5)的重度及黏聚力略低于第(4)层的全风化层(W4)，而内摩擦角、基本承载力、基地摩擦系数及桩周土极限摩擦力均远低于第(4)层的全风化层(W4)。这表明，饱水基岩全风化层(5)的力学参数远低于第(4)层的全风化层，主要力学参数指标更低于第(4)层的强风化层(W3)及弱风化层(W2)，而且还要略低于坡残积的粉质黏土层。由于第(5)层以透镜体形式分布于第(4)层的强风化层中，因此使二者形成的整体基岩层具有明显的力学和工程特性的不均匀性。

2.4 差异风化对工程的影响

饱水岩层以透镜体形式分布于第(4)层及寒武系清溪组下段强风化(W3)砂岩层中，埋深为 18.9～25.2 m。透镜体中部差异风化层较厚，两端较薄直至尖灭。在铁路运行时产生的荷载作用下，饱水基岩层中部变形沉降将较大，往两侧发展逐步减小。路基段将产生不均匀沉降，从而使路基面出现沉降开裂，严重影响到路基岩土的受力平衡条件，并可能成为铁路运行的安全隐患，如不及时处理，可能造成重大损失。

表1 岩土物理力学参数表

3 工程处理措施

由上述分析可知，在相同的风化条件下，饱水岩层的力学性能大大低于砂岩层，二者形成的差异风化层具有严重的不均匀性。在铁路荷载的作用下，将使路基段产生不均匀沉降或剪切破坏，因此，必须采取合理的工程处理措施。铁路工程对软弱层的处理方法主要有换填、强夯加固、化学加固、预压加固、注浆加固、设桩加固等，各种处理措施均有其适用范围，应结合实际工程地质条件选用。

本文所针对的路基软弱下卧层，主要是由于差异风化形成，地表水及地下水通过透水层(砂岩层)下渗至隔水层(页岩层)，在页岩层形成饱水带。由于该层埋深较大(18.9～25.5 m)，综合考虑地质条件、工程造价、施工难度等因素，建议采用高压旋喷桩进行加固处理，并加强地下水的引排疏干。

高压喷射注浆是靠其喷嘴以很高的压力喷射出能量大、速度快的浆液，当它连续和集中的作用于土体上时，压应力和冲蚀等多种因素便在很小的区域产生效应。对粒径很小的细土粒到含有粒径较大的卵石、碎石土，均有巨大的冲击和搅拌作用，使注入的浆液和土拌合凝固为新的固结体。通过专用的施工机械，在土中形成一定直径的桩体，与桩间土形成复合地基承担基础传来的荷载，可提高地基承载力和改善地基变形特征[6]。

4 工程地质勘察的重点建议

1)首先应展开区域地质资料的收集和详细的地质调绘，充分了解测段的地形地貌、地层岩性、地质构造、不良地质以及特殊岩土等地质情况，以及气候条件和水文条件。

2)在沿线路中线和线路横断面方向，结合地质条件布置适量的钻孔，多方位、多层次、立体性的把握地下岩土体的层厚和变化情况，绘制纵、横断面图。

3)对饱水基岩层进行标贯试验，获取不扰动力学数据。

4)钻孔内取样，进行室内物理力学试验，获取详细的试验数据。

5)结合地质调绘、钻探、标贯试验、孔内取样室内物理力学试验的结果，综合分析差异风化层的形成机理、工程特性、变形破坏特征，在此基础上，分析其对工程的影响，并提出相应的工程处理措施意见。

5 结论

本文结合从江段路基工点，在完成详细的地质调绘、开展钻探、标贯试验、孔内取样试验等工作基础上，综合分析了该路基段差异风化层的地质特征、形成机理、工程特性及变形破坏机理，判明了下卧透镜状饱水软层的不良力学性质和所存在的工程地质危害。在综合考虑地质条件、工程造价、处理难度等前提下，建议采用高压旋喷桩、加强引排地下水等工程处理措施。对类似情况的路基工程开展勘察、设计及施工具有一定的参考价值。

[1]夏邦栋.普通地质学[M].北京:地质出版社，1995.

[2]北京大学等六校.地貌学[M].北京:人民教育出版社，1979.

[3]铁道部第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京:中国铁道出版社，2002.

[4]孙广忠.岩体力学基础[M].北京:科学出版社，1983.

[5]谢和平，陈忠辉.岩石力学[M].北京:科学出版社，2004.

[6]中华人民共和国建设部.JGJ—792002 建筑地基处理技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

U213.1;P512.1

B

1003-1995(2010)04-0076-03

2009-10-21;

2009-12-30

冯涛(1978— )，男，湖北麻城人，工程师，博士。

(责任审编 赵其文)