贵南高铁南宁段古近系泥岩膨胀性判别指标适用性分析.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0226-07贵南高铁南宁段古近系泥岩膨胀性贵南高铁南宁段古近系泥岩膨胀性判别指标适用性分析判别指标适用性分析布强1张磊1庞维福2董斌1孙合金1（1.中铁一局集团有限公司第三工程分公司，陕西宝鸡721006；2.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000）【摘要】贵南高铁南宁段古近系泥岩是湖沼沉积型半成泥岩，易遇水软化，失水崩解，有一定胀缩性。依托贵南高铁南宁段泥岩样品膨胀性试验数据及路堑边坡人字型骨架开裂的实际现象，采用了相关性、线性回归、匹配度等分析方法，对膨胀性判别指标适用性进行了研究。研究结果表明，干燥饱和吸水率单指标膨胀潜势分级结果与实际较接近，天然湿度样品的膨胀力、交换阳离子含量、蒙脱石含量及自由膨胀率等单指标膨胀潜势分级结果易下降 12 个等级。【关键词】古近系半成泥岩；干燥饱和吸水率；自由膨胀率；膨胀潜势；判别指标【中图分类号】P642 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.016Suitability of the Expansion Index for Paleogene Mudstonein Nanning Section of Guinan High-speed RailwayBu Qiang1Zhang Lei1Pang Weifu2Dong Bin1Sun Hejin1(1.China Railway First Group Third Engineering,Baoji 721006,Shaanxi,China；2.Shaanxi Railway Institute,Weinan 714000,Shaanxi,China)【Abstract】Paleogene mudstone in the Nanning section of the Guinan high-speed railway is a semi-formed mudstone depositedin lakes and marshes,which is easy to soften when it meets water or to disintegrate when it loses water and has certain swelling andshrinking properties.Based on the expansive test data of mudstone samples in the Nanning section of the Guinan high-speed railwayand the actual phenomenon of herringbone skeleton cracking on cutting slope,the applicability of expansive discrimination indexes wasstudied by using analysis methods of correlation,linear regression,and matching degree.The results show that the grading results ofsingle-index expansion potential by dry-saturated water absorption rate is close to the actual situation,and the grading results of single-index expansion potential of natural humidity samples by expansion force,cation exchange capacity,montmorillonite content or freeexpansion rate are easy to drop by 1-2 grades.【Key words】paleogene semi-formed mudstone；dry-saturated water absorption rate；free expansion rate；expansion potential ofmudstone；discrimination index 0 引言贵南高速铁路由贵阳北站至南宁东站途径南宁（简称贵南高铁南宁段），南宁段沿线有 5 段膨胀泥岩路堑。膨胀性岩路堑边坡的坍滑会给工程建设带来巨大的灾难，可见针对膨胀岩堑坡进行防护加固是必要的。对膨胀岩护坡加固措施的设计方案的选择，在 铁路特殊路基设计规范（TB 100352018）1中说明了可根据膨胀岩的膨胀潜势等级与坡高等因素进行确定。因此在工程设计阶段，准确判定泥岩膨胀潜势等级对工程建设有重要指导意义。本研究中的贵南高铁南宁段沿线堑坡分布的膨胀泥岩主要矿物成分为伊利石、高岭石，少量蒙脱石，具有一定胀缩性，处于由岩石向黏土风化过渡阶段，即半岩石半土之间，结构性较好，黏聚力较大，抗压强度低，易遇水软化，失水崩解23。针对该类具有“非岩非土”特点的泥岩进行堑坡护坡加固设计时，膨胀潜势等级评判是首要解决的问题，找到一种适用于该区域的膨胀潜势分级标准对于同类工程设计具有参考意义。膨胀岩（土）膨胀潜势判别分级一直是膨胀岩研究难题4，对膨胀潜势估计不足会给工程构筑物的使用埋下安全隐患，反之则会导致设计过于保守，造成资源严重浪费。目前对膨胀岩（土）判别分级评价方 基金项目：中国铁路南宁局集团有限公司重点课题（2020B-003）作者简介：布强，男，1979 年生，陕西三原人，大学本科，高级工程师，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024法主要有两种，一种为单指标法，如余颂等5采用自由膨胀比对皖中地区膨胀土膨胀性进行了判别。一种为多指标法，如文江泉等6采用极限膨胀量、极限膨胀力、自由膨胀率、干燥饱和吸水率 4 项指标对膨胀泥岩进行判别分级，值得说明的是该判别分级标准与铁路工程特殊岩土勘察规程（TB 100382022）7中“说明表 6.5.2-4”的分级标准相同；曲永新等8采用干燥饱和吸水率、单轴抗压强度等双指标对泥质岩的工程分类和膨胀势实现了快速预测；铁路工程特殊岩土勘察规程（TB 100382022）7参照膨胀土判定指标确定了一种易崩解膨胀岩的自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量 3 项指标的判定标准；铁路工程特殊岩土勘察规程（TB 100382022）7针对膨胀土规定了一种自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量 3 项指标的判别分级标准；张永双等9针对南水北调中线工程沿线分布的一种硬土软岩同时采用岩、土两种方法进行判别得出了相同的结果。综上可知，目前国内尚无膨胀岩的统一判别分级标准。易崩解膨胀岩经雨淋日晒后会很快变成散土10，因此亦可参照膨胀土判定指标针对易崩解膨胀岩进行膨胀潜势判别分级研究。鉴于此，本研究依托贵南高铁南宁段项目，基于对膨胀泥岩胀缩引起的人字型路堑护坡骨架开裂情况调查及泥岩钻芯取样实测资料，对干燥饱和吸水率、膨胀量、膨胀力、蒙脱石含量、阳离子交换量及自由膨胀率膨胀性判别指标的适用性进行了研究，总结了一种适用于该区域的膨胀潜势分级标准。1 工程概况贵南高铁设计速度 350 km/h，线路全长 964 km，其中 DK501+784.783DK505+863.15 段共有 5 段膨胀岩路堑，累计 693 m，该路段位于广西南宁盆地西乡塘附近，下伏基岩地质年代为新生界古近系渐新统北湖组（E3b）湖沼沉积型泥岩，呈灰白、灰黑色，薄至中厚层状，厚度不稳定，单层厚度一般小于 20 m，半固结成岩，质软，易风化，遇水易崩解。贵南高铁 DK501+784.783DK505+863.15 段两侧路堑坡高大于 3 m，边坡设计坡比 12.5，采用人字型护坡骨架及锚杆框架梁进行边坡防护，其中人字型护坡骨架设计尺寸为：主骨架 0.6 m0.6 m、支骨架 0.5 m0.6 m，骨架设计三种间距分别为 2.5 m2.5 m、3 m3 m、4 m3 m，混凝土标号为 C35。人字型护坡骨架施工完成后，现场核查发现路堑两侧的人字型护坡骨架因下覆岩土体膨胀而开裂共计 49 处，其中裂缝宽度最大达 18 mm。2 土样采集与试验方法针对贵南高铁 DK501+784.783DK505+863.15段内发生人字型护坡骨架开裂现象的路堑，采用钻探取样方式取样品 22 组，分别进行了干燥饱和吸水率、自由膨胀率、膨胀力、蒙脱石含量、阳离子交换量等试验。其中干燥饱和吸水率试验依据铁路工程岩石试验规程（TB 101152014）11进行试验；自由膨胀率和膨胀力试验依据铁路工程土工试验规程（TB 101022010）12进行，蒙脱石含量与阳离子交换量试验依据铁路工程岩土化学分析规程（TB101032008）13分别采用亚甲基蓝氯化亚锡法与EDTA 铵盐快速测定法进行试验。试验结果如表 1所示。表 1 中“异常情况 1”是指本文 4.3 节中提到的依据蒙脱石含量与阳离子交换量之间相关性进行分析后发现的 7 组异常数据；表 1 中“异常情况 2”是指本文 4.4 节中提到的依据蒙脱石含量与自由膨胀率之间相关性进行分析后发现的 7 组异常数据。表 1 泥岩钻芯取样实测资料编号干燥饱和吸水率/%自由膨胀率/%膨胀力/kPa阳离子交换量/(mmolkg1)蒙脱石含量/%异常情况1异常情况2128.904916.9116.229.31233.974633.9120.858.48327.094017152.657.48异常440.084012.8113.577.59524.055033.9134.5811.89641.764133.9146.5811.58异常728.064050.8144.7612.57异常826.654063.8124.5810.05异常934.093916.9170.3811.25异常异常布强等：贵南高铁南宁段古近系泥岩膨胀性判别指标适用性分析227续表编号干燥饱和吸水率/%自由膨胀率/%膨胀力/kPa阳离子交换量/(mmolkg1)蒙脱石含量/%异常情况1异常情况21035.603812.8170.612.27异常异常1143.935321.2161.2411.76异常1233.755217164.7911.25异常1332.025850.9153.0215.511433.505038.2166.3812.78异常1532.204663.7143.199.89异常1629.334746.7130.7410.981732.325733.9128.0311.47异常1834.865450.9154.4514.451952.895163.7139.513.812035.9436102175.0916.70异常2136.044429.7120.78.232229.704321.2122.818.56 3 泥岩膨胀性判别结果分析依据铁路工程特殊岩土勘察规程（TB 100382022）7分别采用膨胀土和膨胀岩两种膨胀性分级标准（见表 2、表 3）进行判别，判别结果见表 4。表 2 膨胀土膨胀潜势分级标准分级指标弱膨胀土中等膨胀土强膨胀土自由膨胀率Fs/%40Fs6060Fs90Fs90蒙脱石含量M/%7M1717M27M27阳离子交换量CEC(NH4+)/(mmolkg1)170CEC(NH4+)260260CEC(NH4+)360CEC(NH4+)360注：当土质符合表列任意 2 项以上指标时，即判定为该等级。表 3 膨胀岩膨胀潜势分级标准类 别膨胀率/%膨胀力Pp/kPa干燥饱和吸水率wsa/%自由膨胀率Fs/%非膨胀岩310010305005070 （1）三指标判别法判别结果：从表 4 可知，依据表 2 判别发现 22 组样品均为弱膨胀性；依据表 3 判别发现 19 组样品为无膨胀性，2 组样品为中膨胀性，1 组样品为强膨胀性。上述分别采用膨胀土、岩两种膨胀性三指标法判别的结果与人字型护坡骨架开裂差异较大。（2）单指标判别法判别结果：从表 4 可知，依据表 2 阳离子交换量指标判别发现 19 组样品无膨胀性，3 组样品为弱膨胀性，而蒙脱石含量和自由膨胀率指标分别判别发现有 19 组样品为弱膨胀性；依据表 3 膨胀力单指标判别发现 21 组样品无膨胀性，1组样品为弱膨胀性，干燥饱和吸水率单指标判别发现样品均有膨胀性，其中具有中膨胀性样品占比为63.6%（14/22=63.6%），强膨胀性样品占比为 4.5%（1/22=4.5%），自由膨胀率单指标判别发现样品膨胀性为弱中，其中具有弱膨胀性样品占比为 63.6%（14/22=63.6%）。从单指标判别法判别结果分析可知，根据不同的单指标法分别得出的判别结果之间差别较大，其中依据阳离子交换量或膨胀力指标得出至少 86.4%（19/22=86.4%）样品无膨胀性，这与人字型护坡骨架开裂情况不符；其中依据表 2 的自由膨胀率分级标228岩土工程技术2024 年第 2 期准得出膨胀性分级结果比依据表 3 的自由膨胀率分级标准得出膨胀性分级结果下降 1 个等级。综上可知，表 2 与表 3 中的膨胀性指标对于贵南高铁南宁段区域的适用性需进一步分析。表 4 膨胀岩（土）膨胀潜势判别统计结果指标类型判别指标非膨性/个弱膨胀性/个中膨胀性/个强膨胀性/个判定标准单指标自由膨胀率31900表2蒙脱石含量02200阳离子交换量19300三指标自由膨胀率02200蒙脱石含量阳离子交换量单指标膨胀力21100表3干燥饱和吸水率07141自由膨胀率01480三指标膨胀力19021干燥饱和吸水率自由膨胀率 4 膨胀性指标适用性分析 4.1 干燥饱和吸水率把 100200g 不规则岩块在 105 烘至恒重后，浸泡 24 h，测其含水量为干燥饱和吸水率6。前人通过研究表明，未扰动泥岩的干燥饱和吸水率的大小，能够反映泥岩的成岩胶结作用、黏土矿物组成、物理化学性质等对泥岩膨胀性的综合影响，干燥饱和吸水率这一膨胀潜势分类指标具有灵敏性高、方法设备极为简单、试验结果准确度高等优点8。由表 4 可知，干燥饱和吸水率单指标判别结果与现场边坡路堑人字型骨架开裂实际情况较接近。4.2 膨胀力与膨胀率从铁路工程特殊岩土勘察规程（TB 100382022）中可知膨胀力含义应为极限膨胀力7。极限膨胀力是将原状样品烘至恒重，用平衡法在固结仪上测得极限膨胀力。前人研究表明：极限膨胀力与边界约束条件有关，因此可视为一项独立的变量，它与膨胀量和干燥饱和吸水率的相关性不显著6。需指出，在贵南高铁项目泥岩试样的膨胀力试验过程中，发现泥岩试样会在烘干过程中开裂、崩解，无法完成极限膨胀力试验，因此膨胀力测定采用了天然湿度的样品，但文献 14 指出，膨胀性设计指标的测定若采用天然湿度的样品，不仅数值很小（膨胀力几乎均1，表明点(xn+1，yn+1)使数据的离散程度加大12。K=vtn+1i=1(xi x)2vtn+1i=1(yi y)2ni=1(xi x)2ni=1(yi y)2（1）(x,y)(x,y)式中：为数据组(xi，yi)，i=1,2,n的均值；为 数 据 组(xi，yi),i=1,2,n+1的 均值点。初始选择连续无异常点的数据进行初始 K 值计算，后续数据参与计算获得新的 K 值，定义其值应在初始 K 值的20%内浮动，若 K 值超出设定要求时，则认为参与计算的数据为异常点，需剔除16。（1）依据蒙脱石含量与阳离子交换量之间相关性进行分析，发现有 7 组异常数据（见表 1“异常情况1”）占试样比 31.8%，R2相关系数从 0.401 提高到了0.879（见图 1）。分析原因：蒙脱石含量（亚甲基蓝氯化亚锡法）及阳离子交换量（EDTA 铵盐快速测定法）测定试验方法复杂，对试验人员专业要求较高及原状样品自身蒙脱石含量的不均匀性等因素均会增大试验结果的离散性，导致异常试验结果增多。580100120140160180200791113蒙脱石含量/%正常点异常点线性(正常点)阳离子交换量/(mmolkg1)1517y=5.7434x+69.488R2=0.879192123 图 1 蒙脱石含量与阳离子交换量关系图 （2）将依据蒙脱石含量与阳离子交换量相关性判定的 7 组异常数据剔除后，剩余 15 组干燥饱和吸水率与蒙脱石含量的数据线性拟合公式为 y=0.4118x+29.071，R2值仅为 0.0256（见图 2）；剔除异常点之前的 22 组干燥饱和吸水率与蒙脱石含量的数据线性拟合公式为 y=0.6099x+27.071，R2值仅为 0.0549。5102030405060791113蒙脱石含量/%正常点异常点线性(正常点)干燥饱和吸水率/%1517y=0.4118x+29.071R2=0.0256192123 图 2 干燥饱和吸水率与蒙脱石含量关系图 （3）将依据蒙脱石含量与阳离子交换量相关性判定的 7 组异常数据剔除后，剩余 15 组干燥饱和吸水率与阳离子交换量的数据线性拟合公式为 y=0.0676x+24.638，R2值仅为 0.0259（见图 3）；剔除异常点之前的 22 组干燥饱和吸水率与阳离子交换量的数据线性拟合公式为 y=0.056x+25.907，R2值仅为 0.0287。105102030405060120135150阳离子交换量/(mmolkg1)正常点异常点线性(正常点)干燥饱和吸水率/%165y=0.0676x+24.638R2=0.0259180195210 图 3 干燥饱和吸水率与阳离子交换量关系图 由图 2 和图 3 可知，干燥饱和吸水率是一项独立的变量，它与交换阳离子含量及蒙脱石含量的相关性不显著。膨胀泥岩干燥饱和吸水率与蒙脱石含量及阳离子交换量的相关性 R2值均小于 0.1。4.4 自由膨胀率自由膨胀率是膨胀岩（土）判定的重要指标之一，是采用一定体积（规范要求为 10 mL）的人工制备的烘干松散土样在水中自由堆积且膨胀稳定后，其体积增加值与原体积之比的百分率，它反映了无胶结散体土粒在水中的膨胀特性。文献 15 研究表明：通过线性回归分析，得出半成岩状膨胀岩自由膨胀率与蒙脱石含量呈高度正相关且 R2=0.771；膨胀土国标规范17条文说明：膨胀土的蒙脱石与自由膨胀率呈正线性相关关系且R2=0.8114。由文献 15,17 可知，膨胀性岩（土）自由膨胀率与蒙脱石含量存在正相关关系，但表 1 中 22 组自由膨胀率与蒙脱石含量的数据线性拟合公式为 y=0.7091x+38.102，R2值仅为 0.0743，可见表 1 中 22组数据存在异常数据。见图 4，依据蒙脱石含量与自由膨胀率之间相关230岩土工程技术2024 年第 2 期性进行分析，发现有 7 组异常数据（见表 1“异常情况 2”）占试样比 31.8%，删除异常数据点后 R2相关系数为 0.8345，可见自由膨胀率试验数据可靠性较难保证。文献 4,1819 等研究也表明：试样制备过程中，人工碾碎次数和发力大小不同，会导致碾碎程度不同，进而引起土样粒径级配不同，进而导致 10mL 标准体积下土样质量产生差异，进而导致试验结果存在不唯一性，认为试验结果人为影响较大，影响可达 20%33%。530405060791113蒙脱石含量/%正常点异常点线性(正常点)自由膨胀率/%1517y=1.8358x+28.376R2=0.8345192123 图 4 自由膨胀率与蒙脱石含量关系图 4.5 膨胀性判别结果对比分析由表 4 可知，依据阳离子交换量或膨胀力单指标的膨胀性评价等级过低，同时通过膨胀性指标相关性分析发现有异常数据存在。为了减少适用性低的膨胀性指标及异常数据的影响，因此只选取了自由膨胀率、蒙脱石含量及干燥饱和吸水率 3 项指标的 15组数据（剔除了 7 组表 1“异常情况 2”的异常点数据）进行膨胀性判别分析，分析结果见表 6。（1）多指标判别法判别结果对比分析：表 4 中依据表 2 分级标准的三指标法判别结果与表 6 中依据表 2 分级标准的二指标法判别结果一致，均为弱膨胀性；表 4 中依据表 3 分级标准的三指标法判别结果为非膨胀性为主（占比 86.4%），而表 6 中依据表 3分级标准的二指标法判别结果为中膨胀性为主（占比 60%=9/15），但有 6.7%（1/19=6.7%）样品为非膨胀性，说明该二指标法易导致误判情况的发生。（2）单指标判别法判别结果对比分析：剔除异常点数据后，依据表 2 分级标准的自由膨胀率单指标判别结果的弱膨胀性占比从 86.4%（见表 4 中 19/22=86.4%）增长到了 100%（见表 6）；表 4 中依据表 3 分级标准的单指标法判别结果与表 6 中依据表 3 分级标准的单指标法判别结果一致，其中自由膨胀率单指标判别均为弱中，干燥饱和吸水率单指标判别均为弱强（以中为主）。（3）表 6 中，依据表 2 分级标准的单指标法判别结果为弱膨胀性，而依据表 3 分级标准的单指标法判别结果为弱强，两者差了 12 个等级，显然后者的膨胀性判别结果与人字型护坡骨架开裂情况相对更为接近。表 6 膨胀岩（土）膨胀潜势判别统计结果指标类型判别指标非膨性/个弱膨胀性/个中膨胀性/个强膨胀性/个判定标准单指标自由膨胀率01500表2蒙脱石含量01500二指标自由膨胀率01500蒙脱石含量单指标干燥饱和吸水率0591表3自由膨胀率0870二指标干燥饱和吸水率1392自由膨胀率 为进一步讨论干燥饱和吸水率单指标法与自由膨胀率单指标法的适用性，本研究将干燥饱和吸水率与自由膨胀率单指标膨胀潜势判别结果进行了匹配度对比分析，对比结果见表 7。表 7 干燥饱和吸水率与自由膨胀率单指标膨胀潜势判别结果匹配度统计判别指标非膨胀岩/个弱膨胀岩/个中膨胀岩/个强膨胀岩/个匹配度/%试验数据来源判定标准干燥饱和吸水率07弱14中1强54.5表1中22组样本集表3自由膨胀率06弱，1中8弱，6中1中干燥饱和吸水率05弱9中1强60表1中15组样本集（剔除“异常情况2”异常点后的数据）表3自由膨胀率04弱，1中4弱，5中1中（1）由表 7 可知，异常数据对于两者匹配度数值大小的影响程度不高，剔除异常点数据后匹配度数值布强等：贵南高铁南宁段古近系泥岩膨胀性判别指标适用性分析231仅提高了 5.5%，说明自由膨胀率指标的异常点数据对两者匹配度影响不大。（2）由表 7 可知，对于弱膨胀潜势级，干燥饱和吸水率指标的误判率为 14.3%20%（其中 1/7=14.3%，1/5=20%）；对于中膨胀潜势级，自由膨胀率指标的误判率为 44.4%57.1%（其中 8/14=57.1%，4/9=44.4%）；对于强膨胀潜势级，自由膨胀率指标的误判率为100%。（3）干燥饱和吸水率单指标判别结果膨胀性弱强（以中为主）与人字型护坡骨架开裂情况最为接近，且其误判率相对自由膨胀率指标较低，因此采用干燥饱和吸水率单指标对于贵南高铁南宁段泥岩膨胀性判别最为合适。5 结论与建议（1）针对贵南高铁南宁段古近系泥岩，天然湿度样品的膨胀力、交换阳离子含量及蒙脱石含量 3 项单指标膨胀潜势分级结果易下降 12 个等级；采用干燥饱和吸水率与自由膨胀率二指标法判别标准，易导致误判情况的发生；干燥饱和吸水率指标是一项独立变量，它与蒙脱石含量、阳离子交换量指标相关性不明显。（2）通过对膨胀性判别结果的对比研究，本文推荐采用干燥饱和吸水率单指标进行膨胀性分级判别，贵南高铁南宁段古近系泥岩膨胀潜势为弱强，以中为主，局部具有强膨胀性，而不是仅按蒙脱石含量指标认定只有弱膨胀性。根据泥岩的膨胀潜势，建议路堑边坡采用锚杆框架梁护坡加固措施，锚杆框架梁有足够刚度抵抗泥岩胀缩产生的压力，再做好边坡排水措施，能有效防止堑坡发生滑坍问题。（3）本研究推荐的分级标准是基于路堑护坡骨架开裂现象通过对比而确定，还需进行更广泛的试验验证。进一步的验证需取得天然干燥原状泥岩试样进行膨胀力、自由膨胀率等高精度的试验。因此，如何提高泥岩取样质量及膨胀性试验精度是下一步的研究重点。参考文献 国家铁路局.TB 100352018铁路特殊路基设计规范 S.北京:中国铁道出版社,2018.1 唐迎春,黄钟晖,张凯,等.南宁古近系浅表层风化泥 2 岩物理力学及膨胀特性指标分析 J.工程地质学报，2014（1）：144-151.黄钟晖,唐迎春,杨磊.南宁轨道交通一号线穿越膨胀岩区工程详勘探讨 J.岩土工程技术，2015，29（1）：1-4,13.3 薛彦瑾,王起才,马丽娜,等.高铁地基低黏土矿物泥岩微膨胀性定量评定研究 J.岩土工程学报，2020，42（10）：1832-1840.4 余颂,陈善雄.膨胀土的自由膨胀比分级标准研究J.西部探矿工程，2019，31（4）：3-5.5 文江泉,韩会增.膨胀岩的判别与分类初探 J.铁道工程学报，1996（2）：231-237.6 国家铁路局.TB 100382022铁路工程特殊岩土勘察规程 S 北京:中国铁道出版社,2022.7 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