1、南昆铁路南百段增建二线区段膨胀土的特性 刘奔放 路玉宝 郭永春 吴楠 西南交通大学地球科学与环境工程学院 中铁十九局集团有限公司 摘 要： 针对南昆 (南宁昆明) 铁路南百 (南宁百色) 段增建二线区段的膨胀土样, 通过扫描电子显微镜观察了其微观结构, 通过 X 射线衍射试验分析了其矿物成分, 并通过室内试验研究了土样的自由膨胀率、无荷膨胀率和膨胀力。结果表明:该区域膨胀土颗粒形状以弯曲的薄片状为主, 成分为蒙脱石或伊利石-蒙脱石混层矿物;颗粒间呈面-面接触而形成面-面叠聚体, 排列方式呈无定向开放排列;矿物组成以高岭石、伊利石和石英为主, 蒙脱石含量较少;土样的自由膨胀率、无荷膨胀率和膨胀力
2、均较小。南百段增建二线地段分布的膨胀土为中 弱 膨胀土。关键词： 铁路路基; 膨胀土; 室内试验; 扫描电子显微镜; X 射线衍射试验; 膨胀特性; 膨胀率; 膨胀力; 作者简介：刘奔放 (1989) , 男, 硕士研究生。E-mail:作者简介：郭永春 (1973) , 男, 副教授, 博士。E-mail:收稿日期：2017-05-17Expansive Soil Characteristics of Additional Second Line in Nanning-Bose section of Nanning-Kunming RailwayLIU Benfang LU Yubao GU
3、O Yongchun WU Nan Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University; China Railway 19th Bureau Group Co.Ltd.; Abstract： According to the expansive soil samples of additional second line in the N anning-Bose section of N anning-Kunming railway, its microstructure was
4、 observed through scanning electron microscope ( SEM) , the mineral composition was analyzed by X-ray diffraction ( XRD) experiments, and the free expansion rate, non-loaded expansion rate and expansion force were studied by indoor tests. The results showthat the shapes of expansive soil particles i
5、n this area are mainly like thin bending flakes, and the composition of which is montmorillonite or illitemontmorillonite mixed layer mineral. There is surface-surface contact between particles which forms surface-surface polymer body and the arrangement mode is non-directional and open. The mineral
6、s are mainly composed of kaolinite, illite, quartz and less montmorillonite, and the free expansion rate, non-loaded expansion rate and expansion force of expansive soil samples are small. The expansive soils distributed in the additional second line of N anning-Bose section are middle to weak expan
7、sive soils.Keyword： Railway subgrade; Expansive soil; Indoor test; Scanning electron microscope; X-ray diffraction experiment; Expansion characteristics; Expansion rate; Expansion force; Received： 2017-05-17膨胀土具有显著的胀缩变形特性, 富含亲水矿物成分, 对气候环境干湿变化特别敏感。膨胀土的破坏作用具有长期潜在性、多发性和反复性1-3。膨胀土在我国分布广泛, 在膨胀土地区, 铁路路基无论
8、是路堤还是路堑, 都普遍存在极其严重的边坡变形与基床变形。随着高速铁路建设的发展, 修筑在膨胀土地区的铁路路基发生浸水毁坏的情况越来越多, 膨胀土对路基的危害和破坏越来越引起工程师的重视4-6。在膨胀土地区进行铁路建设中, 如果未能鉴别膨胀土以及判别膨胀土的胀缩潜势, 难免会造成铁路路基以及边坡设计和施工不当, 导致缩短道路使用寿命和经济损失。因此在膨胀土地区, 铁路工程建设前需要进行详细的地质勘察, 为铁路工程的设计和施工提供准确的水文地质参数7-10。膨胀土的微观结构和矿物组成是影响其膨胀特性的根本因素, 因此通过微观分析对其膨胀特性进行判断很有必要11-15。本文以广西百色地区南昆铁路南
9、百段增建二线地段分布的膨胀土为研究对象, 利用扫描电子显微镜 (SEM) 和 X 射线衍射 (XRD) 试验及室内常规土工试验, 分析铁路沿线膨胀土的微观结构和矿物组成, 以及膨胀潜势, 对该地区膨胀土的判别和工程治理措施具有实际意义。1 工程地质概况及试验土样南昆铁路南百段增建二线工程 NBSG-5 标段总长 48.809 km, 位于广西百色市境内。正线铺轨 45.58 km, 站场铺轨 7.51 km。路线走向由南东向北西, 地处右江阶地后缘, 为低山丘陵地区的坡脚地段, 地势开阔, 地形起伏不大。地面绝对高程 105145 m, 最大高差 40 m, 沟槽段地形坡度 015, 山坡段地
10、形坡度 1535。地表为旱地、水田、果园、荒地。周围有村庄分布, 位于既有南昆线左侧, 交通较方便。线路桥隧占比约 40.6%, 其中隧道 8 座长 4 318 m, 占比约 8.9%;桥梁 62 座长 15 490 m, 占比约 31.7%。沿线上覆第四系全新统人工填筑土、坡残积膨胀土、粉质黏土, 更新统冲积层软土、膨胀土、粉质黏土、粉细砂、圆砾土。膨胀岩 (土) 地层为下第三系那读组泥岩及泥质粉砂岩、下第三系百岗组泥岩及砂质泥岩、下第三系伏平组砂质泥岩及泥岩、下第三系建都岭组杂色砂质泥岩和泥岩, 分布于百色盆地上部。本次试验取样点在广西田阳县内, 总计 41 件土样, 位置见表 1。表 1
11、 取样位置及数量 下载原表 2 膨胀土微观结构试验2.1 扫描电子显微镜 (SEM) 试验结果分析以 K189+850 处土样为例, 试验得到其放大 3 000, 5 000, 9 000, 10 000 和15 000 倍后的 SEM 图片。当土样被放大 3 0005 000 倍时发现黏土颗粒间随机杂乱分布, 无定向性, 团聚体直径多数10m;当放大到 15 000 倍时, 发现黏土颗粒以片状弯曲形式存在, 边缘形状不规则, 叠聚体呈面-面叠加, 裂隙较发育且长轴方向与叠聚体的片状颗粒定向排列一致, 局部可见黏土颗粒以单片状形式存在。土样微观结构概括为: (1) SEM 照片中的膨胀土颗粒形
12、状以薄片状为主。其中片状颗粒宽大并有些弯曲, 主要为蒙脱石或伊利石-蒙脱石混层矿物。该颗粒是造成膨胀土具有胀缩性能的主要原因。片状晶粒细小, 边长10m 的一般为伊利石, 其形态与蒙脱石类似, 但是膨胀性较弱甚至无膨胀性。少数颗粒呈六边形, 是高岭石, 具有较强的吸水性但不具有膨胀性。 (2) 膨胀土表面以片状颗粒为主, 颗粒呈多层状排布, 颗粒间多杂乱堆积聚合在一起, 形成面-面叠聚体。(3) 在扫描电子显微镜中观察到构成面-面叠聚体的黏土畴排列为无定向开放排列, 排列较为疏松。因为开放排列的膨胀土叠聚体孔隙大而多, 吸水膨胀时首先向内部空间求得平衡然后再向外部扩张, 故该地区的膨胀土膨胀潜
13、势低。2.2 X 射线衍射 (XRD) 试验结果分析通过 XRD 试验分析土样矿物成分, 结果见表 2。可知:4 个取样点所取试样在矿物成分上有一个共性, 即对膨胀性不起主要作用的黏土矿物均为高岭石和伊利石, 且二者之和含量较高, 占 11.4%48.4%。其他黏土矿物 (少量绿泥石) 含量占 2.4%13.5%。石英含量较高, 占 50.6%57.6%。由铁路工程特殊岩土勘察规程 (TB 100382012) 16得出, 导致该地区铁路路基发生浸水毁坏的膨胀土土体的膨胀潜势较弱。其中, K178+847 (浅层土) 取样点属于例外, 高岭石和伊利石二者含量之和较高, 但膨胀性弱。表 2 土成
14、分 XRD 试验分析结果 下载原表 综上所述, 该地区膨胀土中吸水性较强但膨胀性较弱的伊利石和高岭石 2 种矿物含量较高, 同时不具膨胀性的石英矿物含量最多, 而对膨胀性起作用的蒙脱石矿物成分含量较少。因此, 从膨胀土矿物成分可判断该区域的膨胀土为中弱膨胀土。3 膨胀特性室内试验3.1 土样基本物理参数 (见表 3) 表 3 土样基本物理参数 下载原表 3.2 自由膨胀率依据铁路工程土工试验规程 (TB 101022010) 17进行室内自由膨胀率试验, 得出所取土样的自由膨胀率, 见表 4。可知:该地区膨胀土自由膨胀率为41%72%, 根据膨胀土地区建筑技术规范 (GB 501122013)
15、 9对该地区的膨胀土膨胀潜势进行判断, 判定此地区土体膨胀潜势等级为中弱。表 4 土样自由膨胀率 下载原表 3.3 无荷膨胀率膨胀土的吸水膨胀是一个渐进的过程, 膨胀土路基、边坡失稳破坏与土体膨胀变形时程特征有密切关系。研究膨胀土的膨胀变形随时间变化规律, 对膨胀土地区铁路路基和边坡的膨胀变形预测及工程设计施工等有重要的实际意义。通过无荷膨胀率试验得出该地区膨胀土的无荷膨胀量与时间的关系曲线, 见图1。由图 1 可知:该地区膨胀土的膨胀全过程可分为 3 个阶段: (1) 急速膨胀阶段, 该阶段膨胀变形量与时间基本呈线性增长关系, 该阶段土体膨胀变形量约占整个膨胀变形过程的 80%左右。 (2)
16、 过渡膨胀阶段, 此阶段变形量与时间关系仍然近似处于线性关系, 但其斜率急剧减小。此阶段土体膨胀量约占整个膨胀过程的 18%左右。 (3) 膨胀稳定阶段, 此阶段膨胀量与时间关系可视为一条水平线, 土体膨胀增量很小。图 1 无荷膨胀率与时间关系曲线 下载原图3.3 膨胀力试验膨胀土地区铁路边坡工程衬砌开裂和地基桩的抬升往往都与膨胀力有关。膨胀土的膨胀力与时间关系曲线见图 2。可知:膨胀土在遇水后迅速膨胀, 在很短的时间内会产生较大膨胀力, 吸水到一定程度时膨胀力出现拐点, 之后土体继续吸水增湿, 膨胀力增长缓慢且趋于稳定。K170+800 处的膨胀力最大, 为 137.2 k Pa;K178+
17、847 处的膨胀力最小, 为 81.67 k Pa。结合王勤等18和文江泉等19等对土体膨胀等级的划分, 可知该地区膨胀土为属于中弱膨胀土。图 2 膨胀土的膨胀力与时间关系曲线 下载原图4 结论本文基于扫描电子显微镜 (SEM) 和 XRD 射线衍射 (XRD) 试验分析了南昆铁路南百段增二线地段膨胀土的微观结构和成分, 并通过室内试验研究了土样的自由膨胀率、无荷膨胀率和膨胀力, 得出了该地区膨胀土的微观结构、矿物成分和力学性质, 可为该地区膨胀土设计和施工提供参考。本文主要结论如下:1) 膨胀土颗粒形状以呈弯曲薄片状为主, 颗粒间呈面-面接触而形成面-面叠聚体, 排列方式呈无定向开放排列,
18、矿物颗粒间的缝隙狭小。并且通过定量与定性分析得出该地段的矿物组成成分以高岭石、伊利石和石英为主, 蒙脱石矿物含量较少。2) 该地段膨胀土自由膨胀率较小, 膨胀性为中弱膨胀土。3) 土样膨胀变形随时间分为急速膨胀、过渡膨胀和膨胀稳定 3 个阶段。膨胀土在遇水前期膨胀力较大, 短时间内达到最大膨胀力且趋于稳定。参考文献1廖世文.膨胀土与铁路工程M.北京:中国铁道出版社, 1984. 2张成刚, 吕长录.加深对膨胀土特性的认识防治膨胀土对路基的危害J.铁道建筑, 1999, 39 (5) :29-31. 3CHEN F H.Foundations on Expansive SoilsM.New Yo
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