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红砂岩路基施工技术与质量控制!!
RSS 打印 复制链接 发布时间:2017-01-20 10:27:31

 摘要:由于近几年交通事业的迅猛发展,原有的国道及省道等构成的公路网已不能满足公路运输业的要求,各省区高速公路的大量修建已成为必然。在我国南部省区存在大量红砂岩,由于其材料本身的特殊性,以往从未在高等级公路中应用过,只是少量用在低等级公路中作为路基填料,且出现了大量的质量问题。大量红砂岩路堑挖方的去向问题同样摆在湖南是省高速公路建设者面前,如果作为弃方不用,每条高速公路都将产生近千万的弃方,增加几亿元的投资,弃方还将占用大量土地,带来水土保持等问题。如何解决红砂岩施工成为困扰各方面的重要问题。交通部为此专门成立了课题组,研究红砂岩施工中存在的问题、解决方法及预防措施。本文为作者在研究成果的基础上,结合衡枣高速公路红砂岩施工中经验,从几个方面论述了红砂岩的成因、主要的化学成分,化学性质及物理性质,红砂岩的分类及其特点。文中详细指出了红砂岩作为一种建筑材料,在高速公路建设方面的路用性质,即具有极强的风化崩解性、遇水软化的性能,其作为路基材料在填筑、爆破、防护施工应注意的各事项,容易发生的病害以及预防处理的措施等。

关键词:红砂岩 施工 质量控制

一、概述
衡阳至枣木铺高速公路属国家规划的衡阳至昆明322国道主干线的一段,也是湖南省东西方向公路运输的大通道,该项目的建设对改善湖南省交通等级结构,完善公路网规划,促进区域经济的发展将会发挥重要的作用。本合同段路线所经地区主要为剥蚀丘陵地貌,相对高差大,地层表面覆盖层为高、低液限粘土、粉土及砂砾石,下面全部为红砂岩。
 
以往应用红砂岩作为路基材料施工,因缺乏系统、成熟的施工技术,只是用于二级以下公路,且出现了大量的病害。较衡枣高速公路提前开工的湘耒、耒宜、临长等高速公路也都遇到了大量的红砂岩路段,其中湘耒高速公路作为京珠高速公路的一部分,全长169公里,有68公里红砂岩地带,1000多万方红砂岩,若将施工中沿线开挖的红砂岩弃置不用,而远运其他材料填筑路基,则造价昂贵,弃土和借土场难寻,并可能造成环境污染;雨季增加建设费用4亿元。红砂岩不仅在湖南省分布广泛,而且在邻近省份也有一定的分布,这就需要有一个彻底的解决措施,交通部为此成立了专门的课题组,研究解决红砂岩施工中遇到的各种问题。
 
衡枣与湘耒高速公路情况类似,全长186公里,全线一半以上地带存在红砂岩施工,因此,我们在湘耒高速公路红砂岩课题研究的基础上,进行的红砂岩路基施工。
 
二、红砂岩的基本特性
南部省区广泛存在的泥岩、砂质泥岩、泥质砂岩、砂岩及页岩等沉积岩类的岩石,因含有丰富的氧化物呈红色、深红色或褐色,这类岩石统称为红砂岩。
 
红砂岩主要呈粒状碎屑结构和泥状胶结结构两种典型结构形式,因胶结物质和风化程度的差异,其强度的变化大。多数红砂岩在挖掘或爆破出来后,受大气环境的作用可崩解破碎,甚至泥化,故其岩块的大小及颗粒级配将随干湿循环的时间过程而变化,其物理力学性质也将产生变化。
 
1、红砂岩分类
红砂岩按强度和崩解特性划分为如下三种类型:
(1)一类红砂岩,岩块天然单轴抗压强度小于15Mpa,在105℃温度下烘干后浸水24小时内,呈现渣状、泥状或粒状崩解;
 
(2)二类红砂岩,岩块天然单轴抗压强度小于15Mpa或稍大于15Mpa,在105℃温度下烘干后浸水24小时内,呈块状崩解;
 
(3)三类红砂岩,岩块天然单轴抗压强度大于15Mpa,不崩解,特性与普通砂岩无区别。
 
2、红砂岩的天然结构特征及其矿物成分和化学成分
根据对衡枣路岩石样品的鉴定结果,红砂岩的天然结构主要有粒状碎屑结构和泥状结构两种,按岩石学划分,可将红砂岩分为两大类:一类为碎屑岩类,包括泥质砂岩、泥质粉砂岩、泥质细砂岩、粉砂岩、砂岩和砾岩等;另一类为粘土岩类,包括泥岩、页岩、砂质泥岩及砂质页岩等。红砂岩中,含铁氧化物大多以浸染物形式出现,碎屑颗粒间主要有孔隙式胶结、基底式胶结以及铁质碳酸盐胶结等形式。由于铁质在多数岩石中不是以胶结物的形式存在,故主要影响岩石的外观状态,对岩石的工程性质没有明显的影响。
 
粒状碎屑岩类中粘土矿物的含量一般约5%~10%,这种红砂岩虽然因胶结形式和粘土矿物含量的差异,其工程性质有一定的变化,但多数与普通风化岩类相差不大,其工程性质与风化程度有关。
 
泥状结构粘土岩类中,粘土矿物的含量一般约15%~50%,其中伊利石含量为5%~30%,蒙脱石含量为3%~10%,。这种类型岩石的水稳定性差,极易崩解软化,其工程性质主要由粘土矿物的含量,尤其是亲水性强的蒙脱石和伊利石的含量决定。当粘土矿物中蒙脱石和伊利石的含量较高时,该类岩土的工程性质极差,非常容易产生路基病害。
 
红砂岩的主要化学成分为9种,其中SiO2的含量占主要部分,其次有Al2O3、CaO、Fe2O3等,其余5种化学成分均不超过4%,两种典型红砂岩的主要化学成分比例如下表:
 
两种典型红砂岩的主要化学成分比例(%)
 
结构特征 SiO2 Al2O3 CaO Fe2O3
 
粒状碎屑结构 46.53~75.12 11.43~16.44 0.11~16.7 2.86~6.88
 
泥状结构 23.24~64.28 8.0~20.78 0.09~31.89 2.2~10.65
 
3、红砂岩的崩解特性及颗粒级配
泥状结构的粘土岩类红砂岩一般易崩解软化,随干湿循环软化时间增加,颗粒不断碎化,最后呈渣状或泥状,其颗粒级配也在变化。试验表明,随着暴露时间和干湿循环次数增加,岩块不断崩解碎化,经过50~60天(干湿循环为8次)变化即可达到稳定状态,红砂岩经过一定时间后不再崩解变化。
 
粒状碎屑结构的红砂岩一般呈块状崩解,崩解后的块状颗粒基本稳定或碎化速度非常缓慢,粒径小于0.5mm的颗粒极少。
 
4、红砂岩的物理性质和状态指标
(1)各类红砂岩物理性质指标的试验(平均)数据
岩类 一类岩 二类岩 三类岩
 
天然密度(g/cm3) 2.46 2.38 2.5
 
天然含水量(%) 7.87 5.1 0.8
 
土粒密度(g/cm3) 2.75 2.72 2.76
 
天然干密度(g/cm3) 2.28 2.26 2.48
 
孔隙比 0.204 0.200 0.113
 
最大干密度(g/cm3) 2.00~2.09 2.06~2.15
 
最佳含水量(%) 8.35~11.6 8.69~9.60
 
孔隙率 0.169 0.166 0.101
 
饱和度(%) 98.45 72.85 19.6
 
(2)各类红砂岩塑限和液限含水量的试验平均值
测试项目 塑限含水量(%) 液限含水量(%) 塑性指数
 
一类岩 21.0 33.0 12.0
 
二类岩 19.0 30.55 11.55
 
(3)各类红砂岩涨缩性和吸水性指标的试验平均值
测试项目 自由膨胀率(%) 击实样体缩率(%) 干燥饱和吸水率(%)
 
一类岩 41.3 7.45 20.23
 
二类岩 17.75 4.84 13.12
 
三类岩 2.85
 
根据试验结果,按照《公路路基设计规范》(JTJ013—95)评判指标,一类岩属于弱膨胀岩。
 
5、红砂岩的力学性质
(1)各类红砂岩击实试件的抗剪强度指标和渗透性指标
 
测试项目 内摩擦角(度) 凝聚力(KPa) 渗透系数(cm/s) 天然岩块抗压强度(MPa)
 
一类岩 27°12′ 105.4 4.17×10-7 4.43
 
二类岩 26°50′ 75.37 4.17×10-7 6.9
 
三类岩 23°16′ 92.8 4.17×10-7
 
通过现场试验表明,红砂岩压实后透水性很差,对于压实度达到重型击实标准90%以上的红砂岩,表面积水一般难以下渗,仅对表层土体的含水量产生影响,二类红砂岩压实体的防渗性能不低于粘土。对于水稳定性差的一类红砂岩,在路基表面及两侧采取一定的隔水措施很有必要,可以防止表层一定厚度的红砂岩浸水后软化,强度降低,以及产生膨胀变形。
 
(2)对红砂岩进行了室内CBR试验,其中一、二红砂岩各类岩取16组数据的平均值。按标准重型击实(98击)、50击和30击分别浸水试验,可以看出98击一类岩和30击二类岩随浸水时间的增加,CBR有所降低;而50击和98击二类岩的CBR随浸水时间的增加无明显的变化。根据测试结果可知,呈块状崩解的二类岩水稳定性较好,而一类岩的水稳定性很差,若受水的长期浸泡,其强度变得很低。
 
各类红砂岩试件室内CBR值随浸水时间变化的试验结果
试件浸水时间(天) 1 2 3 4 7 28
一类岩(98击) 9.0 9.85 8.2 7.74 8.8 6.95
 
二类岩(98击) 56.4 53.4 60.3 53.8 50.0 72.0
 
二类岩(30击) 21.8 17.3 16.9 19.1 13.3 14.5
 
二类岩(50击) 34.4 28.3 29.5 30.5 26.8 32.3

三、红砂岩路基材料的选用及工前处理
1、红砂岩的基本性质
红砂岩基本性质的试验结果表明,具有块状崩解的二类红砂岩水稳定性好,其强度随时间变化小,路用性能较好;一类红砂岩的水稳定性差,强度受干湿循环的作用变化较大,但压实后透水性很小,因此稳定性大为提高,仍可用做路基填料。
 
2、根据现场施工控制过程,一类和二类红砂岩爆破开挖后,可以直接运至工地进行耙压和碾压施工,但施工费时,运输困难,对施工机械要求高,适用于场地狭小地段。若工期和施工条件允许,最好将刚爆破出来的红砂岩,在料场就地进行工前崩解处理。
 
3、对红砂岩工前处理的方法为,将刚爆破出来的红砂岩裸露于大气阳光和雨中,放置一定时间,任其自然崩解破碎;当晴天气温较高时,每天洒水,一般在8~20天即可达到预崩解的目的。

四、红砂岩路基填筑施工
1、机械设备配备
序号 机械设备名称 规格型号
 
1 平地机 PYl80
 
2 振动压路机 YZl8B
 
3 羊角碾 YZTK18
 
4 洒水车 8t
 
5 推土机 D85
 
6 挖掘机 1m3
 
2、红砂岩路基填筑施工工艺
(1)填前碾压
路堤填筑前,要进行填前碾压,即改造地形、清除表土及地面附着物,并将原地面碾压至要求的密实度。
 
(2)布料
上料前必须在边线位置处采用花杆挂线,要求花杆长度为2米,红白相间格长40cm,纵向间距为20米。首先在路基两侧坡脚线内用粘土包边,以防雨水对己成形红砂岩的侵蚀及冲刷。粘土宽度为2米,作成向内的横坡度,以保证边线处粘土得到充分压实。填筑时现场有应安排好运输路线,料厂预崩解处理的红砂岩填料运到填方段后,专人指挥卸料,每方格网内卸一车,用推土机粗平,严格按照花杆刻度控制松铺厚度。根据填筑厚度及作业面积,计算上料数量,用自卸车将填筑料按方格网均匀堆放在路基上,控制每车料的数量尽可能相等。施工中避免将不同类型的红砂岩同层填筑,对于填料中少量的大块硬质岩,应剔除或破碎,以确保路基压实的均匀性。
 
(3)耙压、整平
经过预崩解处理的红砂岩填料运到填方段后,卸料后采用220马力以上的三齿推土机、勾松,“耙压”遍数应不少于三遍,未经料场崩解处理的红砂岩至填方路段后,相应的“耙压”遍数应增加一倍。
 
(4)碾压
推土机耙压后,90区采用50t以上羊角碾振压3~5遍,行驶速度控制在2~3km/h;93区采用50t以上羊碾振压3~5遍,行驶速度控制在2~3km/h,基本可以保证岩石粒径控制在25cm以内。施工中严格控制最大粒径和每层松铺厚度,经耙压后的填料最大粒径不得大于25厘米,每层松铺厚度不大于40厘米。平地机的整平方法是由两侧开始向路中推进,如此往返三次,一般就可达到规定的粒径要求。
 
平地机精平后,用YZl8B以上振动压路机强振碾压3遍,行驶速度控制在3~4km/h;最后用YZl8B振动压路机碾压4遍,行驶速度控制在3~4km/h。压实时的操作要求,从两侧路基边沿向路中推进;压路机碾压轮重叠不小于40~50cm。
 
整平后的路堤适当洒水使石块之间有一层润滑,易于碾压时石块移动、嵌琐,振动碾压以拖式50吨或击振力50t以上自行式重型压路机为佳,尤其在大面积填方作业中,其优点更为突出。
 
压路机的碾压速度对路堤的压实有显著的影响,当铺层厚度不变时,传递至填方的能量与下列因素成比例;碾压遍数/压路机速度,压路机的速度有一个最佳值,一般在3~6km/h之间,但在下列情况下建议采用偏低值3~4km/h。(1)需要高密度(2)难于压实的材料(3)铺层较厚。
 
(5)含水量控制
在碾压前要检测含水量,红砂岩填料在碾压前含水量应控制在最佳含水量±1%范围。对完成路段采用灌砂法进行压实度检测,含水量用洒精燃烧法或烘干法测试。施工中路拱横坡采用4%。遇雨或雨后,施工表面不干时,不得开放交通,雨后进行施工,下层填方须重新压实,符合要求,方可施工。在下一层填筑前,将己完工的路基用羊角碾重新振压一遍,形成凹凸面,以保证上下层面间的联结。
 
(6)压实质量控制
红砂岩路基压实度试验检测比较困难,考虑到施工中的技术要求及实际情况,我们采用了压实度试验与外观检查对比的方法,同时采用压实沉降差作为参考值:
 
①灌砂法检测压实度时如遇到大石块,则此试验点位弃置不用,重新选点试验。
 
②外观检查:要求表面平整密实,无空隙、松石、坑洼及大的石块存在,50t以上压路机振压后无明显轮迹。
 
③压实沉降差法:在路基上用随机取样的方法布设观测点,测其高程,然后再用拖式50t压路机加振一遍观测其高程计算出沉降量。
 
施工中采用压实沉降差进行压实检测,首先在压实后的填石路堤纵向布点,点位间距离8m左右,横向间距视现场情况而定,应避免在突出的大石上和压路机不能到的地方布点。在布好的点位上用油漆做醒目的标记,用水准仪测量测点高程,测量时为了减少误差,准备一块20×20cm的钢质垫块,垫块中央有一个半球形突出点,在测量时,将垫块放置在测点上,水准尺放在垫块突出点上进行测量。然后用击振力50吨振动压路机作碾压检测(碾压参数:车速2.0~4.0km/h,频率30Hz)。然后用水准仪检测各测点高程,各测点在碾压前后的高差就是测点的压实沉降差。压实沉降差单点值应小于5mm,检测频率为每2000m2 检测12点。在压实面积不足200m2时,至少检测4点。
 
(7)红砂岩路堑上路床0-30厘米范围内换填适宜填料时不能用红砂岩,其路床底部30-80厘米必须为新鲜岩面,且0-30厘米范围内使用CBR值不小于8%密实性好的路基填料封面,以避免大气雨水对红砂岩的侵蚀,降低基底的承载力。
 
五、红砂岩爆破施工
1、爆破方式选取的原则
在红砂岩路基石方爆破施工中,要根据地形和地质上的客观条件,充分利用各种爆破方法的特性,因地制宜的选用爆破方法,有计划的进行土石方爆破。各种爆破选取的原则如下:
 
①首先根据石方集中的程度来考虑爆破方法,其次根据地形的变化,路基设计横断面的形状以及地质条件所能允许的爆破规模,进行全面规划,从石方集中的地方开始选炮位做爆破准备。
 
②充分利用岩石的崩塌作用,从路基面开挖创造阶梯。
 
③综合利用小炮群,分段分批爆破。
 
④由于红砂岩为软岩石路基材料,考虑到工程地质和水文地质情况,在开挖中,以小型松动爆破为主。对石质挖方边坡采用小炮爆破,对风化严重节理发育的岩层宜采用小炮微差爆破。
 
2、爆破技术方案
钻孔工作是凿岩爆破中主要工序之一,在整个爆破过程中所占的时间比例最大,为提高钻孔的效率,必须采用外径80~120mm的潜孔钻机。适用于岩石节理不发达的岩层,提高了凿岩效率。
 
石方爆破的关键就是保证出渣的片石小于25×25cm,用作填料的一、二类红砂岩爆破宜采用小型及松动爆破,炮眼孔距与深度可通过爆破试验确定,一般孔距与孔深不宜大于2米,不作填料的不受限制。起爆破器材采用毫秒微差电雷管导爆索起爆系统,每立方米的炸药用量0.40~0.50kg/m3。
 
爆破方法可采用松动爆破、微差爆破和光面爆破和预裂爆破等几种类型。
 
松动爆破主要是为了运用爆炸将岩石破碎分解,以便以后顺利进行石方路堑开挖。
 
微差爆破是指两相邻药包或前后排药包以毫秒时间间隔依次起爆。优点是当装药量相等时,可减震1/3~1/2,前发药包为后发药包开创了临界面,加强了岩石破碎效果,降低多排孔一次爆破的堆积高度,有利于清渣。由于依次爆破,减少岩石夹制力,可节省炸药20%。
 
预裂爆破是在开挖限界处按适当间隔排列炮孔,在没有侧向临空面和最小抵抗线的情况下,用控制药量的方法,预先炸出一条裂缝,使拟爆体和山体分开,作为隔震减震带,起保护和减弱开挖限界以外山体的地震破坏作用。
 
光面爆破是在开挖界限的周边,适当排列一定间隔的炮孔,在有侧向临空面的情况下用控制抵抗线和药量的方法进行爆破,使之形成一个光滑平整的边坡。
 
3、施工工艺
根据断面高度和超深确定钻孔深度。一次钻好竖、斜向孔,分两次引爆,即路堑爆破和光面爆破。路堑爆破后不必清渣,马上就进行光面爆破,这样,就可以用推土机配合装载机和自卸卡车进行石方施工:或者用挖掘机配合自卸车进行清渣。
 
1)恢复路基中线,放出边线,钉牢边桩。
 
2)根据地形,地质及挖深选择适宜的开挖爆破方法,制订爆破方案,作出爆破施工组织设计,报有关部门审批。
 
3)用推土机整修施工便道,清理表层覆盖土及危石。
 
4)在地面上准确放出炮眼(井)位置,竖立标牌,标明孔井号,深度,装药量。
 
5)用推土机配合爆破,创造临空面,使最小抵抗线方向面向回填方向。
 
6)炮眼按其深度,采用手风钻或潜孔钻钻孔,炮眼布置在整体爆破时采用“梅花型”或“方格型”。
 
7)爆破施工要严格控制飞石距离,采取切实可行的措施,确保人员和建筑物的安全。
 
8)为确保边坡爆破质量,采用预裂爆破技术,光面爆破技术和排眼毫秒爆破技术,同时配合选择合理的爆破参数,减少冲击波影响,降低石料大块率,以减少二次破碎,利于装运和填方。
 
9)装药前要布好警戒,选择好通行道路,认真检查炮孔,吹净残渣,排除积水,做好爆破器材的防水保护工作,雨季或有地下水时,可考虑采用乳化防水炸药。
 
10)装药分单层、分层装药。 光眼装药后用木杆捣实,填塞粘土,填塞时要注意保护起爆线路。
 
11)认真设计,严密布设起爆网络,防止发生短路及二响重叠现象。
 
12)顺利起爆,并清除边坡危石后,用推土机清出道路,用推土机纵向出土填方,运距较远时,用挖掘机械装土,自卸汽车运输。
 
13)随时注意控制开挖断面,切勿超爆,适时清理整修边坡和暴露的孤石。
 
六、红砂岩边坡防护
红砂岩是具有特殊工程性质的地层,它主要为白垩系、第三系的内陆河湖相碎屑岩建造,红砂岩岩体层理节理及裂隙发育,受湿度、温度影响,特别容易风化、崩解,长期强度低。因此,红砂岩路堑边坡的病害较多。如对新修的衡泉公路边坡进行调查,80个边坡有12个边坡发生不同程度的破坏。新修建的湘耒高速公路刚开始通车,就由于边坡的滑坍,造成单向阻断达一月时间来进行抢修。边坡破坏,轻则影响交通,重则造成人员伤亡,因此,对红砂岩路堑边坡破坏机理进行分析,对确保行车安全和进行有计划的施工整治具有重要意义。
 
(1)、红砂岩的工程地质特征
由于红砂岩为沉积岩,岩层层间错动而形成的的层间剪切带和沿软弱夹层与相邻硬层的界面常出现泥化夹层(软弱夹层)。红砂岩的工程地质特征为:①不均匀性,红砂岩体在分布上有明显的不均匀性。②具有软硬相间、交互成层的多元层状结构。③倾角较缓、褶皱舒缓,密度小而贯通长度大,边坡岩体破碎、透水性强。
 
(2)、红砂岩的工程性质
1)风化崩解性
红砂岩岩石成岩程度差.岩质较弱.抗风化能力差,崩解性强,边坡岩体的风化深度较大,特别是紫红色泥岩和粉砂岩互层,边坡风化更为强烈,深度可达10m以上。红砂岩的风化是由温度与水的共同交互作用的结果。其风化特征是由外营力(温度、雨水牛)的特征、作用方式、强度及岩体物质组成、受构造影响程度决定的。冈此,其风化性能差异较大,砂岩的抗风化性能好,抗压强度高。
 
2)边坡岩体结构
白垩系岩石形成后,都经历过喜马拉雅构造运动,水平岩层在弯曲和倾斜过程中,都发生过层间错动,层间软弱夹层在剪切力作用下,形成层间剪切,夹层原来的结构遭到破坏,裂隙明显增多,透水性增强,在长期雨水和风化作用下,层问剪切带逐渐被泥化,使其强度大大降低。
 
红砂岩岩层层面倾角较平缓,岩间裂隙发育,通常还有两组或以上的构造节理,且节理面多已张开,路堑边坡岩体破碎,常有脱空现象,说明岩体还有不同程度的松动,降雨可直接渗入边坡岩体。
 
(3)、红砂岩边坡破坏型式
红砂岩边坡作为岩石边坡,其稳定性一方面受岩石结构面的控制,另一方面受岩石的风化和雨水渗透的影响,边坡坡脚是风化最强烈的部位,因此,红砂岩边坡的破坏一方面是结构面引起的失稳破坏,另一方面是边坡面的风化剥落。红砂岩边坡的破坏形式主要有:风化剥落、溜坍、崩落、楔体破坏和顺层滑坡等。
 
1)风化剥落
红砂岩边坡风化剥落的主要形式有:碎粒状伏剥落、碎片状剥落、碎块状剥落和局部崩坍,雨水冲蚀容易形成冲沟。
 
2)碎粒状剥落
泥质岩表而经受物理风化后形成大小约0.2—0.5cm近等轴状小颗颗,在重力和雨水等作用下,堆积于坡脚或坚硬的砂岩形成的台阶上,这种类别的典型边坡是由表面向里通常有三层结构,最表面一层是较软的向土质化发展的0.2—0.5cm的小碎粒,在地形平坦时可以土壤化并生长草类植被,厚度从几厘米到几十厘米,多在陡坡面上,碎粒可在外力作用下堆落在坡脚或台阶上,与坡面岩石几乎无连接力。碎粒层下面—般为一层直径1—3cm,有—定硬度的小碎块,在坡面上需稍微用力才能掰下米,其厚度约l—10cm,是边坡表面的基本织成物质,进一步可风化成碎粒。边坡防护施工时应清除干净。小碎块下面为基本完整的基岩,常被风化裂隙和构造裂隙切割而破碎,表面可形成球状,有较长根系的植物能生长。碎粒状撒落多分布住温差不大,较湿润的地区。
 
3)碎片状剥落
泥岩表面经强烈日照和高温差作用形成大小约0.1—lcm,厚约0.3—0.6cm的片状小碎片,在重力、雨水等作用下堆积于坡脚,小碎片硬度接近原岩,边缘锋利扎手。这种边坡风化的典型形式为两层结构,表层为碎片,表层以下为风化基岩,风化裂隙密布,球状风化不明显,草类植被大都不能生长,有一些根系较粗长的荆灌生长。
 
4)碎块状剥落
处于风化颇重带泥岩或粉质泥岩,受风化裂隙切割成2-3cm小碎块,随着风化裂隙的扩大和风化程度的加深,在外力作用下崩落,其崩落量不大,常在坡面局部产生。根系发达的植被可以生长,碎块状撒落最易发生在构造节理发育较密,温差较高处。
 
5)局部崩坍
在砂岩含量较大,构造节理切割有利的坡面局部,可发育局部崩坍,崩坍体方量不大,约1—3方。除节理之外,风化裂隙起了极显著作用,这与正常岩石边坡的崩坍有较明显的差别。
 
6)溜坍
溜坍病害常发生在:①位于凹形汇水的缓山坡地段,汇水面积较大;②松散的砂粘土夹碎石堆积较厚,通常在2—5m以上;③山坡表层不平整、排水不畅、植被局部破坏。当遇有长时间的大雨或暴雨时,就会暴发突然的溜坍灾害。
 
7)崩塌
当坚硬的厚层砂岩在上,较软弱的泥岩和粉砂岩互展在下的地段,常有潜在崩坍落石点分布,另外,边坡过陡、层理节理发育岩体,在雨水作用下易发生崩塌破坏。
 
8)楔体坡坏
楔体坡坏主要由构造结构面及层面的关系所控制,一种情况是沿构造结构面发生滑坡,常常是结构面有断泥层,充填土时,更易形成滑动带,出现楔体滑坡,如衡泉公路主线K9+200处滑坡,结构面有断泥层,在雨水作用下发生滑动。另一种是沿构造面和层面的复合滑面发生的滑坡,滑面上部为构造面,下部为层面。
 
9)顺层滑坡
红砂岩山体呈单斜构造特点,自然坡度在25°左右,在构造作用下大多形成倾角为10°—25°的缓倾岩体。岩层倾向同坡向一致,而岩层倾角小于边坡坡角时,就易产生顺层滑坡,特别是红砂岩为软质岩与硬质岩交山互成层的多元结构岩体,当线路沿岩层走向开挖时,经常山现滑坡。
 
(4)、红砂岩边坡破坏机理分析
主要分析红砂岩边坡滑坡破坏的机理,它既有与其他同类型滑坡相类似的形成机理,如顺层滑坡应满足四个条件:
 
①边坡角β>岩层倾角α;②α>φ;③岩石出露;④两侧面脱开
 
由于红砂岩特殊的物性特点和结构构造特点,存在一些特殊的形成机理。
 
1)滑动面几乎都沿软弱的泥化夹层发生
红砂岩体一般软弱夹层的内磨擦角为19—30°,粘聚力C=O.04--0.09kg/cm2,而红砂岩软弱夹层由于泥化使抗滑阻力大幅度下降,其内摩擦角可以降低至8—11°,甚至于更低。因此,红砂岩中的泥化夹层是红砂岩体内最轵弱,延伸更长的可能滑动面,红砂岩边坡岩体的破坏主要沿软弱的泥化夹层发生。
 
2)风化作用是滑面抗剪强度衰减的重要原因
红砂岩由于胶结物以粘土矿物为主,岩体暴露后迅速风化,遇水后软化,其岩体强度迅速降低,层间的粘结力和摩擦力皆相应降低,从而抗剪力也降低。红砂岩边坡岩体强烈风化的深度较大,可达l0m以上,而且构造节理多已张开,泥化夹层发育,长期大雨时,渗入边坡的雨水,多沿泥化夹层从边坡上渗出。
 
据调查,岩层倾角大于15°的地点,基本上开挖暴露后会失稳下滑。有不少地点是在暴露数年后,由于岩体风化层强度降低,在雨季受到裂隙水压力的影响而触发了变形。冈此,红砂岩的滑动面,在高温阳光及雨水等作用下经反复多次干湿和胀缩过外,泥化夹层的强度会逐渐衰减,当达到一定值时,即会产生滑坡,边坡开挖暴露时间越长,路堑边坡稳定性越差,及时支挡、防护是至关重要的。
 
3)雨水是红砂岩滑坡的重要因素
红砂岩边坡滑坡大都发生在雨季,滑坡的产生,与当地的地形地貌、地层岩性及构造条件密切相关,也与当地当年的降雨量和降雨强度有重要的关系,前者是滑坡形成的内因基础,后者是触发滑坡发生发展的直接外因条件。降雨造成红砂岩边坡滑坡的原因,归纳为①红砂岩容易风化崩解,长时间大雨使滑面的抗剪强度降低。②孔隙水压力的影响,红砂岩层理,节理及裂隙发育,若岩块被一个充满水的裂缝切断时,裂缝中的水压力随深度线性增加,其合力V沿滑面指向坡角方向,稳定系数为:
 
K=Cl+(Wcosα-U)tgφW×sina+V
 
从上式可以看出沿斜面下滑的致滑力增大了V,而抗滑磨阻力降低了Utgφ,二者作用使岩石边坡稳定性减小。从动态方面考虑,孔隙水在边坡岩体内分布渗流是非稳态的,边坡由于孔隙水渗流而引起的位移随着时间的增长而越来越大,当渗流达到最终稳定状态位移才停止。若渗流在某一瞬态达到一个数值时,边坡就可能产生滑坡破坏。
 
(5)、注意事项
1)红砂岩不仅在湖南省存在,在我国南方也广泛分布,随着我国高速公路的大量修建,已经出现很多红砂岩深切方边坡。由于红砂岩工程性质差,以前又无系统研究资料,出现过大量问题,因此,路堑边坡应予足够的重视。
 
2)由于红砂岩易风化崩解,边坡风化剥落破坏的主要环境因素是夏季高温的暴晒与突发性降雨的冷却。闪此,红砂岩边坡外挖后应及时防护并做好排水工程,适宜采用全封闭式防护。坡脚是风化最强烈的部位,一般宜做坡脚矮墙。
 
3)由于红砂岩岩性软弱,泥质含量高,遇水软化崩解,其顺层地段应充分估计顺层下滑的可能性,并据此进行重点加固,不适宜按一般软弱岩层边坡进行设计。红砂岩顺层滑坡的控制因素是软弱夹层在层间剪切作用下形成的泥化带,切层滑坡的控制因素是构造结构面。
 
4)红砂岩切方地段,由于开挖后新鲜的红砂岩路堑暴露空气中,易风化剥落和节理发育产生崩塌,护坡可采用抹面、护面墙或挂网喷粉植草防护。红砂岩同裂隙发育、雨水影响较大,边坡设计不能按常规方法处理,需放缓至不小于1:1。
 
七、红砂岩路基的稳定性及沉降分析
1、红砂岩路基的稳定性包括强度稳定性、变形稳定性及水稳定性三个方面。路基稳定性地基稳定性和路堤稳定性两个方面。
 
2、路基强度稳定性体现在地基是否可能因路堤填土荷载及车辆荷载过大而产生失稳滑移,路堤本身是否可能因边坡设计不合理或填土强度随时间降低而产生开裂滑塌。试验结果表明,红砂岩试件的抗剪强度与一般粘土接近,但红砂岩的水稳定性差,易受积水浸泡的影响强度显著降低,所以,对于填土高的红砂岩路基应按饱水后的强度进行稳定性验算。
 
3、路基的变形稳定性体现在地基及路堤的变形随时间变化的特性。当路基的变形在铺筑路面前基本完成,则对公路的使用不会造成影响。只要红砂岩路基的压实度达到技术要求,并保证路基不受外界积水作用,工后沉降会很小,试验表明,填筑高度为6米时,路基一年的累计沉降量为3cm。
 
4、水稳定性是红砂岩路基保持稳定的关键,一类红砂岩的未压实提水稳定性差,受积水长期浸泡后强度明显降低,易使路基局部产生沉陷病害,必须注意采取隔水防渗措施。
 
5、对于填土高度小于6米的试验路,横向变形不超过2cm。
 
6、路基成型约三个月后,采用蓝派压路机(冲击力300吨)冲压,路基沉降量仅为2~3cm。
 
7、红砂岩路基尤其是高填方路堤要有一年左右的施工期及充分的沉降期。
 
八、红砂岩路基常见病害及防治对策
1、红砂岩路基可能出现的稳定性病害主要表现:
①当红砂岩路堤修筑于松软不均匀地基上时,因地基产生明显的不均匀沉降而失稳破坏。
 
②按路基施工规范和设计要求施工的红砂岩路基一般不会发生整体滑动失稳现象,但当红砂岩路基填筑高度大于20m时,可能出现整体滑动失稳病害,这时应对红砂岩路基的整体稳定性进行验算。
 
2、红砂岩路基施工的特点在于,红砂岩材料的水稳定性差,容易受外界积水和大气环境干湿循环变化的影响,其颗粒有进一步崩解破碎和强度软化的可能。施工不合理的红砂岩路基可以产生沉陷,主要原因有以下几个方面:
①红砂岩路堤未按设计要求进行施工碾压,填料压实度达不到技术要求,或压实不均匀,导致工后沉降。
 
②红砂岩路堤下地基松软,沉降明显。对于红砂岩路基,有可能产生浸水崩解软化,在路堤荷载作用下下沉。
 
③与构造物相邻地段路基采用红砂岩填筑,由于对红砂岩填料的压实质量差,而构造物的沉降微小,导致产生明显的不均匀沉降。
 
④红砂岩路基局部未压实或压实后存在的颗粒过大(大于25cm),受到外渗积水浸湿软化和进一步崩解,导致不均匀沉降。
 
⑤红砂岩路肩及边坡处碾压不密实,受到雨水浸蚀和大气环境干湿循环变化的影响,产生沉陷和路肩开裂。
 
⑥填挖结合段及陡坡路段用红砂岩填筑路基时,结合界面处理不适当,填料压实不均匀,导致局部沉陷。
 
⑦红砂岩路基与其它填料接头部位,由于压实不均匀和排水措施不完善,导致不均匀沉陷。
 
3、红砂岩路基病害的防治对策
①对于接近饱和的松软土地基,可采取预压排水、挤密加固或其他软基处理措施,并分析地基在设计路堤荷载作用下的沉降量,确保工后沉降不超过允许值;当松软土厚度不大时(一般以3米为界限),可采取挖土换填措施。
 
②对于非饱和的松散土地基,当厚度不大时,可采用重型压路机压实处理措施,若厚度较大时,可采取强夯加固措施。
 
③在高填方路段,要对地基的承载力和沉降量进行验算分析,必要时采取加固措施。
 
④对于低洼易积水地段,在地基一定厚度范围内要采用水稳定性良好的填料填筑,清除积水,截断水源。
 
⑤对于路基两侧的高边坡,需要进行稳定性分析验算,一般要采取边坡防护和排水防治措施。
 
⑥对于远离构造物的局部路段,若路基沉陷是因雨水渗入路基表层土中导致的,要对沉陷部位开挖进行处理,若是因路基填土压实质量差所致,应考虑采用注浆或挤密处理措施。
 
⑦在红砂岩路基施工和营运期间,要加强排水和隔水措施,确保排水通道畅通,路基表面无积水。
 
九、红砂岩路基验收标准
对于采用红砂岩材料填筑的路基,与一般路基填料的区别在于红砂岩材料易浸水崩解,以及在大气环境干湿循环作用下的强度稳定性差。如果能完全按照设计要求及本文中提到的施工及质量控制,仍可以按照国家公路行业标准进行评定与验收。
 
十、结论
1、一类红砂岩呈泥状或渣状崩解,水稳定性和强度稳定性较差,接近或属于弱膨胀岩;二类红砂岩呈块状崩解,水稳定性和强度稳定性较好,无明显膨胀;三类红砂岩强度高,不崩解。
 
2、一类和二类红砂岩可以作为高速公路的90、93区填料,但必须保证在路面底基层与红砂岩之间铺筑不小于30cm优质粘土封层,路基两侧做1.5米宽的包边土,每侧路基施工加宽不小于50cm。
 
3、对于刚爆破出来的红砂岩可直接运到填方路段填筑路基,也可先在料场进行预崩解破碎处理,然后运往施工现场。对运至现场施工的红砂岩,要求必须配备D85以上推土机,50t以上的振动羊角碾和50t以上的振动压路机进行压碎处理,用平地机整形,路基横坡保持在3%~4%,以利于排水。
 
4、红砂岩路基填料的颗粒不均匀性,压实度可应用灌砂法作为参考,用压实沉降差和外观检查为主要检查内容。
 
5、对于采用红砂岩填筑高填方路段的情况,根据红砂岩击实试件的饱水抗剪强度验算路堤的稳定性。
 
6、红砂岩压实体的透水性与粘土接近,雨水对红砂岩的影响主要在表面一定厚度土层,并仅限于表层局部范围内。
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