第33卷,第5期 2 0 0 8年1 0月 公 路 工 程 Highway Engineering Vo1.33,No.5 Oct.,2 0 0 8 “红砂岩"成因类型和路基用工程性质新研讨 孟志军 (岳阳市交通局公路工程建设总公司,湖南岳阳[摘414000) 要]湘南的“红砂岩”是白垩纪的湖相沉积岩(红层),它主要包括碎屑岩类和粘土岩类。粘土岩类中 F”的混入,能够降低岩石的亲水性,因此其液限、塑性指数、自由膨胀率和CBR指标均满足《技术规范》” 的要求。 随着最大粒径的增大,材料的CBR值逐渐增大。因此当压实层厚度不超厚时,不应再靶松崩解。对于填土路基材 料,当现有碾压机械难易将其压碎时,可考虑采用多次崩解破碎和耙压的施工方法。 [关键词]红砂岩;成因类型;崩解、质量控制 [中图分类号]U 416.03 [文献标识码]B [文章编号]1002—1205(2008)05—0l17—04 Study Lastely on Forming Type and Engineering Character of “Red Rock”for Embankment MENG Zhijun (Yueyang Highway Engineering Construction General Corporation,Yueyang,Hunan 414000,China) [Key words]red rock; ̄rming type;filling in subgrades;quality control1 粒和粘土颗粒。位于地势较高处的风化颗粒随着水 流的作用又沉积在地势相对较低的河流中、湖泊中 1 问题的提出 在湘南及我国其它地方分布着这样一类岩石, 岩石的颜色呈暗红、褐红或红褐色,岩石强度低(在 4~20 MPa之间)、吸水性强、易风化、工程性质不稳 和海滨,随着沉积作用的不断进行,沉积厚度越来越 大,先沉积的物质被埋在下面,经过长期的压密固结 等一系列物理和化学作用又形成岩石,这类岩石属 于沉积岩。后来由于地壳运动有的湖泊或河流发生 上升运动,海拔高度升高,形成山脉或丘陵,这样沉 积形成的岩石又逐渐裸露于山脉或丘陵的表面。 定,20 a前引起了公路建设者的重视。由于当时没 有从地质学、岩石学、以及路用性能的角度对其进行 系统的研究,而取其颜色泛称之为“红砂岩”。 那么“红砂岩”究竟是什么样的岩石,是不是人 们在原有岩石类型之外又发现的一类新岩石呢?在 岩石学和地质学上它属于什么成因类型呢?它们的 工程性质有什么特点呢?它用作路堤填料时的施工 规程、质量控制标准和检测方法是怎样的?填筑路 堤时是否一定要反复的干湿循环崩解和耙压呢?为 了找到规范、简便,又能保证路基填筑质量的方法, 避免不必要的工序,作者认为有必要对这些问题做 系统的研讨。 沉积岩的成因类型主要有河床相、河漫滩相、河 口三角洲相、内陆湖相和海相等几种。由于形成环 境的不同,沉积岩的颗粒组成特点也不相同。 河流流水携带颗粒的能力与其流速有关,流速 较大时细小颗粒难以沉积下来;随着流速的由大到 小,沉积下来的颗粒粒径也由大到,J 。由于河流水 流行程较长,流速自上游到下游、由河床到河漫滩有 规律的由大到小变化,因此沉积物具有明显的分选 性,自河床向河漫滩沉积的颗粒由大渐小,由河流发 源地到入海口(或湖泊中)沉积的颗粒亦由大渐小。 2湘南“红砂岩”的地质成因类型及结构特 ,--、 占 颗粒小,吸水能力强的粘土颗粒或粉粒常沉积在河 流人海口或内陆湖中。碳酸钙、氧化铁等化学沉积 物也常在湖中或海洋中静水环境中沉积下来。所以 河床相沉积岩常是强度高的砾岩或砂岩,高纯度的 千万年以前地壳表面的岩石经过热胀冷缩、干 湿循环、化学分解等作用风化为块石颗粒、砂粒、粉 [收稿13期】2008—06—20 [作者简介]孟志军(1976一),男,湖南岳阳人,工程师,主要从事公路建设管理工作。 1l8 公路工程 33卷 粘土岩及化学岩常属于海相沉积岩。 阳盆地,现在我们所说的“红砂岩”就是那一时期的 内陆湖的沉积作用与河流的沉积作用及海洋的 沉积岩。 沉积作用相比有以下特点: 值得指出的是有的湖相沉积岩不含三氧化二铁 ①颗粒分选性差。流进内陆湖中的河水流程 而不呈红色,而含有氧化锌呈灰白色,但他们的工程 不象人海流流程那么长,因此其携带的颗粒不象人 性质并不因此与“红砂岩”有大的差别。表1是取 海流携带的颗粒那么小而纯。内陆湖面积较小,周 自湖南湘耒高速公路的岩石试验结果。表2是表1 围有各种各样的细小流水进入,这些水流携带颗粒 中部分岩样的矿物成分和结构构造。 分选性差。湖水本身对湖岸的冲击作用及湖水的旋 表1 湘耒路沿线“红砂岩”岩石种类表 流作用使岸边较大颗粒沉积物与湖心较小颗粒沉积 桩号 岩石 物进一步混杂。 1.k0+730 黄褐色泥质铁质岩屑石英砂岩 因此形成的碎屑岩中往往混有一定数量的粘 2.k6+000 红褐色含砾泥质钙质粉砂岩 3.k22+120 粒,而粘土岩中又往往混有一定数量的粉粒、砂粒或 赤红色铁质浸染粉砂质泥岩 4.k48+980 黄白色泥质铁质泥质胶结砂岩 砾粒,这就是内陆湖相沉积岩绝大多数是泥质砂 5.k49+800 黄灰色铁质浸染状绢云母泥岩 (粉砂、砾)岩和砂(粉砂、砾)质泥(页)岩的原因。 6.k80+l00 粉红色含细砂质页岩 7.k88 4-400 暗红色泥质长石石英砂岩 ②夹有化学物质的沉积。一些化学物质如三 8.k98 4-300 褐红色泥质钙质细砾岩 氧化二铁、碳酸钙、二氧化硅等常在静水环境中沉 9.klO2+51O 棕褐色铁质钙质粉砂质泥岩 积,有的结晶成为晶体进而形成岩石,如由方解石组 10.kl20+940 赤红色铁质钙质粉砂质泥岩 11.k120+940 褐红色铁质浸染钙质粉砂质泥岩 成石灰岩;有的作为填隙物(胶结物),三氧化二铁 12.kl17+500 褐红色铁质浸染钙质细砂质泥岩 和二氧化硅常作为砂(砾)岩的胶结物;有的作为浸 l3.k117+500 暗红色铁质浸染泥质石英砂岩 14.kl45+680 褐红色泥质铁质长石石英砂岩 染物,如三氧化二铁与泥岩类或泥质砂岩类岩石中 15.k147+000 褐红色铁质浸染钙质粉砂质泥岩 的粘土矿物混在一起使岩石呈红色。这就是一些湖 l6.k150+400 褐红色含砾钙质泥质粉砂岩 相沉积的岩石常被称做“红砂岩”的原因。 17.k167+450 褐红色含砾钙质粉砂质泥岩 18.kl65+400 红褐色铁质含砾粉砂质泥灰岩 在地质历史上的白恶纪,湘南为内陆湖,属于衡 表2岩石矿物成分表 续表2岩石矿物成分表 物。大多数岩样中都含有5%~10%的使岩石呈红 色的铁质物。 编号 岩样描述 从上述分析可以看出,“红砂岩”是地质学上一 2 岩石较坚硬、新鲜面红褐色、风化面呈暗灰红色、块状构造 3 岩石坚硬较差、新鲜面为赤红色、风化面呈褐红色、块状构造 种湖相沉积成因类型的岩石。 4 岩石较坚硬、新鲜面为黄白色风化面呈褐黄色不等粒构造 6 岩石坚硬较差、新鲜面粉红色、风化面呈褐红色、细粒状构造 3“红砂岩”的路基用工程性质 8 岩石较坚硬、新鲜面褐红色 风化面呈灰褐色 lO岩石坚硬较差、新鲜面褐红色、风化面呈赤红色、块状构造 为了阐述“红砂岩”的路基用工程性质,下面将 l6岩石坚硬较差、新鲜面褐红色、风化面呈褐色、块状构造 一组所遇到的强度最低、极易风化、失水崩解性最强 从表1和表2可以看出,湘南的“红砂岩”主要 的红砂岩的物理及工程性质试验结果见表3。 包括碎屑岩类(主要有砾岩、砂岩、粉砂岩)和粘土 该种岩石抗压强度小于5.0 MPa,属极软岩。 岩类(主要有泥岩、页岩),另外还有一组是泥灰岩。 岩石的液限小于50%,属低液限材料、塑性指数小 碎屑岩石中都含有5%~15%粘土矿物、云母及以 于26,属低塑性材料、自由膨胀率小于80%,属弱膨 泥质方解石,粘土岩中又都含有30%~50%的碎屑 胀岩。所有这些指标均满足《技术规范》¨ 的要求。 第5期 孟志军:“红砂岩”成因类型和路基用工程性质新研讨 l19 表3“红砂岩”的物理及工程性质 之间靠氢键连接,其连接力强弱介于蒙脱石和伊利 石之间。 粘土矿物颗粒就是由上述晶胞靠较弱的吸引力 联接而成的,粘土矿物颗粒与颗粒之间也是靠颗粒 之间较弱的引力联接在一起的。由于晶胞表面呈电 性,特别是呈负电性,极性水分子及水化阳离子易受 到电性吸引进入晶胞之间,在晶胞周围形成一层水 膜,该水模增大了晶胞之间的距离,削弱了晶胞之间 的联接力,因此也就降低了土体或岩石的强度。 晶胞周围吸附的水膜越厚,则土体或岩石强度 的降低越显著。所以粘土岩碎屑随着含水量的增 当最大粒径30 mm时CBR大于8,能满足各种 加,依次由坚硬状态发展到可塑状态,再发展到流动 等级公路所有路堤填土层的要求。也就是说它们是 状态。 合格的公路路堤填料。 粘土矿物颗粒或晶胞吸水能力的强弱,与晶胞 湘末高速公路累计有68 km穿过“红砂岩”地 表面的电场强度及水中阳离子的当量浓度有关,晶 区,“红砂岩”的挖方石料用来填筑路堤,作填土路 胞表面的电场强度越大则晶胞吸附水模的厚度也越 基时未因在颂铺厚度和压实度满足要求的情况下而 大。水中阳离子的当量浓度越大,晶胞表面电场电 出现公路病害的现象。8 a来运营情况良好。 吸引力影响的距离越小,则晶胞能够吸附水膜的厚 有个别路段用强度较低的石料填筑路基,由于 度越小;阳离子的电价越高则晶胞表面电场电吸引 石块粒径太大,松铺厚度太厚,石块没有被完全压 力影响的距离越小,晶胞能够吸附水膜的厚度越小, 碎,填筑层压实度达不到要求,填筑一段时间后石块 粘土岩吸水后强度降低的幅度也越小,其水稳定性 自然开裂破碎,路基填筑层下沉,导致路基的沉降或 也越强。 开裂。这种现象不论红色的粘土岩类,还是非红色 粘土岩中混有一定量的含有Fe”的铁质物,不 的粘土岩类都会出现。 仅降低了岩石中粘土矿物的含量,更重要的是电价 那么“红砂岩”的红色究竟有没有特殊影响呢? 较高的Fe”吸附于粘土颗粒晶胞表面,降低了颗粒 究竟会不会导致岩石具有奇特的工程性质呢?这要 表面的电场强度,降低了粘土颗粒吸附水的能力,使 从粘土矿物的结构和亲水性的原理进行分析。 粘土颗粒能够吸附水膜的厚度也相应减薄。这就减 “红砂岩”的红色是由于岩石中含有包含有 小了粘土岩的液限、塑性指数、及自由膨胀率,增大 Fe”的铁质物,这些铁质物在岩石中起什么作用呢? 了CBR值,增强了粘土岩的水稳定性。所以“红砂 粘土岩的组成物质主要是粘土矿物。粘土矿物 岩”的“红”字使粘土岩的水稳定性增强,路基用性 主要有蒙脱石、高龄石、伊利石等几种。它们的基本 能改善。 组成单元(称晶胞)是由硅氧四面体片和铝氢氧八 面体片通过不同的结合方式形成的。硅氧四面体中 4“红砂岩”填筑路堤质量控制 硅居中间,氧原子位于四角,对外呈负电性。铝氢氧 4.1质量控制的基本方法 八面体中铝离子位于中间,氢氧根位于六角,对外呈 按照《技术规范》…的要求,液限大于50%、塑 正电性。 性指数大于26、或者自由膨胀率大于80%(强膨胀 蒙脱石的组成单元是由两层硅氧四面体片夹一 岩的一个判定指标)的材料不能作为路基填料。这 层铝氢氧八面体片,对外呈负电性,晶胞之间连接力 些标准是定量的、明确的、可操作的和强制性的。 很弱;伊利石的组成单元与蒙脱石相同,只不过是硅 新挖石料填筑路基分填土路基和填石路基。当 氧四面体片中的部分硅离子被Fe“或Al“取代,为 新鲜岩块的单舶极限抗压强度小于15 MPa时,用 弥补晶格中正电荷的不足,晶胞之间常充填K 使 其填筑的路堤为填土路基,反之为填石路基。 晶胞与晶胞之间的连接力增强;高龄石的组成单元 填土路基和填石路基为什么要以15 MPa为界 是由一层硅氧四面体片和一层铝氢氧八面体片叠和 呢?这主要是根据岩石的抗风化能力来戈 分的。一 而成,一面对外呈负电性,一面对外呈正电性,晶胞 般情况下强度大于15 MPa的岩石填筑路基之后, l2O 公路工程 33卷 在道路的运营时间内岩块不易风化,岩块与岩块之 没有全面、规范性的路基工程施工技术指导意义。 间能维持填筑时的结构,路基稳定性和承载能力能 4.2.2路基填筑时是否一定要预崩解和反复靶压 长期维持。就是说施工完成后只要路基的承载能力 作者曾对所谓的“一类岩”(在湘耒高速公路崩 和稳定性满足要求,公路就能保持长期安全运营。 解性最强的极软做了不同粒径的CBR试验,岩石的 因此填石路基质量控制的主要参数是石块最大 强度、液限及其cB 试验结果汇于表4。 粒径、松铺厚度、压路机的吨位和激振力、轮迹状况。 表4“红砂岩”(粘土岩)的CBR值与粒径的关系 也即在松铺厚度不大于50 cm,最大粒径不大于松 指标 数值 铺厚度的三分之二,用12 t以上的振动压路机碾压 液限W£% 34.1 至无明显轮迹为止。 抗压强度/MPa 4.43 试样最大粒径38 mm时最大干密度/(g・in。) 2.05 反之,岩石的强度小于15 MPa,岩块容易风化, D=38 mm CBR/% 11.2 若填筑路基时岩块未被压碎,密实度达不到要求,填 (98击重型击实试验)曼查堡 一 D=30 mm11111 CBR /% “ 8.1 筑路基之后岩块逐渐风化破碎,岩块与岩块之间的 D:2O mm cBR /%6.O 结构状态不断发生改变,路基逐渐下沉,路基稳定性 从表4可以看出,随着试验材料最大粒径的增 和承载能力不能长期维持。 大,CBR值逐渐增大。也就是说随着最大粒径的增 因此,用强度小于15 MPa的岩石材料填筑路 大击实试件的水稳定性逐渐增强,承载能力逐渐提 基时用控制松铺厚度和检测压实度的方法进行质量 高。 控制。 从表4还可看出这类岩石的最大干密度为 从已用“红砂岩”填筑路堤的成功经验及“红砂 2.05 g/m ,与砾类土的最大干密度相似。若压实度 岩”的物理力学性质可看出,“红砂岩”是合格的路 为94%,其路基的干密度为1.927 g/m 。若将岩石 堤填料。因此用其填筑路堤要遵循挖方石料填筑路 材料反复崩解靶压,将其弄成类土状,一般粘性土的 基的规律,按规范要求进行试验检测和质量控制。 最大干密度不超过1.8 g/m ,若压实度仍为94%, 4.2关于崩解性的处理 则其路基的干密度不超过1.692 g/m。,是直接用岩 4.2.1岩石崩解性的工程含义 石填路基于密度的88%。 如同粘性土块吸水变软,粘性土填筑路基风干 因此用合格岩石填筑路基时,在松铺厚度满足 发生龟裂一样,所有粘土岩类(包括红色的和非红 设计和规范要求的前提下,路基中材料粒径相对越 色的)都有失水崩解的表现,这是由于粘土矿物失 大,路基的干密度越大,路基的压缩性越小,水稳定 水体积变小的缘故。 性越强,承载能力越高。 然而时至今日崩解性的强弱还不能定量的描 因此反复的崩解靶压不但增加了工序,延长了 述,更无法用来判定岩石材料能否用来填筑路基,崩 工期,而且还降低了路基的密实度和承载能力,一般 解性与路基稳定性的定量关系也不得而知。 情况下不宜选择这样的施工方案。 岩石的失水崩解是体积缩小的表现,对于合格 反复靶压是否能消除材料的崩解性呢?众所周 的材料,当路基密实度满足要求时,崩解性对路基并 知所有的粘性土体都有吸水变软,失水开裂(或称 不造成危害。 崩解)的特性。也就是说即使把岩块反复崩解至粘 能够造成路基失稳、沉降、坍陷病害的是路基材 土类,宏观上(肉眼看)看崩解性消失了,但其本质 料的强膨胀性引起的强膨胀力、高液限和高塑性带 特性仍然会保持。 来的强吸水强软化性。 所以对合格的能够压碎的粘土岩类(包括红色 对于合格的路基材料,只要路基密实度达到了 的和非红色的)要按规范要求控制每层厚度和压实 要求,材料在路基中干湿循环逐渐崩解破碎反映并 度,当压实层厚度和压实度满足规范要求时,切记不 不明显,路基也不会因此而下沉或开裂。 要再反复靶压崩解,以免增加了工序和时间,反而降 目前崩解性还仅仅是一个肉眼判断的定性指 低了路基的干密度和承载力。 标,崩解性的强弱与液限、塑性指数、膨胀性应有一 只有在岩石的强度接近15 MPa,现有路基碾压 定联系,但这种联系难以量化。当按崩解性对岩石 设备难易将其压碎,用爆破的方法解小岩块成本太 进行区分时,无法对填料是否合格做出判断,也无法 高、工期太长时,才应考虑对爆破后的石料在料场进 与施工工艺、检测方法和质量控制标准相联系,因此 (下转第141页) 第5期 刘 宇,等:岭南高速公路治理桥头跳车尝析 l4l 路面下渗水进入填方体。对中间为砂砾的填料,两 侧为土类填料的填方体与加固地基的连接处做排水 管,以排泄填方体与加固地基之间的下渗水。 [参考文献] [1]JTJ 017—96,公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S]. 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[14]杜志刚,潘晓东,王富贵.基于人机工程学的山区公路桥头跳 车分析[J].中南公路工程,2007,32(1):17~20. (上接第120页) 行一定时间的干湿循环崩解破碎;在路基填筑时难 室内试验表明随着最大粒径的增大,材料的 CBR值逐渐增大。当松铺厚度和压实度满足要求 以保证压实度,才应考虑采用增加耙松再碾压工序 以保证每层填筑厚度和压实度满足要求。 时用合格岩石填筑的填土路基也是一样的。路基的 干密度越大,路基的压缩性越小,水稳定性越强,承 载能力越高。所以对合格的能够压碎的粘土岩类 (包括红色的和非红色的)要按规范要求控制每层 5 结论 湘南及其它地区的“红砂岩”不是一类新发现 厚度和压实度,当压实层厚度不超厚时,切记不要再 反复靶压崩解,以免增加了工序和时间,反而降低了 路基的干密度和承载力。 当岩石的强度接近15 MPa,现有路基碾压设备 很难将其压碎,用爆破的方法解小岩块成本太高、工 期太长时,才应考虑对爆破后的石料在料场进行一 定时间的干湿循环崩解破碎,在路基填筑难以保证 的岩石种类,它是白垩纪的湖相沉积岩,也即白垩系 红层。在沉积的过程中颗粒分选性不良,因此碎屑 岩中往往混有一定数量的粘粒,而粘土岩中又往往 混有一定数量的粉粒、砂粒或砾粒,它们绝大多数是 泥质砂(粉砂、砾)岩和砂(粉砂、砾)质泥(页)岩。 泥(页)岩中三氧化二铁的混入,降低了岩石的 亲水性。因此岩石的液限、塑性指数、膨胀性指标、 压实度时,再考虑采用增加耙压工序以保证每曾层 填筑厚度和压实度满足要求。 [参考文献] [1]JTJ 033—95,公路路基施工技术规范[S]. [2]JTJ 051—93,公路工程土工试验规程[S]. [3]刘宝君.沉积岩石学[M].北京:地震出版社。1980 CBR值均能满足路基材料的要求。 所有粘土岩类都有明显的失水崩解性。当按崩 解性对岩石进行区分时,无法对填料是否合格做出 判断,也无法与施工工艺、检测方法和质量控制标准 相联系,因此没有全面的、规范性的路基工程施工技 术指导意义。