高速铁路红层软岩深路堑路基时效变形特性研究

第1章　绪论 1.1　红层软岩及其工程问题 红层是一种外观以红色为主色调的陆相高温及氧化环境中沉积的碎屑岩地层，我国陆相红层主要形成于三叠纪、侏罗纪和白垩纪，分布总面积约占我国陆地总面积的9.5%，其中约60%分布于我国南方地区，尤其在四川盆地、盆地边缘与攀西地区分布极为广泛，是我国红层分布*多的地区[1-3]。岩性主要为泥岩、页岩、粉砂质泥岩、砂岩等[4]，具有透水性弱、亲水性强、遇水易软化（或膨胀）、失水易崩解（或收缩）的特点。软硬相间的砂泥岩互层是红层中*为普遍和典型的岩性组合形式，其中砂岩类构造节理发育，常成为地表水和地下水渗透的通道，而泥岩类为相对不透水层，且具有吸水软化特点[5]。由于其特殊的物理力学特性及构造特征，红层软岩地区公路、铁路、水利水电等工程建设过程中遇到大量滑坡、边坡变形失稳、路基不均匀变形等工程病害，尤其在四川盆地，早期的达万铁路、达成铁路、兰渝铁路等重大项目建设中，红层软岩路堑边坡病害较多，开始引起重视，边坡的稳定性研究也成为红层研究的重点。近年来，红层软岩开挖土石开始用于高速铁路路基填料，由此一些学者开始针对红层路基的沉降变形、路基稳定性等路用填料特性进行研究，其中红层填料路基沉降变形、动力特性等成为研究重点[6-9]。《岩土工程勘察规范（2009年版）》（GB 50021—2001）规定，对于软岩，应注意是否具有可软化性、膨胀性、崩解性等特殊性质，开挖后是否有进一步风化的特性。可见，红层软岩特殊的物理力学性质是影响工程结构稳定性的重要因素，无论早期的普速铁路还是当前快速发展的高速铁路，都将其作为一个重要课题开展深入研究，大量岩石力学科研及工程技术人员结合重大工程项目，在水和应力环境下红层软岩物理力学性能及其工程灾变机理方面开展了大量的研究[5，10-16]，我国在红层软岩工程领域积累了大量的研究成果和丰富的工程经验，红层软岩特殊的物理力学性能在工程中也早已不再那么“特殊”。 红层地区高速铁路开挖路堑边坡的稳定性、红层边坡风化剥落、红层路基填料沉降变形是红层工程中的“老问题”，深路堑路基服役期持续上拱变形是近年来高速铁路建设和运营过程中出现的“新问题”。2015年，成渝客运专线内江北站两段（约400m）无砟轨道开通前就出现超限上拱变形，为此进行了返工处理，线路开通运营后，该区段路基依然持续上拱变形，截至2020年1月，累积*大上拱量已超过40mm，导致列车不断降速，*后不得不斥资近2亿元再次返工处理；2018年2月，开通运营仅2个月的西成客运专线江油段约100m路基同样发现*大上拱量达到11.8mm；同年4月，在建成贵高速铁路宜宾段约130m路基在CPⅢ高程测量中发现路基*大上拱量已达到9mm。这些上拱路基都发生在西南地区广泛分布的红层软岩地层的深挖路堑工程中。西北地区的兰新高速铁路部分泥岩路基区段出现类似的严重持续上拱变形，且没有收敛迹象，京沈线、郑西线等也都出现过类似的病害。与普速铁路相比，高速铁路由于列车运行速度快，对线路平顺性要求更加严苛，而无砟轨道对路基上拱变形调节能力仅有4mm的空间[17]，超限的上拱变形将严重威胁列车的安全运行。然而，深挖路堑持续上拱变形的原因和机理尚不清楚，相关研究还不够系统、深入，也尚未建立有效的理论模型和计算方法以指导实际工程灾害预防和控制。同时，运营高速铁路线路返工整治代价非常大，在缺乏有效理论支撑的情况下，目前大多只能通过加强监测、降速运行来保证列车安全，极大地提高了线路运营维护成本，造成不良的社会影响和巨大的经济损失。路基上拱也成为如今高速铁路建设过程中面临的又一个关键问题。 与此同时，我国高速铁路发展迅速，截至2021年年底，高速铁路运营里程达到4万km，已然成为我国对外的一张亮丽名片，这也意味着将有大量的潜在红层深路堑上拱变形病害路基工点。据初步统计，运营中的成渝客运专线超过30m的深路堑就有18处（总计1782m），成贵高速铁路仅四川段就有超过72处（总计4738m）挖方超过20m的深路堑，在建成自高速铁路也有47处深路堑，目前我国在建时速*快的成渝中线（400km/h）高速铁路更有多达99处路堑*大挖深超过20m，若再考虑西南地区重庆、云南、广西和华中、华南等红层地区高速铁路工程，如此大规模的红层软岩深路堑工程足以让建设者谈“拱”色变！ 我国高速铁路工程中存在大量的红层深挖路堑，为什么目前仅部分工点出现长期持续的上拱变形？其余运营路基是否会产生类似上拱变形？路基的上拱变形受哪些因素控制以及影响规律和后期变形发展趋势如何？如何有效整治服役期上拱变形路基？如何在前期设计、施工过程中采取有效的手段避免线路服役期出现持续的上拱变形病害？这些都是今后我国高速铁路建设和运营维护必须面对的问题。针对这些实际问题，本书以运营成渝客运专线内江北站两处上拱路基工点为依托，从红层软岩的物理力学性能、岩体结构（组合）特征、赋存工程环境等角度出发，通过系统的现场调查、室内外试验、理论分析和数值模拟手段，揭示引起红层软岩深路堑地基时效性上拱变形的内在机理及关键影响因素和影响规律。同时，考虑路基实际赋存环境特征，建立深挖路堑地基上拱变形理论计算模型及方法，并针对性地提出一种技术可靠、经济合理的工程控制措施，为建设中的成自高速铁路、成达万高速铁路、成渝中线高速铁路以及今后红层地区大量高速铁路路基工程长期上拱变形灾害预防和控制提供理论支撑，服务于相关工程设计和施工，对提高我国高速铁路建设和运营维护水平具有显著的实际应用价值。 1.2　国内外研究现状 1.2.1　红层软岩地层结构特征研究 红层的*大特点是岩性岩相复杂多变，经历的地壳运动不剧烈，形成的地质年代较短[18]，通常是由泥岩、砂质泥岩与粉砂岩或粉砂岩互层、泥质岩夹少量泥灰岩组成的复合结构，同时，软弱夹层也是红层软岩岩体结构的一个重要特征。不同岩层的组合结构特征在一定程度上决定了工程岩体的变形和失稳模式。为此，一些学者从红层泥质岩地区地层结构特征分析入手，研究边坡失稳、路基变形等机理。 许强等[18]调查发现，四川盆地红层大多区域地层倾角小于20°，甚至小于10°，岩层和斜坡都很平缓，但在降雨作用下依然诱发成千上万处滑坡。吴国雄等[19]对西部地区红层软岩的岩体结构和工程特性进行了总结，认为四川盆地红层软岩以侏罗系、白垩系地层为主，主要分布于四川省和重庆市的四川盆地及盆地边缘地区；李蕊等[20]对川东红层地区天台乡滑坡的研究发现，滑坡体以棕红色、紫红色砂质泥岩、泥质粉砂岩为主夹数层紫灰色、紫红色细粒石英砂岩，滑坡区泥岩层受构造作用风化裂隙极发育，岩石切割为块状或碎裂状，加之孔隙水和裂隙水作用，形成软塑状滑带，降低了滑坡的稳定性；同样在川东缓倾红层地区，青宁乡滑坡的发生也与滑带粉质黏土夹碎石遇水软化有关，造成原本稳定的缓倾岩层发生滑坡[21]；安（宁）—楚（雄）高速公路全线129.93km，就有2/3以上路段通过红层地区，且多为软岩和硬岩相间互层，层间形成碎裂岩脉，成为岩体的薄弱带[22]。 总体来看，受沉积环境和微弱的地壳运动影响，红层地区岩体多为软硬相间的近水平或者缓倾层状构造，且通常含有泥质软弱夹层，不同岩层的物理力学性能不同，水的作用使得软弱夹层抗剪强度进一步降低，岩体易沿着软弱夹层发生滑动破坏。另外，由于红层软岩中膨胀性黏土矿物含量较大，遇水发生膨胀作用，引起岩体内的不均匀膨胀力及变形，长期作用下导致岩体破碎、岩体结构松散、强度降低等弱化现象，这些都是引发红层软岩工程灾变的主要原因。 1.2.2　红层软岩矿物成分及其特性研究 泥岩本身含有较多黏土矿物，其物理性状除与应力环境相关外，受所处环境的湿度变化影响很大，这是泥岩与其他结晶岩石、岩体和不含黏土矿物的碎屑岩物理性状*根本的差异。黏土矿物对水分具有很强的吸附能力，从而红层软岩也表现出较强的亲水性，同时，黏土矿物吸水后体积膨胀，进而崩解。因此，研究红层泥质岩的矿物组成，特别是黏土矿物成分，是判断其力学性能、风化进程、膨胀变形特性的重要依据。 孙乔宝等[22]对滇中红层软岩矿物成分的分析发现，泥岩主要成分为粒径小于0.004mm的铁泥质，有少量重结晶为绢云母、绿泥石，泥质结构，同时泥质粉砂岩和泥岩的黏土矿物主要为伊利石、绢云母，有少量高岭石、绿泥石，伊利石是较强的亲水矿物，也是泥岩、粉砂岩遇水易软化、塑性变形、强度低、吸水易膨胀、失水易崩解等特性的内在因素。该工程区红层软岩的崩解性强，岩芯在晴天3～5h就出现裂纹，2～3d就会崩解成碎块或岩屑，块石经3～5d就会出现崩解现象。许强等[18]对四川盆地大量红层泥质类岩石矿物成分进行了统计分析，认为红层泥质类岩石的矿物成分以黏土矿物（伊利石、蒙脱石、高岭石、绿泥石等）和碎屑物质（石英、长石、云母、方解石、石膏等）为主。 总体来看，根据化学分析、X射线衍射、电镜观测等试验，红层软岩主要矿物成分为泥质、石英、长石、方解石、高岭石、蒙脱石、伊利石等，其中泥质粉砂岩和泥岩的黏土矿物主要为伊利石，有少量高岭石、绿泥石、蒙脱石，黏土矿物含量较大是泥质岩抗压强度小于砂岩的主要原因。化学成分则主要有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO等，其中SiO2和Al2O3相对大量富集，K、Na等组分含量相对少，SiO2、Al2O3、Fe2O3之和达73%，反映了红层沉积形成前经历了强烈的风化作用，硅质、铁质和钙质作为胶结物，其含量在一定程度上反映了红层的强度特征，Fe2O3及其水合物的积聚使得岩体呈现红色。矿物成分及其含量、结构、胶结物质决定了红层泥质岩不同的膨胀性和崩解性[8， 18， 23， 24]。 红层软岩的膨胀性主要由黏土矿物的膨胀和矿物重结晶的膨胀组成。黏土矿物膨胀主要是蒙脱石的“粒间膨胀”、高岭石和伊利石的“粒内膨胀”、伊/蒙混层膨胀作用，而矿物重结晶膨胀是硬石膏变成石膏的体积增大现象[24]。例如，四川西岭雪山泥岩的蒙脱石含量*高，自由膨胀率达到155%，远大于遂宁和合川石英含量较高的泥质岩试样[8]。因此，对红层泥质岩黏土矿物成分和含量及其引起膨胀特性的研究对判断工程岩体宏观变形至关重要。 1.2.3　红层软岩膨胀变形特性研究 通常岩石的膨胀性是指在水的物理化学作用下随时间的发展产生体积增加、破碎和分解的现象[25]。岩石的膨胀性能、膨胀机制受岩石本身矿物组成、结构特征、外部环境、荷载等影响。除此之外，红层泥质岩因含有大量的黏土矿物，遇水膨胀变形较明显，其膨胀性能与其风化、崩解、软化等特性相关[26]。 魏永幸[9]采用红层泥岩散体开展了有荷载与无荷载膨胀率试验和自由膨胀率试验，发现红层泥岩的膨胀率较小，并且随着压力的增大而减小。胡文静等[26]通过试验研究了重庆红层泥岩在侧限有竖向荷载、无竖向荷载、不同加水条件下的膨胀特性，发现随着竖向荷载的增大，膨胀率急剧降低，并且随着加水时间的持续，水量大小对红层泥岩稳定膨胀、膨胀变形过程及其特征起着控制作用。朱珍德等[27]对南京红砂岩侧限膨胀变形试验发现，在高荷载作用下，红砂岩膨胀应变随吸水率的增加呈对数增长；在低荷载作用下，膨胀应变随吸水率的增加呈线性增长，并且膨胀变形具有时间效应。Doostmohammadi等[28]研究了干湿循环和上覆压力作用下泥岩的膨胀变形和膨胀压力变化规律，结果表明，膨胀变形和膨胀压力随干湿循环次数的增大而增大，但存在极限值。马丽娜[29]对兰新客运专线泥岩路基的膨胀变形开展了不同上覆压力和浸水深度下的试验，认为路基上拱是由泥岩吸水膨胀造成的。王智猛[30]对遂渝线工点红层泥岩有（无）荷载下的膨胀率试验发现，红层泥岩浸水膨胀率随荷载的增大而减小，且膨胀率都较小，当荷载为100kPa时，膨胀率接近0，荷载超过100kPa后，红层泥岩不会发生膨胀反而发生压缩变形。这些研究均落脚于泥质岩等软岩吸水膨胀现象，也是通常膨胀性岩石所定义的物理化学作用膨胀现象，由岩石本身矿物