紅砂巖泥化夾層力學(xué)特性及其對邊坡穩(wěn)定性的影響

龔裔芳，金福喜，張可能，周 斌

(中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖南長沙410083)

在紅砂巖地區(qū)修建高速公路時，公路兩側(cè)的邊坡在開挖后數(shù)月甚至數(shù)年內(nèi)都能保持穩(wěn)定狀態(tài)，災(zāi)害所以會突然間發(fā)生滑坡，其中泥化夾層的力學(xué)物理性質(zhì)是導(dǎo)致其滑坡的主要因素之一。筆者以常吉高速公路沿線的紅砂巖泥化夾層作為研究對象，在已有的研究基礎(chǔ)上［1］，對紅砂巖軟弱泥化夾層的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了一系列的室內(nèi)實驗研究。

常吉高速公路沿線廣布著白堊系泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等沉積類巖石，其中多數(shù)因富含鐵的氧化物而呈紅色、深紅色或褐色，在大氣、陽光、特別是雨水的作用下易崩解，呈魚鱗狀，地質(zhì)學(xué)上稱該類巖石組合為紅層，俗稱紅砂巖。巖石的強度因礦物成分和膠結(jié)物質(zhì)的差異而變化頗大。此種紅砂巖具有巖性多變、軟硬互層、浸水崩解、遇水軟化、結(jié)構(gòu)面眾多及泥化夾層發(fā)育等工程特性。由于紅砂巖是層狀巖石，極易產(chǎn)生順層破壞，因而由紅砂巖泥化夾層引起的巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害時有發(fā)生。

巖體的變形、破壞取決于巖體的結(jié)構(gòu)特性，起決定作用的是軟弱結(jié)構(gòu)面的特性、強度及其相互之間的組合與作用力的關(guān)系。由于泥化夾層含有的黏土礦物較多，對邊坡的整體穩(wěn)定有顯著影響，只要查明了邊坡泥化夾層的物理力學(xué)特性對邊坡穩(wěn)定的影響，就可以系統(tǒng)地研究不同條件下泥化夾層的力學(xué)特性，找出泥化夾層與巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)系，總結(jié)出泥化夾層對巖體動力穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而提出這類巖體動力穩(wěn)定性的評價方法。本實驗成果對紅砂巖滑坡機制研究，以及預(yù)測預(yù)報具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

由于軟夾層對邊坡巖體滑動面的控制作用，國內(nèi)外學(xué)者對泥化夾層問題進(jìn)行了大量研究［2－7］。李樹森等［8］對砂巖中存在順層發(fā)育的軟弱層帶進(jìn)行了研究。符文熹等［9］進(jìn)行的泥化夾層工程地質(zhì)性質(zhì)的室內(nèi)仿真研究指出了室內(nèi)模擬試驗條件下泥化夾層的物理特性與現(xiàn)場原狀樣基本一致的規(guī)律。

1 紅砂巖泥化夾層的工程地質(zhì)特性

紅砂巖形成于燕山運動與喜馬拉雅運動之間，其工程地質(zhì)特征為:①不均勻性，紅砂巖體多為砂巖、泥巖、粉砂巖、頁巖互層，在巖性上有明顯的不均勻性;②具有軟硬相間的多元層狀結(jié)構(gòu);③傾角較緩、褶皺舒緩，節(jié)理密度小而貫通長度大，巖體破碎、透水性強;④常夾有厚度為幾厘米至幾十厘米不等的泥化夾層。

泥化夾層是在層間錯動或地下水的長期物理化學(xué)作用下，而形成的結(jié)構(gòu)疏松、顆粒大小不均、多呈定向排列、強度較低的泥化軟弱夾層。其工程特征為:在成分上，泥化夾層的黏土含量比原巖多;在結(jié)構(gòu)上，由原夾層的過壓密膠結(jié)變成了泥質(zhì)散狀結(jié)構(gòu)或泥質(zhì)定向結(jié)構(gòu);在物理狀態(tài)方面，泥化夾層的含水量超過塑限，密度則比原夾層有所降低，常表現(xiàn)一定的膨脹性，其膨脹壓力的大小與黏土礦物的類型及有機質(zhì)含量有關(guān);在力學(xué)強度方面，泥化夾層比原夾層大為降低，特別是抗剪強度降低很多，與松軟土相似，屬中等高壓縮性。泥化夾層的工程特性，對工程的危害很大［10］。

由以上特性可知，水對紅砂巖泥化夾層的形成和性質(zhì)變化的影響很大，因此，筆者以改變紅砂巖泥化夾層的含水量的方式來研究其的物理力學(xué)性質(zhì)，了解地下水對泥化夾層物理力學(xué)性質(zhì)的影響特征。

2 試驗研究

2.1 試樣采集

常吉高速K 169+200～K 171+900紅砂巖地層中發(fā)育的泥化夾層厚度變化不一，厚5 ～20 cm，有連續(xù)穩(wěn)定分布的，也有斷續(xù)分布及透鏡狀變化的(圖1)。

圖1 粉砂質(zhì)泥巖層間發(fā)育的泥化夾層Fig.1 Developing thin interlayer in silty mudstone

從該路段的1號滑坡體上下兩個不同的層位分別采取了4組試樣。試樣C21Y-1-1和C21Y-1-2是發(fā)育在上層鈣泥質(zhì)細(xì)砂巖與下伏粉砂質(zhì)泥巖之間的泥化夾層，連續(xù)性較好，厚10～15 cm。試樣C21Y-2-1和C21Y-2-2是發(fā)育在厚層狀粉砂質(zhì)泥巖層間的泥化夾層，連續(xù)性較好，厚10～20 cm。沿泥化夾層均有不同程度的地下水滲出。

2.2 試驗方案

1)對試樣進(jìn)行礦物成分分析，以了解其礦物組成。

2)同步進(jìn)行含水量(烘干法)、密度(環(huán)刀法)、相對密度(比重瓶法)、液塑性的測定等試驗研究。

3)進(jìn)行固結(jié)試驗和直剪試驗的研究，以了解其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。采用對比試驗進(jìn)行比較研究，以獲取不同含水率、不同固結(jié)程度下紅砂巖強度的變化特點。

按照《公路土工試驗規(guī)范》［11］，從現(xiàn)場采集的試樣經(jīng)過5 mm篩選，篩取細(xì)粒土以供試驗準(zhǔn)備。采用重塑樣，按照不同含水量初步配置試樣，靜置24 h以上，將試樣擊實以供制備環(huán)刀。直剪儀型號為等應(yīng)變直剪儀ZJ－2型，直剪儀器編號為47，量力環(huán)號為94 738，核正系數(shù)c’=1.960 8 kPa/(0.01 mm)?？旒舻募羟兴俾蕿?2 r/min，慢剪試驗剪切速率為4 r/min。

相同層位的C21Y-1-1和C21Y-1-2試樣進(jìn)行7組不同含水量的對比試驗，采用不固結(jié)不排水快剪試驗。對C21Y-2-1和C21Y-2-2試樣進(jìn)行6組不同含水量的不固結(jié)不排水快剪試驗。各組土樣制備4組試樣，各組試驗中所施加的正壓力為100，200，300，400 kPa。

2.3 試驗結(jié)果及分析

2.3.1 紅砂巖的礦物成分

對 C21Y-1-1、C21Y-1-2、C21Y-2-1 和 C21Y-2-2 4組巖樣分別進(jìn)行了巖石礦物分析，結(jié)果見表1。

表1 礦物成分及其含量Tab.1 The mineral constituent and content /%

從以上數(shù)據(jù)可以看出，紅砂巖含有黏土礦物蒙脫石、伊利石等，是導(dǎo)致其遇水膨脹、變軟風(fēng)化的主要原因。紅砂巖的松散的微觀結(jié)構(gòu)及所含黏土礦物，是影響其工程性質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)和內(nèi)在原因。

2.3.2 直剪試驗

通過直剪試驗，C21Y-1-1和C21Y-2-1試樣的7組不同含水量對比試驗(不固結(jié)不排水快剪)結(jié)果，以及C21Y-2-1和C21Y-2-2試樣的6組不同含水量對比試驗(不固結(jié)不排水快剪)結(jié)果見表2。

表2 4種試樣物理力學(xué)指標(biāo)Tab.2 The physical mechanic index of the four test samples

2.3.3 液塑性試驗結(jié)果

通過液塑性試驗測定:C21Y-1-1和C21Y-1-2試樣的液限為22.1%，塑限為19.5%，塑性指數(shù)為2.5。C21Y-2-1和C21Y-2-2試樣的液限為23.4%，塑限為18.5%，塑性指數(shù)為4.9。

以上的各項試驗結(jié)果顯示以下規(guī)律:

1)隨著含水量的增加，紅砂巖的強度明顯降低。

2)有效內(nèi)摩擦角隨含水量的增加逐漸減小(圖2)，黏聚力隨含水量的變化呈現(xiàn)?。螅〉淖兓厔?圖3)。

圖2 內(nèi)摩擦角隨含水量變化曲線圖Fig.2 Internal friction angle changed with moisture content curves

圖3 黏聚力隨含水量變化曲線圖Fig.3 Cohesive strengths changed with moisture content curves

3)試樣固結(jié)后，其強度要明顯高于不固結(jié)的試樣。

4)下層位置所取的試樣的整體強度高于在上層位置所取的試樣。

3 邊坡穩(wěn)定性分析

由以上的土工試驗，得到在不同含水量條件下，紅砂巖軟弱夾層的物理力學(xué)參數(shù)。對其中一組試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行穩(wěn)定性分析模擬研究。

根據(jù)泥化夾層現(xiàn)場情況，利用一個簡單的計算模型(圖4)。邊坡順著泥化夾層產(chǎn)生平面滑動。因此，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》［12］，邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)可按下式計算:

圖4 邊坡穩(wěn)定性計算模型Fig.4 The count mode of slope stability

假設(shè)θ=20°時，將試樣C21Y-1-1試驗數(shù)據(jù)帶入其中，可得出不同的安全系數(shù)，如表3。

表3 C21Y-1-1安全系數(shù)計算結(jié)果Tab.3 The count result of assurance coefficient of the test sample C21Y-1-1

通過以上計算結(jié)果，可見隨著含水量的增加，c、φ值減小，安全系數(shù)逐漸降低。在含水量達(dá)到16%時，泥化夾層的安全系數(shù)急速下降。

由以上分析可知，開挖后長時間穩(wěn)定的邊坡會突然產(chǎn)生滑動，泥化夾層的力學(xué)物理性質(zhì)是導(dǎo)致其滑坡的主要原因之一。而含水量的變化對泥化夾層的強度有很大的影響，在泥化夾層的含水量達(dá)到一定程度時，泥化夾層的強度會驟然下降，因而導(dǎo)致邊坡滑動。

4 結(jié)論

泥化夾層在特定的條件下容易成為巖質(zhì)滑坡的滑動面(帶)，是影響邊坡穩(wěn)定的重要部分。由紅砂巖泥化夾層的試驗結(jié)果可知:

1)紅砂巖中含有的黏土礦物蒙脫石、伊利石等，遇水易軟化，是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的內(nèi)因之一。

2)含水量對紅砂巖泥化夾層抗剪強度的影響很大，內(nèi)摩擦角隨含水量的增加逐漸減小，黏聚力隨含水量的變化呈現(xiàn)?。螅〉淖兓厔?。水巖相互作用導(dǎo)致泥化夾層強度降低，同時產(chǎn)生了靜水壓力，為滑坡的形成提供了有利條件。因此地下水是影響紅砂巖邊坡穩(wěn)定性的主要影響因素之一。

3)當(dāng)紅砂巖泥化夾層達(dá)到一個臨界的含水量時，黏聚力和摩擦角急劇下降，巖層的抗剪強度驟然降低，安全系數(shù)也隨之急速下降，致使邊坡失穩(wěn)。

4)紅砂巖邊坡工程中應(yīng)減少邊坡的暴露面積和暴露時間，及時做好坡面防護(hù)，切實做好邊坡的截排水系統(tǒng)。

5)由于含水量對紅砂巖泥化夾層的強度影響顯著，因而在邊坡支護(hù)設(shè)計中，不能夠單純地依靠開挖揭露巖層情況或者勘察的結(jié)果來確定最后邊坡的支擋方案，必須同時考慮含水量對邊坡整體穩(wěn)定性的影響。

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