紅砂巖邊坡穩(wěn)定性能分析

程小兵，朱彥鵬，馬國(guó)綱（.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉75000；.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州70000；蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院；甘肅　蘭州70000）

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紅砂巖邊坡穩(wěn)定性能分析

程小兵1，朱彥鵬2，馬國(guó)綱3
（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉735000；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州730000；3蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院；甘肅蘭州730000）

摘要：紅砂巖具有極強(qiáng)的風(fēng)化崩解與遇水軟化的性質(zhì)。在一定應(yīng)力狀態(tài)下浸水后，在水膜的潤(rùn)滑作用下，顆粒發(fā)生相互滑移、破碎和重組，使得巖體軟化；當(dāng)水沿著孔隙、裂隙進(jìn)入紅砂巖內(nèi)部時(shí)，吸附水膜增厚，一些膠結(jié)物便會(huì)軟化甚至溶解，從而引起巖石顆粒的崩解解體，產(chǎn)生巖土體變形失穩(wěn)，使得控制地表沉降及邊坡穩(wěn)定性防治困難。因此，研究紅砂巖軟化和崩解性對(duì)工程建設(shè)尤為重要。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；紅砂巖；崩解；分析

泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖以及頁(yè)巖等沉積巖類(lèi)巖石，因富含氧化物而表現(xiàn)為紅色、褐色或深紅色，故統(tǒng)稱(chēng)這類(lèi)巖石為紅砂巖。大部分紅砂巖經(jīng)挖掘暴露后，在風(fēng)吹日曬雨淋的作用便可崩解破碎，乃至泥化，因而紅砂巖的顆粒級(jí)配與巖塊大小也隨著干濕交替的時(shí)間過(guò)程而不斷變化，同樣，其物理力學(xué)性質(zhì)也隨之變化?？砂幢澜馓匦院蛷?qiáng)度，將紅砂巖分為三類(lèi)：

一類(lèi)紅砂巖：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度＜15MPa，烘干后浸水24h，現(xiàn)渣狀、泥狀或粒狀崩解；二類(lèi)紅砂巖：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度在15MPa左右，烘干后浸水24h，現(xiàn)塊狀崩解；三類(lèi)紅砂巖：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度＞15MPa，與普通砂巖相當(dāng)，基本上不崩解。

圖1　紅砂巖

1　紅砂巖的結(jié)構(gòu)特征

紅砂巖常見(jiàn)的天然結(jié)構(gòu)有泥狀結(jié)構(gòu)和粒狀碎屑結(jié)構(gòu)兩類(lèi)，隨著風(fēng)化程度和膠結(jié)物質(zhì)的變化，其強(qiáng)度表現(xiàn)出很大的離散性[1]。根據(jù)巖石學(xué)劃分規(guī)則，可以將其分成粘土巖類(lèi)與碎屑巖類(lèi)，前者主要有泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁(yè)巖和頁(yè)巖等；后者主要有礫巖、砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等。

泥狀結(jié)構(gòu)粘土巖類(lèi)的工程性質(zhì)主要由蒙脫石和伊利石等親水性礦物成分的含量決定[2]，表現(xiàn)為水穩(wěn)定性很差，極易崩解軟化。當(dāng)伊利石和蒙脫石的含量較多時(shí)，其工程性質(zhì)極差，極易產(chǎn)生病害。

2　紅砂巖的崩解特性

紅砂巖屬沉積巖，崩解性強(qiáng)[3]，抗風(fēng)化能力差、巖質(zhì)較弱，成巖程度低，邊坡巖體的風(fēng)化深度較大，當(dāng)粉砂巖和紫紅色泥巖互層時(shí)，邊坡風(fēng)化更甚，風(fēng)化深度可達(dá)10m。紅砂巖的風(fēng)化性能區(qū)別較大，粘土類(lèi)紅砂巖崩解軟化較易，隨著干濕循環(huán)次數(shù)及暴露時(shí)間的增加，不斷破碎，最終成泥狀或渣狀[4]；砂巖的抗壓強(qiáng)度高，抗風(fēng)化性能也好。試驗(yàn)表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)和軟化暴露時(shí)間的增加，巖塊也逐漸崩解破碎，崩解穩(wěn)定約需50～60d（8次干濕循環(huán)）時(shí)間，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)后將不再崩解變化。

3　紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)表明，壓實(shí)后的紅砂巖透水性很差[5]，當(dāng)壓實(shí)度超過(guò)重型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)90%時(shí)，表面積水很難下滲，僅能影響到表層土體的含水量；壓實(shí)后的二類(lèi)紅砂巖的防滲性能與粘土相當(dāng)。一類(lèi)紅砂巖水穩(wěn)定性較差，為防止表層的紅砂巖浸水后軟化、膨脹變形、強(qiáng)度下降，應(yīng)對(duì)邊坡外露面采取有效的隔水措施。

表1　各類(lèi)紅砂巖試件（16組）室內(nèi)CBR值隨浸水時(shí)間變化的試驗(yàn)結(jié)果（平均值）

由表1可以看出，對(duì)于98擊一類(lèi)巖與30擊二類(lèi)巖，隨著浸水時(shí)間的增加，其CBR值有所下降；而對(duì)于98擊和50擊二類(lèi)巖的CBR值與浸水時(shí)間無(wú)明顯的相關(guān)性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，一類(lèi)紅砂巖的水穩(wěn)定性很差，一旦長(zhǎng)期受水浸泡，強(qiáng)度將大幅降低。

4　紅砂巖邊坡常見(jiàn)的破壞形式

紅砂巖邊坡的穩(wěn)定性受巖石的風(fēng)化、雨水滲透與巖石結(jié)構(gòu)面的雙重控制[6]。通常，風(fēng)化最強(qiáng)烈的部位在邊坡坡腳，所以，紅砂巖邊坡的破壞往往是風(fēng)化剝落與結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞的綜合表現(xiàn)。紅砂巖邊坡常見(jiàn)的破壞形式主要有：溜坍、風(fēng)化剝落、楔體破壞、崩坍和順層滑坡等。

4.1溜坍

溜坍，是邊坡經(jīng)雨水沖刷，土體含水量飽和后，坡體沿縱向開(kāi)裂，部分土體與母體脫開(kāi)并沿某一滑動(dòng)線發(fā)生下滑。當(dāng)遇有強(qiáng)降雨或連續(xù)降雨時(shí)，容易暴發(fā)溜坍災(zāi)害。發(fā)生溜坍病害的條件：1）匯水面積較大，如具有凹形匯水條件的緩坡地段；2）有堆積較厚的松散砂粘土夾碎石層；3）山坡植被局部破壞、表層不平整、排水不暢。

4.2風(fēng)化剝落

風(fēng)化剝落的表現(xiàn)形式主要有：局部崩坍、碎塊狀剝落、碎片狀剝落和碎粒狀剝落，遭雨水沖蝕容易產(chǎn)生沖溝。

局部崩坍往往發(fā)育在含有較多砂巖，構(gòu)造節(jié)理及風(fēng)化裂隙等有利切割的局部坡面。崩坍體體積一般1～3m3左右。

構(gòu)造節(jié)理發(fā)育較密，溫差較大處較易發(fā)生碎塊狀剝落。風(fēng)化頗重帶的粉質(zhì)泥巖及泥巖，往往風(fēng)化成2～3cm的小碎塊，隨著風(fēng)化程度的加劇與風(fēng)化裂隙的擴(kuò)展，在外力作用下便即崩落，通常只發(fā)生在坡面局部，崩落量不大。

4.3楔體坡壞

楔體坡壞一般由層面與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的關(guān)系控制。當(dāng)滑面上部為構(gòu)造面，下部為層面時(shí)，將沿著構(gòu)造面和層面的復(fù)合滑面滑坡；當(dāng)結(jié)構(gòu)面有斷泥層、充填土?xí)r，往往沿構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑坡，出現(xiàn)楔體滑坡。

4.4崩塌

崩塌破壞常發(fā)生在邊坡過(guò)陡、層理節(jié)理發(fā)育巖體被雨水作用時(shí)，或軟弱的泥巖和粉砂巖分布于下層，而堅(jiān)硬的厚層砂巖分布于上層時(shí)，往往存在潛在崩塌點(diǎn)。

4.5順層滑坡

在構(gòu)造作用下，紅砂巖山體多形成10°～25°傾角的緩傾巖體。當(dāng)邊坡坡角巖大于層傾角，而坡向與巖層傾向相同時(shí)，就可能發(fā)育順層滑坡，尤其當(dāng)紅砂巖為硬質(zhì)巖與軟質(zhì)巖交替成層狀多元結(jié)構(gòu)巖體，并順著巖層走向開(kāi)挖時(shí)，往往容易發(fā)生滑坡。

5　紅砂巖邊坡失穩(wěn)破壞機(jī)理

紅砂巖的特殊物理性質(zhì)和構(gòu)造特點(diǎn)，使得紅砂巖邊坡失穩(wěn)破壞既有類(lèi)似于同類(lèi)型邊坡失穩(wěn)破壞的地方，也存在特殊的發(fā)育條件。如順層滑坡應(yīng)同時(shí)滿足下述四個(gè)條件：1）內(nèi)摩擦角φ＜巖層傾角α；2）巖層傾角α＜邊坡坡角β；3）兩側(cè)面脫開(kāi)；4）巖石出露。

5.1沿軟弱的泥化夾層發(fā)生滑動(dòng)

紅砂巖軟弱夾層會(huì)因泥化導(dǎo)致抗滑阻力大幅下降，紅砂巖中的泥化夾層往往是最軟弱，也是延伸更長(zhǎng)的可能滑動(dòng)面，所以，紅砂巖坡體主要沿軟弱的泥化夾層發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5.2風(fēng)化會(huì)引起滑面抗剪強(qiáng)度降低，促使坡體失穩(wěn)

以粘土礦物為主要膠結(jié)物的紅砂巖，在大氣環(huán)境暴露后風(fēng)化迅速，遇水軟化，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度迅速降低，同時(shí)層間粘聚力和摩擦力也相應(yīng)降低，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度隨之降低。紅砂巖在遭受強(qiáng)烈風(fēng)化時(shí)的風(fēng)化深度往往較大，一般可超過(guò)10m，另外由于很多構(gòu)造節(jié)理已經(jīng)張開(kāi)，泥化夾層發(fā)育強(qiáng)烈，經(jīng)受長(zhǎng)期大雨時(shí)，雨水滲入邊坡后，又沿泥化夾層滲出邊坡。

對(duì)于巖層傾角大于15°的部位，經(jīng)開(kāi)挖暴露后多會(huì)失穩(wěn)發(fā)生下滑。

有很多坡體是在暴露數(shù)年后，巖體風(fēng)化致使強(qiáng)度下降，到了雨季受到裂隙水壓力的觸發(fā)而產(chǎn)生變形失穩(wěn)。因此，紅砂巖在強(qiáng)光照和雨水作用下經(jīng)若干次干濕交替，當(dāng)滑動(dòng)面泥化夾層的強(qiáng)度降低到一定值時(shí)，便即產(chǎn)生滑坡。

5.3降雨是紅砂巖發(fā)生滑坡的關(guān)鍵誘因

紅砂巖邊坡滑坡多出現(xiàn)在雨季。滑坡的產(chǎn)生，與當(dāng)年的降水強(qiáng)度和降水量密切相關(guān)，也與地層巖性、地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造息息相關(guān)。強(qiáng)降雨以及持續(xù)降雨會(huì)使得滑面的抗剪強(qiáng)度顯著降低。另外，由于紅砂巖的節(jié)理、層理、裂隙發(fā)育，當(dāng)雨水滲入裂縫時(shí)，增加了沿斜面下滑的致滑力，同時(shí)也降低了抗滑磨阻力，二者共同作用導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小。

參考文獻(xiàn)：

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