紅砂巖泥化夾層力學特性及其對邊坡穩定性的影響

龔裔芳，金福喜，張可能，周 斌

(中南大學地學與環境工程學院，湖南長沙410083)

在紅砂巖地區修建高速公路時，公路兩側的邊坡在開挖后數月甚至數年內都能保持穩定狀態，災害所以會突然間發生滑坡，其中泥化夾層的力學物理性質是導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，在已有的研究基礎上［1］，對紅砂巖軟弱泥化夾層的物理力學性質進行了一系列的室內實驗研究。

常吉高速公路沿線廣布著白堊系泥巖、粉砂質泥巖、細砂巖、泥質粉砂巖等沉積類巖石，其中多數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，地質學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物質的差異而變化頗大。此種紅砂巖具有巖性多變、軟硬互層、浸水崩解、遇水軟化、結構面眾多及泥化夾層發育等工程特性。由于紅砂巖是層狀巖石，極易產生順層破壞，因而由紅砂巖泥化夾層引起的巖質邊坡失穩地質災害時有發生。

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

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

1 紅砂巖泥化夾層的工程地質特性

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構;③傾角較緩、褶皺舒緩，節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作用下，而形成的結構疏松、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;在結構上，由原夾層的過壓密膠結變成了泥質散狀結構或泥質定向結構;在物理狀態方面，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含量有關;在力學強度方面，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性質，了解地下水對泥化夾層物理力學性質的影響特征。

2 試驗研究

2.1 試樣采集

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

圖1 粉砂質泥巖層間發育的泥化夾層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是發育在上層鈣泥質細砂巖與下伏粉砂質泥巖之間的泥化夾層，連續性較好，厚10～15 cm。試樣C21Y-2-1和C21Y-2-2是發育在厚層狀粉砂質泥巖層間的泥化夾層，連續性較好，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)對試樣進行礦物成分分析，以了解其礦物組成。

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

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

按照《公路土工試驗規范》［11］，從現場采集的試樣經過5 mm篩選，篩取細粒土以供試驗準備。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刀。直剪儀型號為等應變直剪儀ZJ－2型，直剪儀器編號為47，量力環號為94 738，核正系數c’=1.960 8 kPa/(0.01 mm)。快剪的剪切速率為12 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試樣進行7組不同含水量的對比試驗，采用不固結不排水快剪試驗。對C21Y-2-1和C21Y-2-2試樣進行6組不同含水量的不固結不排水快剪試驗。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組巖樣分別進行了巖石礦物分析，結果見表1。

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

從以上數據可以看出，紅砂巖含有黏土礦物蒙脫石、伊利石等，是導致其遇水膨脹、變軟風化的主要原因。紅砂巖的松散的微觀結構及所含黏土礦物，是影響其工程性質的物質基礎和內在原因。

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(不固結不排水快剪)結果，以及C21Y-2-1和C21Y-2-2試樣的6組不同含水量對比試驗(不固結不排水快剪)結果見表2。

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

2.3.3 液塑性試驗結果

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%，塑性指數為4.9。

以上的各項試驗結果顯示以下規律:

1)隨著含水量的增加，紅砂巖的強度明顯降低。

2)有效內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小－大－小的變化趨勢(圖3)。

圖2 內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)試樣固結后，其強度要明顯高于不固結的試樣。

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參數。對其中一組試驗數據進行穩定性分析模擬研究。

根據泥化夾層現場情況，利用一個簡單的計算模型(圖4)。邊坡順著泥化夾層產生平面滑動。因此，根據《建筑邊坡工程技術規范》［12］，邊坡的穩定性安全系數可按下式計算:

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

假設θ=20°時，將試樣C21Y-1-1試驗數據帶入其中，可得出不同的安全系數，如表3。

表3 C21Y-1-1安全系數計算結果Tab.3 The count result of assurance coefficient of the test sample C21Y-1-1

通過以上計算結果，可見隨著含水量的增加，c、φ值減小，安全系數逐漸降低。在含水量達到16%時，泥化夾層的安全系數急速下降。

由以上分析可知，開挖后長時間穩定的邊坡會突然產生滑動，泥化夾層的力學物理性質是導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到一定程度時，泥化夾層的強度會驟然下降，因而導致邊坡滑動。

4 結論

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

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

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小－大－小的變化趨勢。水巖相互作用導致泥化夾層強度降低，同時產生了靜水壓力，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定性的主要影響因素之一。

3)當紅砂巖泥化夾層達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，安全系數也隨之急速下降，致使邊坡失穩。

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

5)由于含水量對紅砂巖泥化夾層的強度影響顯著，因而在邊坡支護設計中，不能夠單純地依靠開挖揭露巖層情況或者勘察的結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定性的影響。

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