炭質頁巖地層公路棄土場滑坡滑動機理研究

彭小勇 吳巍巍

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

隨著我國高速公路、鐵路等基礎設施建設的快速發展，人類活動和降雨因素誘發的滑坡成為主要因素[1]。人類生活和生產活動直接或間接破壞斜坡穩定性，例如，修建公路鐵路、城鎮建設過程中對斜坡坡腳的開挖，以及工農業用水對斜坡坡體的滲透、水庫的蓄水急劇改變地下水位等均可能誘發滑坡。隨著經濟建設的發展，越來越多的人類工程活動破壞了自然坡體原有穩定性，尤其近年來滑坡的發生越來越頻繁，并有愈演愈烈的趨勢，因此應對人為因素誘發滑坡加以重視[2-4]。

降雨因素誘發滑坡的研究是國內外研究滑坡致害機制的前沿和熱點。降雨型滑坡具有爆發頻率高、分布范圍廣泛、破壞形式多樣、致災損失巨大等特點，因此針對降雨型滑坡試驗研究成為研究滑坡致災機制最早和最重要的一種方法[5]。

西南山區棄土場數量越來越多且規模也越來越大，由于施工時棄土壓實效果難以保證，其填土地層具有孔隙率高、固結程度差、降雨入滲快的特點。因此，遇強降雨極易產生滑坡、泥石流等地質災害。

文中以貴州省某高等級公路K2+300左側棄土場滑坡為例，通過干濕循環試驗、三軸試驗及電鏡掃描技術來研究炭質頁巖地層降雨誘發滑坡的成因，分析滑坡形成機理。

1 工程簡介

某高等級公路K2+300左側棄土場棄方量約14萬m3，坡腳設置攔渣墻，棄土成分主要為含碎石粉質黏土。棄土場東北側200 m處存在一水廠，雨季超過水廠儲水能力時，多余的水漫流至坡面處向棄土場區域匯集排泄；棄土場中后部存在季節性泉點，雨水軟化巖土體，極易誘發坡體失穩。滑坡前方80 m為村寨，滑坡已危及到村寨安全，須及時進行處治。棄土場位置及現狀，見圖1、圖2。

圖1 棄土場位置平面圖圖

圖2 棄土場現狀

1.1 場區工程地質條件

場區為侵蝕-剝蝕型低中山地貌，地形總體平緩，地形坡度角5°～30°，滑坡體上方為某高等級公路。場區坡面分布有源自于水廠排泄、泉點S1、S2及大氣降雨的散流水。滑坡區地層主要有：覆蓋層為第四系素填土，主要由玄武巖碎塊、粉質黏土、碎石土等組成，結構松散，厚0～12.2 m；含礫粉質黏土，褐黃色，可塑，礫石含量約5%，場區大部分地區有分布，鉆孔揭露厚度1.9～9.1 m；基巖為黑色炭質頁巖，下部為第三系中統中水組礫巖。

1.2 地質構造與地震

場區屬楊子準地臺-黔北臺隆-六盤水斷陷-威寧北西向構造變形區。地層產狀：70°～105°∠15°～25°。根據GB 18306-2015 《中國地震動參數區劃圖》，場區地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震動峰值加速度值為0.10g，對應地震基本烈度為VII度。

1.3 滑坡特征

1) 滑坡邊界大致以棄土范圍為界，滑坡區地形南東高、北西低，滑坡后緣位于公路路基外側約5 m處，前后緣高差34 m，滑體長約223 m，寬約85 m，平均厚度 13 m，滑體體積約15.5萬m3，滑坡后部主滑方向為343°，后轉至300°，滑動面位于炭質頁巖層內，該滑坡為中層中型土質滑坡。

2) 滑坡總體形態大致呈撮箕狀，平面形態呈弧形；坡體前緣形成鼓丘狀，可見明顯的縱向鼓脹裂隙。滑坡體后緣錯臺高約3.5 m，后緣裂縫最大延伸方向90°，延伸長度約75 m，縫寬0.01～0.2 m，可見深度0.5～5 m。

2 炭質頁巖地層試驗分析

通過鉆孔對炭質頁巖地層現場取樣，經現場踏勘和鉆探、試驗分析該地層為滑坡地層軟弱滑動面。為了從其風化速度、微觀結構，以及工程力學性質系統地研究該地層的工程影響，展開X射線衍射試驗、干濕循環試驗和三軸試驗對其進行研究。

經過X射線衍射試驗，得出炭質地層礦物成分構成為葉臘石、高嶺石、石英、伊利石、蒙脫石。高嶺石工程性質相對較好；葉蠟石是低溫熱液蝕變形成的黏土礦物，類似滑石工程特性；伊利石無膨脹性及可塑性；蒙脫石由八面體蒙脫石微粒構成的含水硅鋁酸鹽層狀礦物，盡管蒙脫石含量最低，但是其吸水迅速易膨脹的特性，較大程度上影響了炭質頁巖地層抗剪強度指標，所以隨炭質頁巖地層含水率增加，表現出抗剪強度大幅度衰減的工程性質。

2.1 干濕循環試驗

由于影響巖石風化的因素較多，以及室內試驗條件的限制，要完全模擬巖石的自然風化過程是不現實的。所以選取主要影響因素對炭質頁巖的風化進行室內試驗研究。

循環試驗試樣見圖3、圖4，經過統計分析可知：炭質頁巖試驗1～3次風化速度較快，9次之后風化速度極為緩慢。因此可推理：炭質頁巖地層與水接觸后風化速度較快。

圖3 干濕循環試樣 圖4 循環后試樣

2.2 電鏡掃描實驗

為了從微觀結構分析炭質地層巖土物理力學特性，對不同風化階段煤系地層巖土試樣10 000倍下電鏡掃描實驗進行對比分析。

電鏡下，強風化炭質頁巖和全風化炭質頁巖各放大10 000倍的視圖見圖5、圖6。

圖5 強風化炭質頁巖，10 000×

圖6 全風化炭質頁巖，10 000×

由圖5、圖6可知，強風化炭質頁巖多為片狀結構分布，無規則，孔隙較少；全風化炭質頁巖結構單元多為顆粒狀，結構更為松散，顆粒間似層狀相疊，直徑大于5 μm，空隙間連通且明顯增多。其反映在風化作用下炭質頁巖地層巖土體的強度會出現較大幅度衰減，工程性質較差。

2.3 三軸實驗

為了進一步研究炭質頁巖地層的工程力學性質，通過TSZ-3型應變控制式三軸儀對炭質頁巖地層重塑試樣，在不同含水率(8%～32%)條件下，進行在不同圍壓下(100，150，200，300 kPa)不固結不排水靜三軸試驗，得到與其對應的應力-應變關系，見表1。從而分析炭質頁巖的水敏性，研究其強度與含水率變化規律。

表1 不同含水率下的炭質頁巖強度指標

黏聚力-含水率變化規律和摩擦角-含水率變化規律見圖7、圖8。

圖7 黏聚力-含水率變化規律圖

圖8 摩擦角-含水率變化規律圖

由圖7、圖8可見，隨著含水率增加，c、φ值衰減較快;當其含水率從8%增加至32%，其強度參數黏聚力僅為其8%的1/12，內摩擦角為其8%時的1/3，數據表明炭質頁巖的巖土體的抗剪強度隨含水率的增加衰減較快。

3 滑坡形成成因及機理分析

該棄土場場區坡面分布有源自于水廠排泄、泉點S1、S2的散流水及大氣降雨雨水，匯集棄土場下方及坡腳處。由于排水不暢，水流下滲進入炭質頁巖地層。隨著含水量的增加，軟化了炭質頁巖地層(見圖9)。巖土體的抗剪強度急速衰減，從而誘發該棄土場下方及坡腳變形滑動，牽引棄土場上方土體下滑，形成牽引式的棄土場滑坡。

圖9 炭質頁巖地層軟化后現場取樣照片(取樣深度16 m)

通過試驗分析表明，強風化炭質頁巖多為片狀結構分布，無規則，孔隙較少；全風化炭質頁巖結構單元多為顆粒狀，結構更為松散，顆粒間似層狀相疊，直徑大于5 μm，空隙間連通且明顯增多。對其試驗1～3次風化速度較快，9次之后風化速度極為緩慢。由于其礦物成分構成為葉臘石、高嶺石、石英、伊利石、蒙脫石，親水性極強，吸水易迅速膨脹。當炭質頁巖含水率從8%增加至32%，其強度參數黏聚力僅為其8%時的1/12，內摩擦角為其8%時的1/3，表明炭質頁巖隨著含水量的增加，抗剪強度衰減較快。

4 結語

為了獲得炭質頁巖地層造成貴州省某高等級公路棄土場滑坡的機制，開展了X-衍射試驗、干濕循環試驗、電鏡掃描分析及三軸試驗，系統地對炭質頁巖礦物成分、風化速度及影響因素、風化前后微觀結構變化規律、不同含水率下工程物理力學性質變化規律開展了研究，研究結果表明：

該棄土場滑坡為中層土質滑坡，滑坡主要誘發因素為降雨導致填方下臥炭質頁巖地層飽和后迅速軟化，使得其工程力學強度迅速衰減，且其強度參數黏聚力僅為其8%時的1/12，內摩擦角為其8%時的1/3，是形成滑坡關鍵因素。

地表水和地下水的處治是滑坡治理的關鍵所在。