紅砂巖順層邊坡工程地質(zhì)特性研究

唐 葭, 鄧宗偉

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紅砂巖順層邊坡工程地質(zhì)特性研究

唐 葭*, 鄧宗偉

(湖南城市學院 土木工程學院, 湖南 益陽, 413000)

從紅砂巖巖性特征和工程地質(zhì)特征出發(fā), 研究了紅砂巖的特殊礦物組成、結(jié)構構造、風化特征對坡體失穩(wěn)的影響,分析了含水量對紅砂巖軟化及崩解特性的影響. 對常吉高速公路中常見的紅砂巖順層邊坡滑移破壞機理進行了闡釋, 并通過算例計算了其安全系數(shù). 研究顯示紅砂巖順層邊坡失穩(wěn)破壞與其工程地質(zhì)特性密切相關.

紅砂巖;工程地質(zhì)特性;順層邊坡;穩(wěn)定性計算

紅砂巖是一種外觀為紅色, 且具有特殊性質(zhì)的巖體. 紅砂巖在湖南西部具有廣泛的分布, 遇水易軟化、失水易崩解, 強度低、穩(wěn)定性差. 在湘西高速公路的修建工程中, 由于沒有充分掌握紅砂巖工程地質(zhì)特性而造成的工程問題普遍存在, 特別是紅砂巖順層邊坡的失穩(wěn)坍塌問題, 在高速公路修建和運營中不斷發(fā)生. 因此, 對紅砂巖順層邊坡的工程地質(zhì)特性進行研究意義重大.

1 紅砂巖巖性特征

紅砂巖屬于沉積巖, 它由泥沙、礫石、鐵等礦物質(zhì)和生物遺體等長期沉積在江湖底, 經(jīng)過長期緊壓膠結(jié), 以及在地球內(nèi)部熱力的作用下形成. 在形成過程中由于高溫的長期作用, 大量的鐵離子被氧化、富集, 從而顯現(xiàn)出紅色、紫紅色、深紅色或褐色[1]. 湘西常吉高速公路揭露紅砂巖如圖1所示.

紅砂巖巖層包括砂巖、泥巖以及頁巖等, 多數(shù)情況下紅砂巖表現(xiàn)為砂泥巖互層, 其巖性偏軟, 屬于軟巖, 嚴格來說, 其強度介于巖石和土體之間. 由于紅砂巖遇水極易軟化, 抗風化能力差, 因此很多情況下又將紅砂巖劃分為極軟巖.

就礦物組成而言, 紅砂巖由石英、長石、鐵泥質(zhì)、云母組成, 其中鐵泥質(zhì)所占比重較大. 湘西(吉首、懷化為主)紅砂巖的粘土礦物以高嶺石、蒙脫石為主, 從紅砂巖的礦物成分可清楚了解其巖性特征.

紅砂巖往往包含較多的結(jié)構面, 這與其地質(zhì)成因是密不可分的, 在沉積成巖的過程中, 形成眾多原生物質(zhì)分界面, 如層理、不整合面以及軟弱夾層, 而結(jié)構面和結(jié)構體就構成了紅砂巖的基本組成單元. 當對紅砂巖施加作用荷載時, 眾多的結(jié)構面往往就直接引發(fā)邊坡坡體發(fā)生滑動坍塌, 除了原生結(jié)構面, 還有以斷層、節(jié)理為主的構造結(jié)構面在風化、地下水作用下誘發(fā)的次生結(jié)構面.

圖1 湘西紅砂巖展示

2 紅砂巖工程地質(zhì)特征

在湘西紅砂巖地區(qū)開展的眾多工程活動表明, 紅砂巖所具有的獨特工程地質(zhì)特征, 對工程活動造成了很大的影響. 由于紅砂巖由砂泥巖互層組成, 因此具有較大差異的軟硬度、抗風化能力以及強度, 尤其是對地下水的敏感程度不同, 使得在湘西高速公路施工過程中, 對紅砂巖路塹、路堤的處置不能采用相同的處理方法, 否則會導致坡體失穩(wěn)、滑塌事故頻發(fā).

2.1 風化特征

湘西紅砂巖地區(qū)呈現(xiàn)出完全不同的風化特征, 對于強風化紅砂巖, 幾乎已經(jīng)風化為較厚的散土, 裸露沉積于地表, 且經(jīng)過強風化作用后, 厚狀風化帶與殘積土混合在一起, 難以辨別. 對于微風化紅砂巖, 其風化特征弱, 表現(xiàn)出類似于通常的沉積巖. 研究表明, 強風化紅砂巖的強度要低于老粘土, 中風化紅砂巖強度與老粘土較為相似, 而微風化紅砂巖強度較高, 可以直接作為地基承載主體.

2.2 水與紅砂巖耦合作用

水對紅砂巖的作用主要體現(xiàn)為水與紅砂巖相互耦合時所產(chǎn)生的崩解性[2]. 崩解性是紅砂巖所含有的一種尤為特殊的性質(zhì). 當含水量不同時, 紅砂巖表現(xiàn)出顯著差異的崩解特性, 從而對工程產(chǎn)生較大的不確定性影響. 紅砂巖是一種多礦物體系, 這是影響其崩解性的關鍵因素[3]. 紅砂巖的粉晶X射線衍射試驗表明, 紅砂巖中含有大量的SiO2, 這是導致紅砂巖遇水易崩解軟化的主要原因. 圖2為湘西現(xiàn)場采集的泥質(zhì)紅砂巖崩解前照片, 圖3為對采集的泥質(zhì)紅砂巖進行灑水20 d后崩解的照片. 從圖2和圖3能夠明顯看出泥質(zhì)紅砂巖遇水崩解前后的差異.

圖2 泥質(zhì)紅砂巖崩解前

圖3 泥質(zhì)紅砂巖崩解后

2.3 紅砂巖物理力學性質(zhì)

由于控制紅砂巖強度的是賦存于巖體內(nèi)部的軟弱互層夾層, 即薄層泥巖和泥化夾層, 因此在外荷載作用下, 控制紅砂巖變形的關鍵面即為該軟弱夾層面[4—5]. 為了對湘西紅砂巖的物理力學性質(zhì)開展研究, 將從坡體現(xiàn)場采集的紅砂巖采用變角板法進行室內(nèi)剪切試驗. 試驗步驟為: 放置試驗巖樣于壓力機上下板之間, 通過壓力機逐級施加荷載, 記錄所施加的法向應力和剪切應力, 再繪制于莫爾庫倫關系曲線上, 即可得到紅砂巖的粘聚力和內(nèi)摩擦角.

為了獲取不同含水量紅砂巖的物理力學性質(zhì), 本次試驗制作了3組含水量分別為9.2%、15.3%、18.7%的試件. 對3組試件進行剪切試驗后, 獲取了剪切應力與位移關系曲線(圖4).

從試驗結(jié)果圖4可知: 當含水量一定時, 紅砂巖的剪切應力與位移成正相關關系, 但當含水量不同時, 隨著含水量的增大, 剪切應力逐漸降低, 即紅砂巖的剪切強度下降, 說明含水量對紅砂巖的強度特征有著明顯的影響. 此外, 當含水量處于較低水平時(圖4(a)), 紅砂巖的剪切強度曲線具有明顯的峰值, 而當含水量處于較高水平時(圖4(c)), 紅砂巖的剪切強度曲線沒有峰值, 隨著壓力機施加的應力增大, 位移呈不斷增大的趨勢, 表明此時紅砂巖的軟弱夾層已經(jīng)表現(xiàn)為流塑性狀態(tài), 基本失去了承載能力.

3 邊坡破壞模式分析

3.1 順層邊坡破壞機理

紅砂巖的特殊沉積構造決定了其邊坡坡體以順層巖質(zhì)邊坡為主, 且坡體通常沿著其層面、軟弱夾層面發(fā)生變形滑動破壞. 對于該類破壞形式的邊坡, 在湘西昌吉高速公路中十分常見, 因此, 以下將在前面對湘西地區(qū)紅砂巖的巖性及工程地質(zhì)特征分析的基礎上, 討論順層邊坡的變形破壞機理.

順層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性受多種因素影響[6], 包括巖層傾角、地層巖性、結(jié)構面性質(zhì)和地應力、地下水、切坡、邊坡高度、爆破及地震效應等. 要發(fā)生順層滑移破壞必須滿足3個條件: 滑動面(結(jié)構面)的走向與邊坡走向相同或相近; 滑動面(結(jié)構面)在坡面露出; 有優(yōu)勢結(jié)構面(軟巖、軟弱夾層或泥化夾層)的存在.

巖質(zhì)邊坡發(fā)生滑動破壞的主要形式有平面破壞、弧面破壞以及楔形體破壞, 其中平面破壞又包括整體滑移破壞、滑移拉裂破壞和潰屈破壞3種. 在湘西高速公路修建過程中常見的為紅砂巖順層巖質(zhì)邊坡, 因此, 施工時應重點防范其順層滑移破壞.

3.2 算例分析

順層紅砂巖邊坡在開挖坡腳后, 易于在坡頂形成拉裂縫, 在風化、降水滲入的情況下, 拉裂縫易貫通形成較大的水壓力, 水壓力的平推作用便可導致坡體發(fā)生滑移破壞. 根據(jù)圖5力學分析得到順層邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的計算公式如下:

式中:為巖體粘聚力;為巖體內(nèi)摩擦角;為滑體的面積, 且= (-)/sin;為坡體內(nèi)滲入水的上浮力,= 0.5γZ(-)/sin;為坡頂拉裂縫滲入水的水平推力,= 0.5γZ2;為滑體的自重,= 0.52((1-(/)2)cot-cot).

在常吉高速公路某樁號處, 邊坡巖體為紅砂巖與泥巖互層, 經(jīng)現(xiàn)場勘探發(fā)現(xiàn), 邊坡巖體較為破碎, 節(jié)理裂隙發(fā)育, 當雨季來臨, 雨水滲入, 坡體隨時可能發(fā)生失穩(wěn).

通過勘察報告及現(xiàn)場勘探得到坡體的物理力學參數(shù)及邊坡的幾何參數(shù)為: 邊坡巖體粘聚力為13 kPa, 內(nèi)摩擦角為13o, 邊坡滑體高度34 m, 巖體容重為22 kN/m3, 坡腳呈43o, 地下水位埋深18 m. 將各參數(shù)代入式(1), 計算得到邊坡的安全系數(shù)= 1.02, 表明該邊坡處于極限平衡狀態(tài). 但是, 當雨水進一步滲入坡體中, 將導致紅砂巖及泥巖互層夾層進一步軟化,、值降低, 地下水位埋深增大, 安全系數(shù)值會迅速降低至1以下, 致使邊坡坡體失穩(wěn)破壞. 由此可見, 水的影響對該坡體的穩(wěn)定性起著決定性的作用.

圖5 順層紅砂巖邊坡力學分析

4 結(jié)語

紅砂巖具有軟弱層狀沉積特征及易風化、遇水易崩解的特點, 是一種特殊巖體, 其廣泛存在于湖南西部地區(qū). 在該地進行高速公路等工程活動時, 應根據(jù)現(xiàn)場實際, 加強地質(zhì)調(diào)查與分析, 找到邊坡體將失穩(wěn)的主因, 有針對性地開展處治措施, 方能得到良好的處治效果, 確保順層邊坡不會失穩(wěn)破壞.

[1] 儲文靜. 湘西紅砂巖的工程地質(zhì)特征與工程邊坡的穩(wěn)定性分析[D]. 長沙: 中南大學, 2009.

[2] 趙明華, 鄧覲宇, 曹文貴. 紅砂巖崩解特性及其路堤填筑技術研究[J]. 中國公路學報, 2003, 16(3): 1—5.

[3] 何滿潮, 景海可, 孫曉明. 軟巖工程力學[M]. 北京: 科學出版社, 2002. 65—66.

[4] 胡昕, 洪寶寧, 王偉, 等. 紅砂巖強度特性的微結(jié)構試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2007, 26(10): 2141—2147.

[5] 林志紅, 項偉, 張云明. 湘西紅砂巖基本物理指標和微結(jié)構參數(shù)對其強度影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2010, 29(1): 124—133.

[6] 周斌. 湘西紅砂巖順層邊坡穩(wěn)定可靠度分析和風險評估[D]. 長沙: 中南大學, 2010.

Study on engineering geological feature of red sandstone bedding slope

TANG Jia,DENG ZongWei

(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)

The lithologic characteristics and engineering geological characteristics of red sandstone were taken as the starting point. The special mineral composition, structure and weathering characteristic of red sandstone on the influence of slope instability were studied. On this basis, the relationship between different water content and red sandstone softening, disintegration characteristics was analyzed.The red sandstone bedding slope sliding failure mechanism in Chang-Ji highway was explained and the safety coefficient was calculated in the form of a numerical example.It is concluded that the red sandstone bedding slope instability destruction is closely related with the engineering geology characteristics.

red sandstone;engineering geological feature; bedding slope; stabilitycalculation

U 458

1672-6146(2014)01-0064-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.01.015

第一作者email: 340014557@qq.com.

2014-02-18

湖南省教育廳科學計劃項目(12C0580); 湖南省科技計劃項目(2013GK3086).

(責任編校: 江 河)