泥巖邊坡的病害特征及破壞模式研究

安明旭　吳　森　藺　港　陳芳平　李　明

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550008；

2.四川省地質(zhì)工程勘察院　成都　610072； 3.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院　綿陽　621010)

泥巖邊坡的病害特征及破壞模式研究

安明旭1吳森2藺港1陳芳平1李明3

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550008；

2.四川省地質(zhì)工程勘察院成都610072； 3.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院綿陽621010)

摘要高邊坡問題在基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展過程中不斷出現(xiàn)，尤其是泥巖邊坡問題。文中通過分析泥巖邊坡6種病害坡體結(jié)構(gòu):順傾層狀結(jié)構(gòu)、反傾層狀結(jié)構(gòu)、陡傾層狀結(jié)構(gòu)、基座式上軟下硬結(jié)構(gòu)、交叉式楔形結(jié)構(gòu)，得出了泥巖邊坡在不同坡體結(jié)構(gòu)下可能的破壞方式；最終歸納總結(jié)出了5種典型的泥巖邊坡破壞模式:風(fēng)化剝落、楔體破壞、傾倒破壞、滑移-拉裂破壞、牽引式滑動破壞。

關(guān)鍵詞泥巖邊坡病害變形破壞模式

我國是一個地域廣闊的國家，西南大片地區(qū)為山區(qū)，隨著基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，大量的高邊坡問題不斷地出現(xiàn)，而泥巖高邊坡是最為棘手的一類高邊坡問題。泥巖屬于典型的沉積巖類原生軟巖，具有透水性差、親水性好、易風(fēng)化崩解、遇水軟化膨脹變形、失水收縮、巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育等工程特性，因此正確認識泥巖的病害特征及其破壞模式是科學(xué)合理地對該類邊坡進行穩(wěn)定性分析及防護設(shè)計的前提條件。

目前國內(nèi)外對于泥巖的定義還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，在國外，英美學(xué)者多數(shù)把粒級大小小于1/256mm,含量超過2/3的巖石稱為粘土巖，把粒級大小在1/16～1/256mm，且含量超過2/3的巖石稱為粉砂巖，粘土巖與粉砂巖之間的過渡巖才稱為泥巖。國內(nèi)學(xué)者對泥巖的定義是在軟土巖的基礎(chǔ)上進行細化，最終概括性描述為：泥巖是一種由粘土固化或堅硬巖軟化而成的沉積巖，層理或頁理不明顯，質(zhì)地松軟，重結(jié)晶不明顯，固結(jié)程度差，呈塊狀的粘土巖，主要由細顆粒粘土礦物、碎屑礦物、后生礦物以及鐵錳質(zhì)和有機質(zhì)組成，礦物成分復(fù)雜，粘土礦物含量大于50%，親水性強，內(nèi)聚力大、抗壓強度低，一般在0.17～10MPa之間，屬于典型的原生軟巖。

1泥巖邊坡的病害特征

邊坡的病害[1]是指在邊坡上發(fā)生的一切變形破壞的統(tǒng)稱,見圖1。從變形規(guī)模上可分為坡體變形、邊坡變形、坡面變形；從破壞模式上分滑坡、

錯落、傾倒、坍塌、崩塌、楔體破壞和落石等，其中坍塌、崩塌落石屬于坡面變形；滑坡、傾倒和錯落屬于坡體變形。

圖1　泥巖邊坡病害示意圖

泥巖因成巖較差、巖性軟弱、含有膨脹性礦物、巖體不利結(jié)構(gòu)面較發(fā)育。部分地區(qū)受構(gòu)造影響，巖體破碎，開挖后形成的高邊坡，其變形破壞呈線狀分布，且破壞類型及破壞模式較為復(fù)雜，多表現(xiàn)為復(fù)合型。就變形而言，有山體變形與坡體變形、邊坡變形、坡面變形相復(fù)合，坡體變形與邊坡變形、坡面變形相復(fù)合，邊坡變形與坡面變形相復(fù)合等；就破壞模式來說，有剪切滑移與拉裂破壞、坍塌與剪切滑移復(fù)合，傾倒與崩塌復(fù)合，錯落與崩塌復(fù)合等。根據(jù)長期以來的工程實踐，按照以變形規(guī)模大、危害程度較高的坡體變形為主要研究對象，列出幾種典型泥巖高邊坡病害結(jié)構(gòu)類型，見表1。

表1　幾種典型泥巖高邊坡病害結(jié)構(gòu)類型

2泥巖邊坡的典型破壞模式

通過對大量工程項目調(diào)查分析，結(jié)合以上分析的泥巖邊坡病害主要結(jié)構(gòu)類型，最終歸納總結(jié)出了5種泥巖典型的破壞模式:風(fēng)化剝落、楔體破壞、傾倒破壞、滑移-拉裂破壞、牽引式滑動破壞。

2.1風(fēng)化剝落

研究表明，泥巖邊坡在相對穩(wěn)定的環(huán)境下的風(fēng)化主要集中在表層10cm范圍內(nèi)，風(fēng)化速率比較慢，其風(fēng)化速率受溫度和降雨影響較大，特別是高溫季節(jié)，突然降雨會使表層巖體溫度驟降，與內(nèi)部巖體形成較大溫差使得巖體迅速風(fēng)化崩解[2]。泥巖邊坡風(fēng)化剝落的主要形式有：針葉狀撒落、球狀風(fēng)化體滾落、碎塊落石和局部崩塌，其風(fēng)化剝落的產(chǎn)物都堆積在坡腳上，結(jié)構(gòu)松散，粒徑較小，很容易被雨水帶走。

針葉狀撒落指的是泥巖邊坡的表層巖體，暴露在自然狀態(tài)下，受溫度和降雨影響，巖體風(fēng)化崩解形成很多小裂隙，使得表層巖體被分解成無數(shù)長1～3cm、厚0.3～1cm的小碎片，碎片兩頭尖中間大，硬度較大，但易碎，邊緣棱角明顯扎手。表層以下為風(fēng)化基巖，裂隙發(fā)育，基本不長植被；球狀風(fēng)化體滾落指的是均勻泥巖巖石中發(fā)育多組節(jié)理裂隙，把巖體分割成很多尺寸不一樣的立方形塊體，塊體的棱角處，自由表面積最大，受氣候的不斷變化，經(jīng)過一段時間，塊體的棱角因風(fēng)化作用，逐漸消失而圓化，形成直徑尺寸不同的球形或橢球形巖體，包裹在破碎的巖體中，其巖性強度接近原巖，一旦周圍破碎巖體掉落后，球狀風(fēng)化體落空就滾落下來了；碎塊落石指表層巖體受風(fēng)化作用影響，坡體里裂隙擴大，風(fēng)化層厚度不斷加深，形成20～60cm的多面臨空巖塊分離體，在外營力作用下崩落，常發(fā)生在構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育，溫差較大的地方。局部崩塌指泥巖坡體里分布有構(gòu)造節(jié)理和風(fēng)化裂隙切割的不利結(jié)構(gòu)面，坡體局部可能發(fā)生塌方，但方量不大，一般為1～5m3。

2.2楔體破壞

該類破壞也稱V形破壞，是指泥巖中2組或2組以上的結(jié)構(gòu)面，把巖體切割成不穩(wěn)定的楔形體，并沿2結(jié)構(gòu)面或多個結(jié)構(gòu)面貫通形成的破裂面的交線下滑，其滑塌量少則l～5m3，多則幾百m3，甚至更大。若滑塌后出露2個平整的結(jié)構(gòu)面直到坡項時，則表明該楔體滑塌已完成，若邊坡不呈現(xiàn)上述形狀，說明邊坡還未穩(wěn)定，還有繼續(xù)發(fā)生楔體破壞的可能。

2.3傾倒破壞

傾倒破壞指層狀陡傾角順層和反陡傾向邊坡，表層巖體因蠕動變形朝臨空面方向發(fā)生彎曲、折斷的一類邊坡變形破壞形式[3]。這一形式蘊含了彎曲傾倒破壞、塊狀傾倒破壞、塊狀-彎曲傾倒破壞3種模式。彎曲傾倒為柔性破壞，多發(fā)生在軟質(zhì)巖層中，巖層厚度較小，結(jié)構(gòu)面較單一，變形發(fā)展較慢，一旦破壞，規(guī)模較大。塊狀傾倒為脆性破壞，多發(fā)生在陡傾角順層硬質(zhì)巖邊坡中，破壞前變形破壞較快。塊狀-彎曲傾倒多發(fā)生在軟巖互層層狀巖體中。對于泥巖邊坡，一般只有2種傾倒破壞模式：一種是單一薄層狀陡傾角邊坡，因泥巖巖層強度低，厚度薄，巖體整體性差，變形大，易向坡面傾向方向發(fā)生彎曲、折斷破壞，在坡體內(nèi)形成一貫通的破壞面，導(dǎo)致邊坡整體失穩(wěn)；另一種是泥巖和其他硬質(zhì)巖互層的陡傾邊坡，因泥巖易風(fēng)化，遇水易軟化，強度低，變形大，導(dǎo)致邊坡巖體塑性區(qū)范圍增大，坡頂出現(xiàn)大量的裂縫，一旦雨水浸入，表層巖體很容易傾倒。

2.4滑移-拉裂破壞

滑移-拉裂破壞是順層巖質(zhì)邊坡的基本變形破壞模式，該類變形破壞的機理為：受自重及其他應(yīng)力作用，巖層傾角小于坡角，大于潛在滑動面內(nèi)摩擦角時，巖體沿相當(dāng)軟弱的層面發(fā)生順層滑移拉離破壞，同時還可能導(dǎo)致多個層面被拉離而貫通，形成新的滑動面，當(dāng)滑動面上巖體的下滑力完全超過抗滑力時，整個滑動體沿已貫通的滑動面整體下滑，滑面常呈直線型或折線型。結(jié)構(gòu)面相對于巖體本身來說相關(guān)力學(xué)強度要小很多，而順向結(jié)構(gòu)面往往又是地下水流通的渠道，水對巖體有潤滑、軟化、浮力作用，對于泥巖而言，結(jié)構(gòu)面的軟弱性表現(xiàn)得更加明顯。對于結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的泥巖邊坡，只要坡頂附近有水源存在，坡體內(nèi)就源源不斷有裂隙水從中流出。若無水源，受氣候影響也比較大，雨季時，結(jié)構(gòu)面附近巖體大量吸水，巖體膨脹，破面開裂；干旱時，結(jié)構(gòu)面附近巖體大量失水，巖體收縮，坡體下沉，坡面裂縫不斷增大，結(jié)構(gòu)面附近巖體更加破碎，導(dǎo)致多個結(jié)構(gòu)面的貫通，形成滑動面，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

2.5牽引式滑動破壞

對于泥巖類堆積體的滑動破壞常發(fā)生在表層第四系及近代松散堆積層[4-6]，有時其破壞面還可能延伸到強風(fēng)化基巖里面，其破壞模式為牽引式滑動破壞，堆積層主要由第四系各種不同成因的碎石塊和粘土組成的混合體。該類混合體具有結(jié)構(gòu)松散、成分復(fù)雜、孔隙比大、透水性強、變形大等特點。下伏泥巖，強風(fēng)化厚度大、親水性強、透水性差，因降雨和地下水補給，常導(dǎo)致基巖面附近積水，增加巖土體的重力，從而降低坡體的抗滑力。邊坡開挖或暴雨，是主要誘發(fā)因素。雨水沿表面裂縫入滲堆積體，匯集在土層與基巖接觸面上，形成滯水帶，基巖被軟化，滑面土體的力學(xué)性質(zhì)明顯下降，產(chǎn)生動態(tài)浮托力，同時雨水不斷滲入基巖的裂縫和軟弱結(jié)構(gòu)面，產(chǎn)生動、靜水壓力，迫使基巖結(jié)構(gòu)面縫隙不斷擴大，從而加劇了堆積體的變形速度[7]。

3結(jié)論與建議

本文結(jié)合大量工程項目實踐，系統(tǒng)地分析了泥巖高邊坡的主要病害結(jié)構(gòu)類型，并歸納分析了5種常見的泥巖高邊坡破壞模式，得出以下結(jié)論：

(1) 泥巖高邊坡病害結(jié)構(gòu)類型主要有：順傾層狀結(jié)構(gòu)、反傾層狀結(jié)構(gòu)、陡傾層狀結(jié)構(gòu)、基座式上軟下硬結(jié)構(gòu)、交叉式楔形結(jié)構(gòu)，不同邊坡結(jié)構(gòu)模式下，破壞機制又不盡相同。

(2) 通過對大量工程項目調(diào)查分析，結(jié)合以上分析的泥巖邊坡病害主要結(jié)構(gòu)類型，最終歸納出了5中常見的泥巖邊坡的破壞模式：風(fēng)化剝落、楔體破壞、傾倒破壞、滑移-拉裂破壞、牽引式滑動破壞。

(3) 針對于不同的邊坡病害結(jié)構(gòu)類型及破壞模式，采取針對性的、預(yù)見性的設(shè)計方案，將有助于工程的安全。

(4) 在泥巖邊坡的治理過程中，應(yīng)當(dāng)盡量將泥巖邊坡的表層與外界相隔離，避免因不合理的開挖引起的邊坡失穩(wěn)。

參考文獻

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ResearchonDeformationFailureModesand

FeatureofSlopeDiseasesofMudstone

An Mingxu1,WuSen2,LinGang1,ChenFangping1,LiMing3

(1.GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademyCo.,Ltd.,Guiyang550081,China;

2.SichuanInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation,Chengdu610072,China;

3.SchoolofEnvironmentandResources，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010,China)

Abstract：Highslopeproblemsappearconstantlyinthedevelopmentoftheinfrastructure,especiallytheissueofmudstoneslope.Differentslopestructurepossiblefailuremodeofthemudstoneslopeisobtainedinthispaperthroughanalyzing6kindsofmudstoneslopediseaseslopestructures:consequentdipdirectionlayeredstructure,reversedipdirectionlayeredstructure,craggydipdirectionlayeredstructure,pedestalsofthardstructure,crossingwedgestructure.Finally5kindsoftypicalmudstoneslopefailuremodes:weatheringflake,wedgefailure,dumpingdestruction,slipping-crackingdestruction,tractionslidingaresummarizedoutandthenecessarybasisforfurtherevaluationofmudstoneslopestabilityisputforward.

Keywords:mudstone;slopediseases;deformationandfailuremodes

收稿日期：2014-11-05

InvestigationofProtectiveDesignforMudstoneSlope

Lin Gang, An Mingxu

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademyCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Mudstone is a kind of poor engineering properties of rock, bringing great trouble to the engineering practice. The method for determining of mudstone slope geotechnical mechanics index is probed into in this article and verified by FLAC. At the same time considering various factors, mudstone slope stability can be divided into: stable, basically stable, poor stability and instability four classes. According to the slope protection design principles, combined with the feature of all kinds of slope, some protective measures are put forward.

Key words:mudstone; failure mode; FLAC; preventive measure

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.023