炭質(zhì)頁巖地層公路棄土場(chǎng)滑坡滑動(dòng)機(jī)理研究

彭小勇 吳巍巍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)和降雨因素誘發(fā)的滑坡成為主要因素[1]。人類生活和生產(chǎn)活動(dòng)直接或間接破壞斜坡穩(wěn)定性，例如，修建公路鐵路、城鎮(zhèn)建設(shè)過程中對(duì)斜坡坡腳的開挖，以及工農(nóng)業(yè)用水對(duì)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(fā)滑坡。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，越來越多的人類工程活動(dòng)破壞了自然坡體原有穩(wěn)定性，尤其近年來滑坡的發(fā)生越來越頻繁，并有愈演愈烈的趨勢(shì)，因此應(yīng)對(duì)人為因素誘發(fā)滑坡加以重視[2-4]。

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

西南山區(qū)棄土場(chǎng)數(shù)量越來越多且規(guī)模也越來越大，由于施工時(shí)棄土壓實(shí)效果難以保證，其填土地層具有孔隙率高、固結(jié)程度差、降雨入滲快的特點(diǎn)。因此，遇強(qiáng)降雨極易產(chǎn)生滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。

文中以貴州省某高等級(jí)公路K2+300左側(cè)棄土場(chǎng)滑坡為例，通過干濕循環(huán)試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)及電鏡掃描技術(shù)來研究炭質(zhì)頁巖地層降雨誘發(fā)滑坡的成因，分析滑坡形成機(jī)理。

1 工程簡(jiǎn)介

某高等級(jí)公路K2+300左側(cè)棄土場(chǎng)棄方量約14萬m3，坡腳設(shè)置攔渣墻，棄土成分主要為含碎石粉質(zhì)黏土。棄土場(chǎng)東北側(cè)200 m處存在一水廠，雨季超過水廠儲(chǔ)水能力時(shí)，多余的水漫流至坡面處向棄土場(chǎng)區(qū)域匯集排泄；棄土場(chǎng)中后部存在季節(jié)性泉點(diǎn)，雨水軟化巖土體，極易誘發(fā)坡體失穩(wěn)。滑坡前方80 m為村寨，滑坡已危及到村寨安全，須及時(shí)進(jìn)行處治。棄土場(chǎng)位置及現(xiàn)狀，見圖1、圖2。

圖1 棄土場(chǎng)位置平面圖圖

圖2 棄土場(chǎng)現(xiàn)狀

1.1 場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)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(jí)公路。場(chǎng)區(qū)坡面分布有源自于水廠排泄、泉點(diǎn)S1、S2及大氣降雨的散流水?；聟^(qū)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(zhì)黏土、碎石土等組成，結(jié)構(gòu)松散，厚0～12.2 m；含礫粉質(zhì)黏土，褐黃色，可塑，礫石含量約5%，場(chǎng)區(qū)大部分地區(qū)有分布，鉆孔揭露厚度1.9～9.1 m；基巖為黑色炭質(zhì)頁巖，下部為第三系中統(tǒng)中水組礫巖。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造與地震

場(chǎng)區(qū)屬楊子準(zhǔn)地臺(tái)-黔北臺(tái)隆-六盤水?dāng)嘞?威寧北西向構(gòu)造變形區(qū)。地層產(chǎn)狀：70°～105°∠15°～25°。根據(jù)GB 18306-2015 《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，對(duì)應(yīng)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(qū)地形南東高、北西低，滑坡后緣位于公路路基外側(cè)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?yàn)?43°，后轉(zhuǎn)至300°，滑動(dòng)面位于炭質(zhì)頁巖層內(nèi)，該滑坡為中層中型土質(zhì)滑坡。

2) 滑坡總體形態(tài)大致呈撮箕狀，平面形態(tài)呈弧形；坡體前緣形成鼓丘狀，可見明顯的縱向鼓脹裂隙?；麦w后緣錯(cuò)臺(tái)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(zhì)頁巖地層試驗(yàn)分析

通過鉆孔對(duì)炭質(zhì)頁巖地層現(xiàn)場(chǎng)取樣，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和鉆探、試驗(yàn)分析該地層為滑坡地層軟弱滑動(dòng)面。為了從其風(fēng)化速度、微觀結(jié)構(gòu)，以及工程力學(xué)性質(zhì)系統(tǒng)地研究該地層的工程影響，展開X射線衍射試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研究。

經(jīng)過X射線衍射試驗(yàn)，得出炭質(zhì)地層礦物成分構(gòu)成為葉臘石、高嶺石、石英、伊利石、蒙脫石。高嶺石工程性質(zhì)相對(duì)較好；葉蠟石是低溫?zé)嵋何g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(gòu)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(zhì)頁巖地層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，所以隨炭質(zhì)頁巖地層含水率增加，表現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度大幅度衰減的工程性質(zhì)。

2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

由于影響巖石風(fēng)化的因素較多，以及室內(nèi)試驗(yàn)條件的限制，要完全模擬巖石的自然風(fēng)化過程是不現(xiàn)實(shí)的。所以選取主要影響因素對(duì)炭質(zhì)頁巖的風(fēng)化進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究。

循環(huán)試驗(yàn)試樣見圖3、圖4，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可知：炭質(zhì)頁巖試驗(yàn)1～3次風(fēng)化速度較快，9次之后風(fēng)化速度極為緩慢。因此可推理：炭質(zhì)頁巖地層與水接觸后風(fēng)化速度較快。

圖3 干濕循環(huán)試樣 圖4 循環(huán)后試樣

2.2 電鏡掃描實(shí)驗(yàn)

為了從微觀結(jié)構(gòu)分析炭質(zhì)地層巖土物理力學(xué)特性，對(duì)不同風(fēng)化階段煤系地層巖土試樣10 000倍下電鏡掃描實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析。

電鏡下，強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖和全風(fēng)化炭質(zhì)頁巖各放大10 000倍的視圖見圖5、圖6。

圖5 強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，10 000×

圖6 全風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，10 000×

由圖5、圖6可知，強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖多為片狀結(jié)構(gòu)分布，無規(guī)則，孔隙較少；全風(fēng)化炭質(zhì)頁巖結(jié)構(gòu)單元多為顆粒狀，結(jié)構(gòu)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(fēng)化作用下炭質(zhì)頁巖地層巖土體的強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)較大幅度衰減，工程性質(zhì)較差。

2.3 三軸實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步研究炭質(zhì)頁巖地層的工程力學(xué)性質(zhì)，通過TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀對(duì)炭質(zhì)頁巖地層重塑試樣，在不同含水率(8%～32%)條件下，進(jìn)行在不同圍壓下(100，150，200，300 kPa)不固結(jié)不排水靜三軸試驗(yàn)，得到與其對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，見表1。從而分析炭質(zhì)頁巖的水敏性，研究其強(qiáng)度與含水率變化規(guī)律。

表1 不同含水率下的炭質(zhì)頁巖強(qiáng)度指標(biāo)

黏聚力-含水率變化規(guī)律和摩擦角-含水率變化規(guī)律見圖7、圖8。

圖7 黏聚力-含水率變化規(guī)律圖

圖8 摩擦角-含水率變化規(guī)律圖

由圖7、圖8可見，隨著含水率增加，c、φ值衰減較快;當(dāng)其含水率從8%增加至32%，其強(qiáng)度參數(shù)黏聚力僅為其8%的1/12，內(nèi)摩擦角為其8%時(shí)的1/3，數(shù)據(jù)表明炭質(zhì)頁巖的巖土體的抗剪強(qiáng)度隨含水率的增加衰減較快。

3 滑坡形成成因及機(jī)理分析

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

圖9 炭質(zhì)頁巖地層軟化后現(xiàn)場(chǎng)取樣照片(取樣深度16 m)

通過試驗(yàn)分析表明，強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)頁巖多為片狀結(jié)構(gòu)分布，無規(guī)則，孔隙較少；全風(fēng)化炭質(zhì)頁巖結(jié)構(gòu)單元多為顆粒狀，結(jié)構(gòu)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(duì)其試驗(yàn)1～3次風(fēng)化速度較快，9次之后風(fēng)化速度極為緩慢。由于其礦物成分構(gòu)成為葉臘石、高嶺石、石英、伊利石、蒙脫石，親水性極強(qiáng)，吸水易迅速膨脹。當(dāng)炭質(zhì)頁巖含水率從8%增加至32%，其強(qiáng)度參數(shù)黏聚力僅為其8%時(shí)的1/12，內(nèi)摩擦角為其8%時(shí)的1/3，表明炭質(zhì)頁巖隨著含水量的增加，抗剪強(qiáng)度衰減較快。

4 結(jié)語

為了獲得炭質(zhì)頁巖地層造成貴州省某高等級(jí)公路棄土場(chǎng)滑坡的機(jī)制，開展了X-衍射試驗(yàn)、干濕循環(huán)試驗(yàn)、電鏡掃描分析及三軸試驗(yàn)，系統(tǒng)地對(duì)炭質(zhì)頁巖礦物成分、風(fēng)化速度及影響因素、風(fēng)化前后微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律、不同含水率下工程物理力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律開展了研究，研究結(jié)果表明：

該棄土場(chǎng)滑坡為中層土質(zhì)滑坡，滑坡主要誘發(fā)因素為降雨導(dǎo)致填方下臥炭質(zhì)頁巖地層飽和后迅速軟化，使得其工程力學(xué)強(qiáng)度迅速衰減，且其強(qiáng)度參數(shù)黏聚力僅為其8%時(shí)的1/12，內(nèi)摩擦角為其8%時(shí)的1/3，是形成滑坡關(guān)鍵因素。

地表水和地下水的處治是滑坡治理的關(guān)鍵所在。