差異風化對軟硬互層紅層邊坡變形控制研究

劉榜余 楊根蘭 覃乙根 謝金 董巖

摘要： 原本處于穩(wěn)定的紅層近水平軟硬互層工程邊坡，經(jīng)過近5 a的差異風化，局部會出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，對公路的正常運營和行車安全造成威脅。選擇具此特征的仁-赤高速元厚邊坡為例，通過現(xiàn)場調查，獲得該類邊坡現(xiàn)場實際變形特征。在此基礎上運用底摩擦試驗及3DEC離散元數(shù)值模擬方法研究該類邊坡變形破壞隨差異風化的發(fā)展過程。結果表明：① 元厚邊坡的變形破壞模式主要為墜落式破壞和傾倒式破壞。② 差異風化形成的凹巖腔深度對邊坡變形破壞起控制作用，當凹巖腔發(fā)育深度為1 m時，邊坡局部發(fā)生變形破壞;當凹巖腔發(fā)育深度達2 m時，危巖體發(fā)生墜落式或傾倒式崩塌。③ 綜合分析邊坡巖體結構特征及變形破壞演化模式，提出“清坡+封閉軟層+主動防護網(wǎng)+排水工程”的處治方案。研究成果能為赤水紅層地區(qū)該類型工程邊坡的防治方案確定提供理論參考。

關 鍵 詞： 差異風化; 軟硬互層邊坡; 底摩擦試驗; 離散元; 紅層

中圖法分類號： ?P642.2

文獻標志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.018

0 引 言

紅層是指外觀以紅色為主色調，以陸相沉積為主的中、新生代碎屑沉積巖層，在我國西南、西北、華中及華南地區(qū)分布廣泛[1]。巖性主要由泥質巖類、砂巖類軟硬巖相間組成，硬巖相對堅硬、強度高，軟巖相對軟弱、遇水易軟化、抗風化能力弱，二者具明顯差異風化現(xiàn)象，使軟巖向內(nèi)剝落退進形成凹巖腔，硬巖懸空形成危巖[2]。近年來，在紅層地區(qū)公路工程建設中，坡體開挖和差異風化型危巖經(jīng)常誘發(fā)坡體滑塌等地質災害，研究該類邊坡的變形破壞過程與機理具有工程意義[3]。

目前，國內(nèi)已有大量學者對紅層邊坡的變形破壞開展了相關研究，駱銀輝等[4]認為紅層邊坡變形破壞過程經(jīng)歷蠕變、剪切和滑移3個階段，結合工程實例，提出了對紅層邊坡危害的防治對策。胡斌等[5]以西南地區(qū)某軟硬互層紅層邊坡為例，對其崩塌機理進行研究并提出了相應治理方案。程強[6]綜合運用野外調研、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等多種手段研究了紅層近水平地層及傾斜地層風化剝蝕災害及軟巖開挖災害形成機理，并提出相應防治技術。肖尚德等[7]從運動方式和影響因素兩個方面對恩施盆地紅層邊坡變形破壞模式進行了研究，并分析了各類變形破壞模式的特點和變形破壞過程。史文兵等[8]通過建立貴州平緩反傾紅層邊坡概念模型并結合UDEC數(shù)值模擬方法，研究了該類邊坡的變形破壞機制，將其變形演化過程分為4個階段和3種破壞類型。楊旭等[9]采用物理模型試驗研究了紅層軟巖邊坡在不同降雨模式下的變形破壞過程與規(guī)律，認為強降雨導致巖體軟化崩解是引起該類邊坡破壞的主要因素。

上述學者對紅層邊坡的變形破壞研究取得了大量成果，但研究內(nèi)容主要為邊坡在開挖或降雨條件下的變形破壞機制。本文在前人研究基礎上，以赤水元厚邊坡為例，基于野外地質調查，結合底摩擦試驗和3DEC數(shù)值模擬方法，開展差異風化對紅層近水平軟硬互層工程邊坡變形控制的研究，研究成果可為赤水紅層地區(qū)該類型工程邊坡的防治方案確定提供理論參考。

1 邊坡地質環(huán)境特征

1.1 工程地質條件

研究區(qū)位于貴州省赤水市習水縣境內(nèi)，所研究的元厚邊坡位于元厚鎮(zhèn)赤水河左岸（見圖1），地理位置為105°55′56″、N28°21′57″。出露地層為第四系殘坡積層（Q4dl+el）、白堊系嘉定群組（Kjd）和侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組第二段（J3p2），巖性為砂巖與泥巖不等厚互層，其中砂巖呈厚層-巨厚層狀，分布于整個研究區(qū)范圍內(nèi)。地下水類型主要為松散巖類孔隙水和碎屑巖類基巖裂隙水。區(qū)域斷裂構造簡單，構造線展布總體呈東西向。

1.2 邊坡巖體結構特征

邊坡巖體主要由泥巖、砂巖軟硬相間組成，巖層產(chǎn)狀近水平（見圖2）。其中砂巖厚度較大，為0.5～10.0 m，泥巖厚度相對較薄，為0.1～3.0 m。巖體中主要發(fā)育構造裂隙和開挖形成的卸荷裂隙，受地形條件制約，傳統(tǒng)勘察手段難以對巖體結構面參數(shù)進行有效獲取。本文利用無人機傾斜攝影測量技術和運動恢復結構算法（SFM）建立研究區(qū)三維模型[10]，如圖3所示，獲取巖體結構面信息，得出巖體中發(fā)育兩組優(yōu)勢結構面（見表1），結構面將巖體切割成“菱形體”，對其變形破壞起控制作用。

1.3 邊坡變形特征

邊坡主要由泥巖、砂巖軟硬相間組成，二者具明顯差異風化現(xiàn)象，使泥巖向內(nèi)剝落形成凹腔，砂巖向外懸掛形成危巖，危巖體主要受底部未完全貫通的陡外傾節(jié)理裂隙控制。根據(jù)野外現(xiàn)場調查，元厚工程邊坡的變形破壞主要出現(xiàn)在2個部位：在坡面兩側及坡體上部約60 m范圍內(nèi)，巖體在卸荷和風化共同作用下結構面擴展，巖體發(fā)生傾倒式和墜落式破壞;在坡表堆積層與基巖接觸部位有滑塌現(xiàn)象，在邊坡兩側開口邊界處均有掉塊現(xiàn)象，如圖4所示。

2 底摩擦試驗研究

2.1 試驗原理

底摩擦試驗[11-12]是一種常見的物理模擬方法，試驗原理是通過模型與設備產(chǎn)生的摩擦力（面力）來模擬原型物體在天然狀態(tài)下所受的體積力（重力），研究模型在摩擦力作用下的穩(wěn)定性及變形破壞模式。

2.2 試驗設備及模型材料

試驗設備采用的是貴州大學資環(huán)學院的變頻調速底摩擦試驗機，?？虺叽鐬?.8 m×1.0 m，圖像采集使用貴州大學資源與環(huán)境工程學院高速攝像機（千眼狼2F04M），如圖5所示。

本次試驗主要考慮模型的摩擦系數(shù)（即內(nèi)摩擦角）與原型相似，兼顧重度及黏聚力等其他因素。根據(jù)模型試驗要求，選取幾何相似比lR=100，內(nèi)摩擦角相似比fR=1。在前人研究基礎上[13]，選擇重晶石粉、膨潤土、石英砂和液體石蠟為原材料制作可重復利用的可塑性相似材料，通過多次配比試驗并進行相關分析，得到最優(yōu)配比方案，相關參數(shù)如表2所列。

2.3 試驗現(xiàn)象描述

根據(jù)野外地質調查結果，選擇典型的2-2′剖面進行模型試驗。在三維模型中，量測得到2組優(yōu)勢結構面節(jié)理間距均約為5 m，根據(jù)相似原理，在制作好的物理模型中對砂巖層分別預加間距5 cm的近似垂直節(jié)理裂隙，如圖6所示。根據(jù)底摩擦試驗過程中模型的變形破壞特征，將其變形破壞演化過程分為3個階段。

（1） 邊坡開挖卸荷裂隙擴展階段。

自上而下分3步對邊坡進行開挖，每完成一步，運行底摩擦試驗30 min，觀察模型變形破壞特征。完成第1，2步工程開挖后，模型沿試驗儀運行方向有壓密現(xiàn)象，節(jié)理裂隙張開度無明顯變化。完成第3步工程開挖30 min后，節(jié)理裂隙張開度擴展，運行底摩擦試驗3 h后，節(jié)理裂隙張開度明顯，臨坡面處呈微張形態(tài)，寬度約為0.2～0.5 mm，邊坡表面無明顯變形破壞跡象，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，試驗結束，如圖7所示。

（2） 差異風化階段。

由上述底摩擦試驗現(xiàn)象可知，在公路開挖過程中及完成初期，邊坡表面無明顯變形破壞跡象，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。在赤水紅層地區(qū)，泥巖和砂巖存在明顯差異風化現(xiàn)象，使泥巖向內(nèi)退進剝落形成凹巖腔，砂巖向外懸空形成危巖。

在上述開挖試驗的基礎上研究差異風化的退進對邊坡變形破壞產(chǎn)生的影響。根據(jù)相似理論，模型中的凹巖腔每退進1 cm，相當于實際邊坡凹巖腔退進1 m。隨著凹巖腔向內(nèi)退進，邊坡變形破壞特征和發(fā)展過程如下：

將凹巖腔退進1 cm，運行底摩擦試驗30 min后，臨坡面裂隙張開度持續(xù)擴展，呈張開形態(tài)，寬度為0.5～2.0 mm;第3，5，7號和13號層砂巖產(chǎn)生少量掉塊，如圖8所示。

（3） 凹巖腔持續(xù)退進邊坡變形破壞階段。

將凹巖腔退進2 cm，試驗運行1 h后，第5，7號和9號砂巖臨坡面裂隙繼續(xù)擴展，相繼形成拉裂縫，裂縫自下而上發(fā)育;試驗繼續(xù)進行10 min后，第5號、7號砂巖巖橋鎖固段破壞沿臨空面發(fā)生傾倒式破壞;試驗運行1 h 30 min后，第3號、13號層砂巖巖橋鎖固段破壞，在重力作用下相繼發(fā)生墜落式破壞，如圖9所示。

將凹巖腔退進4 cm，試驗運行2 h后，13層砂巖發(fā)生墜落式破壞，11號層砂巖沿臨空面發(fā)生傾倒式破壞，試驗持續(xù)進行10 min后，3號、1號層砂巖相繼發(fā)生墜落式破壞;試驗運行2 h 30 min后，1層砂巖沿臨空面發(fā)生傾倒式破壞。試驗運行3 h后，5層砂巖沿臨空面發(fā)生傾倒式破壞，如圖10所示。隨后邊坡的變形破壞形式大致以同樣的演化方式進行，破壞巖體堆積在坡腳，試驗結束，如圖11所示。

2.4 試驗結果分析

由上述底摩擦試驗現(xiàn)象可以得出以下認識：

（1） 在公路邊坡開挖完成一段時間內(nèi)，邊坡表面無明顯變形破壞跡象，主要表現(xiàn)為陡傾節(jié)理的擴展，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2） 在凹巖腔退進過程中，將凹巖腔退進1 cm，相當于實際邊坡凹巖腔退進1 m時，砂巖局部掉塊，邊坡局部發(fā)生變形破壞。將凹巖腔退進2 cm，相當于實際邊坡凹巖腔退進2 m時，當凹巖腔退進深度未超過砂巖的結構面位置時，危巖體巖橋鎖固段破壞發(fā)生傾倒式崩塌;當凹巖腔退進深度已超過砂巖的結構面位置時，危巖體巖橋鎖固段破壞發(fā)生墜落式崩塌。這表明凹巖腔發(fā)育深度對邊坡變形破壞起控制作用，巖腔后壁與結構面的相對位置決定了危巖體的破壞模式。

（3） 持續(xù)退進凹巖腔，邊坡的變形破壞形式大致以同樣的演化方式進行，但不會發(fā)生整體性的滑動破壞，是沿結構面一層一層的剝落破壞。砂巖在破壞時，厚層砂巖在結構面及重力的影響下更容易發(fā)生傾倒式破壞，相比之下，較薄層的砂巖更容易發(fā)生墜落式破壞。

（4） ?邊坡的變形演化過程可分為開挖卸荷裂隙擴展階段、差異風化階段和凹巖腔持續(xù)退進邊坡變形破壞階段。在實際工作中可對比現(xiàn)場凹巖腔的深度，預測目前邊坡變形處于哪個階段。邊坡的變形機制為由差異風化引起危巖體發(fā)生傾倒式或墜落式破壞。

3 邊坡變形破壞數(shù)值模擬驗證

3.1 計算模型及參數(shù)選取

為進一步認識元厚邊坡變形破壞模式，并驗證物理模型試驗結果的可靠性，采用離散元數(shù)值模擬軟件3DEC對元厚邊坡進行數(shù)值模擬分析[14]。數(shù)值模擬采用與物理模擬一致的簡化地質模型，模型尺寸：水平方向（x軸）長80 m，豎直方向（z軸）高109 m，y軸方向延伸15 m。模型材料為砂巖和泥巖，結構面主要考慮層理和節(jié)理裂隙，模型計算采用莫爾-庫侖屈服條件的彈塑性模型[15]。根據(jù)土工試驗數(shù)據(jù)結合元厚地區(qū)工程經(jīng)驗，綜合給出邊坡巖體及結構面物理力學參數(shù)，如表3～4所示。

3.2 模擬計算結果分析

確定邊界條件和模型取值參數(shù)后，根據(jù)剖面模型圖在3DEC中建立地質模型，如圖12（a）所示。數(shù)值模擬結果與上述底摩擦試驗結果基本一致，邊坡的變形演化過程同樣可分為3個階段：

（1） 對邊坡分步開挖完成后，進行模型計算，結果表明邊坡在開挖卸荷作用下表現(xiàn)為局部失穩(wěn)掉塊，邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，如圖12（b）所示。

（2） 在模擬差異風化過程中，下伏泥巖風化剝落速度快，泥巖退進形成凹巖腔;上部砂巖風化剝落速度慢，砂巖向外懸掛形成危巖，如圖12（c）所示。

（3） ?隨著差異風化的進行，模型中的凹巖腔持續(xù)向內(nèi)退進，當凹巖腔退進深度超過結構面所在位置時，在自重應力作用下，危巖發(fā)生墜落式破壞，如圖12（d）所示。當凹巖腔退進深度未超過結構面所在位置時，危巖沿結構面發(fā)生傾倒式破壞，如圖12（e）所示。隨后，邊坡變形破壞形式大致以同樣的演化方式進行，破壞巖體堆積于坡腳，如圖12（f）所示，計算結束。

以概念模型為基礎，結合野外地質調查分析，建立邊坡3DEC數(shù)值模型，采用離散元數(shù)值模擬試驗（3DEC）對底摩擦試驗結果的可靠性進行驗證。數(shù)值模擬結果與上述底摩擦試驗結果基本一致，邊坡變形破壞演化過程與實際調查情況大致吻合，得出凹巖腔發(fā)育深度對邊坡變形破壞起控制作用，巖腔后壁與結構面的相對位置決定了危巖體的破壞模式。其變形演化過程同樣可分為3個階段，從量化的角度較好地驗證了底摩擦試驗結果的可靠性。

4 邊坡變形破壞機理分析

在野外地質調查基礎上，結合上述底摩擦試驗結果與數(shù)值模擬試驗計算，將赤水紅層近水平軟硬互層邊坡的變形破壞過程分為如下3個階段。

（1） 邊坡開挖卸荷裂隙擴展階段。

在公路邊坡開挖過程中及完成后的一段時間內(nèi)，臨空面周圍的巖體在開挖卸荷作用下發(fā)生卸荷回彈，引起卸荷面巖體內(nèi)部應力重分布和應力集中效應，使巖體產(chǎn)生卸荷變形，主要表現(xiàn)為陡傾節(jié)理的進一步擴展，不會對巖體造成破壞。

（2） 差異風化階段。

邊坡開挖完成后，由于邊坡巖性由泥巖、砂巖軟硬相間組成，二者具明顯差異風化現(xiàn)象，使下伏的泥巖向內(nèi)退進剝落形成凹巖腔，上部的砂巖向外懸掛形成懸挑狀危巖。在自身重力、裂隙水壓力等誘發(fā)因素下，局部危巖失穩(wěn)發(fā)生墜落。

（3） ?凹巖腔退進邊坡變形破壞階段。

隨著差異風化的進行，凹巖腔持續(xù)向內(nèi)退進，臨坡面裂隙逐漸發(fā)展成拉裂縫。當凹巖腔退進深度已超過砂巖的結構面位置時，危巖體成為懸空結構，在坡體應力和自重應力等作用下，危巖體巖橋鎖固段破壞而發(fā)生墜落式崩塌。當凹巖腔退進深度未超過砂巖的結構面位置時，下伏泥巖基座承擔部分荷載，上部砂巖塊體重心外移，當下伏泥巖基座支撐不住上部砂巖塊體時，危巖體巖橋鎖固段破壞沿結構面發(fā)生傾倒式崩塌。

5 邊坡處治建議

根據(jù)機理分析，對于紅層近水平軟硬互層工程邊坡，凹巖腔的形成與發(fā)展進程為其主要變形控制因素。結合元厚工程邊坡巖體結構特征及變形破壞模式，綜合考慮邊坡的長期穩(wěn)定性和邊坡外觀與景觀協(xié)調性，提出如下邊坡處治建議：清坡+封閉軟層+主動防護網(wǎng)+排水工程。

（1） 清坡：對坡面上的明顯松動巖體進行清理，清理前可在坡底設攔石排架等攔截設施。

（2） 封閉軟層：采用景觀協(xié)調材料，封閉易風化軟層，減緩邊坡凹巖腔的形成與發(fā)展。

（3） 主動防護網(wǎng)：采用主動防護網(wǎng)對邊坡進行整體防護，以限制坡面巖土體的風化剝落或破壞以及危巖崩塌，同時將落石控制在一定范圍內(nèi)運動。

（4） 排水工程：在坡體底部泥巖與砂巖分界處布置仰斜排水孔，在坡面分界處布置系統(tǒng)排水孔。

6 結 論

以赤水元厚邊坡為例，在詳細的野外地質調查基礎上，利用無人機傾斜攝影測量技術獲取巖體結構面信息，采用底摩擦試驗結合離散元數(shù)值模擬研究分析差異風化對紅層近水平軟硬互層工程邊坡的變形控制作用，得出以下結論。

（1） 通過野外現(xiàn)場調查，元厚邊坡的變形破壞模式主要為墜落式破壞和傾倒式破壞。

（2）底摩擦試驗結果和離散元模擬計算表明差異風化形成的凹巖腔深度對邊坡變形破壞起控制作用，巖腔后壁與結構面的相對位置決定了危巖體的破壞模式。當凹巖腔退進深度已超過砂巖的結構面位置時，危巖體發(fā)生墜落式崩塌。當凹巖腔退進深度未超過砂巖的結構面位置時，危巖體巖橋鎖固段破壞沿結構面發(fā)生傾倒式崩塌。

（3）綜合分析元厚邊坡的變形破壞演化過程為：邊坡開挖卸荷裂隙擴展階段→差異風化階段→凹巖腔持續(xù)退進邊坡變形破壞階段。當凹巖腔發(fā)育深度為1 m時，邊坡局部發(fā)生變形破壞。當凹巖腔發(fā)育深度達2 m時，危巖體發(fā)生墜落式或傾倒式崩塌。在實際工作中可對比現(xiàn)場凹巖腔的深度，預測目前邊坡變形處于哪個階段。

（4） 綜合分析邊坡巖體結構特征及變形破壞演化模式，對紅層近水平軟硬互層工程邊坡提出 “清坡+封閉軟層+主動防護網(wǎng)+排水工程”的處治方案。

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（編輯：劉 媛）

引用本文：

劉榜余，楊根蘭，覃乙根，等.

差異風化對軟硬互層紅層邊坡變形控制研究

[J].人民長江，2021，52（8）：120-126.

Study on deformation of soft and hard interlayer slope in red bed

controlled by differential weathering

LIU Bangyu1，YANG Genlan1，QIN Yigen1，XIE Jin1，DONG Yan2

（ 1.College of Resource and Environment Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China; 2.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China ）

Abstract：

After nearly 5 years differential weathering，the rock pieces in the horizontal soft and hard interlayer engineering slope in the red bed begin to fall off locally，although originally in a stable status，threatening the normal operation and driving safety of the highway.Taking the Yuanhou slope of Ren-Chi Expressway as an example，we obtained its actual deformation characteristics through field investigation.On this basis，the development of engineering slope deformation and the advancement of differential weathering were explored by using the base friction test and 3DEC discrete element numerical simulation.The results demonstrate that：①? the deformation and failure modes of the Yuanhou slope are mainly falling failure and toppling failure.② The depth of the concave rock cavity formed by differential weathering controls the deformation and failure of the slope.Specifically，local deformation and failure of the slope would occur when the development depth of the concave rock cavity reached 1 m;the dangerous rock body would be falling or dumping collapse when the development depth of the concave rock cavity reached 2 m.③? The treatment scheme of “slope cleaning+closed soft layer+active protective net+drainage engineering” is proposed according to the structural characteristics and the deformation and failure evolution mode.The results can provide theoretical reference for the determination of the prevention and control scheme of this kind of engineering slopes in the Chishui red bed area.

Key words：

differential weathering;soft and hard interlayer slope;base friction test;discrete element method;red bed