程小兵，朱彥鵬，馬國綱（.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉75000；.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州70000；蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院；甘肅　蘭州70000）

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紅砂巖邊坡穩(wěn)定性能分析

程小兵1，朱彥鵬2，馬國綱3
（1.酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅酒泉735000；2.蘭州理工大學(xué)，甘肅蘭州730000；3蘭州市城市建設(shè)設(shè)計院；甘肅蘭州730000）

摘要：紅砂巖具有極強的風(fēng)化崩解與遇水軟化的性質(zhì)。在一定應(yīng)力狀態(tài)下浸水后，在水膜的潤滑作用下，顆粒發(fā)生相互滑移、破碎和重組，使得巖體軟化；當(dāng)水沿著孔隙、裂隙進入紅砂巖內(nèi)部時，吸附水膜增厚，一些膠結(jié)物便會軟化甚至溶解，從而引起巖石顆粒的崩解解體，產(chǎn)生巖土體變形失穩(wěn)，使得控制地表沉降及邊坡穩(wěn)定性防治困難。因此，研究紅砂巖軟化和崩解性對工程建設(shè)尤為重要。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；紅砂巖；崩解；分析

泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖、砂質(zhì)泥巖以及頁巖等沉積巖類巖石，因富含氧化物而表現(xiàn)為紅色、褐色或深紅色，故統(tǒng)稱這類巖石為紅砂巖。大部分紅砂巖經(jīng)挖掘暴露后，在風(fēng)吹日曬雨淋的作用便可崩解破碎，乃至泥化，因而紅砂巖的顆粒級配與巖塊大小也隨著干濕交替的時間過程而不斷變化，同樣，其物理力學(xué)性質(zhì)也隨之變化?？砂幢澜馓匦院蛷姸?，將紅砂巖分為三類：

一類紅砂巖：單軸抗壓強度＜15MPa，烘干后浸水24h，現(xiàn)渣狀、泥狀或粒狀崩解；二類紅砂巖：單軸抗壓強度在15MPa左右，烘干后浸水24h，現(xiàn)塊狀崩解；三類紅砂巖：單軸抗壓強度＞15MPa，與普通砂巖相當(dāng)，基本上不崩解。

圖1　紅砂巖

1　紅砂巖的結(jié)構(gòu)特征

紅砂巖常見的天然結(jié)構(gòu)有泥狀結(jié)構(gòu)和粒狀碎屑結(jié)構(gòu)兩類，隨著風(fēng)化程度和膠結(jié)物質(zhì)的變化，其強度表現(xiàn)出很大的離散性[1]。根據(jù)巖石學(xué)劃分規(guī)則，可以將其分成粘土巖類與碎屑巖類，前者主要有泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)頁巖和頁巖等；后者主要有礫巖、砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)細砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥質(zhì)砂巖等。

泥狀結(jié)構(gòu)粘土巖類的工程性質(zhì)主要由蒙脫石和伊利石等親水性礦物成分的含量決定[2]，表現(xiàn)為水穩(wěn)定性很差，極易崩解軟化。當(dāng)伊利石和蒙脫石的含量較多時，其工程性質(zhì)極差，極易產(chǎn)生病害。

2　紅砂巖的崩解特性

紅砂巖屬沉積巖，崩解性強[3]，抗風(fēng)化能力差、巖質(zhì)較弱，成巖程度低，邊坡巖體的風(fēng)化深度較大，當(dāng)粉砂巖和紫紅色泥巖互層時，邊坡風(fēng)化更甚，風(fēng)化深度可達10m。紅砂巖的風(fēng)化性能區(qū)別較大，粘土類紅砂巖崩解軟化較易，隨著干濕循環(huán)次數(shù)及暴露時間的增加，不斷破碎，最終成泥狀或渣狀[4]；砂巖的抗壓強度高，抗風(fēng)化性能也好。試驗表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)和軟化暴露時間的增加，巖塊也逐漸崩解破碎，崩解穩(wěn)定約需50～60d（8次干濕循環(huán)）時間，到達穩(wěn)定狀態(tài)后將不再崩解變化。

3　紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)

試驗表明，壓實后的紅砂巖透水性很差[5]，當(dāng)壓實度超過重型擊實標(biāo)準90%時，表面積水很難下滲，僅能影響到表層土體的含水量；壓實后的二類紅砂巖的防滲性能與粘土相當(dāng)。一類紅砂巖水穩(wěn)定性較差，為防止表層的紅砂巖浸水后軟化、膨脹變形、強度下降，應(yīng)對邊坡外露面采取有效的隔水措施。

表1　各類紅砂巖試件（16組）室內(nèi)CBR值隨浸水時間變化的試驗結(jié)果（平均值）

由表1可以看出，對于98擊一類巖與30擊二類巖，隨著浸水時間的增加，其CBR值有所下降；而對于98擊和50擊二類巖的CBR值與浸水時間無明顯的相關(guān)性。根據(jù)試驗結(jié)果，一類紅砂巖的水穩(wěn)定性很差，一旦長期受水浸泡，強度將大幅降低。

4　紅砂巖邊坡常見的破壞形式

紅砂巖邊坡的穩(wěn)定性受巖石的風(fēng)化、雨水滲透與巖石結(jié)構(gòu)面的雙重控制[6]。通常，風(fēng)化最強烈的部位在邊坡坡腳，所以，紅砂巖邊坡的破壞往往是風(fēng)化剝落與結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)破壞的綜合表現(xiàn)。紅砂巖邊坡常見的破壞形式主要有：溜坍、風(fēng)化剝落、楔體破壞、崩坍和順層滑坡等。

4.1溜坍

溜坍，是邊坡經(jīng)雨水沖刷，土體含水量飽和后，坡體沿縱向開裂，部分土體與母體脫開并沿某一滑動線發(fā)生下滑。當(dāng)遇有強降雨或連續(xù)降雨時，容易暴發(fā)溜坍災(zāi)害。發(fā)生溜坍病害的條件：1）匯水面積較大，如具有凹形匯水條件的緩坡地段；2）有堆積較厚的松散砂粘土夾碎石層；3）山坡植被局部破壞、表層不平整、排水不暢。

4.2風(fēng)化剝落

風(fēng)化剝落的表現(xiàn)形式主要有：局部崩坍、碎塊狀剝落、碎片狀剝落和碎粒狀剝落，遭雨水沖蝕容易產(chǎn)生沖溝。

局部崩坍往往發(fā)育在含有較多砂巖，構(gòu)造節(jié)理及風(fēng)化裂隙等有利切割的局部坡面。崩坍體體積一般1～3m3左右。

構(gòu)造節(jié)理發(fā)育較密，溫差較大處較易發(fā)生碎塊狀剝落。風(fēng)化頗重帶的粉質(zhì)泥巖及泥巖，往往風(fēng)化成2～3cm的小碎塊，隨著風(fēng)化程度的加劇與風(fēng)化裂隙的擴展，在外力作用下便即崩落，通常只發(fā)生在坡面局部，崩落量不大。

4.3楔體坡壞

楔體坡壞一般由層面與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的關(guān)系控制。當(dāng)滑面上部為構(gòu)造面，下部為層面時，將沿著構(gòu)造面和層面的復(fù)合滑面滑坡；當(dāng)結(jié)構(gòu)面有斷泥層、充填土?xí)r，往往沿構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑坡，出現(xiàn)楔體滑坡。

4.4崩塌

崩塌破壞常發(fā)生在邊坡過陡、層理節(jié)理發(fā)育巖體被雨水作用時，或軟弱的泥巖和粉砂巖分布于下層，而堅硬的厚層砂巖分布于上層時，往往存在潛在崩塌點。

4.5順層滑坡

在構(gòu)造作用下，紅砂巖山體多形成10°～25°傾角的緩傾巖體。當(dāng)邊坡坡角巖大于層傾角，而坡向與巖層傾向相同時，就可能發(fā)育順層滑坡，尤其當(dāng)紅砂巖為硬質(zhì)巖與軟質(zhì)巖交替成層狀多元結(jié)構(gòu)巖體，并順著巖層走向開挖時，往往容易發(fā)生滑坡。

5　紅砂巖邊坡失穩(wěn)破壞機理

紅砂巖的特殊物理性質(zhì)和構(gòu)造特點，使得紅砂巖邊坡失穩(wěn)破壞既有類似于同類型邊坡失穩(wěn)破壞的地方，也存在特殊的發(fā)育條件。如順層滑坡應(yīng)同時滿足下述四個條件：1）內(nèi)摩擦角φ＜巖層傾角α；2）巖層傾角α＜邊坡坡角β；3）兩側(cè)面脫開；4）巖石出露。

5.1沿軟弱的泥化夾層發(fā)生滑動

紅砂巖軟弱夾層會因泥化導(dǎo)致抗滑阻力大幅下降，紅砂巖中的泥化夾層往往是最軟弱，也是延伸更長的可能滑動面，所以，紅砂巖坡體主要沿軟弱的泥化夾層發(fā)生失穩(wěn)破壞。

5.2風(fēng)化會引起滑面抗剪強度降低，促使坡體失穩(wěn)

以粘土礦物為主要膠結(jié)物的紅砂巖，在大氣環(huán)境暴露后風(fēng)化迅速，遇水軟化，導(dǎo)致巖體強度迅速降低，同時層間粘聚力和摩擦力也相應(yīng)降低，導(dǎo)致抗剪強度隨之降低。紅砂巖在遭受強烈風(fēng)化時的風(fēng)化深度往往較大，一般可超過10m，另外由于很多構(gòu)造節(jié)理已經(jīng)張開，泥化夾層發(fā)育強烈，經(jīng)受長期大雨時，雨水滲入邊坡后，又沿泥化夾層滲出邊坡。

對于巖層傾角大于15°的部位，經(jīng)開挖暴露后多會失穩(wěn)發(fā)生下滑。

有很多坡體是在暴露數(shù)年后，巖體風(fēng)化致使強度下降，到了雨季受到裂隙水壓力的觸發(fā)而產(chǎn)生變形失穩(wěn)。因此，紅砂巖在強光照和雨水作用下經(jīng)若干次干濕交替，當(dāng)滑動面泥化夾層的強度降低到一定值時，便即產(chǎn)生滑坡。

5.3降雨是紅砂巖發(fā)生滑坡的關(guān)鍵誘因

紅砂巖邊坡滑坡多出現(xiàn)在雨季?；碌漠a(chǎn)生，與當(dāng)年的降水強度和降水量密切相關(guān)，也與地層巖性、地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造息息相關(guān)。強降雨以及持續(xù)降雨會使得滑面的抗剪強度顯著降低。另外，由于紅砂巖的節(jié)理、層理、裂隙發(fā)育，當(dāng)雨水滲入裂縫時，增加了沿斜面下滑的致滑力，同時也降低了抗滑磨阻力，二者共同作用導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小。

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中圖分類號：U213.1+3