红砂岩泥化夹层力学特性及其对边坡稳定性的影响

龚裔芳，金福喜，张可能，周 斌

(中南大学地学与环境工程学院，湖南长沙410083)

在红砂岩地区修建高速公路时，公路两侧的边坡在开挖后数月甚至数年内都能保持稳定状态，灾害所以会突然间发生滑坡，其中泥化夹层的力学物理性质是导致其滑坡的主要因素之一。笔者以常吉高速公路沿线的红砂岩泥化夹层作为研究对象，在已有的研究基础上［1］，对红砂岩软弱泥化夹层的物理力学性质进行了一系列的室内实验研究。

常吉高速公路沿线广布着白垩系泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩、泥质粉砂岩等沉积类岩石，其中多数因富含铁的氧化物而呈红色、深红色或褐色，在大气、阳光、特别是雨水的作用下易崩解，呈鱼鳞状，地质学上称该类岩石组合为红层，俗称红砂岩。岩石的强度因矿物成分和胶结物质的差异而变化颇大。此种红砂岩具有岩性多变、软硬互层、浸水崩解、遇水软化、结构面众多及泥化夹层发育等工程特性。由于红砂岩是层状岩石，极易产生顺层破坏，因而由红砂岩泥化夹层引起的岩质边坡失稳地质灾害时有发生。

岩体的变形、破坏取决于岩体的结构特性，起决定作用的是软弱结构面的特性、强度及其相互之间的组合与作用力的关系。由于泥化夹层含有的黏土矿物较多，对边坡的整体稳定有显著影响，只要查明了边坡泥化夹层的物理力学特性对边坡稳定的影响，就可以系统地研究不同条件下泥化夹层的力学特性，找出泥化夹层与岩体结构稳定性的关系，总结出泥化夹层对岩体动力稳定性的影响，进而提出这类岩体动力稳定性的评价方法。本实验成果对红砂岩滑坡机制研究，以及预测预报具有重要的理论和现实意义。

由于软夹层对边坡岩体滑动面的控制作用，国内外学者对泥化夹层问题进行了大量研究［2－7］。李树森等［8］对砂岩中存在顺层发育的软弱层带进行了研究。符文熹等［9］进行的泥化夹层工程地质性质的室内仿真研究指出了室内模拟试验条件下泥化夹层的物理特性与现场原状样基本一致的规律。

1 红砂岩泥化夹层的工程地质特性

红砂岩形成于燕山运动与喜马拉雅运动之间，其工程地质特征为:①不均匀性，红砂岩体多为砂岩、泥岩、粉砂岩、页岩互层，在岩性上有明显的不均匀性;②具有软硬相间的多元层状结构;③倾角较缓、褶皱舒缓，节理密度小而贯通长度大，岩体破碎、透水性强;④常夹有厚度为几厘米至几十厘米不等的泥化夹层。

泥化夹层是在层间错动或地下水的长期物理化学作用下，而形成的结构疏松、颗粒大小不均、多呈定向排列、强度较低的泥化软弱夹层。其工程特征为:在成分上，泥化夹层的黏土含量比原岩多;在结构上，由原夹层的过压密胶结变成了泥质散状结构或泥质定向结构;在物理状态方面，泥化夹层的含水量超过塑限，密度则比原夹层有所降低，常表现一定的膨胀性，其膨胀压力的大小与黏土矿物的类型及有机质含量有关;在力学强度方面，泥化夹层比原夹层大为降低，特别是抗剪强度降低很多，与松软土相似，属中等高压缩性。泥化夹层的工程特性，对工程的危害很大［10］。

由以上特性可知，水对红砂岩泥化夹层的形成和性质变化的影响很大，因此，笔者以改变红砂岩泥化夹层的含水量的方式来研究其的物理力学性质，了解地下水对泥化夹层物理力学性质的影响特征。

2 试验研究

2.1 试样采集

常吉高速K 169+200～K 171+900红砂岩地层中发育的泥化夹层厚度变化不一，厚5 ～20 cm，有连续稳定分布的，也有断续分布及透镜状变化的(图1)。

图1 粉砂质泥岩层间发育的泥化夹层Fig.1 Developing thin interlayer in silty mudstone

从该路段的1号滑坡体上下两个不同的层位分别采取了4组试样。试样C21Y-1-1和C21Y-1-2是发育在上层钙泥质细砂岩与下伏粉砂质泥岩之间的泥化夹层，连续性较好，厚10～15 cm。试样C21Y-2-1和C21Y-2-2是发育在厚层状粉砂质泥岩层间的泥化夹层，连续性较好，厚10～20 cm。沿泥化夹层均有不同程度的地下水渗出。

2.2 试验方案

1)对试样进行矿物成分分析，以了解其矿物组成。

2)同步进行含水量(烘干法)、密度(环刀法)、相对密度(比重瓶法)、液塑性的测定等试验研究。

3)进行固结试验和直剪试验的研究，以了解其力学性质指标。采用对比试验进行比较研究，以获取不同含水率、不同固结程度下红砂岩强度的变化特点。

按照《公路土工试验规范》［11］，从现场采集的试样经过5 mm筛选，筛取细粒土以供试验准备。采用重塑样，按照不同含水量初步配置试样，静置24 h以上，将试样击实以供制备环刀。直剪仪型号为等应变直剪仪ZJ－2型，直剪仪器编号为47，量力环号为94 738，核正系数c’=1.960 8 kPa/(0.01 mm)。快剪的剪切速率为12 r/min，慢剪试验剪切速率为4 r/min。

相同层位的C21Y-1-1和C21Y-1-2试样进行7组不同含水量的对比试验，采用不固结不排水快剪试验。对C21Y-2-1和C21Y-2-2试样进行6组不同含水量的不固结不排水快剪试验。各组土样制备4组试样，各组试验中所施加的正压力为100，200，300，400 kPa。

2.3 试验结果及分析

2.3.1 红砂岩的矿物成分

对 C21Y-1-1、C21Y-1-2、C21Y-2-1 和 C21Y-2-2 4组岩样分别进行了岩石矿物分析，结果见表1。

表1 矿物成分及其含量Tab.1 The mineral constituent and content /%

从以上数据可以看出，红砂岩含有黏土矿物蒙脱石、伊利石等，是导致其遇水膨胀、变软风化的主要原因。红砂岩的松散的微观结构及所含黏土矿物，是影响其工程性质的物质基础和内在原因。

2.3.2 直剪试验

通过直剪试验，C21Y-1-1和C21Y-2-1试样的7组不同含水量对比试验(不固结不排水快剪)结果，以及C21Y-2-1和C21Y-2-2试样的6组不同含水量对比试验(不固结不排水快剪)结果见表2。

表2 4种试样物理力学指标Tab.2 The physical mechanic index of the four test samples

2.3.3 液塑性试验结果

通过液塑性试验测定:C21Y-1-1和C21Y-1-2试样的液限为22.1%，塑限为19.5%，塑性指数为2.5。C21Y-2-1和C21Y-2-2试样的液限为23.4%，塑限为18.5%，塑性指数为4.9。

以上的各项试验结果显示以下规律:

1)随着含水量的增加，红砂岩的强度明显降低。

2)有效内摩擦角随含水量的增加逐渐减小(图2)，黏聚力随含水量的变化呈现小－大－小的变化趋势(图3)。

图2 内摩擦角随含水量变化曲线图Fig.2 Internal friction angle changed with moisture content curves

图3 黏聚力随含水量变化曲线图Fig.3 Cohesive strengths changed with moisture content curves

3)试样固结后，其强度要明显高于不固结的试样。

4)下层位置所取的试样的整体强度高于在上层位置所取的试样。

3 边坡稳定性分析

由以上的土工试验，得到在不同含水量条件下，红砂岩软弱夹层的物理力学参数。对其中一组试验数据进行稳定性分析模拟研究。

根据泥化夹层现场情况，利用一个简单的计算模型(图4)。边坡顺着泥化夹层产生平面滑动。因此，根据《建筑边坡工程技术规范》［12］，边坡的稳定性安全系数可按下式计算:

图4 边坡稳定性计算模型Fig.4 The count mode of slope stability

假设θ=20°时，将试样C21Y-1-1试验数据带入其中，可得出不同的安全系数，如表3。

表3 C21Y-1-1安全系数计算结果Tab.3 The count result of assurance coefficient of the test sample C21Y-1-1

通过以上计算结果，可见随着含水量的增加，c、φ值减小，安全系数逐渐降低。在含水量达到16%时，泥化夹层的安全系数急速下降。

由以上分析可知，开挖后长时间稳定的边坡会突然产生滑动，泥化夹层的力学物理性质是导致其滑坡的主要原因之一。而含水量的变化对泥化夹层的强度有很大的影响，在泥化夹层的含水量达到一定程度时，泥化夹层的强度会骤然下降，因而导致边坡滑动。

4 结论

泥化夹层在特定的条件下容易成为岩质滑坡的滑动面(带)，是影响边坡稳定的重要部分。由红砂岩泥化夹层的试验结果可知:

1)红砂岩中含有的黏土矿物蒙脱石、伊利石等，遇水易软化，是导致边坡失稳的内因之一。

2)含水量对红砂岩泥化夹层抗剪强度的影响很大，内摩擦角随含水量的增加逐渐减小，黏聚力随含水量的变化呈现小－大－小的变化趋势。水岩相互作用导致泥化夹层强度降低，同时产生了静水压力，为滑坡的形成提供了有利条件。因此地下水是影响红砂岩边坡稳定性的主要影响因素之一。

3)当红砂岩泥化夹层达到一个临界的含水量时，黏聚力和摩擦角急剧下降，岩层的抗剪强度骤然降低，安全系数也随之急速下降，致使边坡失稳。

4)红砂岩边坡工程中应减少边坡的暴露面积和暴露时间，及时做好坡面防护，切实做好边坡的截排水系统。

5)由于含水量对红砂岩泥化夹层的强度影响显著，因而在边坡支护设计中，不能够单纯地依靠开挖揭露岩层情况或者勘察的结果来确定最后边坡的支挡方案，必须同时考虑含水量对边坡整体稳定性的影响。

［1］金福喜，冯振，卿笃干，等.常吉高速沅水沿河段红砂岩边滑坡稳定性分析［J］.工程地质学报，2008(16):579－583.

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［11］JTG E 40—2007公路土工试验规范［S］.

［12］GB 50330—2002建筑边坡工程技术规范［S］.