红砂岩顺层边坡工程地质特性研究

唐 葭, 邓宗伟



红砂岩顺层边坡工程地质特性研究

唐 葭*, 邓宗伟

(湖南城市学院 土木工程学院, 湖南 益阳, 413000)

从红砂岩岩性特征和工程地质特征出发, 研究了红砂岩的特殊矿物组成、结构构造、风化特征对坡体失稳的影响,分析了含水量对红砂岩软化及崩解特性的影响. 对常吉高速公路中常见的红砂岩顺层边坡滑移破坏机理进行了阐释, 并通过算例计算了其安全系数. 研究显示红砂岩顺层边坡失稳破坏与其工程地质特性密切相关.

红砂岩;工程地质特性;顺层边坡;稳定性计算

红砂岩是一种外观为红色, 且具有特殊性质的岩体. 红砂岩在湖南西部具有广泛的分布, 遇水易软化、失水易崩解, 强度低、稳定性差. 在湘西高速公路的修建工程中, 由于没有充分掌握红砂岩工程地质特性而造成的工程问题普遍存在, 特别是红砂岩顺层边坡的失稳坍塌问题, 在高速公路修建和运营中不断发生. 因此, 对红砂岩顺层边坡的工程地质特性进行研究意义重大.

1 红砂岩岩性特征

红砂岩属于沉积岩, 它由泥沙、砾石、铁等矿物质和生物遗体等长期沉积在江湖底, 经过长期紧压胶结, 以及在地球内部热力的作用下形成. 在形成过程中由于高温的长期作用, 大量的铁离子被氧化、富集, 从而显现出红色、紫红色、深红色或褐色[1]. 湘西常吉高速公路揭露红砂岩如图1所示.

红砂岩岩层包括砂岩、泥岩以及页岩等, 多数情况下红砂岩表现为砂泥岩互层, 其岩性偏软, 属于软岩, 严格来说, 其强度介于岩石和土体之间. 由于红砂岩遇水极易软化, 抗风化能力差, 因此很多情况下又将红砂岩划分为极软岩.

就矿物组成而言, 红砂岩由石英、长石、铁泥质、云母组成, 其中铁泥质所占比重较大. 湘西(吉首、怀化为主)红砂岩的粘土矿物以高岭石、蒙脱石为主, 从红砂岩的矿物成分可清楚了解其岩性特征.

红砂岩往往包含较多的结构面, 这与其地质成因是密不可分的, 在沉积成岩的过程中, 形成众多原生物质分界面, 如层理、不整合面以及软弱夹层, 而结构面和结构体就构成了红砂岩的基本组成单元. 当对红砂岩施加作用荷载时, 众多的结构面往往就直接引发边坡坡体发生滑动坍塌, 除了原生结构面, 还有以断层、节理为主的构造结构面在风化、地下水作用下诱发的次生结构面.

图1 湘西红砂岩展示

2 红砂岩工程地质特征

在湘西红砂岩地区开展的众多工程活动表明, 红砂岩所具有的独特工程地质特征, 对工程活动造成了很大的影响. 由于红砂岩由砂泥岩互层组成, 因此具有较大差异的软硬度、抗风化能力以及强度, 尤其是对地下水的敏感程度不同, 使得在湘西高速公路施工过程中, 对红砂岩路堑、路堤的处置不能采用相同的处理方法, 否则会导致坡体失稳、滑塌事故频发.

2.1 风化特征

湘西红砂岩地区呈现出完全不同的风化特征, 对于强风化红砂岩, 几乎已经风化为较厚的散土, 裸露沉积于地表, 且经过强风化作用后, 厚状风化带与残积土混合在一起, 难以辨别. 对于微风化红砂岩, 其风化特征弱, 表现出类似于通常的沉积岩. 研究表明, 强风化红砂岩的强度要低于老粘土, 中风化红砂岩强度与老粘土较为相似, 而微风化红砂岩强度较高, 可以直接作为地基承载主体.

2.2 水与红砂岩耦合作用

水对红砂岩的作用主要体现为水与红砂岩相互耦合时所产生的崩解性[2]. 崩解性是红砂岩所含有的一种尤为特殊的性质. 当含水量不同时, 红砂岩表现出显著差异的崩解特性, 从而对工程产生较大的不确定性影响. 红砂岩是一种多矿物体系, 这是影响其崩解性的关键因素[3]. 红砂岩的粉晶X射线衍射试验表明, 红砂岩中含有大量的SiO2, 这是导致红砂岩遇水易崩解软化的主要原因. 图2为湘西现场采集的泥质红砂岩崩解前照片, 图3为对采集的泥质红砂岩进行洒水20 d后崩解的照片. 从图2和图3能够明显看出泥质红砂岩遇水崩解前后的差异.

图2 泥质红砂岩崩解前

图3 泥质红砂岩崩解后

2.3 红砂岩物理力学性质

由于控制红砂岩强度的是赋存于岩体内部的软弱互层夹层, 即薄层泥岩和泥化夹层, 因此在外荷载作用下, 控制红砂岩变形的关键面即为该软弱夹层面[4—5]. 为了对湘西红砂岩的物理力学性质开展研究, 将从坡体现场采集的红砂岩采用变角板法进行室内剪切试验. 试验步骤为: 放置试验岩样于压力机上下板之间, 通过压力机逐级施加荷载, 记录所施加的法向应力和剪切应力, 再绘制于莫尔库伦关系曲线上, 即可得到红砂岩的粘聚力和内摩擦角.

为了获取不同含水量红砂岩的物理力学性质, 本次试验制作了3组含水量分别为9.2%、15.3%、18.7%的试件. 对3组试件进行剪切试验后, 获取了剪切应力与位移关系曲线(图4).

从试验结果图4可知: 当含水量一定时, 红砂岩的剪切应力与位移成正相关关系, 但当含水量不同时, 随着含水量的增大, 剪切应力逐渐降低, 即红砂岩的剪切强度下降, 说明含水量对红砂岩的强度特征有着明显的影响. 此外, 当含水量处于较低水平时(图4(a)), 红砂岩的剪切强度曲线具有明显的峰值, 而当含水量处于较高水平时(图4(c)), 红砂岩的剪切强度曲线没有峰值, 随着压力机施加的应力增大, 位移呈不断增大的趋势, 表明此时红砂岩的软弱夹层已经表现为流塑性状态, 基本失去了承载能力.

3 边坡破坏模式分析

3.1 顺层边坡破坏机理

红砂岩的特殊沉积构造决定了其边坡坡体以顺层岩质边坡为主, 且坡体通常沿着其层面、软弱夹层面发生变形滑动破坏. 对于该类破坏形式的边坡, 在湘西昌吉高速公路中十分常见, 因此, 以下将在前面对湘西地区红砂岩的岩性及工程地质特征分析的基础上, 讨论顺层边坡的变形破坏机理.

顺层岩质边坡的稳定性受多种因素影响[6], 包括岩层倾角、地层岩性、结构面性质和地应力、地下水、切坡、边坡高度、爆破及地震效应等. 要发生顺层滑移破坏必须满足3个条件: 滑动面(结构面)的走向与边坡走向相同或相近; 滑动面(结构面)在坡面露出; 有优势结构面(软岩、软弱夹层或泥化夹层)的存在.

岩质边坡发生滑动破坏的主要形式有平面破坏、弧面破坏以及楔形体破坏, 其中平面破坏又包括整体滑移破坏、滑移拉裂破坏和溃屈破坏3种. 在湘西高速公路修建过程中常见的为红砂岩顺层岩质边坡, 因此, 施工时应重点防范其顺层滑移破坏.

3.2 算例分析

顺层红砂岩边坡在开挖坡脚后, 易于在坡顶形成拉裂缝, 在风化、降水渗入的情况下, 拉裂缝易贯通形成较大的水压力, 水压力的平推作用便可导致坡体发生滑移破坏. 根据图5力学分析得到顺层边坡稳定性系数的计算公式如下:

式中:为岩体粘聚力;为岩体内摩擦角;为滑体的面积, 且= (-)/sin;为坡体内渗入水的上浮力,= 0.5γZ(-)/sin;为坡顶拉裂缝渗入水的水平推力,= 0.5γZ2;为滑体的自重,= 0.52((1-(/)2)cot-cot).

在常吉高速公路某桩号处, 边坡岩体为红砂岩与泥岩互层, 经现场勘探发现, 边坡岩体较为破碎, 节理裂隙发育, 当雨季来临, 雨水渗入, 坡体随时可能发生失稳.

通过勘察报告及现场勘探得到坡体的物理力学参数及边坡的几何参数为: 边坡岩体粘聚力为13 kPa, 内摩擦角为13º, 边坡滑体高度34 m, 岩体容重为22 kN/m3, 坡脚呈43º, 地下水位埋深18 m. 将各参数代入式(1), 计算得到边坡的安全系数= 1.02, 表明该边坡处于极限平衡状态. 但是, 当雨水进一步渗入坡体中, 将导致红砂岩及泥岩互层夹层进一步软化,、值降低, 地下水位埋深增大, 安全系数值会迅速降低至1以下, 致使边坡坡体失稳破坏. 由此可见, 水的影响对该坡体的稳定性起着决定性的作用.

图5 顺层红砂岩边坡力学分析

4 结语

红砂岩具有软弱层状沉积特征及易风化、遇水易崩解的特点, 是一种特殊岩体, 其广泛存在于湖南西部地区. 在该地进行高速公路等工程活动时, 应根据现场实际, 加强地质调查与分析, 找到边坡体将失稳的主因, 有针对性地开展处治措施, 方能得到良好的处治效果, 确保顺层边坡不会失稳破坏.

[1] 储文静. 湘西红砂岩的工程地质特征与工程边坡的稳定性分析[D]. 长沙: 中南大学, 2009.

[2] 赵明华, 邓觐宇, 曹文贵. 红砂岩崩解特性及其路堤填筑技术研究[J]. 中国公路学报, 2003, 16(3): 1—5.

[3] 何满潮, 景海可, 孙晓明. 软岩工程力学[M]. 北京: 科学出版社, 2002. 65—66.

[4] 胡昕, 洪宝宁, 王伟, 等. 红砂岩强度特性的微结构试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2007, 26(10): 2141—2147.

[5] 林志红, 项伟, 张云明. 湘西红砂岩基本物理指标和微结构参数对其强度影响的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(1): 124—133.

[6] 周斌. 湘西红砂岩顺层边坡稳定可靠度分析和风险评估[D]. 长沙: 中南大学, 2010.

Study on engineering geological feature of red sandstone bedding slope

TANG Jia,DENG ZongWei

(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang 413000, China)

The lithologic characteristics and engineering geological characteristics of red sandstone were taken as the starting point. The special mineral composition, structure and weathering characteristic of red sandstone on the influence of slope instability were studied. On this basis, the relationship between different water content and red sandstone softening, disintegration characteristics was analyzed.The red sandstone bedding slope sliding failure mechanism in Chang-Ji highway was explained and the safety coefficient was calculated in the form of a numerical example.It is concluded that the red sandstone bedding slope instability destruction is closely related with the engineering geology characteristics.

red sandstone;engineering geological feature; bedding slope; stabilitycalculation

U 458

1672-6146(2014)01-0064-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2014.01.015

第一作者email: 340014557@qq.com.

2014-02-18

湖南省教育厅科学计划项目(12C0580); 湖南省科技计划项目(2013GK3086).

(责任编校: 江 河)