泥岩边坡的病害特征及破坏模式研究

安明旭　吴　森　蔺　港　陈芳平　李　明

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550008；

2.四川省地质工程勘察院　成都　610072； 3.西南科技大学环境与资源学院　绵阳　621010)

泥岩边坡的病害特征及破坏模式研究

安明旭1吴森2蔺港1陈芳平1李明3

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550008；

2.四川省地质工程勘察院成都610072； 3.西南科技大学环境与资源学院绵阳621010)

摘要高边坡问题在基础建设的发展过程中不断出现，尤其是泥岩边坡问题。文中通过分析泥岩边坡6种病害坡体结构:顺倾层状结构、反倾层状结构、陡倾层状结构、基座式上软下硬结构、交叉式楔形结构，得出了泥岩边坡在不同坡体结构下可能的破坏方式；最终归纳总结出了5种典型的泥岩边坡破坏模式:风化剥落、楔体破坏、倾倒破坏、滑移-拉裂破坏、牵引式滑动破坏。

关键词泥岩边坡病害变形破坏模式

我国是一个地域广阔的国家，西南大片地区为山区，随着基础建设的飞速发展，大量的高边坡问题不断地出现，而泥岩高边坡是最为棘手的一类高边坡问题。泥岩属于典型的沉积岩类原生软岩，具有透水性差、亲水性好、易风化崩解、遇水软化膨胀变形、失水收缩、岩体结构面发育等工程特性，因此正确认识泥岩的病害特征及其破坏模式是科学合理地对该类边坡进行稳定性分析及防护设计的前提条件。

目前国内外对于泥岩的定义还没有统一的标准，在国外，英美学者多数把粒级大小小于1/256mm,含量超过2/3的岩石称为粘土岩，把粒级大小在1/16～1/256mm，且含量超过2/3的岩石称为粉砂岩，粘土岩与粉砂岩之间的过渡岩才称为泥岩。国内学者对泥岩的定义是在软土岩的基础上进行细化，最终概括性描述为：泥岩是一种由粘土固化或坚硬岩软化而成的沉积岩，层理或页理不明显，质地松软，重结晶不明显，固结程度差，呈块状的粘土岩，主要由细颗粒粘土矿物、碎屑矿物、后生矿物以及铁锰质和有机质组成，矿物成分复杂，粘土矿物含量大于50%，亲水性强，内聚力大、抗压强度低，一般在0.17～10MPa之间，属于典型的原生软岩。

1泥岩边坡的病害特征

边坡的病害[1]是指在边坡上发生的一切变形破坏的统称,见图1。从变形规模上可分为坡体变形、边坡变形、坡面变形；从破坏模式上分滑坡、

错落、倾倒、坍塌、崩塌、楔体破坏和落石等，其中坍塌、崩塌落石属于坡面变形；滑坡、倾倒和错落属于坡体变形。

图1　泥岩边坡病害示意图

泥岩因成岩较差、岩性软弱、含有膨胀性矿物、岩体不利结构面较发育。部分地区受构造影响，岩体破碎，开挖后形成的高边坡，其变形破坏呈线状分布，且破坏类型及破坏模式较为复杂，多表现为复合型。就变形而言，有山体变形与坡体变形、边坡变形、坡面变形相复合，坡体变形与边坡变形、坡面变形相复合，边坡变形与坡面变形相复合等；就破坏模式来说，有剪切滑移与拉裂破坏、坍塌与剪切滑移复合，倾倒与崩塌复合，错落与崩塌复合等。根据长期以来的工程实践，按照以变形规模大、危害程度较高的坡体变形为主要研究对象，列出几种典型泥岩高边坡病害结构类型，见表1。

表1　几种典型泥岩高边坡病害结构类型

2泥岩边坡的典型破坏模式

通过对大量工程项目调查分析，结合以上分析的泥岩边坡病害主要结构类型，最终归纳总结出了5种泥岩典型的破坏模式:风化剥落、楔体破坏、倾倒破坏、滑移-拉裂破坏、牵引式滑动破坏。

2.1风化剥落

研究表明，泥岩边坡在相对稳定的环境下的风化主要集中在表层10cm范围内，风化速率比较慢，其风化速率受温度和降雨影响较大，特别是高温季节，突然降雨会使表层岩体温度骤降，与内部岩体形成较大温差使得岩体迅速风化崩解[2]。泥岩边坡风化剥落的主要形式有：针叶状撒落、球状风化体滚落、碎块落石和局部崩塌，其风化剥落的产物都堆积在坡脚上，结构松散，粒径较小，很容易被雨水带走。

针叶状撒落指的是泥岩边坡的表层岩体，暴露在自然状态下，受温度和降雨影响，岩体风化崩解形成很多小裂隙，使得表层岩体被分解成无数长1～3cm、厚0.3～1cm的小碎片，碎片两头尖中间大，硬度较大，但易碎，边缘棱角明显扎手。表层以下为风化基岩，裂隙发育，基本不长植被；球状风化体滚落指的是均匀泥岩岩石中发育多组节理裂隙，把岩体分割成很多尺寸不一样的立方形块体，块体的棱角处，自由表面积最大，受气候的不断变化，经过一段时间，块体的棱角因风化作用，逐渐消失而圆化，形成直径尺寸不同的球形或椭球形岩体，包裹在破碎的岩体中，其岩性强度接近原岩，一旦周围破碎岩体掉落后，球状风化体落空就滚落下来了；碎块落石指表层岩体受风化作用影响，坡体里裂隙扩大，风化层厚度不断加深，形成20～60cm的多面临空岩块分离体，在外营力作用下崩落，常发生在构造节理较发育，温差较大的地方。局部崩塌指泥岩坡体里分布有构造节理和风化裂隙切割的不利结构面，坡体局部可能发生塌方，但方量不大，一般为1～5m3。

2.2楔体破坏

该类破坏也称V形破坏，是指泥岩中2组或2组以上的结构面，把岩体切割成不稳定的楔形体，并沿2结构面或多个结构面贯通形成的破裂面的交线下滑，其滑塌量少则l～5m3，多则几百m3，甚至更大。若滑塌后出露2个平整的结构面直到坡项时，则表明该楔体滑塌已完成，若边坡不呈现上述形状，说明边坡还未稳定，还有继续发生楔体破坏的可能。

2.3倾倒破坏

倾倒破坏指层状陡倾角顺层和反陡倾向边坡，表层岩体因蠕动变形朝临空面方向发生弯曲、折断的一类边坡变形破坏形式[3]。这一形式蕴含了弯曲倾倒破坏、块状倾倒破坏、块状-弯曲倾倒破坏3种模式。弯曲倾倒为柔性破坏，多发生在软质岩层中，岩层厚度较小，结构面较单一，变形发展较慢，一旦破坏，规模较大。块状倾倒为脆性破坏，多发生在陡倾角顺层硬质岩边坡中，破坏前变形破坏较快。块状-弯曲倾倒多发生在软岩互层层状岩体中。对于泥岩边坡，一般只有2种倾倒破坏模式：一种是单一薄层状陡倾角边坡，因泥岩岩层强度低，厚度薄，岩体整体性差，变形大，易向坡面倾向方向发生弯曲、折断破坏，在坡体内形成一贯通的破坏面，导致边坡整体失稳；另一种是泥岩和其他硬质岩互层的陡倾边坡，因泥岩易风化，遇水易软化，强度低，变形大，导致边坡岩体塑性区范围增大，坡顶出现大量的裂缝，一旦雨水浸入，表层岩体很容易倾倒。

2.4滑移-拉裂破坏

滑移-拉裂破坏是顺层岩质边坡的基本变形破坏模式，该类变形破坏的机理为：受自重及其他应力作用，岩层倾角小于坡角，大于潜在滑动面内摩擦角时，岩体沿相当软弱的层面发生顺层滑移拉离破坏，同时还可能导致多个层面被拉离而贯通，形成新的滑动面，当滑动面上岩体的下滑力完全超过抗滑力时，整个滑动体沿已贯通的滑动面整体下滑，滑面常呈直线型或折线型。结构面相对于岩体本身来说相关力学强度要小很多，而顺向结构面往往又是地下水流通的渠道，水对岩体有润滑、软化、浮力作用，对于泥岩而言，结构面的软弱性表现得更加明显。对于结构面较发育的泥岩边坡，只要坡顶附近有水源存在，坡体内就源源不断有裂隙水从中流出。若无水源，受气候影响也比较大，雨季时，结构面附近岩体大量吸水，岩体膨胀，破面开裂；干旱时，结构面附近岩体大量失水，岩体收缩，坡体下沉，坡面裂缝不断增大，结构面附近岩体更加破碎，导致多个结构面的贯通，形成滑动面，最终导致边坡失稳。

2.5牵引式滑动破坏

对于泥岩类堆积体的滑动破坏常发生在表层第四系及近代松散堆积层[4-6]，有时其破坏面还可能延伸到强风化基岩里面，其破坏模式为牵引式滑动破坏，堆积层主要由第四系各种不同成因的碎石块和粘土组成的混合体。该类混合体具有结构松散、成分复杂、孔隙比大、透水性强、变形大等特点。下伏泥岩，强风化厚度大、亲水性强、透水性差，因降雨和地下水补给，常导致基岩面附近积水，增加岩土体的重力，从而降低坡体的抗滑力。边坡开挖或暴雨，是主要诱发因素。雨水沿表面裂缝入渗堆积体，汇集在土层与基岩接触面上，形成滞水带，基岩被软化，滑面土体的力学性质明显下降，产生动态浮托力，同时雨水不断渗入基岩的裂缝和软弱结构面，产生动、静水压力，迫使基岩结构面缝隙不断扩大，从而加剧了堆积体的变形速度[7]。

3结论与建议

本文结合大量工程项目实践，系统地分析了泥岩高边坡的主要病害结构类型，并归纳分析了5种常见的泥岩高边坡破坏模式，得出以下结论：

(1) 泥岩高边坡病害结构类型主要有：顺倾层状结构、反倾层状结构、陡倾层状结构、基座式上软下硬结构、交叉式楔形结构，不同边坡结构模式下，破坏机制又不尽相同。

(2) 通过对大量工程项目调查分析，结合以上分析的泥岩边坡病害主要结构类型，最终归纳出了5中常见的泥岩边坡的破坏模式：风化剥落、楔体破坏、倾倒破坏、滑移-拉裂破坏、牵引式滑动破坏。

(3) 针对于不同的边坡病害结构类型及破坏模式，采取针对性的、预见性的设计方案，将有助于工程的安全。

(4) 在泥岩边坡的治理过程中，应当尽量将泥岩边坡的表层与外界相隔离，避免因不合理的开挖引起的边坡失稳。

参考文献

[1]马惠民,王恭先.山区高速公路高边坡病害防治实例[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2]张俊云,周德培.红层泥岩边坡快速风化规律[J].西南交通大学学报，2006,41(1)：74-78.

[3]邹丽芳,徐卫亚,宁宇.反倾层状岩质边坡倾倒变形破坏机理综述[J].长江科学院院报,2009,26(5):25-30.

[4]李迪,李亦明,张漫.堆积体滑坡滑带启动变形分析[J].岩石力学与工程学报,2006,25(2): 3879-3884.

[5]李迪,张保军,张漫.堆积体滑坡滑带渐近破坏分析[J].地下空间与工程学报,2007(1):151-156.

[6]刘辉.堆积层滑坡机理及其稳定性研究[D].西安:西安工业大学，2012.

[7]朱维伟.强风化泥岩高边坡综合加固与防护[J].盐城工学院学报,2011,24(1)：7-11.

ResearchonDeformationFailureModesand

FeatureofSlopeDiseasesofMudstone

An Mingxu1,WuSen2,LinGang1,ChenFangping1,LiMing3

(1.GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademyCo.,Ltd.,Guiyang550081,China;

2.SichuanInstituteofGeologicalEngineeringInvestigation,Chengdu610072,China;

3.SchoolofEnvironmentandResources，SouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang621010,China)

Abstract：Highslopeproblemsappearconstantlyinthedevelopmentoftheinfrastructure,especiallytheissueofmudstoneslope.Differentslopestructurepossiblefailuremodeofthemudstoneslopeisobtainedinthispaperthroughanalyzing6kindsofmudstoneslopediseaseslopestructures:consequentdipdirectionlayeredstructure,reversedipdirectionlayeredstructure,craggydipdirectionlayeredstructure,pedestalsofthardstructure,crossingwedgestructure.Finally5kindsoftypicalmudstoneslopefailuremodes:weatheringflake,wedgefailure,dumpingdestruction,slipping-crackingdestruction,tractionslidingaresummarizedoutandthenecessarybasisforfurtherevaluationofmudstoneslopestabilityisputforward.

Keywords:mudstone;slopediseases;deformationandfailuremodes

收稿日期：2014-11-05

InvestigationofProtectiveDesignforMudstoneSlope

Lin Gang, An Mingxu

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademyCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Mudstone is a kind of poor engineering properties of rock, bringing great trouble to the engineering practice. The method for determining of mudstone slope geotechnical mechanics index is probed into in this article and verified by FLAC. At the same time considering various factors, mudstone slope stability can be divided into: stable, basically stable, poor stability and instability four classes. According to the slope protection design principles, combined with the feature of all kinds of slope, some protective measures are put forward.

Key words:mudstone; failure mode; FLAC; preventive measure

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.023