川北地区侏罗纪红层软弱夹层力学特性分析

胡 婷

(四川交通运输职业学校, 四川成都 611130)



川北地区侏罗纪红层软弱夹层力学特性分析

胡 婷

(四川交通运输职业学校, 四川成都 611130)

在四川省广元至江油一带的侏罗纪地层中，分布着多层厚度从几厘米到几十厘米的软弱夹层，它是物质、环境、动力等综合作用下形成的地质结构，工程特性较为复杂。在铁路、公路工程建设中，线路在测区内大多平行构造线展布，顺层边坡问题十分突出。这些软弱夹层控制着岩体的结构和稳定性，最易诱发滑坡、崩塌等地质灾害，因而研究软弱夹层力学特性具有重要意义。

侏罗纪； 红层； 软弱夹层； 力学特性

1 侏罗纪红层软弱夹层地区分布简介

四川省广元至江油地区，位于大巴山、四川盆地两个地貌单元区的过渡带，属于构造侵蚀中低山丘陵地貌。位于川西北台陷次级构造与龙门山构造带过渡的边缘地带，距龙门山断裂带较近，主要为中生界单斜地层(图1)。

图1 区域工程地质略图

测区侏罗纪地层分布较广，主要有上统的莲花口组，中统的遂宁组、沙溪庙组、千佛岩组，下统白田坝组，出露较为齐全。其岩性以紫红色泥岩、粉砂质泥岩为主。夹薄～中厚层状泥质粉砂岩、粉砂岩、细粒长石石英砂岩。岩层走向N30°～50°E，倾向SE，广元至剑门阁段，岩层较平缓，倾角5°～15°。剑门关至江油段，岩层较陡，倾角一般35°～40°。现场调查发现，在这套地层中层间广泛分布着多条软弱夹层，露头多呈光滑的镜面，表明在构造应力作用下，沿软、硬岩层接触带或软岩内部曾发生过层间剪切错动，属于原生构造型软弱夹层。室内试验结果显示，软弱夹层以伊利石、蒙脱石和高岭石黏土矿物为主，属于弱膨胀土，亲水性强，遇水易软化，抗剪强度显著降低，且具有峰值强度较高而残余强度较低的变动强度特性。在铁路、公路工程建设中，由于软弱夹层特殊的物理力学性质，大量边坡工程发生滑坡、崩塌等地质灾害。

2 软弱夹层力学强度的影响因素

软弱夹层是物质、环境、动力等综合作用下形成的地质结构，工程特性较为复杂。根据王行本的研究，影响软弱夹层力学强度因素可归纳为夹层内松散物质的性态和岩壁效应[1]。测区内软弱夹层多沿层理分布，产状稳定连续，且充填度大，岩壁效应对夹层强度影响较小，主要受充填物本身的性态所控制，而颗粒组成、矿物成分、密度、含水量等是影响夹层物质性态的主要因素。因此，矿物成分及物理特性是研究夹层力学强度的基础。

3 矿物成分及物理特性

软弱夹层和其它地质体一样处于一定的地质环境中，其物理性质既是夹层本身物质基础的表现 ,又是夹层和周围环境相互作用的外在表现。物质基础是影响夹层塑、液限的重要因素，环境条件如地应力、地下水等通过夹层含水量、干密度、孔隙比等指标得到很好地反映[2]。侏罗系地层属典型的红层，为古巴蜀湖盆的湖泊相沉积，形成于干燥炎热的气候环境[3]，在这种强氧化条件下，蒸发作用强，水介质盐度高，有利于形成伊利石、蒙脱石、高岭石等黏土矿物，为软弱夹层的形成提供了物质基础。显微镜下观察，软弱夹层矿物成分主要矿物为伊利石、蒙脱石和高岭石，次要矿物为方解石，胶结物主要为泥质胶结物。黏土矿物含量约为75 %，蒙脱石、伊利石是较强亲水矿物，使软弱夹层具有亲水性强，遇水易软化，强度降低，在水的作用下易膨胀，失水易崩解等特性，直接影响软弱夹层的变形和强度特征。据室内试验成果，夹层的塑限为19.6 %～22.8 %，液限为37.6 %～40.8 %，塑性指数为18 %，液性指数为 -0.3 %～0.1 %，此软弱夹层为坚硬状低液限黏土；其天然状态下密度为1.95～2.09 g/cm3，干密度为 1.66～1.78 g/cm3， 含水率为17.2 %～17.5 %，孔隙比为 0.529～0.635。软弱夹层的物理性质见表1。

4 膨胀性分析

物理性质试验结果表明，软弱夹层已泥化为黏性土，采用膨胀土理论对两种类型的夹层样品进行膨胀性试验(表2)，夹层自由膨胀率41 %～47 %，蒙脱石含10.37 %～17.49 %，阳离子交换量16.25～28.53 mmol/kg，具有弱至中等膨胀性。膨胀性与黏土矿物的含量密切相关，表明膨胀性试验与矿物分析的结果是吻合的。

表1 物理性质试验结果

表2 膨胀性试验结果

5 抗剪强度

5.1 直剪试验

用直剪试验测定天然状态和饱和状态下夹层的抗剪强度，实验方法采用快剪，施加大小分别为50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa的垂直压力，以0.5 mm/min的剪切速率进行剪切，使试样在3～5 min的内剪坏。根据天然状态直剪与饱和状态直剪的试验所得数据回归分析，求出C值、φ值，试验结果如表3所示。从快剪的结果看，饱和条件下，C值减少了约60 %，φ值减少了约35 %，表明软弱夹层遇水饱和后，抗剪强度会显著降低，且C值的降低幅度远大于φ值。

表3 抗剪强度试验成果

5.2 残余强度试验

根据王恭先等的研究，残余强度与土的原始含水量及原始密度无关。即不论是超固结土还是正常固结土，不论其初始密度是多少，其残余强度都是一样的，可以用重塑土采用反复直剪试验测定夹层的残余强度[4]。实验方法采用慢剪，对试样分别施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa垂直压力，以0.02 mm /mim的剪切速度进行剪切，当剪切位移达到最大后，故须对上样进行多次重复剪切，反转电机，将上、下剪切盒反推至重合，再进行下一次剪切，如此重复3～4次，当剪应力与剪切位移关系曲线基本水平时，停止剪切，得到反复直剪试验剪应力与累计剪切位移关系曲线。从图2可以看出，第一次剪切有明显的峰值，而后应力大幅衰减，经过2～3次的反复剪切后，应力-应变关系趋于稳定。与峰值强度相比，残余强度远小于峰值强度，主要是因为软弱夹层含有大量具有片状结构的伊利石、蒙特石、高岭石等矿物，在剪切面附近黏粒高度定向排列所致。

图2 剪应力-剪切位移关系曲线

5.3 选取与分析

原生构造型软弱夹层，在构造应力作用下，沿软、硬岩层接触带或软岩内部曾发生过层间剪切错动，强度处于残余剪切状态。鲁皮尼、斯金纳和伏格汉在在进行了一系列试验和观察的基础上，根据土中圆形颗粒和板状(片状)颗粒的相对含量，将土残余剪切状态分为滑动型、紊动型和过渡型三种。滑动型应采用残余强度，紊动型接近峰值强度，过渡型介于 两者之间[4]。该地层中的软弱夹层含有大量具有片状结构的伊利石、蒙特石、高岭石等矿物，在剪切面附近黏粒高度定向排列，具有明显的脆性，属于滑动型剪切状态。因此，应采用残余强度对边坡工程进行检算。

6 软弱夹层对边坡工程的影响

测区属于低山丘陵区，顺层边坡问题十分突出，在软弱夹层的控制下，多处边坡工程在施工过程中出现滑塌现象。笔者认为原因主要有两个方面：一是在构造应力和卸荷作用下，软弱夹层发生过层间剪切错动，在该方向上的强度处于残余状态，残余强度控制着边坡的长期稳定，由于残余强度较低，即使是较平缓(倾角一般5°～15°)的岩层，开挖一段时间以后，边坡也会产生破坏。二是软弱夹层主要有黏土矿物组成，吸水产生膨胀，在软弱夹层接触面产生负压，对夹层以上的物质产生顶托作用，暴雨往往成为边坡滑塌的诱因。

7 结论

(1)侏罗纪地层中的软弱夹层作为一种特殊地质结构，是成岩条件、地质构造和地下水活动等作用的产物，它主要由伊利石、蒙脱石和高岭石等黏土矿物组成的低液限黏土，具有弱至中等膨胀性。

(2)软弱夹层的残余强度控制着边坡的长期稳定，在边坡的稳定性分析时，应采用残余强度而不是峰值强度。

(3)软弱夹层的厚度虽小，却控制着工程的安全稳定。在勘察工作中应引起重视，重点查清软弱夹层的工程性状及分布特点。

[1] 王行本．关于软弱夹层的抗剪强度问题[J]. 水力发电, 1985(4).

[2] 胡涛，任光明， 聂德新，等. 沉积型软弱夹层成因分类及强度特征[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2004, 15(1).

[3] 黄绍槟，程强，胡厚田．四川红层分布及工程环境特征研究[J].公路， 2005(5).

[4] 王恭先. 滑坡防治中的关键技术及其处理方法[J]. 岩石力学与工程程学报， 2015(11).

胡婷(1982～)，女，学士，讲师，研究方向为道路工程。

TU44

A

[定稿日期]2016-10-31