十堰邓坪滑坡变质岩工程特性研究

邵 勇，左冬立，徐光黎，刘 维，王振华

(1.湖北省城市地质工程院,湖北 武汉 430050； 2.中国地质大学(武汉),湖北 武汉 430070)

2017年9月下旬以来,十堰市连降强暴雨,平均降雨量达480 mm,较同期偏多3倍,是1956年气象记录以来的最大值。10月4日,G242国道邓坪工业园段170多米长的公路下塌将距国道下方500 m远的工业园区一幢1 500 m2的厂房掩埋。10月5日,持续强降雨引起十堰市郧阳区柳陂镇福利院东侧山体发生滑坡险情,造成福利院挡墙平移2～3 m,地面拱起0.5～1.0 m。10月初,谷竹高速多处路段因为连续强降雨发生山体滑坡,造成交通中断,对设置的抗滑桩及格构护坡设施造成了破坏。

以上滑坡均是发生在十堰市片岩、板岩、千枚岩等软变质岩构成的易滑地层中。如十堰邓坪滑坡,其滑床主要为中元古界武当山群强—中风化绢云母石英片岩,滑坡中前部滑带为绢云母石英片岩软弱带,滑坡后部滑带主要成分为绢云母石英片岩风化物。通过对其工程特性的研究,揭示类似滑坡灾害孕育及发展的规律。在9月底—10月初十堰地区集中爆发的多处滑坡地质灾害中,均存在连续降雨的情况,因此变质岩的水理性质将是本研究的重点之一。

1 变质岩滑坡研究现状

国内外对中国变质岩地区的滑坡地质灾害研究较少,对十堰变质岩地区的滑坡研究更少,基于变质岩地区滑坡工程实例的研究几乎没有。李志刚[1]和熊炜[2]分别对堵河流域变质岩地质灾害及秦巴山区软弱变质岩浅表层滑坡开展了研究,王伟[3]则对贵州省黔东南江县地区的浅变质岩分布区地质灾害易发性进行了分区,吴道荣[4]建立了闽北地区老变质岩地区滑坡实时远程监测网络系统。

变质岩岩性较弱,存在大量的细微节理,制样不便,针对其性质的实验研究较为困难。目前开展的研究主要包括：赵法锁对某工程边坡软岩的三轴实验研究,于德海开展的水对绿泥石片岩力学性质的实验研究,贺汇文对秦岭变质岩区岩体结构特征及公路边坡稳定性的研究,陈文玲对黑河水库坝肩边坡云母石英片岩三轴蠕变机理及蠕变模型的研究,许江坤研究了黔东南浅变质岩边坡变形破坏机制。

2 十堰竹山县邓坪滑坡变质岩工程特性研究

本项目处在武当与大巴山脉间,构造活动较为强烈,该地区的变质岩是由造山运动形成的区域变质岩。通过薄片鉴定、XRD等研究方法,揭示了变质岩的矿物组成和显微结构(图1)。对变质岩的物理特性、力学特性、水理特性等工程特性进行了一系列测试,为揭示类似滑坡灾害孕育及发展的规律研究奠定基础。

图1 邓坪滑坡1-1′工程地质纵剖面图[5]Fig.1 1-1′ Engineering geological profile of Dengping landslide1.第四系滑坡堆积层;2.含碎石粉质粘土;3.绢云母石英片岩;4.滑动带;5.中元古界片岩;6.碎石土;7.素填土;8.裂缝及编号;9.耕植土;10.滑坡前缘破碎的绢云母石英片岩;11.强风化带;12.片理产状;13.中风化带;14.钻孔孔号。

2.1 实验样品采集

实验用岩样取自于湖北省十堰市西南竹山县的邓坪滑坡中部及上部滑坡体。取样近100余块,重约125 kg,岩块大小有别,分为中风化和强风化两组(图2)。

图2 变质岩石取样点位置图Fig.2 Sampling points for metamorphic rocks

2.2 变质岩物理性质

2.2.1现场针贯入原位实验

为了在滑坡现场就能对变质岩的岩土体物理力学性质有较为直观的认识,同时为了便于现场取样时对中风化和强风化进行筛选分类,本研究采用SH-70软岩针贯入仪对变质岩石进行了原位测试,以获得其强度特性(图3)。在岩石露头表面厚度>15 mm且表面比较平整的部位进行,贯入方向分垂直层理方向和平行层理方向,测试环境为雨后。

图3 针贯入仪现场原位测试Fig.3 In situ penetration test

根据公式(1)算出针贯入比(NPI值),然后通过NPI与单轴抗压强度计算公式(2)换算出岩石的单轴抗压强度。邓坪滑坡变质岩针贯入原位实验结果见表1。

表1 邓坪滑坡岩体针贯入实验统计表Table 1 Statistical table of penetration test

NPI=F/D

(1)

式中：F为贯入力；D为贯入量；NPI单位是mm。

δ=0.417 83NPI0.978

(2)

式中:δ为单轴抗压强度,MPa。

根据Rc与岩石坚硬程度的对应关系表(表2),雨后的邓坪滑坡出露岩体为软岩—极软岩,垂直层理方向的抗压强度在1～10 MPa之间,平行层理方向的抗压强度在1 MPa左右,且垂直层理方向的抗压强度浮动范围显著高于平行层理方向。

表2 Rc与岩石坚硬程度的对应关系Table 2 Corresponding relationship between Rc and rock hardness

2.2.2变质岩基本物理性质

对该滑坡体变质岩进行了基本的常规物理性质实验,结果见表3。

表3 变质岩基本物理性质表Table 3 Basic physical properties of metamorphic rocks

岩石块体密度天然条件下为2.62～2.65 g/cm3,干燥后为2.60～2.63 g/cm3,饱水时为2.64～2.69 g/cm3,颗粒密度2.71～2.74 g/cm3。总体来说,该变质岩试样的孔隙度较大,为3.82%～4.24%。样品含水量在1.08%～1.17%之间。根据下文中的变质岩显微结构实验结果,认为孔隙度大的主要原因是岩石内部层理中存在大量微裂缝隙。

2.3 变质岩微观性质研究

2.3.1薄片鉴定实验

通过对邓坪滑坡变质岩的薄片鉴定,表明该滑坡体变质岩中大部分含有伊利石/云母、绿泥石、长石、石英等矿物,含量较高的有伊利石/云母、绿泥石。它们在岩石里呈定向排列,层状结构明显,板片结构极为发育。矿物之间以泥质胶结为主,层间附着力低。另外,不同变质程度的岩石中的矿物组成和含量差异很大,且分布不匀,产生较大岩性差异。

图4 邓坪滑坡绢云母石英片岩显微照片Fig.4 Microscopic photos of Sericite quartz schist in Dengping landslide

2.3.2XRD实验

实验选取了中、强风化岩样分别进行了XRD实验,测试其全岩矿物组成,结果见表4、图5及图6。

表4 X射线粉晶衍射实验分析结果Table 4 Analysis results of X-ray powder diffraction test

图5 中风化岩样衍射波谱图Fig.5 Diffraction spectrum of medium weathered rock samples

图6 强风化岩样衍射波谱图Fig.6 Diffraction spectrum of strongly weathered rock samples

测试结果表明,该滑坡体强风化变质岩中矿物含量最高的是伊利石/云母(云母和伊利石衍射光谱重叠,将其合并),中风化变质岩中矿物成分含量最高的是绿泥石,符合绢云母片岩的形成规律,即在表生作用下,长石绿泥石化,斜长石绢云母化。此三类矿物对变质岩的各项工程特性均有决定性的影响。

2.4 变质岩力学性质研究

为了初步确定变质岩的力学性质,对在邓坪滑坡现场采集的岩块进行点荷载实验,得到点荷载强度指数,并换算出抗压强度。并根据其在风干和饱水状态下分别测得的垂直板理和平行板理方向的抗压强度,计算出变质岩的各向异性指数和软化系数,以此判断变质岩垂直板理和平行板理的力学性质差异,以及其与岩石风化程度和含水程度之间的关系。

抗压强度σc=22.82Is0.75

(3)

抗拉强度σt=KIs

(4)

式中：K取0.86～0.96。

点荷载实验岩样取自邓坪滑坡散落的较为完整的具有一定长、宽、厚度的岩块,分别在天然和饱和条件下对岩样进行了点荷载实验。本次实验对于滑坡区区绢云母石英片岩中风化垂直/平行片里各10个样,共20个,强风化也同样取20个样,并对于岩样在风干状态和饱和状态分别进行点荷载实验,岩样合计80个。实验结果见表5。

根据表2,中风化绢云母石英片岩属于较软岩,强风化绢云母石英片岩属于软岩。绢云母石英片层理发育,在垂直和平行层理方向表现出各向异性,两个方向的抗压强度比值即为各向异性指数。从表5中可以看出,中风化片岩的各向异性指数为1.47,强风化片岩的为1.54,各向异性明显。

表5 绢云母石英片岩各向异性及软化性统计表Table 5 Anisotropy and softening of sericite quartz schist

根据公式(4),绢云母石英片岩的抗拉强度集中在0.1～1.2 MPa之间,所以无论垂直或平行层理方向,其抗拉能力均较弱,且裂纹表面光滑,可判断层理面的抗剪能力也较低,易发生剪切破坏。

绢云母石英片岩的软化系数(饱和抗压强度与干抗压强度之比)为0.68～0.94,可见水对变质岩强度的影响较为明显。

2.5 岩石水理性质实验

2.5.1膨胀性实验

通过2.3变质岩微观性质研究结果可知,邓坪滑坡体变质岩含伊利石、绿泥石等粘土矿物,因此需要测定其遇水后的膨胀率。制成Φ50 mm×50 mm的中风化绢云母石英片岩标准试件开展自由膨胀率实验,计算公式如下：

VH=ΔH/H

(5)

VD=ΔD/D

(6)

式中：VH为轴向膨胀率；VD为径向膨胀率；ΔH为试样轴向变形值；ΔD为试样径向变形值；H为原始试件高度；D为原始试件直径。

从表6可知,中风化绢云母石英片岩具有一定的膨胀性,且VH远大于VD,即垂直层理方向的膨胀性要大于平行层理方向,膨胀性在不同的层理方向差异显著。变质岩遇水后,水很容易沿层理面进入岩石内部,引起层理面间的伊利石、云母、绿泥石等粘土矿物含水率上升,矿物晶体结构发生膨胀和隆起,产生变形。由于在垂向上,粘土矿物与水之间缺乏连接通道,因此在平行层理方向上的膨胀变形要小的多。

表6 岩样①、②自由膨胀率统计表Table 6 Free expansion rate of rock samples

2.5.2耐崩解性实验

对不同风化程度(强风化、中风化)的绢云母石英片岩开展了耐崩解性测试,实验结果如表7所示。

表7 崩解性实验结果表Table 7 Disintegration test results

根据实验结果可知,不同风化程度的绢云母石英片岩的耐崩解性差异较大。根据甘布尔崩解耐久性分类表(表8),中风化绢云母石英片岩的耐崩解性为中高等级,强风化岩则为低等级。

表8 甘布尔崩解耐久性分类表Table 8 Ganbull disintegration durability classification

根据前文所述的该变质岩矿物颗粒胶结方式、胶结物种类、层理结构形式等内容,在周期性的干湿交替作用下,必然会导致绢云母石英片岩层理面间粘聚力弱化,使岩石逐步软化崩解,且岩石风化程度越高,耐崩解性越差。

3 结论

通过对十堰邓坪滑坡变质岩的微观特性、物理特性、力学特性和水理特性研究,得出了该滑坡变质岩中风化和强风化全岩矿物及含量,主要为伊利石/云母、绿泥石等粘土矿物,均占全岩矿物含量90%以上。通过现场针贯入和点荷载实验确定其属于软岩—较软岩。饱水状态下垂直片理面方向抗压强度为<16.2 MPa,板理面之间的抗拉强度<1 MPa。饱水状态下平行片理面方向的抗压强度<10 MPa,抗拉强度为0.1 MPa左右。各向异性指数为1.5左右,具有明显的各向异性特征,随着风化程度的加剧,各向异性也愈加明显。绢云母石英片岩软化系数为0.64～0.72,且随着风化程度加剧而增大。垂直板理面方向的膨胀率为0.32～0.79,有一定的膨胀性,且垂直板理面方向的膨胀性远超过平行板理方向。耐崩解能力一般(56%～88%),板理面易吸水、开裂。

对于邓坪典型变质岩切层滑动滑坡,其滑体物质下层为遇水极易软化的强风化绢云母石英片岩。滑坡后缘变形破坏产生的裂缝与滑带直接相连形成贯通通道,降水可直接沿后缘裂缝进入滑带,使滑带土层在地下水作用下软化。滑体物质从后缘到中部土层由薄变厚,到滑坡前缘逐渐变成绢云母石英片岩基岩,且强风化绢云母石英片岩由于地下水的作用软化后其抗剪强度大大降低,最终导致滑坡从前缘剪出。

基于变质岩区滑坡岩土体的工程地质特性,针对此类滑坡,应着重采取以下防治措施：①建立地质灾害气象预报预警业务流程,及时发布灾害预警信息；②汛期加强滑坡体及地下水监测,防汛与滑坡防治同步开展；③为潜在滑坡灾害体建立完善的截排水体系,防止外围地表水进入滑坡区；④建设坡面生态防护工程,减少降雨及地表水下渗；⑤严禁各类工程建设活动随意切破；⑥削方减载改善边坡的稳定性。