差异风化对软硬互层红层边坡变形控制研究

刘榜余 杨根兰 覃乙根 谢金 董岩

摘要： 原本处于稳定的红层近水平软硬互层工程边坡，经过近5 a的差异风化，局部会出现掉块现象，对公路的正常运营和行车安全造成威胁。选择具此特征的仁-赤高速元厚边坡为例，通过现场调查，获得该类边坡现场实际变形特征。在此基础上运用底摩擦试验及3DEC离散元数值模拟方法研究该类边坡变形破坏随差异风化的发展过程。结果表明：① 元厚边坡的变形破坏模式主要为坠落式破坏和倾倒式破坏。② 差异风化形成的凹岩腔深度对边坡变形破坏起控制作用，当凹岩腔发育深度为1 m时，边坡局部发生变形破坏;当凹岩腔发育深度达2 m时，危岩体发生坠落式或倾倒式崩塌。③ 综合分析边坡岩体结构特征及变形破坏演化模式，提出“清坡+封闭软层+主动防护网+排水工程”的处治方案。研究成果能为赤水红层地区该类型工程边坡的防治方案确定提供理论参考。

关 键 词： 差异风化; 软硬互层边坡; 底摩擦试验; 离散元; 红层

中图法分类号：  P642.2

文献标志码：  A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.08.018

0 引 言

红层是指外观以红色为主色调，以陆相沉积为主的中、新生代碎屑沉积岩层，在我国西南、西北、华中及华南地区分布广泛[1]。岩性主要由泥质岩类、砂岩类软硬岩相间组成，硬岩相对坚硬、强度高，软岩相对软弱、遇水易软化、抗风化能力弱，二者具明显差异风化现象，使软岩向内剥落退进形成凹岩腔，硬岩悬空形成危岩[2]。近年来，在红层地区公路工程建设中，坡体开挖和差异风化型危岩经常诱发坡体滑塌等地质灾害，研究该类边坡的变形破坏过程与机理具有工程意义[3]。

目前，国内已有大量学者对红层边坡的变形破坏开展了相关研究，骆银辉等[4]认为红层边坡变形破坏过程经历蠕变、剪切和滑移3个阶段，结合工程实例，提出了对红层边坡危害的防治对策。胡斌等[5]以西南地区某软硬互层红层边坡为例，对其崩塌机理进行研究并提出了相应治理方案。程强[6]综合运用野外调研、室内试验、数值模拟等多种手段研究了红层近水平地层及倾斜地层风化剥蚀灾害及软岩开挖灾害形成机理，并提出相应防治技术。肖尚德等[7]从运动方式和影响因素两个方面对恩施盆地红层边坡变形破坏模式进行了研究，并分析了各类变形破坏模式的特点和变形破坏过程。史文兵等[8]通过建立贵州平缓反倾红层边坡概念模型并结合UDEC数值模拟方法，研究了该类边坡的变形破坏机制，将其变形演化过程分为4个階段和3种破坏类型。杨旭等[9]采用物理模型试验研究了红层软岩边坡在不同降雨模式下的变形破坏过程与规律，认为强降雨导致岩体软化崩解是引起该类边坡破坏的主要因素。

上述学者对红层边坡的变形破坏研究取得了大量成果，但研究内容主要为边坡在开挖或降雨条件下的变形破坏机制。本文在前人研究基础上，以赤水元厚边坡为例，基于野外地质调查，结合底摩擦试验和3DEC数值模拟方法，开展差异风化对红层近水平软硬互层工程边坡变形控制的研究，研究成果可为赤水红层地区该类型工程边坡的防治方案确定提供理论参考。

1 边坡地质环境特征

1.1 工程地质条件

研究区位于贵州省赤水市习水县境内，所研究的元厚边坡位于元厚镇赤水河左岸（见图1），地理位置为105°55′56″、N28°21′57″。出露地层为第四系残坡积层（Q4dl+el）、白垩系嘉定群组（Kjd）和侏罗系上统蓬莱镇组第二段（J3p2），岩性为砂岩与泥岩不等厚互层，其中砂岩呈厚层-巨厚层状，分布于整个研究区范围内。地下水类型主要为松散岩类孔隙水和碎屑岩类基岩裂隙水。区域断裂构造简单，构造线展布总体呈东西向。

1.2 边坡岩体结构特征

边坡岩体主要由泥岩、砂岩软硬相间组成，岩层产状近水平（见图2）。其中砂岩厚度较大，为0.5～10.0 m，泥岩厚度相对较薄，为0.1～3.0 m。岩体中主要发育构造裂隙和开挖形成的卸荷裂隙，受地形条件制约，传统勘察手段难以对岩体结构面参数进行有效获取。本文利用无人机倾斜摄影测量技术和运动恢复结构算法（SFM）建立研究区三维模型[10]，如图3所示，获取岩体结构面信息，得出岩体中发育两组优势结构面（见表1），结构面将岩体切割成“菱形体”，对其变形破坏起控制作用。

1.3 边坡变形特征

边坡主要由泥岩、砂岩软硬相间组成，二者具明显差异风化现象，使泥岩向内剥落形成凹腔，砂岩向外悬挂形成危岩，危岩体主要受底部未完全贯通的陡外倾节理裂隙控制。根据野外现场调查，元厚工程边坡的变形破坏主要出现在2个部位：在坡面两侧及坡体上部约60 m范围内，岩体在卸荷和风化共同作用下结构面扩展，岩体发生倾倒式和坠落式破坏;在坡表堆积层与基岩接触部位有滑塌现象，在边坡两侧开口边界处均有掉块现象，如图4所示。

2 底摩擦试验研究

2.1 试验原理

底摩擦试验[11-12]是一种常见的物理模拟方法，试验原理是通过模型与设备产生的摩擦力（面力）来模拟原型物体在天然状态下所受的体积力（重力），研究模型在摩擦力作用下的稳定性及变形破坏模式。

2.2 试验设备及模型材料

试验设备采用的是贵州大学资环学院的变频调速底摩擦试验机，模框尺寸为0.8 m×1.0 m，图像采集使用贵州大学资源与环境工程学院高速摄像机（千眼狼2F04M），如图5所示。

本次试验主要考虑模型的摩擦系数（即内摩擦角）与原型相似，兼顾重度及黏聚力等其他因素。根据模型试验要求，选取几何相似比lR=100，内摩擦角相似比fR=1。在前人研究基础上[13]，选择重晶石粉、膨润土、石英砂和液体石蜡为原材料制作可重复利用的可塑性相似材料，通过多次配比试验并进行相关分析，得到最优配比方案，相关参数如表2所列。

2.3 试验现象描述

根据野外地质调查结果，选择典型的2-2′剖面进行模型试验。在三维模型中，量测得到2组优势结构面节理间距均约为5 m，根据相似原理，在制作好的物理模型中对砂岩层分别预加间距5 cm的近似垂直节理裂隙，如图6所示。根据底摩擦试验过程中模型的变形破坏特征，将其变形破坏演化过程分为3个阶段。

（1） 边坡开挖卸荷裂隙扩展阶段。

自上而下分3步对边坡进行开挖，每完成一步，运行底摩擦试验30 min，观察模型变形破坏特征。完成第1，2步工程开挖后，模型沿试验仪运行方向有压密现象，节理裂隙张开度无明显变化。完成第3步工程开挖30 min后，节理裂隙张开度扩展，运行底摩擦试验3 h后，节理裂隙张开度明显，临坡面处呈微张形态，宽度约为0.2～0.5 mm，边坡表面无明显变形破坏迹象，基本处于稳定状态，试验结束，如图7所示。

（2） 差异风化阶段。

由上述底摩擦试验现象可知，在公路开挖过程中及完成初期，边坡表面无明显变形破坏迹象，边坡处于稳定状态。在赤水红层地区，泥岩和砂岩存在明显差异风化现象，使泥岩向内退进剥落形成凹岩腔，砂岩向外悬空形成危岩。

在上述开挖试验的基础上研究差异风化的退进对边坡变形破坏产生的影响。根据相似理论，模型中的凹岩腔每退进1 cm，相当于实际边坡凹岩腔退进1 m。随着凹岩腔向内退进，边坡变形破坏特征和发展过程如下：

将凹岩腔退进1 cm，运行底摩擦试验30 min后，临坡面裂隙张开度持续扩展，呈张开形态，宽度为0.5～2.0 mm;第3，5，7号和13号层砂岩产生少量掉块，如图8所示。

（3） 凹岩腔持续退进边坡变形破坏阶段。

将凹岩腔退进2 cm，试验运行1 h后，第5，7号和9号砂岩临坡面裂隙继续扩展，相继形成拉裂缝，裂缝自下而上发育;试验继续进行10 min后，第5号、7号砂岩岩桥锁固段破坏沿临空面发生倾倒式破坏;试验运行1 h 30 min后，第3号、13号层砂岩岩桥锁固段破坏，在重力作用下相继发生坠落式破坏，如图9所示。

将凹岩腔退进4 cm，试验运行2 h后，13层砂岩发生坠落式破坏，11号层砂岩沿临空面发生倾倒式破坏，试验持续进行10 min后，3号、1号层砂岩相继发生坠落式破坏;试验运行2 h 30 min后，1层砂岩沿临空面发生倾倒式破坏。试验运行3 h后，5层砂岩沿临空面发生倾倒式破坏，如图10所示。随后边坡的变形破坏形式大致以同样的演化方式进行，破坏岩体堆积在坡脚，试验结束，如图11所示。

2.4 试验结果分析

由上述底摩擦試验现象可以得出以下认识：

（1） 在公路边坡开挖完成一段时间内，边坡表面无明显变形破坏迹象，主要表现为陡倾节理的扩展，基本处于稳定状态。

（2） 在凹岩腔退进过程中，将凹岩腔退进1 cm，相当于实际边坡凹岩腔退进1 m时，砂岩局部掉块，边坡局部发生变形破坏。将凹岩腔退进2 cm，相当于实际边坡凹岩腔退进2 m时，当凹岩腔退进深度未超过砂岩的结构面位置时，危岩体岩桥锁固段破坏发生倾倒式崩塌;当凹岩腔退进深度已超过砂岩的结构面位置时，危岩体岩桥锁固段破坏发生坠落式崩塌。这表明凹岩腔发育深度对边坡变形破坏起控制作用，岩腔后壁与结构面的相对位置决定了危岩体的破坏模式。

（3） 持续退进凹岩腔，边坡的变形破坏形式大致以同样的演化方式进行，但不会发生整体性的滑动破坏，是沿结构面一层一层的剥落破坏。砂岩在破坏时，厚层砂岩在结构面及重力的影响下更容易发生倾倒式破坏，相比之下，较薄层的砂岩更容易发生坠落式破坏。

（4）  边坡的变形演化过程可分为开挖卸荷裂隙扩展阶段、差异风化阶段和凹岩腔持续退进边坡变形破坏阶段。在实际工作中可对比现场凹岩腔的深度，预测目前边坡变形处于哪个阶段。边坡的变形机制为由差异风化引起危岩体发生倾倒式或坠落式破坏。

3 边坡变形破坏数值模拟验证

3.1 计算模型及参数选取

为进一步认识元厚边坡变形破坏模式，并验证物理模型试验结果的可靠性，采用离散元数值模拟软件3DEC对元厚边坡进行数值模拟分析[14]。数值模拟采用与物理模拟一致的简化地质模型，模型尺寸：水平方向（x轴）长80 m，竖直方向（z轴）高109 m，y轴方向延伸15 m。模型材料为砂岩和泥岩，结构面主要考虑层理和节理裂隙，模型计算采用莫尔-库仑屈服条件的弹塑性模型[15]。根据土工试验数据结合元厚地区工程经验，综合给出边坡岩体及结构面物理力学参数，如表3～4所示。

3.2 模拟计算结果分析

确定边界条件和模型取值参数后，根据剖面模型图在3DEC中建立地质模型，如图12（a）所示。数值模拟结果与上述底摩擦试验结果基本一致，边坡的变形演化过程同样可分为3个阶段：

（1） 对边坡分步开挖完成后，进行模型计算，结果表明边坡在开挖卸荷作用下表现为局部失稳掉块，边坡基本处于稳定状态，如图12（b）所示。

（2） 在模拟差异风化过程中，下伏泥岩风化剥落速度快，泥岩退进形成凹岩腔;上部砂岩风化剥落速度慢，砂岩向外悬挂形成危岩，如图12（c）所示。

（3）  随着差异风化的进行，模型中的凹岩腔持续向内退进，当凹岩腔退进深度超过结构面所在位置时，在自重应力作用下，危岩发生坠落式破坏，如图12（d）所示。当凹岩腔退进深度未超过结构面所在位置时，危岩沿结构面发生倾倒式破坏，如图12（e）所示。随后，边坡变形破坏形式大致以同样的演化方式进行，破坏岩体堆积于坡脚，如图12（f）所示，计算结束。

以概念模型为基础，结合野外地质调查分析，建立边坡3DEC数值模型，采用离散元数值模拟试验（3DEC）对底摩擦试验结果的可靠性进行验证。数值模拟结果与上述底摩擦试验结果基本一致，边坡变形破坏演化过程与实际调查情况大致吻合，得出凹岩腔发育深度对边坡变形破坏起控制作用，岩腔后壁与结构面的相对位置决定了危岩体的破坏模式。其变形演化过程同样可分为3个阶段，从量化的角度较好地验证了底摩擦试验结果的可靠性。

4 边坡变形破坏机理分析

在野外地质调查基础上，结合上述底摩擦试验结果与数值模拟试验计算，将赤水红层近水平软硬互层边坡的变形破坏过程分为如下3个阶段。

（1） 边坡开挖卸荷裂隙扩展阶段。

在公路边坡开挖过程中及完成后的一段时间内，临空面周围的岩体在开挖卸荷作用下发生卸荷回弹，引起卸荷面岩体内部应力重分布和应力集中效應，使岩体产生卸荷变形，主要表现为陡倾节理的进一步扩展，不会对岩体造成破坏。

（2） 差异风化阶段。

边坡开挖完成后，由于边坡岩性由泥岩、砂岩软硬相间组成，二者具明显差异风化现象，使下伏的泥岩向内退进剥落形成凹岩腔，上部的砂岩向外悬挂形成悬挑状危岩。在自身重力、裂隙水压力等诱发因素下，局部危岩失稳发生坠落。

（3）  凹岩腔退进边坡变形破坏阶段。

随着差异风化的进行，凹岩腔持续向内退进，临坡面裂隙逐渐发展成拉裂缝。当凹岩腔退进深度已超过砂岩的结构面位置时，危岩体成为悬空结构，在坡体应力和自重应力等作用下，危岩体岩桥锁固段破坏而发生坠落式崩塌。当凹岩腔退进深度未超过砂岩的结构面位置时，下伏泥岩基座承担部分荷载，上部砂岩块体重心外移，当下伏泥岩基座支撑不住上部砂岩块体时，危岩体岩桥锁固段破坏沿结构面发生倾倒式崩塌。

5 边坡处治建议

根据机理分析，对于红层近水平软硬互层工程边坡，凹岩腔的形成与发展进程为其主要变形控制因素。结合元厚工程边坡岩体结构特征及变形破坏模式，综合考虑边坡的长期稳定性和边坡外观与景观协调性，提出如下边坡处治建议：清坡+封闭软层+主动防护网+排水工程。

（1） 清坡：对坡面上的明显松动岩体进行清理，清理前可在坡底设拦石排架等拦截设施。

（2） 封闭软层：采用景观协调材料，封闭易风化软层，减缓边坡凹岩腔的形成与发展。

（3） 主动防护网：采用主动防护网对边坡进行整体防护，以限制坡面岩土体的风化剥落或破坏以及危岩崩塌，同时将落石控制在一定范围内运动。

（4） 排水工程：在坡体底部泥岩与砂岩分界处布置仰斜排水孔，在坡面分界处布置系统排水孔。

6 结 论

以赤水元厚边坡为例，在详细的野外地质调查基础上，利用无人机倾斜摄影测量技术获取岩体结构面信息，采用底摩擦试验结合离散元数值模拟研究分析差异风化对红层近水平软硬互层工程边坡的变形控制作用，得出以下结论。

（1） 通过野外现场调查，元厚边坡的变形破坏模式主要为坠落式破坏和倾倒式破坏。

（2）底摩擦试验结果和离散元模拟计算表明差异风化形成的凹岩腔深度对边坡变形破坏起控制作用，岩腔后壁与结构面的相对位置决定了危岩体的破坏模式。当凹岩腔退进深度已超过砂岩的结构面位置时，危岩体发生坠落式崩塌。当凹岩腔退进深度未超过砂岩的结构面位置时，危岩体岩桥锁固段破坏沿结构面发生倾倒式崩塌。

（3）综合分析元厚边坡的变形破坏演化过程为：边坡开挖卸荷裂隙扩展阶段→差异风化阶段→凹岩腔持续退进边坡变形破坏阶段。当凹岩腔发育深度为1 m时，边坡局部发生变形破坏。当凹岩腔发育深度达2 m时，危岩体发生坠落式或倾倒式崩塌。在实际工作中可对比现场凹岩腔的深度，预测目前边坡变形处于哪个阶段。

（4） 综合分析边坡岩体结构特征及变形破坏演化模式，对红层近水平软硬互层工程边坡提出 “清坡+封闭软层+主动防护网+排水工程”的处治方案。

参考文献：

[1]  程强，寇小兵，黄绍槟，等.中国红层的分布及地质环境特征[J].工程地质学报，2004（1）：34-40.

[2] 张永兴，卢黎，张四平，等.差异风化型危岩形成和破坏机理[J].土木建筑与环境工程，2010，32（2）：1-6.

[3] 王骑虎.甘肃红层工程地质特性与边坡稳定性研究[D].北京：北京工业大学，2016.

[4] 骆银辉，朱春林，李俊东.云南红层边坡变形破坏机制及其危害防治研究[J].岩土力学，2003（5）：836-839.

[5] 胡斌，黄润秋.软硬岩互层边坡崩塌机理及治理对策研究[J].工程地质学报，2009，17（2）：200-205.

[6] 程强.红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[7] 肖尚德，唐辉明，唐睿旋，等.恩施盆地红层边坡变形破坏模式研究[J].工程地质学报，2016，24（6）：1080-1087.

[8] 史文兵，李洪建，曾臻，等.平缓反倾红层边坡变形破坏机制研究[J].防灾减灾工程学报，2018，38（5）：881-888.

[9] 杨旭，周翠英，刘镇，等.华南典型巨厚红层软岩边坡降雨失稳的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2016，35（3）：549-557.

[10]  覃乙根，杨根兰，鲁鲲鹏，等.贵州寨子危岩崩塌风险定量评价研究[J].人民长江，2019，50（10）：113-119.

[11] 冯文凯，石豫川，柴贺军，等.缓倾角层状高边坡变形破坏机制物理模拟研究[J].中国公路学报，2004（2）：33-37.

[12] 张灵熹，陈筠，刘恋嘉，等.云盘头滑坡变形破坏机制研究[J].长江科学院院报，2019，36（11）：27-33.

[13] 许强，张登项，郑光.锦屏I级水电站左岸坝肩边坡施工期破坏模式及稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2009，28（6）：1183-1192.

[14] 张冬冬，窦斌，李勇，等.基于3DEC的洞室开挖支护中错动带作用机制研究[J].人民长江，2016，47（23）：86-90.

[15] 巨能攀，趙建军，黄润秋，等.基于3DEC的边坡块体稳定性分析[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2009，28（6）：925-928.

（编辑：刘 媛）

引用本文：

刘榜余，杨根兰，覃乙根，等.

差异风化对软硬互层红层边坡变形控制研究

[J].人民长江，2021，52（8）：120-126.

Study on deformation of soft and hard interlayer slope in red bed

controlled by differential weathering

LIU Bangyu1，YANG Genlan1，QIN Yigen1，XIE Jin1，DONG Yan2

（ 1.College of Resource and Environment Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China; 2.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China ）

Abstract：

After nearly 5 years differential weathering，the rock pieces in the horizontal soft and hard interlayer engineering slope in the red bed begin to fall off locally，although originally in a stable status，threatening the normal operation and driving safety of the highway.Taking the Yuanhou slope of Ren-Chi Expressway as an example，we obtained its actual deformation characteristics through field investigation.On this basis，the development of engineering slope deformation and the advancement of differential weathering were explored by using the base friction test and 3DEC discrete element numerical simulation.The results demonstrate that：①  the deformation and failure modes of the Yuanhou slope are mainly falling failure and toppling failure.② The depth of the concave rock cavity formed by differential weathering controls the deformation and failure of the slope.Specifically，local deformation and failure of the slope would occur when the development depth of the concave rock cavity reached 1 m;the dangerous rock body would be falling or dumping collapse when the development depth of the concave rock cavity reached 2 m.③  The treatment scheme of “slope cleaning+closed soft layer+active protective net+drainage engineering” is proposed according to the structural characteristics and the deformation and failure evolution mode.The results can provide theoretical reference for the determination of the prevention and control scheme of this kind of engineering slopes in the Chishui red bed area.

Key words：

differential weathering;soft and hard interlayer slope;base friction test;discrete element method;red bed