軟巖邊坡破壞特征及防治措施研究

熊靖輝 龍曉麗

(中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098)

1 概述

泥巖或泥質(zhì)粉砂巖構(gòu)成的邊坡川中地區(qū)較多見(jiàn)，多為侏羅系、第三系地層，強(qiáng)度較低，成巖性較差。由其組成的邊坡易發(fā)生滑坡，且發(fā)生破壞后難以治理。此類基巖因多呈褐紅色、紫紅色，故又名“紅層”。關(guān)于其性質(zhì)研究已十分豐富，多是關(guān)于其水理性質(zhì)、工程特性、邊坡穩(wěn)定及治理措施的分析［1，2］，關(guān)于其發(fā)生滑坡的成因機(jī)制的分析也有很多，但具體對(duì)于滑坡的特征、現(xiàn)象研究較少，從而對(duì)于成因機(jī)制的分析，主要?dú)w結(jié)于軟巖的膨脹性、崩解性，機(jī)制上主要?dú)w于滑塌型、塑流—拉裂型、蠕變型等［3，4］。治理措施也限于清除滑體、封閉邊坡。但仍出現(xiàn)邊坡防護(hù)措施，如擋墻等數(shù)次推倒后重修等現(xiàn)象發(fā)生［5］。主要是對(duì)于已發(fā)生變形的基巖清理不徹底，從而引發(fā)進(jìn)一步的膨脹甚至是破壞。

軟巖具有粘聚強(qiáng)度低，內(nèi)摩擦角高，抗剪強(qiáng)度低，軟化系數(shù)低等特點(diǎn)，一般還有弱膨脹性、崩解性以及流變性，遇水強(qiáng)度急劇降低。而極軟巖構(gòu)成的人工邊坡一般在浸水后，邊坡的坡率已經(jīng)不能作為其是否能夠滑塌的判斷依據(jù)，實(shí)際放坡達(dá)到1∶1.00，甚至在1∶1.50的情況下，滑塌現(xiàn)象依然是屢見(jiàn)不鮮。

泥巖或泥質(zhì)粉砂巖根據(jù)規(guī)范對(duì)于巖石堅(jiān)硬強(qiáng)度的分類:當(dāng)小于15 MPa時(shí)稱為軟巖，小于5 MPa時(shí)稱為極軟巖。從工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，軟巖構(gòu)成的邊坡，主要由于軟巖具有崩解性、膨脹性等，水理性質(zhì)較差，邊坡防水成為保證邊坡穩(wěn)定的重中之重，一旦泡水，人工邊坡滑塌幾乎是必然的。

2 軟巖物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 地層物理性質(zhì)指標(biāo)

研究區(qū)域內(nèi)基巖主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖及砂巖不等厚互層狀地層，基巖上覆薄層粉質(zhì)粘土。

粉砂質(zhì)泥巖、泥巖層多為磚紅、紫紅色，多夾灰白色、青灰色團(tuán)塊及條帶，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部夾角礫及巖屑，中～厚層狀構(gòu)造。

物理力學(xué)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1中飽和試樣與原試樣個(gè)數(shù)的差距是由于巖(芯)樣在進(jìn)行飽和單軸抗壓強(qiáng)度吸水(飽水)后，已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行飽和單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)，也就是說(shuō)，巖(芯)樣已經(jīng)崩解或破壞。

表1 極軟巖物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.2 軟巖地層膨脹性及崩解性指標(biāo)

同時(shí)對(duì)3件泥巖巖(芯)樣進(jìn)行了自由膨脹率試驗(yàn)以及耐崩解性試驗(yàn)，測(cè)得的自由膨脹率介于27.0%～52.0%，耐崩解性指數(shù)介于2.15%～3.68%，根據(jù)鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院劉禮成提出的膨脹性軟巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［6］見(jiàn)表2。

表2 膨脹性軟巖分類標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表2研究區(qū)的基巖為弱膨脹性巖，并且具有弱崩解性。

軟巖的膨脹性主要是由其組成的黏土礦物成分決定的，礦物成分的含量不同，對(duì)水的敏感程度不同。這也是膨脹巖對(duì)其所處的環(huán)境的物理?xiàng)l件變化(主要是濕度變化)敏感的重要原因。基巖的崩解性可看作是膨脹性的另一面描述，這兩個(gè)指標(biāo)均與基巖的物質(zhì)成分及結(jié)構(gòu)有緊密聯(lián)系［7，8］。

3 軟巖地層特性

3.1 膨脹性

軟巖的膨脹性［9］一般指其在水的作用下(含水率增加)體積增大的現(xiàn)象，與軟巖的物質(zhì)組成，特別是其黏土礦物的含量關(guān)系密切。一般情況下，分為內(nèi)部膨脹和外部膨脹。內(nèi)部膨脹是指水分子進(jìn)入晶胞層間而發(fā)生的膨脹。外部膨脹是指極化的水分子進(jìn)入顆粒與顆粒之間而產(chǎn)生的膨脹性。主要是由于黏土類礦物都是層狀硅酸鹽，基表面積主要是底表面積。就是說(shuō)，水主要存在于小薄片與小薄片之間，并使其膨脹。而這兩種膨脹性的表現(xiàn)于宏觀上就形成軟巖內(nèi)部的微裂隙擴(kuò)展、貫通而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，最終軟巖體積發(fā)生膨脹。而在失水過(guò)程中，無(wú)側(cè)限壓力情況下，微觀上黏土礦物并不能在失水后“恢復(fù)原狀”，而會(huì)發(fā)生不均勻的塌縮，應(yīng)力平衡破壞，巖體破裂。

3.2 崩解性

軟巖的崩解性是軟巖中的黏土類礦物集合體在水作用時(shí)膨脹應(yīng)力不均勻分布造成的崩裂現(xiàn)象，同樣其在失水過(guò)程中，應(yīng)力由于黏土類礦物結(jié)合水或游離水損失也會(huì)造成應(yīng)力重分布，引起軟巖的破碎或崩解。

研究區(qū)鉆探過(guò)程中取出的巖芯，日光下經(jīng)過(guò)3 h～4 h就會(huì)開(kāi)裂，經(jīng)過(guò)3 d～5 d完全碎裂呈巖屑狀或泥狀。

3.3 軟巖邊坡情況

開(kāi)挖人工邊坡施工后，邊坡情況見(jiàn)圖1。

圖1 人工邊坡開(kāi)挖后概化剖面圖

此邊坡的主要組成均為極軟巖，為泥巖及粉砂質(zhì)泥巖，5.00 m～8.00 m表層為厚度約0.2 m～0.5 m的粉質(zhì)粘土層。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。但時(shí)值汛期，在邊坡開(kāi)挖暴露后約半個(gè)月后，2010年9月2日，此段邊坡發(fā)生了長(zhǎng)度約200 m不同程度的滑塌現(xiàn)象。

4 滑坡(塌)現(xiàn)象及其機(jī)制分析

4.1 滑坡(塌)特征

滑坡長(zhǎng)約8 m～15 m，寬約200 m，滑體厚度平均約5 m～7 m。滑坡前緣為滑坡舌，伸入至河道內(nèi)，堵塞已開(kāi)挖河道。滑坡體周界較為明顯，其后緣為坡頂排水溝，上游邊界為開(kāi)挖未完成時(shí)形成的略凸向河道的原有巖土體，下游邊界為排水溝與河道接通處。

滑坡體整體物質(zhì)較為松散，滑坡范圍內(nèi)未見(jiàn)明顯滑動(dòng)面及滑坡壁，滑坡體呈倒錐狀、舌狀堆積于開(kāi)挖河道內(nèi)，滑坡體內(nèi)拉裂縫密布。后緣拉裂縫多平行于坡面，傾角近直立或反傾狀，大型拉裂縫之間多形成小型臺(tái)階或陡坎。滑體中、前部拉裂縫多以小型平行網(wǎng)狀拉裂縫為主。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)滑體清理后，滑面充分揭露，滑面傾向與坡向基本垂直，傾角約為 30°，坡頂段(滑坡(塌)后緣)基本垂直，長(zhǎng)度約80 cm～120 cm，下段滑面基本呈直線狀，略呈弧形，向坡面鼓出。

對(duì)滑體部分清理完成2 d后，坡體又進(jìn)一步發(fā)生了小規(guī)模的滑動(dòng)，滑體體積不大，滑面仍略呈外鼓弧形。

4.2 滑坡(塌)機(jī)制分析

巖體組成的邊坡在較小的坡率(小于1∶1.00)下依然發(fā)生滑坡(塌)現(xiàn)象是難以理解的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，邊坡坡頂?shù)呐潘疁鲜鞘┕挝桓鶕?jù)原有工程經(jīng)驗(yàn)在雨季施工期間設(shè)置的，但未進(jìn)行防滲處理，且溝底面不平整，致使降雨后部分雨水蓄積，且未及時(shí)進(jìn)行人工排水，雨水大量入滲。組成坡體的主要為泥巖，其宏觀上裂隙不發(fā)育，滲透系數(shù)較低，雨水在重力作用下入滲，且同時(shí)因泥巖的水理特性，黏土類礦物不斷吸水，遇水后微裂隙不斷擴(kuò)張，進(jìn)一步促使雨水下滲。在下滲至某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，滲入底端與坡腳連線上部的土體由于受重力作用及坡體基巖由于滲水膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力增加使得邊坡穩(wěn)定性逐步下降，最終形成滑坡(塌)。

而最深層滑面以下的基巖，并不如硬質(zhì)巖類保持原有的完整程度和物理性質(zhì)，而同樣也是在水理作用下力學(xué)指標(biāo)下降的基巖，滑面的外鼓形態(tài)就很好地證明了滑面以下的軟巖正在膨脹。

5 結(jié)語(yǔ)

1)軟巖邊坡主要受控于其水理軟化作用，開(kāi)挖邊坡的防水措施是重中之重，必須做好防排水工作。

2)軟巖邊坡破壞形式主要以表層滑動(dòng)為主，對(duì)坡面的防滲處理能夠避免形成厚層滑動(dòng)。

3)滑坡(塌)治理過(guò)程中一定要對(duì)既定滑面下一定深度內(nèi)的基巖挖除后方可進(jìn)行邊坡封閉作業(yè)。

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