紅砂巖邊坡穩定性能分析

程小兵，朱彥鵬，馬國綱（.酒泉職業技術學院，甘肅酒泉75000；.蘭州理工大學，甘肅蘭州70000；蘭州市城市建設設計院；甘肅　蘭州70000）

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紅砂巖邊坡穩定性能分析

程小兵1，朱彥鵬2，馬國綱3
（1.酒泉職業技術學院，甘肅酒泉735000；2.蘭州理工大學，甘肅蘭州730000；3蘭州市城市建設設計院；甘肅蘭州730000）

摘要：紅砂巖具有極強的風化崩解與遇水軟化的性質。在一定應力狀態下浸水后，在水膜的潤滑作用下，顆粒發生相互滑移、破碎和重組，使得巖體軟化；當水沿著孔隙、裂隙進入紅砂巖內部時，吸附水膜增厚，一些膠結物便會軟化甚至溶解，從而引起巖石顆粒的崩解解體，產生巖土體變形失穩，使得控制地表沉降及邊坡穩定性防治困難。因此，研究紅砂巖軟化和崩解性對工程建設尤為重要。

關鍵詞：邊坡穩定性；紅砂巖；崩解；分析

泥巖、泥質砂巖、砂巖、砂質泥巖以及頁巖等沉積巖類巖石，因富含氧化物而表現為紅色、褐色或深紅色，故統稱這類巖石為紅砂巖。大部分紅砂巖經挖掘暴露后，在風吹日曬雨淋的作用便可崩解破碎，乃至泥化，因而紅砂巖的顆粒級配與巖塊大小也隨著干濕交替的時間過程而不斷變化，同樣，其物理力學性質也隨之變化。可按崩解特性和強度，將紅砂巖分為三類：

一類紅砂巖：單軸抗壓強度＜15MPa，烘干后浸水24h，現渣狀、泥狀或粒狀崩解；二類紅砂巖：單軸抗壓強度在15MPa左右，烘干后浸水24h，現塊狀崩解；三類紅砂巖：單軸抗壓強度＞15MPa，與普通砂巖相當，基本上不崩解。

圖1　紅砂巖

1　紅砂巖的結構特征

紅砂巖常見的天然結構有泥狀結構和粒狀碎屑結構兩類，隨著風化程度和膠結物質的變化，其強度表現出很大的離散性[1]。根據巖石學劃分規則，可以將其分成粘土巖類與碎屑巖類，前者主要有泥巖、砂質泥巖、砂質頁巖和頁巖等；后者主要有礫巖、砂巖、粉砂巖、泥質細砂巖、泥質粉砂巖、泥質砂巖等。

泥狀結構粘土巖類的工程性質主要由蒙脫石和伊利石等親水性礦物成分的含量決定[2]，表現為水穩定性很差，極易崩解軟化。當伊利石和蒙脫石的含量較多時，其工程性質極差，極易產生病害。

2　紅砂巖的崩解特性

紅砂巖屬沉積巖，崩解性強[3]，抗風化能力差、巖質較弱，成巖程度低，邊坡巖體的風化深度較大，當粉砂巖和紫紅色泥巖互層時，邊坡風化更甚，風化深度可達10m。紅砂巖的風化性能區別較大，粘土類紅砂巖崩解軟化較易，隨著干濕循環次數及暴露時間的增加，不斷破碎，最終成泥狀或渣狀[4]；砂巖的抗壓強度高，抗風化性能也好。試驗表明，隨著干濕循環次數和軟化暴露時間的增加，巖塊也逐漸崩解破碎，崩解穩定約需50～60d（8次干濕循環）時間，到達穩定狀態后將不再崩解變化。

3　紅砂巖的力學性質

試驗表明，壓實后的紅砂巖透水性很差[5]，當壓實度超過重型擊實標準90%時，表面積水很難下滲，僅能影響到表層土體的含水量；壓實后的二類紅砂巖的防滲性能與粘土相當。一類紅砂巖水穩定性較差，為防止表層的紅砂巖浸水后軟化、膨脹變形、強度下降，應對邊坡外露面采取有效的隔水措施。

表1　各類紅砂巖試件（16組）室內CBR值隨浸水時間變化的試驗結果（平均值）

由表1可以看出，對于98擊一類巖與30擊二類巖，隨著浸水時間的增加，其CBR值有所下降；而對于98擊和50擊二類巖的CBR值與浸水時間無明顯的相關性。根據試驗結果，一類紅砂巖的水穩定性很差，一旦長期受水浸泡，強度將大幅降低。

4　紅砂巖邊坡常見的破壞形式

紅砂巖邊坡的穩定性受巖石的風化、雨水滲透與巖石結構面的雙重控制[6]。通常，風化最強烈的部位在邊坡坡腳，所以，紅砂巖邊坡的破壞往往是風化剝落與結構面失穩破壞的綜合表現。紅砂巖邊坡常見的破壞形式主要有：溜坍、風化剝落、楔體破壞、崩坍和順層滑坡等。

4.1溜坍

溜坍，是邊坡經雨水沖刷，土體含水量飽和后，坡體沿縱向開裂，部分土體與母體脫開并沿某一滑動線發生下滑。當遇有強降雨或連續降雨時，容易暴發溜坍災害。發生溜坍病害的條件：1）匯水面積較大，如具有凹形匯水條件的緩坡地段；2）有堆積較厚的松散砂粘土夾碎石層；3）山坡植被局部破壞、表層不平整、排水不暢。

4.2風化剝落

風化剝落的表現形式主要有：局部崩坍、碎塊狀剝落、碎片狀剝落和碎粒狀剝落，遭雨水沖蝕容易產生沖溝。

局部崩坍往往發育在含有較多砂巖，構造節理及風化裂隙等有利切割的局部坡面。崩坍體體積一般1～3m3左右。

構造節理發育較密，溫差較大處較易發生碎塊狀剝落。風化頗重帶的粉質泥巖及泥巖，往往風化成2～3cm的小碎塊，隨著風化程度的加劇與風化裂隙的擴展，在外力作用下便即崩落，通常只發生在坡面局部，崩落量不大。

4.3楔體坡壞

楔體坡壞一般由層面與構造結構面的關系控制。當滑面上部為構造面，下部為層面時，將沿著構造面和層面的復合滑面滑坡；當結構面有斷泥層、充填土時，往往沿構造結構面發生滑坡，出現楔體滑坡。

4.4崩塌

崩塌破壞常發生在邊坡過陡、層理節理發育巖體被雨水作用時，或軟弱的泥巖和粉砂巖分布于下層，而堅硬的厚層砂巖分布于上層時，往往存在潛在崩塌點。

4.5順層滑坡

在構造作用下，紅砂巖山體多形成10°～25°傾角的緩傾巖體。當邊坡坡角巖大于層傾角，而坡向與巖層傾向相同時，就可能發育順層滑坡，尤其當紅砂巖為硬質巖與軟質巖交替成層狀多元結構巖體，并順著巖層走向開挖時，往往容易發生滑坡。

5　紅砂巖邊坡失穩破壞機理

紅砂巖的特殊物理性質和構造特點，使得紅砂巖邊坡失穩破壞既有類似于同類型邊坡失穩破壞的地方，也存在特殊的發育條件。如順層滑坡應同時滿足下述四個條件：1）內摩擦角φ＜巖層傾角α；2）巖層傾角α＜邊坡坡角β；3）兩側面脫開；4）巖石出露。

5.1沿軟弱的泥化夾層發生滑動

紅砂巖軟弱夾層會因泥化導致抗滑阻力大幅下降，紅砂巖中的泥化夾層往往是最軟弱，也是延伸更長的可能滑動面，所以，紅砂巖坡體主要沿軟弱的泥化夾層發生失穩破壞。

5.2風化會引起滑面抗剪強度降低，促使坡體失穩

以粘土礦物為主要膠結物的紅砂巖，在大氣環境暴露后風化迅速，遇水軟化，導致巖體強度迅速降低，同時層間粘聚力和摩擦力也相應降低，導致抗剪強度隨之降低。紅砂巖在遭受強烈風化時的風化深度往往較大，一般可超過10m，另外由于很多構造節理已經張開，泥化夾層發育強烈，經受長期大雨時，雨水滲入邊坡后，又沿泥化夾層滲出邊坡。

對于巖層傾角大于15°的部位，經開挖暴露后多會失穩發生下滑。

有很多坡體是在暴露數年后，巖體風化致使強度下降，到了雨季受到裂隙水壓力的觸發而產生變形失穩。因此，紅砂巖在強光照和雨水作用下經若干次干濕交替，當滑動面泥化夾層的強度降低到一定值時，便即產生滑坡。

5.3降雨是紅砂巖發生滑坡的關鍵誘因

紅砂巖邊坡滑坡多出現在雨季。滑坡的產生，與當年的降水強度和降水量密切相關，也與地層巖性、地形地貌和地質構造息息相關。強降雨以及持續降雨會使得滑面的抗剪強度顯著降低。另外，由于紅砂巖的節理、層理、裂隙發育，當雨水滲入裂縫時，增加了沿斜面下滑的致滑力，同時也降低了抗滑磨阻力，二者共同作用導致邊坡穩定系數減小。

參考文獻：

[1]胡昕,洪寶寧.紅砂巖強度特性的微結構試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(10):2141-2147.

[2]黃慶,胡振南.紅砂巖高填方路堤沉降規律研究[J].中國公路,2009(11):98-99.

[3]鄧覲宇.紅砂巖的崩解特性研究[J].中南公路工程,2003 (4):32-35.

[4]趙明華,鄧覲宇,曹文貴.紅砂巖崩解特性及其路堤填筑技術研究[J].中國公路學報,2003,16(3):1-5.

[5]劉林芽,高柏松.紅砂巖工程特性的試驗研究[J].鐵道建筑,2007(11):44-46.

[6]文素琴.紅砂巖路基施工技術與質量控制[J].公路工程, 2008(3):106-112.

中圖分類號：U213.1+3