川北地區侏羅紀紅層軟弱夾層力學特性分析

胡 婷

(四川交通運輸職業學校, 四川成都 611130)

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川北地區侏羅紀紅層軟弱夾層力學特性分析

胡 婷

(四川交通運輸職業學校, 四川成都 611130)

在四川省廣元至江油一帶的侏羅紀地層中，分布著多層厚度從幾厘米到幾十厘米的軟弱夾層，它是物質、環境、動力等綜合作用下形成的地質結構，工程特性較為復雜。在鐵路、公路工程建設中，線路在測區內大多平行構造線展布，順層邊坡問題十分突出。這些軟弱夾層控制著巖體的結構和穩定性，最易誘發滑坡、崩塌等地質災害，因而研究軟弱夾層力學特性具有重要意義。

侏羅紀； 紅層； 軟弱夾層； 力學特性

1 侏羅紀紅層軟弱夾層地區分布簡介

四川省廣元至江油地區，位于大巴山、四川盆地兩個地貌單元區的過渡帶，屬于構造侵蝕中低山丘陵地貌。位于川西北臺陷次級構造與龍門山構造帶過渡的邊緣地帶，距龍門山斷裂帶較近，主要為中生界單斜地層(圖1)。

圖1 區域工程地質略圖

測區侏羅紀地層分布較廣，主要有上統的蓮花口組，中統的遂寧組、沙溪廟組、千佛巖組，下統白田壩組，出露較為齊全。其巖性以紫紅色泥巖、粉砂質泥巖為主。夾薄～中厚層狀泥質粉砂巖、粉砂巖、細粒長石石英砂巖。巖層走向N30°～50°E，傾向SE，廣元至劍門閣段，巖層較平緩，傾角5°～15°。劍門關至江油段，巖層較陡，傾角一般35°～40°。現場調查發現，在這套地層中層間廣泛分布著多條軟弱夾層，露頭多呈光滑的鏡面，表明在構造應力作用下，沿軟、硬巖層接觸帶或軟巖內部曾發生過層間剪切錯動，屬于原生構造型軟弱夾層。室內試驗結果顯示，軟弱夾層以伊利石、蒙脫石和高嶺石黏土礦物為主，屬于弱膨脹土，親水性強，遇水易軟化，抗剪強度顯著降低，且具有峰值強度較高而殘余強度較低的變動強度特性。在鐵路、公路工程建設中，由于軟弱夾層特殊的物理力學性質，大量邊坡工程發生滑坡、崩塌等地質災害。

2 軟弱夾層力學強度的影響因素

軟弱夾層是物質、環境、動力等綜合作用下形成的地質結構，工程特性較為復雜。根據王行本的研究，影響軟弱夾層力學強度因素可歸納為夾層內松散物質的性態和巖壁效應[1]。測區內軟弱夾層多沿層理分布，產狀穩定連續，且充填度大，巖壁效應對夾層強度影響較小，主要受充填物本身的性態所控制，而顆粒組成、礦物成分、密度、含水量等是影響夾層物質性態的主要因素。因此，礦物成分及物理特性是研究夾層力學強度的基礎。

3 礦物成分及物理特性

軟弱夾層和其它地質體一樣處于一定的地質環境中，其物理性質既是夾層本身物質基礎的表現 ,又是夾層和周圍環境相互作用的外在表現。物質基礎是影響夾層塑、液限的重要因素，環境條件如地應力、地下水等通過夾層含水量、干密度、孔隙比等指標得到很好地反映[2]。侏羅系地層屬典型的紅層，為古巴蜀湖盆的湖泊相沉積，形成于干燥炎熱的氣候環境[3]，在這種強氧化條件下，蒸發作用強，水介質鹽度高，有利于形成伊利石、蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，為軟弱夾層的形成提供了物質基礎。顯微鏡下觀察，軟弱夾層礦物成分主要礦物為伊利石、蒙脫石和高嶺石，次要礦物為方解石，膠結物主要為泥質膠結物。黏土礦物含量約為75 %，蒙脫石、伊利石是較強親水礦物，使軟弱夾層具有親水性強，遇水易軟化，強度降低，在水的作用下易膨脹，失水易崩解等特性，直接影響軟弱夾層的變形和強度特征。據室內試驗成果，夾層的塑限為19.6 %～22.8 %，液限為37.6 %～40.8 %，塑性指數為18 %，液性指數為 -0.3 %～0.1 %，此軟弱夾層為堅硬狀低液限黏土；其天然狀態下密度為1.95～2.09 g/cm3，干密度為 1.66～1.78 g/cm3， 含水率為17.2 %～17.5 %，孔隙比為 0.529～0.635。軟弱夾層的物理性質見表1。

4 膨脹性分析

物理性質試驗結果表明，軟弱夾層已泥化為黏性土，采用膨脹土理論對兩種類型的夾層樣品進行膨脹性試驗(表2)，夾層自由膨脹率41 %～47 %，蒙脫石含10.37 %～17.49 %，陽離子交換量16.25～28.53 mmol/kg，具有弱至中等膨脹性。膨脹性與黏土礦物的含量密切相關，表明膨脹性試驗與礦物分析的結果是吻合的。

表1 物理性質試驗結果

表2 膨脹性試驗結果

5 抗剪強度

5.1 直剪試驗

用直剪試驗測定天然狀態和飽和狀態下夾層的抗剪強度，實驗方法采用快剪，施加大小分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa的垂直壓力，以0.5 mm/min的剪切速率進行剪切，使試樣在3～5 min的內剪壞。根據天然狀態直剪與飽和狀態直剪的試驗所得數據回歸分析，求出C值、φ值，試驗結果如表3所示。從快剪的結果看，飽和條件下，C值減少了約60 %，φ值減少了約35 %，表明軟弱夾層遇水飽和后，抗剪強度會顯著降低，且C值的降低幅度遠大于φ值。

表3 抗剪強度試驗成果

5.2 殘余強度試驗

根據王恭先等的研究，殘余強度與土的原始含水量及原始密度無關。即不論是超固結土還是正常固結土，不論其初始密度是多少，其殘余強度都是一樣的，可以用重塑土采用反復直剪試驗測定夾層的殘余強度[4]。實驗方法采用慢剪，對試樣分別施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa垂直壓力，以0.02 mm /mim的剪切速度進行剪切，當剪切位移達到最大后，故須對上樣進行多次重復剪切，反轉電機，將上、下剪切盒反推至重合，再進行下一次剪切，如此重復3～4次，當剪應力與剪切位移關系曲線基本水平時，停止剪切，得到反復直剪試驗剪應力與累計剪切位移關系曲線。從圖2可以看出，第一次剪切有明顯的峰值，而后應力大幅衰減，經過2～3次的反復剪切后，應力-應變關系趨于穩定。與峰值強度相比，殘余強度遠小于峰值強度，主要是因為軟弱夾層含有大量具有片狀結構的伊利石、蒙特石、高嶺石等礦物，在剪切面附近黏粒高度定向排列所致。

圖2 剪應力-剪切位移關系曲線

5.3 選取與分析

原生構造型軟弱夾層，在構造應力作用下，沿軟、硬巖層接觸帶或軟巖內部曾發生過層間剪切錯動，強度處于殘余剪切狀態。魯皮尼、斯金納和伏格漢在在進行了一系列試驗和觀察的基礎上，根據土中圓形顆粒和板狀(片狀)顆粒的相對含量，將土殘余剪切狀態分為滑動型、紊動型和過渡型三種。滑動型應采用殘余強度，紊動型接近峰值強度，過渡型介于 兩者之間[4]。該地層中的軟弱夾層含有大量具有片狀結構的伊利石、蒙特石、高嶺石等礦物，在剪切面附近黏粒高度定向排列，具有明顯的脆性，屬于滑動型剪切狀態。因此，應采用殘余強度對邊坡工程進行檢算。

6 軟弱夾層對邊坡工程的影響

測區屬于低山丘陵區，順層邊坡問題十分突出，在軟弱夾層的控制下，多處邊坡工程在施工過程中出現滑塌現象。筆者認為原因主要有兩個方面：一是在構造應力和卸荷作用下，軟弱夾層發生過層間剪切錯動，在該方向上的強度處于殘余狀態，殘余強度控制著邊坡的長期穩定，由于殘余強度較低，即使是較平緩(傾角一般5°～15°)的巖層，開挖一段時間以后，邊坡也會產生破壞。二是軟弱夾層主要有黏土礦物組成，吸水產生膨脹，在軟弱夾層接觸面產生負壓，對夾層以上的物質產生頂托作用，暴雨往往成為邊坡滑塌的誘因。

7 結論

(1)侏羅紀地層中的軟弱夾層作為一種特殊地質結構，是成巖條件、地質構造和地下水活動等作用的產物，它主要由伊利石、蒙脫石和高嶺石等黏土礦物組成的低液限黏土，具有弱至中等膨脹性。

(2)軟弱夾層的殘余強度控制著邊坡的長期穩定，在邊坡的穩定性分析時，應采用殘余強度而不是峰值強度。

(3)軟弱夾層的厚度雖小，卻控制著工程的安全穩定。在勘察工作中應引起重視，重點查清軟弱夾層的工程性狀及分布特點。

[1] 王行本．關于軟弱夾層的抗剪強度問題[J]. 水力發電, 1985(4).

[2] 胡濤，任光明， 聶德新，等. 沉積型軟弱夾層成因分類及強度特征[J]. 中國地質災害與防治學報, 2004, 15(1).

[3] 黃紹檳，程強，胡厚田．四川紅層分布及工程環境特征研究[J].公路， 2005(5).

[4] 王恭先. 滑坡防治中的關鍵技術及其處理方法[J]. 巖石力學與工程程學報， 2015(11).

胡婷(1982～)，女，學士，講師，研究方向為道路工程。

TU44

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[定稿日期]2016-10-31