瀏陽(yáng)膨脹性紅砂巖邊坡工程地質(zhì)特征研究

 

 

摘  要：為了查明湖南瀏陽(yáng)至醴陵高速公路紅砂巖邊坡破壞原因，在紅砂巖邊坡滑坍路段采集原狀和擾動(dòng)樣，開(kāi)展系統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了紅砂巖的基本物理性質(zhì)、物質(zhì)組n、崩解等特性，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究了膨脹性紅砂巖邊坡的工程地質(zhì)特征和邊坡破壞特征，初步提出路塹邊坡柔性支護(hù)的處治方案。

關(guān)鍵字：膨脹性紅砂巖；路塹邊坡

1.       前言

工程中經(jīng)常遇到膨脹性紅砂巖造n的工程建筑破壞情況，例如填筑路堤變形導(dǎo)致中斷、開(kāi)挖路塹邊坡吸水膨脹失穩(wěn)、隧道圍巖向內(nèi)塑性擠壓破壞洞內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)、建筑地基不均勻沉降開(kāi)裂等，因此，如何有效地處治工程中遇到膨脹性紅砂巖成為施工技術(shù)關(guān)鍵之一。

我國(guó)的南部地區(qū)(湖南、云南、四川等)廣泛分布著中新生代泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等沉積類巖石，由于含大量的氧化物顯紅色、深紅色或褐色，這類巖石統(tǒng)稱為紅砂巖。工程上通常按強(qiáng)度及其崩解特性把紅砂巖分為三類：（1）Ⅰ類，天然巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度小于15Mpa，烘干后浸水24小時(shí)以內(nèi)，將呈現(xiàn)泥狀、泥狀或粒狀崩解跡2）Ⅱ類，天然巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度在15Mpa附近或小于15Mpa，烘干后浸水24小時(shí)以內(nèi)，將呈現(xiàn)塊狀崩解；（3）Ⅲ類，天然巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度大于15Mpa，難以崩解，且不崩解時(shí)與普通砂巖區(qū)別不明顯。

紅砂巖典型的結(jié)構(gòu)主要有兩種，分別是粒狀碎屑型和泥狀膠結(jié)型。粒妓樾夾偷暮焐把乙話愫有約5％～10％的粘土礦物含量。與多數(shù)的普通風(fēng)化砂巖相比，雖然膠結(jié)形式和粘土礦物含量有所差別，此類紅砂巖工程性質(zhì)相差不大，并與其風(fēng)化程度有關(guān)。泥狀結(jié)構(gòu)粘土型的紅砂巖，一般含有約15％～50％的粘土礦物含量，其中含5％～30％的伊利石，含3％～10％的蒙脫石，此類紅砂巖的水穩(wěn)性能差，極易軟化崩解，其工程性質(zhì)主要取決于粘土礦物含量，特別是親水性強(qiáng)的伊利石和蒙脫石的含量。

早在1984年蔣爵光等就對(duì)紅砂巖的工程性質(zhì)做過(guò)研究，并提出了點(diǎn)荷載指標(biāo)與抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的相關(guān)系數(shù)[2]；2005年朱珍德等通ヅ蛘禿焐把伊ρ特性實(shí)驗(yàn)，研究了紅砂巖的初始吸水率與膨脹力的關(guān)系[3]；同年，喻澤紅等采用直剪實(shí)驗(yàn)研究了不同和壓實(shí)度的紅砂巖風(fēng)化土的強(qiáng)度和變形特以及加筋對(duì)其工程特性的影響，提出壓實(shí)度對(duì)其峰值抗剪強(qiáng)度有著明顯相關(guān)關(guān)系[4]；2010年龔裔芳等通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究了紅砂巖泥ゼ脅愕暮水量對(duì)其抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律，并分析了泥化夾層的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)其邊坡穩(wěn)定性的影響[5]。

瀏陽(yáng)至醴陵高速公路K10+200-K10+340段邊坡在已經(jīng)做完骨架護(hù)坡防護(hù)之后2個(gè)月遭受大雨沖毀，需要更改方案進(jìn)行防護(hù)。本文從紅砂巖巖性、工程地質(zhì)特征以及紅砂巖邊坡ニ特征角度分析其邊坡垮塌機(jī)理，力求尋找針對(duì)湖南紅砂巖邊坡的處治辦法。

2.       瀏醴高速公路紅砂巖路段概況

湖南全省紅砂巖分布總面積達(dá)43467km2，約占全省國(guó)土面積的20.5%。由紅砂巖構(gòu)成的大小盆地達(dá)80余個(gè)，其ブ饕的大型紅色盆地有8個(gè)，即沅(陵)麻(陽(yáng))盆地，洞庭盆地、長(zhǎng)(沙)平(江)盆地、醴(陵)攸(縣)盆地、(湘)潭(湘)鄉(xiāng)盆地、株洲盆地、衡陽(yáng)盆地和茶(陵)永(興)盆地。各盆地面積在948~18106km2之間。

20010年2月開(kāi)工建設(shè)的湖南瀏陽(yáng)至醴陵高速公路位于湖南中部瀏湘盆地，ピ膠焐把彝練植記，其中K10+218~K10+318開(kāi)挖段上覆黃褐色、棕紅色粘土，下伏紅褐色、棕紅色粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖，經(jīng)檢驗(yàn)，其中含有大量的紅砂巖。由于常規(guī)邊坡方防護(hù)加固結(jié)構(gòu)，如漿砌片石護(hù)面墻、擋土墻、抗滑樁等，屬于剛性支護(hù)結(jié)構(gòu)，不允許被支護(hù)體變形，若用于該路段邊坡支護(hù)，易積蓄過(guò)大膨脹能而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，而且無(wú)有效的防排水配套設(shè)施，難以保證邊坡的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。此路段右側(cè)邊坡坡高14m、坡長(zhǎng)100m，原設(shè)計(jì)坡比為1：0.75，之前就已經(jīng)采用了拱形骨架護(hù)坡，處理后不久就出現(xiàn)大規(guī)模的坍塌，而且有逐步惡化的趨勢(shì)。

圖1  2011年8月K10+218~K10+318右側(cè)紅砂巖邊坡順層滑塌

3.       瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖巖性特征

圍繞瀏醴高速膨脹性紅砂巖邊坡垮塌<題，我們對(duì)其巖性展開(kāi)了研究，分別在K11+600(深6m處)、K14+600(深8m處)、K12+100(深2.5m處)、K6＋300(深6m)四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行探測(cè)采樣。

表1為瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的工程分類結(jié)果。從表1可知四個(gè)點(diǎn)都為風(fēng)化砂巖，其中有兩個(gè)點(diǎn)為質(zhì)軟的Ⅰ類紅砂巖，一個(gè)為較為質(zhì)軟的Ⅱ類紅砂巖，一個(gè)為質(zhì)硬的Ⅲ類紅砂巖，其膠結(jié)程度大都為中膠結(jié)或者弱膠結(jié)。由此可見(jiàn)，瀏醴高速的紅砂巖大部分較質(zhì)軟，少數(shù)質(zhì)地堅(jiān)硬。

表1瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的工程分類

表2為瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的基本物理性質(zhì)測(cè)試結(jié)果。從結(jié)果可以看出相對(duì)于于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖含水率更高，細(xì)粒含量更高，密度相對(duì)較低，這從基本物理性質(zhì)角度解釋Ⅰ類紅砂巖更為質(zhì)軟、Ⅲ類紅砂巖更為質(zhì)硬。

表2瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的基本物理性質(zhì)

   

對(duì)瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖試樣進(jìn)行了崩解特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可以看出，相對(duì)于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖飽和時(shí)吸4率很高，崩解耐久性很低，崩解后為泥膏狀或者碎屑狀，而Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖基本不崩解，僅在表面有少量顆粒脫落。

表3瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的崩解特性

   

表4為瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的全巖礦物組成結(jié)果。相對(duì)于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖的赤鐵礦和粘土礦物含量很高，而石英、斜長(zhǎng)石等質(zhì)地堅(jiān)硬全巖礦物含量較低，從結(jié)構(gòu)組成角度進(jìn)一步解釋了Ⅰ類紅砂巖的抗剪強(qiáng)度低的原因。

表4瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的全巖礦物組成

   

表5為粘土礦物含量測(cè)試結(jié)/。相對(duì)于Ⅱ類紅砂巖和Ⅲ類紅砂巖，兩處Ⅰ類紅砂巖的表面積較大，結(jié)構(gòu)更為松散，其蒙托石含量更高，蒙脫石分子吸收水分后會(huì)膨脹超過(guò)原體積的幾倍，其含量可作為判別是否為膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)，故而Ⅰ類紅砂巖具和有弱、中膨脹土相同的膨脹性能。

表5瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖的粘土礦物含量

   

4.       瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖工程地質(zhì)特征及所產(chǎn)生的工程問(wèn)題

瀏醴高速1標(biāo)至5標(biāo)的紅砂巖主要分布于瀏湘盆地北部，屬于白堊紀(jì)沉積地層，其巖性主要為砂巖、石英砂巖、泥質(zhì)粉砂巖及泥巖等。其中，砂巖、石英把業(yè)染哂辛Ｗ此樾冀峁?；泥质粉砂褤u⒛嘌業(yè)染哂心嘧唇航嶠峁梗但以粒狀碎屑結(jié)構(gòu)巖類為主。其構(gòu)造大都是緩傾斜或近水平產(chǎn)出的層理構(gòu)造、砂巖與泥質(zhì)砂巖互層狀層理構(gòu)造、泥化夾層構(gòu)造(圖3)，風(fēng)化帶節(jié)理發(fā)育。石英砂巖、砂巖邊坡地下水主要以巖石裂隙水為主，以大氣降水為補(bǔ)給，坡腳排泄，水量不大；當(dāng)?shù)乇砀采w有第四紀(jì)砂礫土類時(shí)，存在局部上層滯水，水量受大氣降水影響，雨季水量較大，坡腳排泄。

圖2  紅砂巖坍滑面節(jié)理構(gòu)造

一般來(lái)說(shuō)，由石英砂巖、砂巖類紅砂巖組成的路塹邊坡較為穩(wěn)定，邊坡破壞主要以墜塊、局部崩塌等為主，但當(dāng)邊坡巖體中存在順層強(qiáng)風(fēng)化帶地質(zhì)界面及泥化夾層時(shí)，則易發(fā)生淺層坍滑破壞；當(dāng)路塹邊坡巖石由泥質(zhì)粉砂巖和泥巖組成時(shí)，由于該類巖石已屬于膨脹性巖土，邊坡的破壞將具有膨脹土邊坡滑坡破壞特征。

在1：1.5坡率的路塹邊坡上，頂部張拉滑裂面位置表明該類滑坡的滑坡體厚度小于2米(圖4)；頂部張拉滑裂面寬度20cm左右，反映該類滑坡規(guī)模不大，故而，紅砂巖邊坡破壞具有淺層性。紅砂巖邊坡破壞是由坡腳向坡頂逐步發(fā)展，哂α爍悶蘋(píng)檔那Ｒ性（圖5）。

   

圖3  紅砂巖邊坡破壞的淺層性             圖4  紅砂巖邊坡破壞的牽引性

 

咂綠灞礱嫻惱退趿遜歟反映該類邊坡巖體具有脹縮特性。紅砂巖中含蒙脫石是產(chǎn)生脹縮變形破壞的原因。紅砂巖通常要經(jīng)過(guò)反復(fù)的干濕循環(huán)作用才能發(fā)生崩解破壞，對(duì)于脹縮性紅砂巖邊坡淺表層暫時(shí)穩(wěn)定的坡面，3-5年后常常會(huì)嚴(yán)重的破壞。

紅砂巖邊坡破壞具有成群、滯后的噠鰨受風(fēng)化、巖性、構(gòu)造(順層滑塌)多因素的影響。湖南省境內(nèi)多條高速公路邊坡調(diào)查表明，不少紅砂巖路塹邊坡在通車運(yùn)營(yíng)一至三年后的雨季發(fā)生滑坍。

在實(shí)際工程中有很多處治膨脹性巖土邊坡滑坍的措施，基本可分為柔性和剛性兩種支護(hù)形式[6]。剛性支護(hù)是現(xiàn)今最常見(jiàn)的處治方法，它一般以圬工結(jié)構(gòu)物（重力式擋土墻、混泥土抗滑樁和片石護(hù)面墻等）為主體，并有其他相應(yīng)的輔助處理措施。其作用原理是以圬工體的重力來(lái)平衡整體失衡的邊坡體及其抵消在開(kāi)挖時(shí)產(chǎn)生的超固結(jié)應(yīng)力釋放。剛性支護(hù)容許被支護(hù)體變形的能力很低，而在干濕循環(huán)以及水的作用下膨脹性紅砂巖會(huì)風(fēng)化崩解并產(chǎn)生膨脹，當(dāng)其膨脹量增大到一定程度卻得不到釋放時(shí)，將產(chǎn)生極大的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致剛性支護(hù)的破壞。

柔性支護(hù)是以土工格柵反包加筋邊坡土體為主體，并輔以其它必要的排水措施的綜合處治技術(shù)。其特點(diǎn)是不僅能承受土體壓力并且容許土體產(chǎn)生相應(yīng)變形，并吸收變形土體的超固結(jié)應(yīng)力以及變形膨脹力。若膨脹土的容許線膨脹量達(dá)到0.3%，其膨脹力比相同情況下無(wú)膨脹變形的膨脹力低25%。因而非常合適用于處治瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖路塹邊坡滑坍問(wèn)題。

為什么會(huì)提出采用柔性支護(hù)技術(shù)整治膨脹性紅砂巖塹坡滑坍，歸根結(jié)底是基于對(duì)該路段邊坡紅砂巖巖性的深刻認(rèn)識(shí)以及對(duì)其破壞淺層性、漸進(jìn)性等特點(diǎn)和規(guī)律的深入了解。將土工格柵逐層攤鋪錨固，回填壓實(shí)土形成相應(yīng)厚度的柔性加筋體，并輔以坡頂?shù)姆忾]措施和加筋體背部及基底的排水措施可發(fā)揮這些效用：格柵反包填土形成摩擦力和咬合力，格柵層間的聯(lián)接棒和U型釘?shù)穆?lián)接作用，使柔性加筋體構(gòu)成一整體來(lái)抵抗邊坡的滑坍；柔性支護(hù)容許路塹邊坡產(chǎn)生一定的變形，可釋放開(kāi)挖其大部分應(yīng)力和膨脹力，實(shí)現(xiàn)“以柔克剛”；坡率為1:1.5、厚度不小于3.5m、高度不小于歐種二坡高的柔性加筋體能覆蓋住開(kāi)挖邊坡的主要坡面，并有足夠的自重來(lái)抵抗土體壓力；足夠厚的加筋體（深于有效活動(dòng)層）可杜絕或防止風(fēng)化作用對(duì)膨脹性紅砂巖的影響，阻止裂隙的發(fā)展以及淺表層滑坍。

5.       結(jié)論

由以上的巖性分析可知，瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖大都為較為質(zhì)軟的Ⅰ類和Ⅱ類紅砂巖，其含水率和飽和吸水率較高，抗剪性能差，粘土礦物含量以及蒙脫石含量已經(jīng)達(dá)到弱膨脹土的標(biāo)準(zhǔn)，具有相當(dāng)?shù)呐蛎浶阅埽渲孝耦惣t砂巖極易風(fēng)化崩解，形成軟弱的泥化夾層稍詒咂路闌すこ討校常常成為坍塌滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面。

瀏醴高速的紅砂巖路塹邊坡中的石英砂巖、砂巖類紅砂巖一般較為穩(wěn)定，破壞也只是墜塊、局部崩塌等輕微破壞，而巖體邊坡存在泥化夾層或順層強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)界面，則易發(fā)生淺層坍滑破，同時(shí)，瀏醴高速的紅砂巖路塹邊坡中的泥質(zhì)粉砂巖和泥巖，具有一定的膨脹性，其邊坡的破壞特征將類似于膨脹土邊坡滑坡破壞。

瀏醴高速公路膨脹性紅砂巖路塹邊坡破壞具有淺層性、牽引性、潛在性等與膨脹土路塹邊坡相似的破壞特性，因此提出柔性支護(hù)技術(shù)的整治方案。

 

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