耿興福，苗天德

（1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710054；2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000）

紅層軟巖泛指侏羅系、白堊系與第三系砂巖、泥巖、頁巖及砂巖、泥巖與頁巖互層等軟硬相間的層狀巖體。紅層軟巖抗風(fēng)化能力差，水敏感性強，遇水后巖體強度大幅度下降［1］，我國西部地區(qū)甘肅、四川與云南省紅層軟巖大面積分布［2］。在紅層軟巖地區(qū)，近水平層狀結(jié)構(gòu)斜坡分布范圍較廣，紅層軟巖傾角較緩，巖層傾角一般小于12°。近水平層狀紅層軟巖滑坡的滑動面傾角遠(yuǎn)小于滑帶土的內(nèi)摩擦角，傳統(tǒng)的極限平衡理論無法合理地解釋其成因機制。研究近水平層狀紅層軟巖滑坡成因機制，對揭示滑坡發(fā)育規(guī)律和防災(zāi)減災(zāi)有重要現(xiàn)實意義。該類型滑坡成因機制已受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注［3－6］。本文依據(jù)近水平層狀紅層軟巖滑坡賦存的影響因素、滑坡變形機制和破壞形式，結(jié)合滑坡滑帶土強度特征，對近水平層狀紅層軟巖滑坡成因機制進(jìn)行了研究。

1 近水平層狀紅層軟巖滑坡賦存的影響因素

1.1 地質(zhì)環(huán)境

（1）地形地貌。巖層產(chǎn)狀、剪出口位置、坡體形態(tài)、臨空條件等因素都不同程度地影響滑坡的變形、成因機制［7－8］。在巖層產(chǎn)狀接近水平條件下，受坡角侵蝕等因素的影響，常形成高陡地形，具有良好的臨空條件，為滑坡的形成提供了可能。加之人為工程活動開挖坡腳，形成大量高陡邊坡，加大了斜坡的臨空面，進(jìn)一步增加了滑坡的可能性。

（2）巖石組成。近水平層狀紅層軟巖主要為泥巖和砂巖或頁巖和砂巖互層結(jié)構(gòu)［9］，屬典型的層狀沉積巖。由于泥巖和頁巖風(fēng)化速度快，形成軟弱夾層，為滑坡松散坡積物沿基巖面滑動提供了有效結(jié)構(gòu)。

（3）地質(zhì)構(gòu)造與巖體結(jié)構(gòu)。大量調(diào)查表明，近水平紅層地質(zhì)構(gòu)造簡單，近水平層狀結(jié)構(gòu)斜坡區(qū)褶曲構(gòu)造與斷裂構(gòu)造活動不甚強烈。在各種地質(zhì)構(gòu)造營力作用下，巖體層面、近正交節(jié)理、劈理與各種結(jié)構(gòu)裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)性質(zhì)呈各向異性。紅層軟巖富含高嶺石、伊利石和蒙脫石等礦物成分，水敏感性強，遇水膨脹軟化，在較高的含水條件或飽水狀態(tài)下，巖體的力學(xué)強度大幅度降低，增加了滑坡發(fā)生的可能性。

1.2 降雨

受降雨及地表水入滲影響，產(chǎn)生“滑體增重效應(yīng)”和“巖土體軟化效應(yīng)”，紅層軟巖抗剪強度降低。雨水滲入裂隙及潛在滑動面，并且由下部基巖形成的相對隔水層導(dǎo)致水體滯留，形成高動水壓力f（圖1中簡化成集中力），致使滑坡體變形加?。涣硪环矫娴叵滤谎杆偕仙?，形成靜水壓力和沿滑移面的揚壓力，下滑力增大，進(jìn)而形成貫通性結(jié)構(gòu)面（滑動面），促使斜坡體變形失穩(wěn)，產(chǎn)生滑坡?；瑝K受力圖，如圖1所示。在甘肅隴東地區(qū)、四川、云南等紅層中，每年雨季發(fā)生大量坡體塌滑災(zāi)害，同時也促發(fā)了古滑坡復(fù)活［1，10－11］。降雨是近水平層狀紅層軟巖滑坡的主要致滑因素。

圖1 滑塊受力圖Fig.1 Mechanical analysis of sliding blocks

1.3 人類活動

人類活動對水平層狀紅層軟巖滑坡分布的影響主要有工程活動、拓地建設(shè)、礦山開采、人工荷載與農(nóng)業(yè)灌溉等。大量開挖斜坡坡腳切坡修路、建房、開采礦山，加大了斜坡臨空面，嚴(yán)重降低了斜坡的穩(wěn)定性，破壞了巖體的自然平衡條件；在坡體上堆積棄土，開展工程建設(shè)，改變了原始斜坡結(jié)構(gòu)，增大斜坡載荷造成失穩(wěn)；農(nóng)業(yè)灌溉使得斜坡積水，給滑坡的發(fā)生、發(fā)展提供了條件。

1.4 外動力因素

新構(gòu)造運動與地震是觸發(fā)水平層狀紅層軟巖滑坡重要的外動力因素，根據(jù)歷史統(tǒng)計資料，老滑坡與古滑坡一般多屬地震滑坡。1920年的寧夏海源8.5級大地震在甘肅、青海、寧夏等地觸發(fā)了1 600多處各種類型的滑坡，其中紅層軟巖滑坡650余處。

上述4個方面，地質(zhì)環(huán)境條件的影響對滑坡的產(chǎn)生是必不可少的，即形成滑坡的內(nèi)因。降雨、人類活動和外動力因素，促使地質(zhì)環(huán)境條件發(fā)揮作用，打破斜坡體平衡環(huán)境，是形成滑坡的外因。

2 近水平層狀紅層軟巖滑坡滑帶土強度特征

2.1 紅層軟巖的抗剪強度特征

紅層軟巖屬典型的層狀巖體，巖體抗剪強度具各向異性，沿垂直巖層層面方向抗剪強度值最大（τmax），沿巖層層面方向抗剪強度值最?。é觤in）［7］，在這兩種狀態(tài)下紅層軟巖屬于近似均質(zhì)巖體，可用Mohr－Coulomb強度準(zhǔn)則評價紅層軟巖的抗剪強度。

如圖2所示，在巖體破壞面與巖層層面斜交的狀態(tài)下，巖體抗剪強度值隨剪切破壞面與巖層層面夾角α值（α介于0°～90°）的改變呈規(guī)律性變化。巖體抗剪強度可用J C Jaeger提出的方法［13］式（1）表示：

圖2 巖體剪切破壞面與巖層層面夾角α關(guān)系圖Fig.2 Angle relationship between the shear failure plane and the stratum plane

式中，s為紅層軟巖巖體抗剪強度（kPa）；s1，s2分別為為強度參數(shù)（kPa）。

巖體粘聚力與內(nèi)摩擦角是決定巖體抗剪強度的重要參數(shù)，經(jīng)對比分析研究，J C Jaeger強度表達(dá)式可修正為式（2）［3］：

根據(jù)試驗結(jié)果，經(jīng)擬合與試驗分析，C（α），φ（α）可近似表示為：

式（3），式（4）中：0≤α≤90°；Cmax，φmax與Cmin，φmin分別是剪切破壞面垂直和平行巖層層面狀態(tài)下的粘聚力及內(nèi)摩擦角值。

紅層軟巖具較強的水敏感性，天然狀態(tài)與飽水軟化狀態(tài)下的抗剪強度存在較大的差異，紅層軟巖遇水軟化后，其抗剪強度大幅度下降，巖體粘聚力一般小于15kPa。

2.2 滑帶土強度特征

滑帶土強度直接決定滑坡的變形狀態(tài)，而對滑坡長期穩(wěn)定性來說，具有非常重要的意義?；略谧匀粭l件下，蠕動變形和應(yīng)力松弛同時存在［14］。受季節(jié)性凍融、飽水巖體凍脹、干縮循環(huán)等因素的影響，滑帶土的應(yīng)力松弛加劇，發(fā)生滑帶土“老化”現(xiàn)象?；瑤翉姸炔荒艹浞职l(fā)揮，甚至完全沒有發(fā)揮，這是近水平層狀紅層軟巖滑坡失穩(wěn)的重要原因。王志儉等［4］通過滑帶土松弛試驗證明了上述觀點。從近水平狀紅層軟巖滑坡的破壞形式來看，滑坡的下部滑動面主要是下部泥巖、頁巖等軟弱夾層。本來強度就不高的滑帶土同時經(jīng)歷蠕動變形和應(yīng)力松弛雙重破壞，在暴雨和連續(xù)降雨的摧殘下，不堪重負(fù)，只能產(chǎn)生滑坡。

3 近水平層狀紅層軟巖滑坡變形機制和破壞形式

3.1 近水平層狀紅層軟巖滑坡破壞形式［15］

（1）堆積層滑坡。紅層斜坡下部常有覆蓋土層分布，邊坡開挖切穿巖土界面時，常引起上覆堆積層沿巖土界面滑動。堆積層滑坡是紅層軟巖地區(qū)常見的滑坡型式，但規(guī)模一般比較小。

（2）順層座滑型滑坡。近水平紅層順層滑坡是常見的一種滑坡型式，其形成和變形破壞特點與巖性特點和巖體結(jié)構(gòu)特征有密切的關(guān)系。順層滑坡后緣常為坡體中的陡傾結(jié)構(gòu)面，滑面為坡體中的軟硬巖層界面或軟弱夾層，滑坡后緣下座明顯，常形成較寬的拉張裂縫，圖3是典型順層滑坡示意圖。

圖3 近水平紅層軟巖順層滑坡示意圖Fig.3 Sliding along the stratum plane of approximately horizontal bedded red－soft－mudstone

3.2 近水平層狀紅層軟巖滑坡變形機制

根據(jù)國道316線和212線、寶（雞）－成（都）鐵路、天（水）—蘭（州）鐵路、成（都）—昆（明）鐵路沿線紅層軟巖滑坡資料，近水平層狀紅層軟巖滑坡的變形可分為以下3個階段：

（1）卸荷回彈。卸荷回彈是斜坡巖體內(nèi)積存的彈性應(yīng)變能量釋放而產(chǎn)生的［16］。在斜坡成坡或開挖過程中，巖體向臨空方向回彈膨脹，使原有結(jié)構(gòu)松弛，同時又可在集中應(yīng)力和剩余應(yīng)力作用下，陡傾節(jié)理開始擴展。這種變形大多在成坡或開挖以后于較短時期內(nèi)完成。

（2）應(yīng)力松弛－蠕動變形耦合。在降雨的作用下，陡傾節(jié)理是地表水入滲的主要通道。近水平層狀紅層軟巖主要為泥巖和砂巖或頁巖和砂巖互層結(jié)構(gòu)，泥巖、頁巖遇水軟化，陡傾節(jié)理逐漸演化為平面上呈弧狀折曲，剖面上呈近直立狀后緣拉張裂縫［3］。拉張裂縫規(guī)模及其性質(zhì)直接影響應(yīng)力松弛－蠕動變形耦合階段歷時和滑坡動態(tài)特征。人工開挖坡腳形成的拉張裂縫規(guī)模大，應(yīng)力松弛－蠕動變形耦合階段短，自然條件下形成的拉張裂縫規(guī)模小，應(yīng)力松弛－蠕動變形耦合階段相對較長。

（3）滑坡形成。后緣拉張裂縫的不斷擴大，使得滑坡體前緣巖體長期處于剪切應(yīng)力狀態(tài)，在降雨、人工活動等外界因素促發(fā)下，巖體不斷擾動，強度下降當(dāng)巖體強度降至殘余強度時，鎖固段巖體蠕動變形、漸近破壞進(jìn)程加快，滑動面基本貫通，滑坡進(jìn)入滑動變形階段，滑坡形成［3］。該類滑坡的形成規(guī)模，主要受構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的組合形式、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育密度和貫通長度的控制。巖體節(jié)理發(fā)育密度小，貫通長度大；風(fēng)化和卸荷裂隙發(fā)育密度大，貫通長度小。

從近水平層狀紅層軟巖滑坡的3個變形階段可看出，該類型滑坡的成因機制可簡化為：內(nèi)因孕育－后緣張裂－耦合變形－外因推動－滑坡形成。這種機制可推廣到多級近水平層狀紅層軟巖滑坡。第一塊滑體的下滑為第二塊滑體提供了良好的臨空條件，并改變了其受力條件，在同樣的變形機制下，第二塊滑體下滑，依此類推，直到滑體逐次下滑到一定程度和范圍后，滑動過程逐漸停止。即：內(nèi)因孕育—第一塊滑體后緣張裂—耦合變形—外因推動—1級滑坡形成……良好臨空條件—第n塊滑體后緣張裂—耦合變形—外因推動—n級滑坡形成。

4 結(jié)論

從地質(zhì)環(huán)境、降雨、人類活動和地震4個方面對我國近水平層狀紅層軟巖滑坡賦存的影響因素進(jìn)行了分析，并將該類滑坡的變形機制分為卸荷回彈、應(yīng)力松弛－蠕動變形耦合和滑坡形成3個階段，提出了“內(nèi)因孕育－后緣張裂－耦合變形－外因推動－滑坡形成”的成因機制，更合理的解釋了該類滑坡的成因機制。并將該機制推廣至多級滑坡的變形機制，為將來更好對近水平層狀紅層軟巖滑坡進(jìn)行預(yù)報提供基礎(chǔ)。

［1］李保雄，苗天德.紅層軟巖順層滑坡臨滑預(yù)報的強度控制方法［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003，22（增2）：2703－2706.

［2］鄭靜.寶（雞）—成（都）線 K105滑坡的形成機制［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報，1992，28（5）：110－114.

［3］李保雄，苗天德.紅層軟巖滑坡運移機制［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報，2004，40（3）：95－98.

［4］王志儉，殷坤龍，簡文星，等.萬州安樂寺滑坡滑帶土松弛試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（5）：931－937.

［5］程強，周德培，寇小兵.紅層軟巖地區(qū)功率建設(shè)中的主要巖土工程問題［A］.第8次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集［C］.北京：科學(xué)出版社，2004：128－131.

［6］Fausto G，Mauro C，Paola R，et al..Landslide triggered by the 23November 2000rainfall event in the Imperia Province，Western Liguria，Italy［J］.Engineering Geology，2004，73（3－4）：229－245.

［7］劉卡丁，張玉軍.層狀巖體剪切破壞面方向的影響因素［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21（3）：335－339.

［8］黃達(dá)，裴向軍，張志剛，等.某公路滑坡成因機制及穩(wěn)定性［J］.山地學(xué)報，2008，26（6）：721－726.

［9］楊宗佶，喬建平，陳曉林，等.三峽庫區(qū)萬州侏羅系紅層滑坡成因機制研究［J］.世界科技研究與發(fā)展，2008，30（2）：174－176.

［10］孔紀(jì)名，陳自生.川東“89.7”暴雨過程中的紅層滑坡［A］.滑坡文集（9）［C］.北京：中國鐵道出版社，1989：36－42.

［11］駱銀輝，朱春林，李俊東.云南紅層邊坡變形破壞機制及其危害防治研究［J］.巖土力學(xué)，2003，24（5）：836－839.

［12］洪嘉祥，馮學(xué)才.甘肅省滑坡史料分析［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報，1992，28（5）：145－149.

［13］Jaeger J C.Shear failure of anisotropic rock［J］.Geol.Mag.，1960，97（1）：65－71.

［14］朱長歧，郭見楊.黏土流變特性的再認(rèn)識及確定長期強度的新方法［J］.巖土力學(xué)，1990，11（2）：15－22.

［15］程強，周永江，黃紹檳.近水平紅層開挖邊坡變形破壞特征［J］.巖土力學(xué)，2004，25（8）：1311－1314.

［16］張倬元，王士天，王蘭生.工程地質(zhì)分析原理［M］.北京：地質(zhì)出版社，1994，377－380.