胡　定，樊忠武，胡毅夫

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙　410008；2.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙　410001；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙　410083)

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常吉高速公路紅砂巖邊坡加固支護(hù)方法研究

胡定1，3，樊忠武2，3，胡毅夫3

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，湖南 長沙410008；2.湖南省高速公路管理局，湖南 長沙410001；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙410083)

以湖南常吉高速公路滑坡實(shí)例為對象，分析紅砂巖水理力學(xué)特性和巖石崩解機(jī)理，根據(jù)邊坡滑坡破壞機(jī)理提出了對3種紅砂巖邊坡結(jié)構(gòu)采用不同的固巖、封閉坡面、疏排地下水的支護(hù)方式。

；邊坡加固；紅砂巖；崩解；封閉坡面；疏排地下水

0　引言

湘西紅砂巖的地質(zhì)環(huán)境問題和武陵山脈高山地區(qū)雨季的持續(xù)時(shí)間較長，雨量充沛原因，導(dǎo)致湘西地區(qū)高速公路邊坡經(jīng)常出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。在評判紅砂巖邊坡穩(wěn)定性時(shí)，不僅要注重邊坡高度、巖層的產(chǎn)狀和構(gòu)造面分布形態(tài)，還要注重巖性的差異。學(xué)者們[1-4]發(fā)現(xiàn)湘西紅砂巖存在不同巖性的強(qiáng)度、抗風(fēng)化、遇水軟化和失水崩解能力等差異。以湖南省常吉高速公路邊坡加固工程實(shí)例深化分析紅砂巖巖石特性，認(rèn)識(shí)邊坡失穩(wěn)機(jī)理的差異性，為紅砂巖地區(qū)邊坡的防災(zāi)減災(zāi)提供更實(shí)用加固方法。

1　工程概況

1) 實(shí)例1：常吉高速公路K204+650～+740左側(cè)路塹邊坡高46 m，邊坡走向 81°，5級(jí)坡平緩順向坡。邊坡巖體為白堊系紫紅色薄層夾中厚層泥質(zhì)、 鈣質(zhì)砂巖，具有強(qiáng)度低，軟化系數(shù)小，易風(fēng)化崩解。坡體節(jié)理裂隙發(fā)育，主要3組控制性節(jié)理裂隙：80°∠82°、170°∠80°、30°∠75°，風(fēng)化裂隙及卸荷裂隙發(fā)育(節(jié)理長度3～10 m)。

2) 實(shí)例2：常吉高速公路K1235右側(cè)邊坡主體邊坡段分5級(jí)坡。主體邊坡開挖高度范圍為80 m。第3級(jí)坡頂設(shè)28 m寬平臺(tái)，將邊坡分為上下兩段。其余各級(jí)坡頂設(shè)2.5 m寬平臺(tái)。上邊坡主要土質(zhì)層為紅砂巖。巖性以砂巖、泥巖、粉砂巖和頁巖為主，巖性組合以互層為特征。在持續(xù)一個(gè)星期的特強(qiáng)暴雨的影響下發(fā)生了大面積的崩塌、滑坡。

3) 實(shí)例3：常吉高速公路K174+220～+440 左側(cè)滑坡原坡角為15°～20°，坡體開挖面距設(shè)計(jì)標(biāo)高3 m左右時(shí)從開挖面附近剪出?；瑒?dòng)面(帶)土體為粉砂質(zhì)泥巖層間的軟弱泥質(zhì)夾層，厚2～5 cm，后緣滑面產(chǎn)狀342°∠25°。滑體為強(qiáng)～弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖塊石，滑動(dòng)后巖體拉裂破碎，沿主滑方向長約110 m，沿路線方向剪出口長達(dá)120 m，滑體前后緣高差約44 m，滑體前緣厚約16 m。如圖1。

圖1　K174+320邊坡滑坡剖面

2　湘西紅砂巖水理力學(xué)特征

2.1紅砂巖地質(zhì)礦物特征

湘西紅砂巖主要為白堊系下統(tǒng)地層，分布區(qū)屬于北東向和北北東向新華夏系構(gòu)造，地殼運(yùn)動(dòng)以整體抬升作用為主。湘西紅砂巖巖石結(jié)構(gòu)分為粗砂巖、泥質(zhì)細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、含泥細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖；按照透水性可以分為透水性砂巖和相對隔水性砂巖。整理現(xiàn)有的紅砂巖水理特征試驗(yàn)成果[5-7]，見表1。

顯微鏡下分析湘西地區(qū)紅砂巖主要礦物成分為石英、方解石和鈣質(zhì)及鐵泥質(zhì)粘土礦物，含少量長石、云母(見圖2)，左上為粗粒砂巖，右上為泥質(zhì)粉砂巖，左下為粉砂質(zhì)泥巖，右下為泥巖。圖中灰白色礦物為石英及長石，褐色為粘土礦物，暗褐色為鐵質(zhì)物。

表1 湘西紅砂巖水理特征巖性蒙脫石/%粘土礦物/%飽和吸水率w/%孔隙度n/%軟化系數(shù)滲透系數(shù)/(cm·s-1)粉砂質(zhì)泥巖16.2614.70.644.2×10-7粉砂質(zhì)泥巖210396.7211.190.12泥質(zhì)粉砂巖115351.745.950.173.58×10-7泥質(zhì)粉砂巖25260.532.560.69泥質(zhì)粉砂巖35231.203.320.46泥質(zhì)粉砂巖43.228.030.29泥質(zhì)細(xì)砂巖10325.5212.620.21含礫細(xì)砂巖10290.712.550.68粗砂巖4.7417.30.265.20×10-7

圖2　紅砂巖偏光顯微鏡下的照片[8]

表2為紅砂巖的礦物組成。

紅砂巖中粘土礦物含量>25%時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度隨著黏土礦物含量的增大而減??；當(dāng)黏土礦物含量<25%時(shí)，其變化較小。林志紅[7]認(rèn)為湘西紅砂巖的浸水軟化特征由黏土礦物含量(特別是蒙脫石含量)控制，蒙脫石的親水性主導(dǎo)紅砂巖飽水軟化特征明顯。

紅砂巖膠結(jié)形式影響巖石的抗壓強(qiáng)度軟化。湘西紅砂巖膠結(jié)物質(zhì)主要有泥質(zhì)膠結(jié)物和鈣質(zhì)膠結(jié)物兩種。鈣泥質(zhì)膠結(jié)、泥質(zhì)膠結(jié)的紅砂巖的軟化系數(shù)較低，而鈣鐵質(zhì)膠結(jié)的紅砂巖石的軟化系數(shù)較高。飽和狀態(tài)紅砂巖具塑性狀態(tài)，無明顯峰值強(qiáng)度，呈塑性變形特征。

表2 紅砂巖的礦物組成%巖性石英長石方解石白云石粉砂質(zhì)泥巖214248泥質(zhì)粉砂巖429.7153泥質(zhì)細(xì)砂巖353270含泥細(xì)砂巖3011252赤鐵礦蒙脫石綠泥石伊利石高嶺土41081291.78.25.29.353101255310784

2.2紅砂巖軟化崩解機(jī)理

紅砂巖遇水容易軟化，失水易崩解。不同的紅砂巖有不同的軟化、崩解機(jī)理。紅砂巖崩解過程[9]可分為顆粒崩解和膠結(jié)物崩解兩種。水對紅砂巖的軟化作用既有物理-力學(xué)作用，還有化學(xué)-力學(xué)作用。

成巖顆粒崩解的實(shí)質(zhì)是化學(xué)溶蝕導(dǎo)致細(xì)小顆粒的流失。泥巖含有較多的石膏和可溶性鹽沉積，造成巖石內(nèi)的膠結(jié)物含有化學(xué)性質(zhì)活潑的K、Na、Ca、Mg、Cl、S等元素，并且以可溶的鹵化物、硫酸鹽及碳酸鹽的形式充填于巖石的孔隙內(nèi)。當(dāng)外界水入侵孔隙時(shí)，可溶性膠結(jié)物與水發(fā)生反應(yīng)，而被稀釋或者溶解到水中，使得巖石顆粒之間失去聯(lián)結(jié)而解體；溶于水中的元素以離子狀態(tài)存在于巖石的孔隙溶液中，加劇巖石粘土礦物的崩解，使其孔隙度、孔隙體積、孔隙表面積和大孔徑孔隙的比重增加，巖石體積進(jìn)一步膨脹。該類巖石中不可溶的物質(zhì)和膨脹、破裂產(chǎn)生的細(xì)小顆粒(小于0.25 mm)含量急劇增長。固體顆粒由緊密狀變成空洞狀，有效聯(lián)結(jié)應(yīng)力下降，抗剪強(qiáng)度隨著含水量的增大而逐漸降低。湘西紅砂巖軟弱夾層隨含水量增大，粘聚力先增大后減小、內(nèi)摩擦角逐漸減小的變化規(guī)律。在巖石顆粒的膨脹、碎裂、解體和孔隙體系變化的共同作用下，巖石整體發(fā)生崩解。膠結(jié)物崩解的實(shí)質(zhì)是膠結(jié)物膨脹力無法釋放而產(chǎn)生微裂隙。

細(xì)砂巖顆粒之間以孔隙式碳酸鹽膠結(jié)為主。首先，地下水滲透、浸泡過程中碳酸鹽溶解，紅砂巖處于弱酸、氧化的化學(xué)環(huán)境。水與軟弱夾層的離子交換作用加劇了水化學(xué)作用，產(chǎn)生大量的離子。強(qiáng)堿環(huán)境雖有利于軟巖中Si02，A1203的分解，但徑流滯緩又制約這一作用。

泥質(zhì)粉砂巖顆粒之間主要為孔隙式膠結(jié)和接觸式膠結(jié)兩種膠結(jié)類型，膠結(jié)物主要為粘土礦物。泥質(zhì)粉砂巖飽水后，在顆粒之間的膠結(jié)物體積首先急劇膨脹，顆粒之間連接更緊密，應(yīng)力無法釋放。分布不均的膨脹應(yīng)力沿著顆粒邊緣產(chǎn)生微裂隙，并發(fā)展、貫通，最后產(chǎn)生更大的裂紋。

泥質(zhì)紅砂巖的崩解膨脹性主要與巖石的含水量、孔隙率和飽和度指標(biāo)有著密切的關(guān)系。巖石孔隙率、含水量越大，其礦物成分和膠結(jié)物與水接觸的幾率就越大，巖石越容易發(fā)生崩解作用；飽和度越大的巖石，孔隙中填充的水量越多，礦物成分和膠結(jié)物與水的作用就越容易、越劇烈。

一般認(rèn)為粘土礦物成分特別是蒙脫石、高嶺石及伊利石對紅砂巖的崩解過程有重要影響。粘土礦物在紅砂巖失水-吸水-泥化或崩解的過程中，主要表現(xiàn)為吸附作用、水楔作用等。

以高嶺石為主要成分的粘土類紅砂巖，上覆巖體的重力作用及地質(zhì)構(gòu)造作用致使結(jié)構(gòu)松散的高嶺石晶體顆粒呈定向性、有序性排列的薄片狀微結(jié)構(gòu)，且礦物顆粒在礦物結(jié)構(gòu)的面-面接觸點(diǎn)或點(diǎn)-面接觸處膠結(jié)，這種膠結(jié)連結(jié)在水與外力的作用下容易發(fā)生破壞，顆粒間產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)，使泥巖宏觀上軟化。

以伊利石為主的泥質(zhì)紅砂巖，伊利石呈3層結(jié)構(gòu)晶胞。晶胞結(jié)合力低于高嶺石，晶胞間反離子易被水分子取代，其分子膨脹機(jī)制使巖石原體積增加50%～60%。

不論是高嶺石粘土顆粒，還是伊利石粘土礦物顆粒與水相互作用時(shí)，水分子都將進(jìn)入層狀的粘土礦物顆粒之間，形成極化的水分子層。這些水分子層不斷吸水?dāng)U層，同時(shí)進(jìn)入伊利石等粘土礦物晶胞層間，形成礦物內(nèi)部層間水層。前者造成了粘土礦物的外部膨脹，后者造成了粘土礦物的內(nèi)部膨脹。此外，由于粘土礦物吸水膨脹是不均勻的，在巖石內(nèi)部產(chǎn)生不均勻應(yīng)力，從而產(chǎn)生大量的微孔隙；這些微孔隙的出現(xiàn)將破壞天然巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系，最終導(dǎo)致巖石顆粒的碎裂解體。

通過以上分析可知，即使泥巖中沒有蒙脫石，只要伊利石和高嶺石含量足夠高，巖樣也會(huì)發(fā)生軟化崩解的現(xiàn)象。

3　紅砂巖邊坡滑坡機(jī)理

由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)和作用因素的多樣性和復(fù)雜性，滑坡類型和滑坡機(jī)理多樣復(fù)雜，難以用一種理論概括所有類型的滑坡。湘西紅砂巖地層[10，11]有3種類型。

第1種類型，由砂巖、含礫砂巖透水性砂巖組合，層理間主要是剛性接觸，局部有薄層泥沙。由單一的透水性巖層組合的砂巖邊坡以層狀構(gòu)造為主，中厚以上巖層，傾角緩，層理面有薄層泥沙，層間水滲出，一般巖層穩(wěn)定。在地質(zhì)構(gòu)造破壞巖層整體性后，有利于大氣降水入滲，水力壓差造成層理面泥沙流失，巖層上浮脫空。有邊坡巖層傾角為7°～15°也發(fā)生牽引式滑坡。

第2種類型，由泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖相對隔水性砂巖組合，層理間主要是柔性接觸，有粉砂質(zhì)粘土和粘土礦物組成。在單一的相對隔水性巖層直立陡邊坡會(huì)出現(xiàn)巖石劈理發(fā)育，見圖3。在初期，透水層和隔水層互層產(chǎn)出，層間斷裂一般不會(huì)貫通，發(fā)育陡傾的斜層理或交錯(cuò)節(jié)理，巖層呈塊狀構(gòu)造為主；邊坡主要破壞形式是局部巖塊坍塌。泥巖的阻水作用不僅產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，也加速泥巖粘土礦物的顆粒崩解和砂巖膠結(jié)物的崩解。隨著時(shí)間的延長，在孔隙水壓力作用下，粉砂質(zhì)粘土和粘土礦物發(fā)生管涌，巖土力學(xué)性質(zhì)的差異性或非均勻性進(jìn)一步擴(kuò)大，導(dǎo)致泥巖層界面強(qiáng)度降低產(chǎn)生滑坡。

圖3　沅陵至張家界公路陡立邊坡巖層劈理

第3種類型，由粗粒砂巖等透水性、相對隔水性頁巖、泥巖巖層和泥質(zhì)膠結(jié)物粉砂質(zhì)粘土和粘土礦物軟弱夾層互層組成，如圖4。下伏有阻水作用的泥巖夾層，在地下水物理化學(xué)作用下發(fā)生嚴(yán)重的水巖土化學(xué)差異溶蝕作用，加強(qiáng)了砂巖層與地下水的化學(xué)作用，使巖土力學(xué)性質(zhì)的差異性或非均勻性進(jìn)一步擴(kuò)大，強(qiáng)度降低。軟硬互層巖層會(huì)出現(xiàn)層間承壓水而產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。在出現(xiàn)施工臨空面后，泥化夾層是引起滑坡的內(nèi)在因素。

圖4　常吉高速公路多級(jí)邊坡

由于泥巖節(jié)理發(fā)育，空隙率高、含水率高，是天然雨水的通道。在軟層巖石隔水層作用下，裂隙水加速泥巖顆粒崩解和泥質(zhì)砂巖的泥質(zhì)膠結(jié)物崩解。軟硬互層巖層出現(xiàn)層間承壓水，水的浮力降低層理面正壓力，粘土礦物形成可塑～軟塑狀的泥化夾層。泥化軟弱夾層一般成為初始滑床。公路開挖工程邊坡后，切斷巖層，地下水位下移，導(dǎo)致滑床下移。因此，此類地層的滑坡是多層滑坡和多級(jí)滑坡，滑坡面積也比較大。

4　邊坡加固方法

按照紅砂巖崩解破壞原理和紅砂巖平緩產(chǎn)狀、邊坡破壞特征，紅砂巖邊坡滑坡形式可劃分為相應(yīng)的3種類型：

1) 單一的透水巖層，滲水和泄水方便，以層理面滑移為特征。

2) 透水巖層和隔水巖層互層，層間細(xì)顆粒泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理裂隙滲水通道方便，泄水困難，在泥化界面滑移為特征。

3) 透水巖層、隔水巖層和軟弱夾層互層，泄水困難，不僅夾層崩解快，而且坡面巖層薄、風(fēng)化快，以多層滑坡為特征。

根據(jù)這3種巖層邊坡破壞機(jī)理，紅砂巖邊坡加固設(shè)計(jì)應(yīng)著重邊坡排水設(shè)計(jì)，以邊坡表面封水和坡體內(nèi)部排水為主，輔以巖層加固。除了坡頂和平臺(tái)截水溝以外，坡面應(yīng)分別采用不同的固巖、封閉坡面、疏排地下水的支護(hù)方式。

4.1單一的透水巖層邊坡加固

常吉高速公路K204+650～+740左側(cè)路塹邊坡上覆層約為20 m，下部為強(qiáng)風(fēng)化厚層泥質(zhì)、鈣質(zhì)砂巖。采用在排水溝上方布設(shè)仰斜式排水孔，孔長15 m，安裝Ф100 mm軟式透水管仰角8°，間距4.5 m。坡腳排水孔距平臺(tái)截水溝垂高50 cm。各級(jí)邊坡平臺(tái)均設(shè)置橫向排水溝，經(jīng)兩側(cè)排水溝接入河渠。坡面錨桿加固簡易加固，如圖5所示。

圖5　常吉高速公路K204+650～+740邊坡加固方案　(單位；mm)

4.2透水層和隔水層互層邊坡加固

常吉高速公路K1235右側(cè)上邊坡巖層互層，呈塊狀結(jié)構(gòu)，在錨固巖層時(shí)需要地格梁錨索固定巖塊。為了節(jié)約成本，封閉坡面采用客土植生方法。當(dāng)坡面巖體是微風(fēng)化和中風(fēng)化且?guī)r體結(jié)構(gòu)較為完整時(shí)，對坡面裂隙應(yīng)進(jìn)行防滲處理，坡體內(nèi)設(shè)置間距2.0 m×2.0 m泄水孔。層間水超靜水壓力有利泄水，采用Ф100 mm軟式透水管或泄水管外包土工布反濾崩解的粘土礦物。錨索配筋混凝土格構(gòu)按4.0 m×3.0 m方格設(shè)置，格構(gòu)梁深0.5 m(入巖土深0.3 m)，寬0.3 m，見圖6。

圖6　常吉高速公路K1235右側(cè)邊坡加固

4.3透水隔水軟弱夾層互層加固

常吉高速公路K174+220～ K174+440左側(cè)邊坡為2～3級(jí)邊坡，地層自上至下是0.6～3.0 m的種植土厚1.6～6.8 m的亞粘土，局部含強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂巖；中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖，強(qiáng)風(fēng)化層裂隙發(fā)育，含薄層泥巖夾層；薄～中厚層狀粉砂巖，與粉砂質(zhì)泥巖互層發(fā)育。2006年8月發(fā)生大規(guī)?；拢?007年7月份、2008年1～2月份百年一遇的冰凍及3月份的暴雨，抗滑樁前嵌固段巖體多次松動(dòng)，滑塌。該邊坡采用格構(gòu)梁+錨桿+抗滑樁+坡面支撐滲溝+噴混植草加固，支撐滲溝+軟管泄水，至今穩(wěn)定，見圖7。

圖7　常吉高速公路K174+220～+440邊坡加固

5　結(jié)論

1) 湘西紅砂巖因巖石結(jié)構(gòu)、礦物組分、膠結(jié)物的不同，造成了紅沙巖地層邊坡的滲水泄水的差異性，巖層有透水層和隔水層之別。

2) 水對不同紅砂巖的物理-力學(xué)作用和化學(xué)-力學(xué)作用，形成了湘西紅砂巖的顆粒崩解和膠結(jié)物崩解兩種形式。

3) 常吉高速公路3種結(jié)構(gòu)的紅砂巖邊坡出現(xiàn)了透水層、透水隔水互層、透水隔水軟弱夾層的3種排水機(jī)制，存在3種邊坡滑坡機(jī)理。

4) 針對湘西紅砂巖邊坡不同的滑坡機(jī)理，提出了單一透水層坡體采用簡易排水錨桿加固；透水隔水互層坡體采用盲溝或支撐滲溝分區(qū)排水加錨桿格構(gòu)梁加固；多層滑床的透水隔水夾層邊坡采用滲溝軟管排水加錨索格構(gòu)梁與抗滑樁重型加固方法。

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2016-05-04

胡定(1980-)，男，工程師，從事巖土工程勘察與設(shè)計(jì)。

；1008-844X(2016)03-0010-05

；U 417.1

；A