红砂岩边坡稳定性能分析

程小兵，朱彦鹏，马国纲（.酒泉职业技术学院，甘肃酒泉75000；.兰州理工大学，甘肃兰州70000；兰州市城市建设设计院；甘肃　兰州70000）



红砂岩边坡稳定性能分析

程小兵1，朱彦鹏2，马国纲3
（1.酒泉职业技术学院，甘肃酒泉735000；2.兰州理工大学，甘肃兰州730000；3兰州市城市建设设计院；甘肃兰州730000）

摘要：红砂岩具有极强的风化崩解与遇水软化的性质。在一定应力状态下浸水后，在水膜的润滑作用下，颗粒发生相互滑移、破碎和重组，使得岩体软化；当水沿着孔隙、裂隙进入红砂岩内部时，吸附水膜增厚，一些胶结物便会软化甚至溶解，从而引起岩石颗粒的崩解解体，产生岩土体变形失稳，使得控制地表沉降及边坡稳定性防治困难。因此，研究红砂岩软化和崩解性对工程建设尤为重要。

关键词：边坡稳定性；红砂岩；崩解；分析

泥岩、泥质砂岩、砂岩、砂质泥岩以及页岩等沉积岩类岩石，因富含氧化物而表现为红色、褐色或深红色，故统称这类岩石为红砂岩。大部分红砂岩经挖掘暴露后，在风吹日晒雨淋的作用便可崩解破碎，乃至泥化，因而红砂岩的颗粒级配与岩块大小也随着干湿交替的时间过程而不断变化，同样，其物理力学性质也随之变化。可按崩解特性和强度，将红砂岩分为三类：

一类红砂岩：单轴抗压强度＜15MPa，烘干后浸水24h，现渣状、泥状或粒状崩解；二类红砂岩：单轴抗压强度在15MPa左右，烘干后浸水24h，现块状崩解；三类红砂岩：单轴抗压强度＞15MPa，与普通砂岩相当，基本上不崩解。

图1　红砂岩

1　红砂岩的结构特征

红砂岩常见的天然结构有泥状结构和粒状碎屑结构两类，随着风化程度和胶结物质的变化，其强度表现出很大的离散性[1]。根据岩石学划分规则，可以将其分成粘土岩类与碎屑岩类，前者主要有泥岩、砂质泥岩、砂质页岩和页岩等；后者主要有砾岩、砂岩、粉砂岩、泥质细砂岩、泥质粉砂岩、泥质砂岩等。

泥状结构粘土岩类的工程性质主要由蒙脱石和伊利石等亲水性矿物成分的含量决定[2]，表现为水稳定性很差，极易崩解软化。当伊利石和蒙脱石的含量较多时，其工程性质极差，极易产生病害。

2　红砂岩的崩解特性

红砂岩属沉积岩，崩解性强[3]，抗风化能力差、岩质较弱，成岩程度低，边坡岩体的风化深度较大，当粉砂岩和紫红色泥岩互层时，边坡风化更甚，风化深度可达10m。红砂岩的风化性能区别较大，粘土类红砂岩崩解软化较易，随着干湿循环次数及暴露时间的增加，不断破碎，最终成泥状或渣状[4]；砂岩的抗压强度高，抗风化性能也好。试验表明，随着干湿循环次数和软化暴露时间的增加，岩块也逐渐崩解破碎，崩解稳定约需50～60d（8次干湿循环）时间，到达稳定状态后将不再崩解变化。

3　红砂岩的力学性质

试验表明，压实后的红砂岩透水性很差[5]，当压实度超过重型击实标准90%时，表面积水很难下渗，仅能影响到表层土体的含水量；压实后的二类红砂岩的防渗性能与粘土相当。一类红砂岩水稳定性较差，为防止表层的红砂岩浸水后软化、膨胀变形、强度下降，应对边坡外露面采取有效的隔水措施。

表1　各类红砂岩试件（16组）室内CBR值随浸水时间变化的试验结果（平均值）

由表1可以看出，对于98击一类岩与30击二类岩，随着浸水时间的增加，其CBR值有所下降；而对于98击和50击二类岩的CBR值与浸水时间无明显的相关性。根据试验结果，一类红砂岩的水稳定性很差，一旦长期受水浸泡，强度将大幅降低。

4　红砂岩边坡常见的破坏形式

红砂岩边坡的稳定性受岩石的风化、雨水渗透与岩石结构面的双重控制[6]。通常，风化最强烈的部位在边坡坡脚，所以，红砂岩边坡的破坏往往是风化剥落与结构面失稳破坏的综合表现。红砂岩边坡常见的破坏形式主要有：溜坍、风化剥落、楔体破坏、崩坍和顺层滑坡等。

4.1溜坍

溜坍，是边坡经雨水冲刷，土体含水量饱和后，坡体沿纵向开裂，部分土体与母体脱开并沿某一滑动线发生下滑。当遇有强降雨或连续降雨时，容易暴发溜坍灾害。发生溜坍病害的条件：1）汇水面积较大，如具有凹形汇水条件的缓坡地段；2）有堆积较厚的松散砂粘土夹碎石层；3）山坡植被局部破坏、表层不平整、排水不畅。

4.2风化剥落

风化剥落的表现形式主要有：局部崩坍、碎块状剥落、碎片状剥落和碎粒状剥落，遭雨水冲蚀容易产生冲沟。

局部崩坍往往发育在含有较多砂岩，构造节理及风化裂隙等有利切割的局部坡面。崩坍体体积一般1～3m3左右。

构造节理发育较密，温差较大处较易发生碎块状剥落。风化颇重带的粉质泥岩及泥岩，往往风化成2～3cm的小碎块，随着风化程度的加剧与风化裂隙的扩展，在外力作用下便即崩落，通常只发生在坡面局部，崩落量不大。

4.3楔体坡坏

楔体坡坏一般由层面与构造结构面的关系控制。当滑面上部为构造面，下部为层面时，将沿着构造面和层面的复合滑面滑坡；当结构面有断泥层、充填土时，往往沿构造结构面发生滑坡，出现楔体滑坡。

4.4崩塌

崩塌破坏常发生在边坡过陡、层理节理发育岩体被雨水作用时，或软弱的泥岩和粉砂岩分布于下层，而坚硬的厚层砂岩分布于上层时，往往存在潜在崩塌点。

4.5顺层滑坡

在构造作用下，红砂岩山体多形成10°～25°倾角的缓倾岩体。当边坡坡角岩大于层倾角，而坡向与岩层倾向相同时，就可能发育顺层滑坡，尤其当红砂岩为硬质岩与软质岩交替成层状多元结构岩体，并顺着岩层走向开挖时，往往容易发生滑坡。

5　红砂岩边坡失稳破坏机理

红砂岩的特殊物理性质和构造特点，使得红砂岩边坡失稳破坏既有类似于同类型边坡失稳破坏的地方，也存在特殊的发育条件。如顺层滑坡应同时满足下述四个条件：1）内摩擦角φ＜岩层倾角α；2）岩层倾角α＜边坡坡角β；3）两侧面脱开；4）岩石出露。

5.1沿软弱的泥化夹层发生滑动

红砂岩软弱夹层会因泥化导致抗滑阻力大幅下降，红砂岩中的泥化夹层往往是最软弱，也是延伸更长的可能滑动面，所以，红砂岩坡体主要沿软弱的泥化夹层发生失稳破坏。

5.2风化会引起滑面抗剪强度降低，促使坡体失稳

以粘土矿物为主要胶结物的红砂岩，在大气环境暴露后风化迅速，遇水软化，导致岩体强度迅速降低，同时层间粘聚力和摩擦力也相应降低，导致抗剪强度随之降低。红砂岩在遭受强烈风化时的风化深度往往较大，一般可超过10m，另外由于很多构造节理已经张开，泥化夹层发育强烈，经受长期大雨时，雨水渗入边坡后，又沿泥化夹层渗出边坡。

对于岩层倾角大于15°的部位，经开挖暴露后多会失稳发生下滑。

有很多坡体是在暴露数年后，岩体风化致使强度下降，到了雨季受到裂隙水压力的触发而产生变形失稳。因此，红砂岩在强光照和雨水作用下经若干次干湿交替，当滑动面泥化夹层的强度降低到一定值时，便即产生滑坡。

5.3降雨是红砂岩发生滑坡的关键诱因

红砂岩边坡滑坡多出现在雨季。滑坡的产生，与当年的降水强度和降水量密切相关，也与地层岩性、地形地貌和地质构造息息相关。强降雨以及持续降雨会使得滑面的抗剪强度显著降低。另外，由于红砂岩的节理、层理、裂隙发育，当雨水渗入裂缝时，增加了沿斜面下滑的致滑力，同时也降低了抗滑磨阻力，二者共同作用导致边坡稳定系数减小。

参考文献：

[1]胡昕,洪宝宁.红砂岩强度特性的微结构试验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(10):2141-2147.

[2]黄庆,胡振南.红砂岩高填方路堤沉降规律研究[J].中国公路,2009(11):98-99.

[3]邓觐宇.红砂岩的崩解特性研究[J].中南公路工程,2003 (4):32-35.

[4]赵明华,邓觐宇,曹文贵.红砂岩崩解特性及其路堤填筑技术研究[J].中国公路学报,2003,16(3):1-5.

[5]刘林芽,高柏松.红砂岩工程特性的试验研究[J].铁道建筑,2007(11):44-46.

[6]文素琴.红砂岩路基施工技术与质量控制[J].公路工程, 2008(3):106-112.

中图分类号：U213.1+3