常吉高速公路红砂岩边坡加固支护方法研究

2016-10-12樊忠武胡毅夫

湖南交通科技 2016年3期

关键词：红砂岩粘土矿泥质

胡　定，樊忠武，胡毅夫

(1.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙　410008；2.湖南省高速公路管理局，湖南长沙　410001；3.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙　410083)

常吉高速公路红砂岩边坡加固支护方法研究

胡定1，3，樊忠武2，3，胡毅夫3

(1.湖南省交通规划勘察设计院，湖南长沙410008；2.湖南省高速公路管理局，湖南长沙410001；3.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙410083)

以湖南常吉高速公路滑坡实例为对象，分析红砂岩水理力学特性和岩石崩解机理，根据边坡滑坡破坏机理提出了对3种红砂岩边坡结构采用不同的固岩、封闭坡面、疏排地下水的支护方式。

；边坡加固；红砂岩；崩解；封闭坡面；疏排地下水

0　引言

湘西红砂岩的地质环境问题和武陵山脉高山地区雨季的持续时间较长，雨量充沛原因，导致湘西地区高速公路边坡经常出现失稳现象。在评判红砂岩边坡稳定性时，不仅要注重边坡高度、岩层的产状和构造面分布形态，还要注重岩性的差异。学者们[1-4]发现湘西红砂岩存在不同岩性的强度、抗风化、遇水软化和失水崩解能力等差异。以湖南省常吉高速公路边坡加固工程实例深化分析红砂岩岩石特性，认识边坡失稳机理的差异性，为红砂岩地区边坡的防灾减灾提供更实用加固方法。

1　工程概况

1) 实例1：常吉高速公路K204+650～+740左侧路堑边坡高46 m，边坡走向 81°，5级坡平缓顺向坡。边坡岩体为白垩系紫红色薄层夹中厚层泥质、钙质砂岩，具有强度低，软化系数小，易风化崩解。坡体节理裂隙发育，主要3组控制性节理裂隙：80°∠82°、170°∠80°、30°∠75°，风化裂隙及卸荷裂隙发育(节理长度3～10 m)。

2) 实例2：常吉高速公路K1235右侧边坡主体边坡段分5级坡。主体边坡开挖高度范围为80 m。第3级坡顶设28 m宽平台，将边坡分为上下两段。其余各级坡顶设2.5 m宽平台。上边坡主要土质层为红砂岩。岩性以砂岩、泥岩、粉砂岩和页岩为主，岩性组合以互层为特征。在持续一个星期的特强暴雨的影响下发生了大面积的崩塌、滑坡。

3) 实例3：常吉高速公路K174+220～+440 左侧滑坡原坡角为15°～20°，坡体开挖面距设计标高3 m左右时从开挖面附近剪出。滑动面(带)土体为粉砂质泥岩层间的软弱泥质夹层，厚2～5 cm，后缘滑面产状342°∠25°。滑体为强～弱风化粉砂质泥岩块石，滑动后岩体拉裂破碎，沿主滑方向长约110 m，沿路线方向剪出口长达120 m，滑体前后缘高差约44 m，滑体前缘厚约16 m。如图1。

图1　K174+320边坡滑坡剖面

2　湘西红砂岩水理力学特征

2.1红砂岩地质矿物特征

湘西红砂岩主要为白垩系下统地层，分布区属于北东向和北北东向新华夏系构造，地壳运动以整体抬升作用为主。湘西红砂岩岩石结构分为粗砂岩、泥质细砂岩、泥质粉砂岩、含泥细砂岩、粉砂质泥岩；按照透水性可以分为透水性砂岩和相对隔水性砂岩。整理现有的红砂岩水理特征试验成果[5-7]，见表1。

显微镜下分析湘西地区红砂岩主要矿物成分为石英、方解石和钙质及铁泥质粘土矿物，含少量长石、云母(见图2)，左上为粗粒砂岩，右上为泥质粉砂岩，左下为粉砂质泥岩，右下为泥岩。图中灰白色矿物为石英及长石，褐色为粘土矿物，暗褐色为铁质物。

表1 湘西红砂岩水理特征岩性蒙脱石/%粘土矿物/%饱和吸水率w/%孔隙度n/%软化系数渗透系数/(cm·s-1)粉砂质泥岩16.2614.70.644.2×10-7粉砂质泥岩210396.7211.190.12泥质粉砂岩115351.745.950.173.58×10-7泥质粉砂岩25260.532.560.69泥质粉砂岩35231.203.320.46泥质粉砂岩43.228.030.29泥质细砂岩10325.5212.620.21含砾细砂岩10290.712.550.68粗砂岩4.7417.30.265.20×10-7

图2　红砂岩偏光显微镜下的照片[8]

表2为红砂岩的矿物组成。

红砂岩中粘土矿物含量>25%时，单轴抗压强度随着黏土矿物含量的增大而减小；当黏土矿物含量<25%时，其变化较小。林志红[7]认为湘西红砂岩的浸水软化特征由黏土矿物含量(特别是蒙脱石含量)控制，蒙脱石的亲水性主导红砂岩饱水软化特征明显。

红砂岩胶结形式影响岩石的抗压强度软化。湘西红砂岩胶结物质主要有泥质胶结物和钙质胶结物两种。钙泥质胶结、泥质胶结的红砂岩的软化系数较低，而钙铁质胶结的红砂岩石的软化系数较高。饱和状态红砂岩具塑性状态，无明显峰值强度，呈塑性变形特征。

表2 红砂岩的矿物组成%岩性石英长石方解石白云石粉砂质泥岩214248泥质粉砂岩429.7153泥质细砂岩353270含泥细砂岩3011252赤铁矿蒙脱石绿泥石伊利石高岭土41081291.78.25.29.353101255310784

2.2红砂岩软化崩解机理

红砂岩遇水容易软化，失水易崩解。不同的红砂岩有不同的软化、崩解机理。红砂岩崩解过程[9]可分为颗粒崩解和胶结物崩解两种。水对红砂岩的软化作用既有物理-力学作用，还有化学-力学作用。

成岩颗粒崩解的实质是化学溶蚀导致细小颗粒的流失。泥岩含有较多的石膏和可溶性盐沉积，造成岩石内的胶结物含有化学性质活泼的K、Na、Ca、Mg、Cl、S等元素，并且以可溶的卤化物、硫酸盐及碳酸盐的形式充填于岩石的孔隙内。当外界水入侵孔隙时，可溶性胶结物与水发生反应，而被稀释或者溶解到水中，使得岩石颗粒之间失去联结而解体；溶于水中的元素以离子状态存在于岩石的孔隙溶液中，加剧岩石粘土矿物的崩解，使其孔隙度、孔隙体积、孔隙表面积和大孔径孔隙的比重增加，岩石体积进一步膨胀。该类岩石中不可溶的物质和膨胀、破裂产生的细小颗粒(小于0.25 mm)含量急剧增长。固体颗粒由紧密状变成空洞状，有效联结应力下降，抗剪强度随着含水量的增大而逐渐降低。湘西红砂岩软弱夹层随含水量增大，粘聚力先增大后减小、内摩擦角逐渐减小的变化规律。在岩石颗粒的膨胀、碎裂、解体和孔隙体系变化的共同作用下，岩石整体发生崩解。胶结物崩解的实质是胶结物膨胀力无法释放而产生微裂隙。

细砂岩颗粒之间以孔隙式碳酸盐胶结为主。首先，地下水渗透、浸泡过程中碳酸盐溶解，红砂岩处于弱酸、氧化的化学环境。水与软弱夹层的离子交换作用加剧了水化学作用，产生大量的离子。强碱环境虽有利于软岩中Si02，A1203的分解，但径流滞缓又制约这一作用。

泥质粉砂岩颗粒之间主要为孔隙式胶结和接触式胶结两种胶结类型，胶结物主要为粘土矿物。泥质粉砂岩饱水后，在颗粒之间的胶结物体积首先急剧膨胀，颗粒之间连接更紧密，应力无法释放。分布不均的膨胀应力沿着颗粒边缘产生微裂隙，并发展、贯通，最后产生更大的裂纹。

泥质红砂岩的崩解膨胀性主要与岩石的含水量、孔隙率和饱和度指标有着密切的关系。岩石孔隙率、含水量越大，其矿物成分和胶结物与水接触的几率就越大，岩石越容易发生崩解作用；饱和度越大的岩石，孔隙中填充的水量越多，矿物成分和胶结物与水的作用就越容易、越剧烈。

一般认为粘土矿物成分特别是蒙脱石、高岭石及伊利石对红砂岩的崩解过程有重要影响。粘土矿物在红砂岩失水-吸水-泥化或崩解的过程中，主要表现为吸附作用、水楔作用等。

以高岭石为主要成分的粘土类红砂岩，上覆岩体的重力作用及地质构造作用致使结构松散的高岭石晶体颗粒呈定向性、有序性排列的薄片状微结构，且矿物颗粒在矿物结构的面-面接触点或点-面接触处胶结，这种胶结连结在水与外力的作用下容易发生破坏，颗粒间产生错动，使泥岩宏观上软化。

以伊利石为主的泥质红砂岩，伊利石呈3层结构晶胞。晶胞结合力低于高岭石，晶胞间反离子易被水分子取代，其分子膨胀机制使岩石原体积增加50%～60%。

不论是高岭石粘土颗粒，还是伊利石粘土矿物颗粒与水相互作用时，水分子都将进入层状的粘土矿物颗粒之间，形成极化的水分子层。这些水分子层不断吸水扩层，同时进入伊利石等粘土矿物晶胞层间，形成矿物内部层间水层。前者造成了粘土矿物的外部膨胀，后者造成了粘土矿物的内部膨胀。此外，由于粘土矿物吸水膨胀是不均匀的，在岩石内部产生不均匀应力，从而产生大量的微孔隙；这些微孔隙的出现将破坏天然岩样的内部结构体系，最终导致岩石颗粒的碎裂解体。

通过以上分析可知，即使泥岩中没有蒙脱石，只要伊利石和高岭石含量足够高，岩样也会发生软化崩解的现象。

3　红砂岩边坡滑坡机理

由于地质结构和作用因素的多样性和复杂性，滑坡类型和滑坡机理多样复杂，难以用一种理论概括所有类型的滑坡。湘西红砂岩地层[10，11]有3种类型。

第1种类型，由砂岩、含砾砂岩透水性砂岩组合，层理间主要是刚性接触，局部有薄层泥沙。由单一的透水性岩层组合的砂岩边坡以层状构造为主，中厚以上岩层，倾角缓，层理面有薄层泥沙，层间水渗出，一般岩层稳定。在地质构造破坏岩层整体性后，有利于大气降水入渗，水力压差造成层理面泥沙流失，岩层上浮脱空。有边坡岩层倾角为7°～15°也发生牵引式滑坡。

第2种类型，由泥质砂岩、粉砂质泥岩相对隔水性砂岩组合，层理间主要是柔性接触，有粉砂质粘土和粘土矿物组成。在单一的相对隔水性岩层直立陡边坡会出现岩石劈理发育，见图3。在初期，透水层和隔水层互层产出，层间断裂一般不会贯通，发育陡倾的斜层理或交错节理，岩层呈块状构造为主；边坡主要破坏形式是局部岩块坍塌。泥岩的阻水作用不仅产生超静孔隙水压力，也加速泥岩粘土矿物的颗粒崩解和砂岩胶结物的崩解。随着时间的延长，在孔隙水压力作用下，粉砂质粘土和粘土矿物发生管涌，岩土力学性质的差异性或非均匀性进一步扩大，导致泥岩层界面强度降低产生滑坡。

图3　沅陵至张家界公路陡立边坡岩层劈理

第3种类型，由粗粒砂岩等透水性、相对隔水性页岩、泥岩岩层和泥质胶结物粉砂质粘土和粘土矿物软弱夹层互层组成，如图4。下伏有阻水作用的泥岩夹层，在地下水物理化学作用下发生严重的水岩土化学差异溶蚀作用，加强了砂岩层与地下水的化学作用，使岩土力学性质的差异性或非均匀性进一步扩大，强度降低。软硬互层岩层会出现层间承压水而产生超静孔隙水压力。在出现施工临空面后，泥化夹层是引起滑坡的内在因素。

图4　常吉高速公路多级边坡

由于泥岩节理发育，空隙率高、含水率高，是天然雨水的通道。在软层岩石隔水层作用下，裂隙水加速泥岩颗粒崩解和泥质砂岩的泥质胶结物崩解。软硬互层岩层出现层间承压水，水的浮力降低层理面正压力，粘土矿物形成可塑～软塑状的泥化夹层。泥化软弱夹层一般成为初始滑床。公路开挖工程边坡后，切断岩层，地下水位下移，导致滑床下移。因此，此类地层的滑坡是多层滑坡和多级滑坡，滑坡面积也比较大。

4　边坡加固方法

按照红砂岩崩解破坏原理和红砂岩平缓产状、边坡破坏特征，红砂岩边坡滑坡形式可划分为相应的3种类型：

1) 单一的透水岩层，渗水和泄水方便，以层理面滑移为特征。

2) 透水岩层和隔水岩层互层，层间细颗粒泥质胶结，节理裂隙渗水通道方便，泄水困难，在泥化界面滑移为特征。

3) 透水岩层、隔水岩层和软弱夹层互层，泄水困难，不仅夹层崩解快，而且坡面岩层薄、风化快，以多层滑坡为特征。

根据这3种岩层边坡破坏机理，红砂岩边坡加固设计应着重边坡排水设计，以边坡表面封水和坡体内部排水为主，辅以岩层加固。除了坡顶和平台截水沟以外，坡面应分别采用不同的固岩、封闭坡面、疏排地下水的支护方式。

4.1单一的透水岩层边坡加固

常吉高速公路K204+650～+740左侧路堑边坡上覆层约为20 m，下部为强风化厚层泥质、钙质砂岩。采用在排水沟上方布设仰斜式排水孔，孔长15 m，安装Ф100 mm软式透水管仰角8°，间距4.5 m。坡脚排水孔距平台截水沟垂高50 cm。各级边坡平台均设置横向排水沟，经两侧排水沟接入河渠。坡面锚杆加固简易加固，如图5所示。

图5　常吉高速公路K204+650～+740边坡加固方案　(单位；mm)

4.2透水层和隔水层互层边坡加固

常吉高速公路K1235右侧上边坡岩层互层，呈块状结构，在锚固岩层时需要地格梁锚索固定岩块。为了节约成本，封闭坡面采用客土植生方法。当坡面岩体是微风化和中风化且岩体结构较为完整时，对坡面裂隙应进行防渗处理，坡体内设置间距2.0 m×2.0 m泄水孔。层间水超静水压力有利泄水，采用Ф100 mm软式透水管或泄水管外包土工布反滤崩解的粘土矿物。锚索配筋混凝土格构按4.0 m×3.0 m方格设置，格构梁深0.5 m(入岩土深0.3 m)，宽0.3 m，见图6。

图6　常吉高速公路K1235右侧边坡加固

4.3透水隔水软弱夹层互层加固

常吉高速公路K174+220～ K174+440左侧边坡为2～3级边坡，地层自上至下是0.6～3.0 m的种植土厚1.6～6.8 m的亚粘土，局部含强风化泥岩、砂岩；中厚层状粉砂质泥岩，强风化层裂隙发育，含薄层泥岩夹层；薄～中厚层状粉砂岩，与粉砂质泥岩互层发育。2006年8月发生大规模滑坡，2007年7月份、2008年1～2月份百年一遇的冰冻及3月份的暴雨，抗滑桩前嵌固段岩体多次松动，滑塌。该边坡采用格构梁+锚杆+抗滑桩+坡面支撑渗沟+喷混植草加固，支撑渗沟+软管泄水，至今稳定，见图7。