借鉴丹霞地貌稳定原理加固兰州第三系半成砂岩边坡

金学菊 袁 宁 肖 刚 徐静波 冯炳超

（甘肃省建筑科学研究院，甘肃 兰州 730050）

借鉴丹霞地貌稳定原理加固兰州第三系半成砂岩边坡

金学菊 袁 宁 肖 刚 徐静波 冯炳超

（甘肃省建筑科学研究院，甘肃 兰州 730050）

兰州及周边地区广泛分布着第三系半成砂岩边坡。近年来，随着高速公路、铁路、桥梁等大型工程的建设，砂岩边坡的治理工程也迫在眉睫。由于第三系半成砂岩边坡支护理论不完善，很多治理后缓坡常在雨季出现大量滑塌；而自然界中有很多垂直的砂岩边坡、丹霞地貌却能长期稳定。本文通过总结自然稳定陡坡、丹霞地貌的稳定规律和特点，并分析了许多治理后又滑塌的工程边坡，大胆提出了借鉴稳定丹霞地貌规律进行边坡加固的理念。丹霞地貌是上世纪30年代命名的一类地貌类型。丹霞地貌是内陆盆地沉积的红色屑岩，后来地壳抬升，岩石被流水切割、溶蚀和重力崩塌等综合作用而形成的陡崖、孤立突出的塔状地形。丹霞地貌发育始于第三纪晚期的喜马拉雅造山运动。

半成砂岩边坡；电镜扫描；裂隙；边坡滑塌；丹霞地貌；稳定直立坡

1 兰州地区半成砂岩分布现状

兰州地区半成砂岩分布广泛，永登县、红古区、皋兰县、九州开发区、大沙坪、黄河北岸的罗锅沟、李麻沟、大砂沟、安宁区沙井驿及兰州南山上均有泥岩或砂岩出露地表；兰州河谷盆地第四系地层的下伏层也主要为第三系红色强风化砂岩，局部泥岩与砂岩交互出露[1]。

兰州第三系砂岩，成岩作用差，是一种极软半成岩，浸水后性质变化大，水稳定性差，其物理、力学性质介于一般土和一般岩石之间，工程行业对其性质研究、试验较缺乏，应用实例也很缺乏。对其采用岩体力学理论或土力学理论分析研究均不能完全适宜。因此，很有必要找出更适宜的试验分析方法，更好的指导边坡治理工程，为边坡治理提供参考依据。

兰州地区大部分砂岩含硫量较高，具膨胀性，饱和砂岩失水易龟裂，龟裂后雨水极易渗入，渗入后使其强度基本丧失，导致边坡失稳滑塌，造成严重损失。兰州南部某高速公路旁的砂岩边坡在过去十年间，在雨季常发生失稳滑塌现象，造成了大量损失。因此，找到治理此类问题的突破口迫在眉睫。

2 兰州地区第三纪半成岩成因

兰州地区砂岩仅新城镇主要为白垩系，其余大部分为第三系。早第三纪晚期，甘肃处于干燥而炎热的环境，普遍形成了湖泊相含石膏等盐类的棕红色泥岩，为陆相湖盆沉积，湖泊相沉积层主要分布于沙井驿、九州、大沙坪、咸水河、野狐城等地。第三纪地层后来大多被第四纪黄土覆盖，露头零散。兰州市区盆地内下伏第三系很发育，是河流相为主的沉积，主要为棕红色疏松砂岩，底部为泥灰质砂砾岩；晚第三纪初也形成了河流相灰白色砾岩、棕黄色砂质泥岩。

3 电镜扫描试验分析砂岩的性质

土的微观结构理论最早由太沙基（Terzaghi）于1925年提出，即扫描电子显微镜(简称S E M ) 测试技术 。电镜扫描技术是近代出现的研究物质结构的研究方法，应用电镜扫描研究岩土的微观结构，可以辅助分析岩土的微观结构、孔隙、裂隙、主要成分等。

3.1 电镜扫描试验过程

本研究电镜试验样品采自采皋兰县忠和镇兰州市北龙口。试验于2016年7月在中科院寒旱所完成。试验仪器（图1）为日本电子光学公司生产，型号及名称为“JSM-6701F-冷场发射型扫描电镜”，本次采用的扫描倍数为1000～30000倍。

图1 电镜扫描试验仪器

图2 扫描5000倍图片-微裂隙情况

图3 扫描500倍图片-微裂隙、片状结构

图4 扫描20000倍图片-钟乳状盐结晶

图5 扫描1000倍图片-微孔道结构

图6 扫描30000倍图片-微裂隙及裂隙内钟乳状盐结晶

从电镜扫描试验，兰州半成砂岩有以下特点：

1）兰州半成砂岩具明显的片状结构，薄片之间的结合差，易剥落；

2）兰州半成砂岩具有很多细小的微裂隙，小孔隙，这些裂隙、孔道易成为渗水通道，这是其水稳定性差的主要原因；

3）兰州半成砂岩具有很多钟乳状微结晶，结合X光谱分析结果，含有较多的硫酸盐成分，硫酸盐水稳定性差，易膨胀（图4）。

另外，在大部分新鲜岩面上滴稀盐酸试剂会起气泡，说明含有碳酸盐成分。电镜扫描照片见图2～图6。

3.2 砂岩水稳定性、浸水膨胀原理

兰州地区的半成岩在天然状态下强度较高，粘聚力和内摩擦角都较高，很多高陡直立的边坡能长期稳定；但浸水饱和后抗剪强度明显降低。通过电镜扫描其微观结构，其主要原因有以下两点：

1）兰州泥岩在天然状态下密度高、含水率很低，电镜扫描试验中可以看出其微观为薄鳞片状结构，发育众多的微孔隙，浸水后水分进入这些微裂隙，导致微裂隙扩张，使泥岩膨胀。

2）砂岩含有蒙脱石等亲水矿物及钟乳状碳酸盐（石膏、芒硝为主）微结晶，亲水矿物吸水后具有一定的体积膨胀性；而石膏和芒硝遇水后发生以下反应，体积明显膨胀。

2（CaSO4）+H2O =2（CaSO4）·H2O

2（CaSO4）.H2O+3H2O=2(CaSO4.2H2O)

Na2SO4+10H2O=Na2SO4·10H2O

石膏和芒硝等盐类含量的高低，是半成砂岩水稳定性的主要决定因素。

3.3 砂岩失水龟裂过程分析

砂岩中发育有大量的微裂隙，这些微裂隙浸水后易膨胀，从而使裂隙扩展；另外微裂隙附近还发育有易膨胀的盐类矿物，这些矿物遇水后体积膨胀，导致微裂隙扩张；浸水后的砂岩失水干燥后，体积收缩，原来充水的裂缝变成较大的干缩裂缝——称为龟裂，龟裂裂缝再次浸水后，大量的水浸入裂缝，从而导致岩体破坏，边坡滑塌。

4 兰州半成砂岩边坡常见滑塌原因分析

很多半成砂岩人工缓坡在雨季常出现经常性滑塌；而自然界中有很多垂直的砂岩边坡却长期稳定。这到底是什么原因呢？针对上述疑问，以下通过多种试验及理论进行分析。

4.1 通过电镜扫描试验成果分析滑坡原因

根据电镜试验，砂岩中发育有大量的微裂隙，这些微裂隙浸水后易膨胀，从而使裂隙扩展；另外微裂隙附近还发育有易膨胀的盐类矿物，这些矿物遇水后体积膨胀，导致微裂隙扩张；浸水后的砂岩失水干燥后，体积收缩，原来充水的裂缝变成较大的干缩裂缝——称为龟裂，龟裂裂缝再次浸水后，大量的水浸入裂缝，从而导致岩体破坏，边坡滑塌。

4.2 通过膨胀试验分析滑坡原因

兰州半成砂岩边坡浸水后，会产生10～80kN/m2的膨胀力，膨胀力能导致岩体破碎崩解，当毛细裂缝越多，约束压力越小时，就越容易发生破碎崩解现象。而稳定的自然直立坡有较高的垂直约束压力，压力大于膨胀力，不易膨胀崩解。

工边坡卸载了其上部的垂直压力，加上岩体内存在大量毛细裂缝，毛细裂缝大多数在1年时间内会产生龟裂，龟裂裂缝在雨季被浸水后，就可能发生滑坡，根据调查，一般1年内多数发生的是浅层小规模滑塌；在3～5年的时间内常发生深层大规模滑坡，这主要是由于龟裂裂缝持续往深部发展造成的结果[5]。

4.3 从成因、层理结构分析滑坡原因

兰州半成砂岩是第三系在水下沉积后又固结而成的，是第三系湖积地层，各向异性显著，多具水平层理或倾斜层理。其在垂直状态下雨水难以渗入；天然的砂岩丹霞地貌顶部覆盖了一层土，这成为其天然的“雨伞”，保护了岩体不被水浸；另外，兰州砂岩具水平层理，垂直向渗透系数很小，不易被雨水渗入。而人工缓坡，将层理、裂隙暴露于外，岩体极易受降雨影响而饱和，饱和后边坡表层的抗剪强度降低或丧失，导致边坡滑塌。

4.4 通过力学原理分析滑坡原因

通过试验发现，兰州砂岩的最大膨胀压力是60～80kN/m²，通过调查发现，顶部覆盖一定土层的砂岩断崖能长期稳定。

工程边坡因降雨而饱和时，泥岩吸水后，表层剪切强度减小，边坡表层的抗剪强度减小，导致边坡表层发生滑塌。岩体毛细裂缝越多，上覆压力越小时，就越容易发生这种现象。而自然界中的丹霞地貌直立崖，其在垂直状态下稳定的非常多。这种砂岩边坡在自然垂直铅直状态下能长期稳定的原因是在约束压力下极少膨胀，潜在裂缝不会张开，垂直状态本身不会受雨水浸泡，抗剪强度能维持稳定。

而工程边坡挖方、放坡解除了约束压力，裂隙内产生负压，负压导致微裂隙膨胀，裂隙膨胀后吸入雨水、大气中的水分，产生正孔隙水压力，孔隙水压破坏泥岩结构强度，导致边坡滑塌[3]。

4.5 兰州半成砂岩边坡滑坡原因分析总结

目前，大部分现有的公路边坡治理采取了放坡结合支护的措施，工程虽考虑了防水、排水措施，但是仍不能防止砂岩的滑坡。这主要是因为在自然中，大面积暴露的边坡，在雨期很难做到不浸水。目前公路上治理边坡常采用的方案是放坡+锚杆支护+排水措施。在持续强降雨时，雨水会渗入岩体微裂隙引发裂隙膨胀，雨停后，当地蒸发强烈，浸水的砂岩失水发生龟裂，龟裂后裂缝扩展，再次降雨时，雨水将沿着龟裂裂缝渗入泥岩深层，从而使泥岩裂缝不断扩展，最终导致强度丧失而滑坡。

砂岩边坡中的排水结构，砂岩层中水流不均匀，风化的岩屑颗粒易堵塞过滤材料的孔隙，使排水通道失效，这也是导致砂岩滑坡的因素之一。

图7 某公路边坡治理后在雨季滑塌

图8 兰临高速公路雨季边坡滑坡

5 丹霞地貌稳定原理分析总结

在自然界中，很多天然砂岩丹霞地貌能在垂直状态下长期稳定，主要原因有以下几点：

1）龟裂裂缝在垂直的压力约束下未能发展。

2）在垂直状态下，雨水很难渗入，自然防水能力强，陡坡岩体很难被雨水浸入。

3）而平缓的砂岩边坡，其上覆压力被卸除或减小；缓坡大面积暴露于空气中，很易受降雨影响，降雨后雨水很易侵入微裂隙；雨水渗入引发微裂隙扩张，微裂隙扩张后待雨停天晴后，由于当地气候干燥、蒸发量大，干燥后易龟裂，产生大量龟裂裂缝，龟裂裂缝显著大于之前的微裂隙，其成为再次降雨后的渗水通道，再次降雨后，雨水渗入龟裂裂缝，如此循环，砂岩一般在降雨时发生滑塌。

图9 自然状态下长期稳定的直立砂岩坡-兰州安宁区大砂沟天斧沙宫

图10 自然状态下长期稳定的直立砂岩坡-黄河甘肃兰州～白银段

而自然界中陡直的丹霞地貌，存在垂直的约束压力，虽然侧向约束压力解除，但是自然作用下，保留下来的岩体质量总体较好。在高约束压力下其强度高、变形小，而且直立陡坡顶覆盖有塔状第四系土层，直立坡不易受雨水浸泡，尖塔状第四系覆盖物易使雨水流失。

兰州安宁天斧沙宫能够长期稳定，其地貌特征是其表层覆盖了一层锥形黄土，保证了垂直压力和良好的防水性，能防止雨水渗入，保护了底部砂岩不被雨水浸泡；二是直立陡坡很难被雨水浸泡影响，泥岩的湿度能长期处于干燥状态。

6 借鉴自然稳定丹霞地貌加固边坡的成功案例

在自然界中很多垂直的砂岩坡能长期保持稳定，而很多人工缓坡在竣工后一两年内就在雨季产生滑坡。若把稳定的丹霞地貌，稳定原理及要素用于工程边坡，如在边坡加固设计时保持其上覆约束压力，采用陡直的自然坡度，将其迎风雨的一侧护面，防止风、雨侵蚀造成风化剥落，在坡顶“戴帽”压重形成利于排水的锥形顶。防止积水，覆盖上覆约束压力，砂岩的天然强度得以维持，能保证其稳定。

自然界中稳定的例子很多，如兰州市安宁区的天斧沙宫（图9）、黄河甘肃兰州～白银段（图10）有很多近乎直立的陡崖，其几乎在几百年来都能长期稳定。

在日本兵库县南部的六甲山南部，第三纪半成泥（砂）岩分布也很广，当地把第三纪泥岩当做地基使用，地基下的岩体边坡坡度是1：0.2，近似直立的陡坡，表面用干砌石保护，其长久以来稳定性良好。在兵库县南部地震时没有发现边坡有变动的征兆。实践证明其效果好，治理方法符合自然特点，不会刷坡造成大量生态破坏。日本土力学大师大根義男在其《实用土力学》[2]里对此案例进行了论述，并分析了其稳定的力学原理。

7 借鉴自然稳定丹霞地貌加固砂岩边坡的方法

泥（砂）岩边坡加固时，对陡直而长期稳定的坡泥岩、砂岩坡可以大胆保留原来的陡坡，在坡顶覆土压重，坡体顶部覆土压重及防渗处理、排水措施，保证边坡不被雨水浸泡；并采取护面处理，护面是为防止风化剥落的岩块崩塌。覆土压重保证垂直约束压力，进行顶部防水，护面措施防止局部坍塌。

根据调查，兰州周边高速公路旁的边坡经常失稳滑塌，其都采取了放坡+支护的措施，放坡使岩体更容易被雨水浸湿，引起泥（砂）岩在雨季的干湿变化，从而引起龟裂，最后导致滑坡。这是此类砂岩边坡治理后更易滑塌的主要原因。因此，可以大胆尝试直立坡+上覆压重土+防水措施+护面措施的支护方式。

兰州南兰临高速公路某边坡，公路竣工后一年内发生了第一次小规模滑塌，滑塌后采取了清理滑塌体、放坡、支护等治理措施；次年原址上又发生了更大的滑塌。由此可见，砂岩边坡的治理，不能生搬硬套理论，总结和利用自然规律，便能节省大量的治理费，甚至挽回不必要的生命损失。这种加固理念，当岩层具顺坡向的倾斜层理时，层理将是滑坡诱发的关键因素，这时就要分析这种方法治理的适宜性。因此，进行充分详细的地质勘察，是边坡加固设计成功的关键保障[4]。

8 结 语

兰州地区的半成砂岩边坡难治理，易受水影响，治理后容易再次滑塌，针对这种情况，我们总结了长期稳定的自然丹霞地貌直立坡的稳定原理，把自然丹霞地貌的稳定规律和要素作为工程边坡的治理要素，并经理论分析和室内试验验证，提出了借鉴稳定丹霞地貌进行边坡加固的理念，给工程边坡设置这些稳定的要素并防范局部塌落风险，就能取得很好的治理效果。

[1]《兰州市地理志》

[2]《实用土力学》日本出版-卢有杰译

[3]《土力学》清华大学出版 陈忠颐等编

[4]《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）

[5]《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）

Reinforcement of lanzhou tertiary semi - sandstone slope by the stabilization principle of danxia landform

Lanzhou and the surrounding areas are widely distributed in the Tertiary semi-sandstone slope.In recent years, with the highway, railways, bridges and other large projects, sandstone slope control project is also imminent.Due to the imperfection of the theory of the semi-sandstone slope support in the Tertiary, many gentle slopes often fall in the rainy season after governance, but there are many vertical Danxia landform can be stable for a long time.In this paper, by summarizing the stability law and characteristics of natural and steep slopes and Danxia landforms, analyzing many engineering slopes with falling after governance，boldly put forward the idea of stabilizing Danxia landform for slope reinforcement.Danxia landform is a class of landforms named after the 1930s.Danxia landform is the inland basin deposited red clastic rock, and later the crustal uplift, the rock is water cutting, dissolution and gravity collapse and other comprehensive role in the formation of the cliff, isolated prominent tower terrain.Danxia landform development began in the late Tertiary Himalayan orogeny.

semi-sandstone slope;electron microscopy scanning;fissure;slope falling;danxia landform;stable vertical slope

TU4

B文章标号：1003-8965（2017）04-0069-04