浏阳膨胀性红砂岩边坡工程地质特征研究

 

 

摘  要：为了查明湖南浏阳至醴陵高速公路红砂岩边坡破坏原因，在红砂岩边坡滑坍路段采集原状和扰动样，开展系统室内试验，研究了红砂岩的基本物理性质、物质组n、崩解等特性，通过现场调查研究了膨胀性红砂岩边坡的工程地质特征和边坡破坏特征，初步提出路堑边坡柔性支护的处治方案。

关键字：膨胀性红砂岩；路堑边坡

1.       前言

工程中经常遇到膨胀性红砂岩造n的工程建筑破坏情况，例如填筑路堤变形导致中断、开挖路堑边坡吸水膨胀失稳、隧道围岩向内塑性挤压破坏洞内支撑结构、建筑地基不均匀沉降开裂等，因此，如何有效地处治工程中遇到膨胀性红砂岩成为施工技术关键之一。

我国的南部地区(湖南、云南、四川等)广泛分布着中新生代泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩等沉积类岩石，由于含大量的氧化物显红色、深红色或褐色，这类岩石统称为红砂岩。工程上通常按强度及其崩解特性把红砂岩分为三类：（1）Ⅰ类，天然岩块的单轴抗压强度小于15Mpa，烘干后浸水24小时以内，将呈现泥状、泥状或粒状崩解迹2）Ⅱ类，天然岩块的单轴抗压强度在15Mpa附近或小于15Mpa，烘干后浸水24小时以内，将呈现块状崩解；（3）Ⅲ类，天然岩块的单轴抗压强度大于15Mpa，难以崩解，且不崩解时与普通砂岩区别不明显。

红砂岩典型的结构主要有两种，分别是粒状碎屑型和泥状胶结型。粒妓樾夹偷暮焐把乙话愫有约5％～10％的粘土矿物含量。与多数的普通风化砂岩相比，虽然胶结形式和粘土矿物含量有所差别，此类红砂岩工程性质相差不大，并与其风化程度有关。泥状结构粘土型的红砂岩，一般含有约15％～50％的粘土矿物含量，其中含5％～30％的伊利石，含3％～10％的蒙脱石，此类红砂岩的水稳性能差，极易软化崩解，其工程性质主要取决于粘土矿物含量，特别是亲水性强的伊利石和蒙脱石的含量。

早在1984年蒋爵光等就对红砂岩的工程性质做过研究，并提出了点荷载指标与抗拉强度与抗压强度之间的相关系数[2]；2005年朱珍德等通ヅ蛘秃焐把伊ρ特性实验，研究了红砂岩的初始吸水率与膨胀力的关系[3]；同年，喻泽红等采用直剪实验研究了不同和压实度的红砂岩风化土的强度和变形特以及加筋对其工程特性的影响，提出压实度对其峰值抗剪强度有着明显相关关系[4]；2010年龚裔芳等通过室内实验研究了红砂岩泥ゼ胁愕暮水量对其抗剪强度的变化规律，并分析了泥化夹层的物理力学性质对其边坡稳定性的影响[5]。

浏阳至醴陵高速公路K10+200-K10+340段边坡在已经做完骨架护坡防护之后2个月遭受大雨冲毁，需要更改方案进行防护。本文从红砂岩岩性、工程地质特征以及红砂岩边坡ニ特征角度分析其边坡垮塌机理，力求寻找针对湖南红砂岩边坡的处治办法。

2.       浏醴高速公路红砂岩路段概况

湖南全省红砂岩分布总面积达43467km2，约占全省国土面积的20.5%。由红砂岩构成的大小盆地达80余个，其ブ饕的大型红色盆地有8个，即沅(陵)麻(阳)盆地，洞庭盆地、长(沙)平(江)盆地、醴(陵)攸(县)盆地、(湘)潭(湘)乡盆地、株洲盆地、衡阳盆地和茶(陵)永(兴)盆地。各盆地面积在948~18106km2之间。

20010年2月开工建设的湖南浏阳至醴陵高速公路位于湖南中部浏湘盆地，ピ胶焐把彝练植记，其中K10+218~K10+318开挖段上覆黄褐色、棕红色粘土，下伏红褐色、棕红色粉砂质泥岩及泥质砂岩，经检验，其中含有大量的红砂岩。由于常规边坡方防护加固结构，如浆砌片石护面墙、挡土墙、抗滑桩等，属于刚性支护结构，不允许被支护体变形，若用于该路段边坡支护，易积蓄过大膨胀能而导致结构破坏，而且无有效的防排水配套设施，难以保证边坡的长期稳定性。此路段右侧边坡坡高14m、坡长100m，原设计坡比为1：0.75，之前就已经采用了拱形骨架护坡，处理后不久就出现大规模的坍塌，而且有逐步恶化的趋势。

图1  2011年8月K10+218~K10+318右侧红砂岩边坡顺层滑塌

3.       浏醴高速公路膨胀性红砂岩岩性特征

围绕浏醴高速膨胀性红砂岩边坡垮塌<题，我们对其岩性展开了研究，分别在K11+600(深6m处)、K14+600(深8m处)、K12+100(深2.5m处)、K6＋300(深6m)四个点进行探测采样。

表1为浏醴高速公路膨胀性红砂岩的工程分类结果。从表1可知四个点都为风化砂岩，其中有两个点为质软的Ⅰ类红砂岩，一个为较为质软的Ⅱ类红砂岩，一个为质硬的Ⅲ类红砂岩，其胶结程度大都为中胶结或者弱胶结。由此可见，浏醴高速的红砂岩大部分较质软，少数质地坚硬。

表1浏醴高速公路膨胀性红砂岩的工程分类

表2为浏醴高速公路膨胀性红砂岩的基本物理性质测试结果。从结果可以看出相对于于Ⅱ类红砂岩和Ⅲ类红砂岩，两处Ⅰ类红砂岩含水率更高，细粒含量更高，密度相对较低，这从基本物理性质角度解释Ⅰ类红砂岩更为质软、Ⅲ类红砂岩更为质硬。

表2浏醴高速公路膨胀性红砂岩的基本物理性质

   

对浏醴高速公路膨胀性红砂岩试样进行了崩解特性试验，试验结果见表3。从表中可以看出，相对于Ⅱ类红砂岩和Ⅲ类红砂岩，两处Ⅰ类红砂岩饱和时吸4率很高，崩解耐久性很低，崩解后为泥膏状或者碎屑状，而Ⅱ类红砂岩和Ⅲ类红砂岩基本不崩解，仅在表面有少量颗粒脱落。

表3浏醴高速公路膨胀性红砂岩的崩解特性

   

表4为浏醴高速公路膨胀性红砂岩的全岩矿物组成结果。相对于Ⅱ类红砂岩和Ⅲ类红砂岩，两处Ⅰ类红砂岩的赤铁矿和粘土矿物含量很高，而石英、斜长石等质地坚硬全岩矿物含量较低，从结构组成角度进一步解释了Ⅰ类红砂岩的抗剪强度低的原因。

表4浏醴高速公路膨胀性红砂岩的全岩矿物组成

   

表5为粘土矿物含量测试结/。相对于Ⅱ类红砂岩和Ⅲ类红砂岩，两处Ⅰ类红砂岩的表面积较大，结构更为松散，其蒙托石含量更高，蒙脱石分子吸收水分后会膨胀超过原体积的几倍，其含量可作为判别是否为膨胀土的标准，故而Ⅰ类红砂岩具和有弱、中膨胀土相同的膨胀性能。

表5浏醴高速公路膨胀性红砂岩的粘土矿物含量

   

4.       浏醴高速公路膨胀性红砂岩工程地质特征及所产生的工程问题

浏醴高速1标至5标的红砂岩主要分布于浏湘盆地北部，属于白垩纪沉积地层，其岩性主要为砂岩、石英砂岩、泥质粉砂岩及泥岩等。其中，砂岩、石英把业染哂辛Ｗ此樾冀峁梗荒嘀史凵把摇⒛嘌业染哂心嘧唇航峤峁梗但以粒状碎屑结构岩类为主。其构造大都是缓倾斜或近水平产出的层理构造、砂岩与泥质砂岩互层状层理构造、泥化夹层构造(图3)，风化带节理发育。石英砂岩、砂岩边坡地下水主要以岩石裂隙水为主，以大气降水为补给，坡脚排泄，水量不大；当地表覆盖有第四纪砂砾土类时，存在局部上层滞水，水量受大气降水影响，雨季水量较大，坡脚排泄。

图2  红砂岩坍滑面节理构造

一般来说，由石英砂岩、砂岩类红砂岩组成的路堑边坡较为稳定，边坡破坏主要以坠块、局部崩塌等为主，但当边坡岩体中存在顺层强风化带地质界面及泥化夹层时，则易发生浅层坍滑破坏；当路堑边坡岩石由泥质粉砂岩和泥岩组成时，由于该类岩石已属于膨胀性岩土，边坡的破坏将具有膨胀土边坡滑坡破坏特征。

在1：1.5坡率的路堑边坡上，顶部张拉滑裂面位置表明该类滑坡的滑坡体厚度小于2米(图4)；顶部张拉滑裂面宽度20cm左右，反映该类滑坡规模不大，故而，红砂岩边坡破坏具有浅层性。红砂岩边坡破坏是由坡脚向坡顶逐步发展，哂α烁闷苹档那Ｒ性（图5）。

   

图3  红砂岩边坡破坏的浅层性             图4  红砂岩边坡破坏的牵引性

 

咂绿灞砻娴恼退趿逊欤反映该类边坡岩体具有胀缩特性。红砂岩中含蒙脱石是产生胀缩变形破坏的原因。红砂岩通常要经过反复的干湿循环作用才能发生崩解破坏，对于胀缩性红砂岩边坡浅表层暂时稳定的坡面，3-5年后常常会严重的破坏。

红砂岩边坡破坏具有成群、滞后的哒鳎受风化、岩性、构造(顺层滑塌)多因素的影响。湖南省境内多条高速公路边坡调查表明，不少红砂岩路堑边坡在通车运营一至三年后的雨季发生滑坍。

在实际工程中有很多处治膨胀性岩土边坡滑坍的措施，基本可分为柔性和刚性两种支护形式[6]。刚性支护是现今最常见的处治方法，它一般以圬工结构物（重力式挡土墙、混泥土抗滑桩和片石护面墙等）为主体，并有其他相应的辅助处理措施。其作用原理是以圬工体的重力来平衡整体失衡的边坡体及其抵消在开挖时产生的超固结应力释放。刚性支护容许被支护体变形的能力很低，而在干湿循环以及水的作用下膨胀性红砂岩会风化崩解并产生膨胀，当其膨胀量增大到一定程度却得不到释放时，将产生极大的膨胀应力导致刚性支护的破坏。

柔性支护是以土工格栅反包加筋边坡土体为主体，并辅以其它必要的排水措施的综合处治技术。其特点是不仅能承受土体压力并且容许土体产生相应变形，并吸收变形土体的超固结应力以及变形膨胀力。若膨胀土的容许线膨胀量达到0.3%，其膨胀力比相同情况下无膨胀变形的膨胀力低25%。因而非常合适用于处治浏醴高速公路膨胀性红砂岩路堑边坡滑坍问题。

为什么会提出采用柔性支护技术整治膨胀性红砂岩堑坡滑坍，归根结底是基于对该路段边坡红砂岩岩性的深刻认识以及对其破坏浅层性、渐进性等特点和规律的深入了解。将土工格栅逐层摊铺锚固，回填压实土形成相应厚度的柔性加筋体，并辅以坡顶的封闭措施和加筋体背部及基底的排水措施可发挥这些效用：格栅反包填土形成摩擦力和咬合力，格栅层间的联接棒和U型钉的联接作用，使柔性加筋体构成一整体来抵抗边坡的滑坍；柔性支护容许路堑边坡产生一定的变形，可释放开挖其大部分应力和膨胀力，实现“以柔克刚”；坡率为1:1.5、厚度不小于3.5m、高度不小于欧种二坡高的柔性加筋体能覆盖住开挖边坡的主要坡面，并有足够的自重来抵抗土体压力；足够厚的加筋体（深于有效活动层）可杜绝或防止风化作用对膨胀性红砂岩的影响，阻止裂隙的发展以及浅表层滑坍。

5.       结论

由以上的岩性分析可知，浏醴高速公路膨胀性红砂岩大都为较为质软的Ⅰ类和Ⅱ类红砂岩，其含水率和饱和吸水率较高，抗剪性能差，粘土矿物含量以及蒙脱石含量已经达到弱膨胀土的标准，具有相当的膨胀性能，其中Ⅰ类红砂岩极易风化崩解，形成软弱的泥化夹层稍诒咂路阑すこ讨校常常成为坍塌滑动结构面。

浏醴高速的红砂岩路堑边坡中的石英砂岩、砂岩类红砂岩一般较为稳定，破坏也只是坠块、局部崩塌等轻微破坏，而岩体边坡存在泥化夹层或顺层强风化地质界面，则易发生浅层坍滑破，同时，浏醴高速的红砂岩路堑边坡中的泥质粉砂岩和泥岩，具有一定的膨胀性，其边坡的破坏特征将类似于膨胀土边坡滑坡破坏。

浏醴高速公路膨胀性红砂岩路堑边坡破坏具有浅层性、牵引性、潜在性等与膨胀土路堑边坡相似的破坏特性，因此提出柔性支护技术的整治方案。

 

[1]　JTG D30—2004, 公路路基设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[2]  蒋爵光,李隽蓬等. 红砂岩工程性质的研究[J].西南交通大学学报，1884 ，(4)：23-31

[3]  朱珍德，刑福东等.竹城公路高液限土与红粘土路用性能的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（4）:596-600

[4]  喻泽红，魏红卫，邹银生. 加筋红砂岩风化土强度和变形特性[J]，2005,24（15）：2770-2779

[5]  龚裔芳，金福喜. 红砂岩泥化夹层力学特性及其潜咂挛榷ㄐ缘挠跋靃J].重庆交通大学学报,2010,29(2)220-223

[6]  郑健龙, 杨和平. 公路膨胀土工程. 北京: 人民交通出版社, 2009