公路缓倾内层状边坡失稳模式研究

公路缓倾内层状边坡失稳模式研究

高婷1李伟2

中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西省西安市710075

摘要：本文选取典型公路缓倾内层状边坡进行研究，通过野外地质调查、地质概念模型，结合多种方法开展研究。初步论证差异风化和降雨是边坡失稳的重要诱发因素。形成机理为：开挖卸荷→陡立裂缝沿结构面扩展→软岩风化剥落→硬岩悬空坠落、拉裂、倾倒→坡体沿下伏软岩蠕滑→剪出。变形模式在局部有压缩—倾倒；风化剥落—坠落；拉裂—倾倒3种形式。预测未来将发生蠕滑—拉裂—剪出的整体破坏。为后续生产和研究提供参考。

关键词：公路边坡，缓倾状，失稳模式，破坏机理

1引言

近水平红层边坡主要分布在川东、重庆、滇西、贵州等地方，以侏罗纪、白垩纪为主，并含有少量第三纪地层。一般由红色砂岩、砂泥岩、粉砂岩、砂质页岩和泥岩等交互组成，岩层产状平缓，倾角多集中在0°～20°。程强[1-2]介绍了红层软岩主要为红层中的泥岩、页岩、粉砂质泥岩等泥质岩，具有弱透水性、较强亲水性，易于在水的作用下软化，脱水状态时易收缩崩解，岩性较弱的特点。

周应华等[3]认为近水平红层边坡因为上覆岩层的自重作用会在交界面处产生摩擦约束力，拉应力产生在相对较硬的砂岩，压应力产生在泥岩；使得硬质砂岩由于拉应力集中而产生拉裂缝，逐渐扩展贯通到地表后而成为水入渗坡体的通道和储水室，因暴雨诱发平推式滑坡。吉随旺[4]认为在暴雨作用下近水平软硬互层斜坡极易因裂隙水和渗流水的扬压力而产生滑移。黄润秋[5]等通过研究四川宣汉滑坡，发现近水平(甚至缓倾坡内)的砂泥岩互层岩体因裂隙间歇充水承压型的水动力作用而发生特大型平推式滑坡。

2工程地质条件

2.1地形地貌

研究区地处四川盆地与大娄山北麓贵州高原的过渡地带。位于赤水河“U”型河谷的右岸，属陡斜坡河谷地貌。最高高程在陡斜坡山顶为667m，最低高程在前河河谷为278m，其相对高差约389m，属于剥蚀—侵蚀中低山峡谷地貌类型，溪沟纵横交叉，河谷深切，岸坡地形坡度陡峭，坡度均在60°以上。

2.2地层岩性

（1）第四系残坡积层（Q4dl+el）：主要分布于河岸斜坡上部表层，厚度0～1.5m，黄褐、褐红色粉质粘土及崩落堆积层，粉质粘土；崩落堆积层主要在斜坡下部堆积，结构较松散，厚为0～3m。

（2）侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）：分布于整个研究区，暗紫色夹紫灰、绿灰色细粒砂岩与暗紫、紫红色泥岩不等厚互层，砂岩多呈厚层状及巨厚层状。

2.3边坡概况

经过详细的野外地质调查，旺隆边坡整体呈砂泥岩互层，软硬岩相间分布，坡向50°，岩层产状195°∠4°，发育两组节理裂隙，一组陡倾节理近平行于坡向，J1：45°∠72°，J2：130°∠80°。边坡底部靠公路边有一些泥岩风化堆积体，见风化球现象，上部较厚砂岩见坠落、拉裂、掉块现象，表层的耕植土已发生滑动变形现象。

图1边坡概貌

此处属于上硬下软缓倾内层状边坡，开阔的临空面以及上硬下软型的边坡结构极易孕育崩滑灾害。红层地区中泥岩因含粘土矿物较多，岩体较软，抗风化能力越弱，而长石石英砂岩含粘土矿物较少，岩体强度越高，抗风化能力相对较强，因此较坚硬而相对不易风化。砂泥岩的相对风化速率不同，导致红层地区斜坡坡面呈现锯齿状。

3影响因素分析

（1）内在条件

1）岩性组合：厚层砂岩与薄层泥岩不等厚互层产出。这种特殊的“软硬岩相间、互层”的组合结构由于岩体间的差异风化，使软质泥岩部分产生剥落，上部硬质砂岩底部失去支撑而悬空，其次由于泥岩因压缩变形而在砂岩顶部产生集中拉应力，使坡表面形成倾坡外的卸荷裂隙，在降雨、地下水入渗等外界因素下诱发岩体失稳。

2）坡体结构：缓倾内斜坡结构，岩层产状较平缓，倾角为5°～10°，砂岩相对厚度较大，泥岩相对厚度较小。构造裂隙和卸荷裂隙较发育，两组节理裂隙切割块体，加剧了岩体的破碎程度。

（2）外在因素

1）降雨

研究区降水量比较丰富。平均降雨量为1286.8mm，且集中在5～9月，边坡常常在暴雨或连续降雨的促发下出现急剧变形。由于边坡陡倾裂隙发育，雨季来临时，集中的降雨会沿着已有节理裂隙面渗入岩体，不仅冲刷坡体、使其处在饱水状态而降低岩土体强度，也使下滑力增大，还对岩体起到水压力作用，对坡体裂隙起到瞬时高水头的楔劈作用，加速边坡破坏。

2）差异风化

风化作用在红层地区的缓倾坡内层状边坡表现非常明显。斜坡为砂泥岩软硬互层的组合结构，因岩性不同表现为不同的风化特点。风化作用主要沿已有结构面、层间剪切带等进行。由于差异风化，使砂岩风化较慢，泥岩风化较快，在雨水侵蚀下碎裂并风化成土，剥落于坡脚处。同时风化作用也易使岩体产生节理裂隙，降低岩体力学性质，尤其是沿着已有的结构面发生贯通，这使得岩体更加破碎，加剧了边坡的变形破坏。

3）人类工程扰动

旺隆边坡下部为习赤公路，工程切坡活动较强烈，在修建公路的过程中近于直立的开挖卸荷，形成陡立边坡，改变了坡体的初始应力，坡体因卸荷回弹、应力集中和应力重新分布而产生了卸荷裂隙，使得坡体地质情况变差，在后期表生改造的过程中逐渐发生变形破坏。

4形成机理分析

缓倾内边坡岩层倾角较小，常常认为边坡整体稳定性较好。当在地下水、降雨和气温等风化因子作用下，岩层面或夹层逐渐被软化甚至泥化而形成软弱面和泥化夹层，随之结构面的变形模量逐渐降低，直到岩体底部软夹层变形模量过于低而引发较大的压缩变形后，突出岩体将从较稳定的缓倾内结构过渡到较不稳定的缓倾外结构（缓倾边坡小危岩体形成与发展标志），并在降雨、地震和开挖卸荷等诱发下，进一步发生转动崩落或沿夹层面而滑移崩落。其失稳破坏模式可概化为倾倒一崩落。

图2边坡变形破坏迹象

具体分析如下：

（1）公路修建过程中因开挖卸荷产生了临空面，坡体发生应力重分布和应力集中现象，再加上岩体表面节理裂隙发育，且主要以垂直和陡倾节理裂隙为主，节理裂隙的走向主要有两个方向，即45°方向和130°方向，这两个方向上的节理裂隙呈“X”型共轭交叉，有利于切割分解岩体。

（2）随着陡倾裂缝沿着结构面的扩展，两种岩性不同的岩石抗风化能力不同，在岩体表层形成明显的差异风化，泥岩风化速率快，发生崩解剥落，堆积于坡脚处，使上部砂岩悬空而在重力作用下发生拉裂变形、掉块现象。

（3）两种岩性的软硬程度不同，下部是较软泥岩、上部是较厚砂岩，在自重作用下发生压缩～倾倒破坏。且泥岩相对砂岩为隔水层，地表水沿着节理裂缝渗流，在泥岩层发生堵塞淤积，产生浮托力和水压力，近水平的坡体逐渐发展为平推式滑坡。

5结论

（1）通过详细野外调查，查明边坡发育的地质背景条件。阐述边坡的基本特征、变形破坏特征等，旺隆边坡是贵州红层地区缓倾内上硬下软型高陡坡+开挖卸荷控制的典型边坡，边坡内在条件是砂泥岩不等厚互层的岩性组合、上硬下软缓倾内的坡体结构，差异风化和水的作用是重要的影响因素。

（2）根据现有的变形破坏特征判断其形成机理为：开挖卸荷→陡立裂缝沿结构面扩展→软岩风化剥落→硬岩拉裂、坠落（倾倒）、局部掉块(小破坏）→水体沿节理裂隙下渗→坡体沿下伏软岩蠕滑→整体剪出(大破坏）。

参考文献

[1]程强,周永江,等.近水平红层开挖边坡变形破坏特征[J].岩土力学，2004,25（8）：1311-1314.

[2]程强.红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术研究[D].成都,西南交通大学，2008.

[3]周应华.红层路堑边坡失稳机理及加固技术研究[D].成都,西南交通大学，2006.

[4]吉随旺,张倬元,王凌云.近水平软硬互层斜坡变形破坏机制[J].中国地质灾害与防治学报，2000,11(3):49-52.

[5]黄润秋.20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制[J].岩石力学与工程学报.2007(03):433-454.