胡 婷

(四川交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校, 四川成都 611130)

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川北地區(qū)侏羅紀(jì)紅層軟弱夾層力學(xué)特性分析

胡 婷

(四川交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校, 四川成都 611130)

在四川省廣元至江油一帶的侏羅紀(jì)地層中，分布著多層厚度從幾厘米到幾十厘米的軟弱夾層，它是物質(zhì)、環(huán)境、動力等綜合作用下形成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，工程特性較為復(fù)雜。在鐵路、公路工程建設(shè)中，線路在測區(qū)內(nèi)大多平行構(gòu)造線展布，順層邊坡問題十分突出。這些軟弱夾層控制著巖體的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，最易誘發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，因而研究軟弱夾層力學(xué)特性具有重要意義。

侏羅紀(jì)； 紅層； 軟弱夾層； 力學(xué)特性

1 侏羅紀(jì)紅層軟弱夾層地區(qū)分布簡介

四川省廣元至江油地區(qū)，位于大巴山、四川盆地兩個地貌單元區(qū)的過渡帶，屬于構(gòu)造侵蝕中低山丘陵地貌。位于川西北臺陷次級構(gòu)造與龍門山構(gòu)造帶過渡的邊緣地帶，距龍門山斷裂帶較近，主要為中生界單斜地層(圖1)。

圖1 區(qū)域工程地質(zhì)略圖

測區(qū)侏羅紀(jì)地層分布較廣，主要有上統(tǒng)的蓮花口組，中統(tǒng)的遂寧組、沙溪廟組、千佛巖組，下統(tǒng)白田壩組，出露較為齊全。其巖性以紫紅色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主。夾薄～中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)粒長石石英砂巖。巖層走向N30°～50°E，傾向SE，廣元至劍門閣段，巖層較平緩，傾角5°～15°。劍門關(guān)至江油段，巖層較陡，傾角一般35°～40°?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在這套地層中層間廣泛分布著多條軟弱夾層，露頭多呈光滑的鏡面，表明在構(gòu)造應(yīng)力作用下，沿軟、硬巖層接觸帶或軟巖內(nèi)部曾發(fā)生過層間剪切錯動，屬于原生構(gòu)造型軟弱夾層。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，軟弱夾層以伊利石、蒙脫石和高嶺石黏土礦物為主，屬于弱膨脹土，親水性強(qiáng)，遇水易軟化，抗剪強(qiáng)度顯著降低，且具有峰值強(qiáng)度較高而殘余強(qiáng)度較低的變動強(qiáng)度特性。在鐵路、公路工程建設(shè)中，由于軟弱夾層特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，大量邊坡工程發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

2 軟弱夾層力學(xué)強(qiáng)度的影響因素

軟弱夾層是物質(zhì)、環(huán)境、動力等綜合作用下形成的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，工程特性較為復(fù)雜。根據(jù)王行本的研究，影響軟弱夾層力學(xué)強(qiáng)度因素可歸納為夾層內(nèi)松散物質(zhì)的性態(tài)和巖壁效應(yīng)[1]。測區(qū)內(nèi)軟弱夾層多沿層理分布，產(chǎn)狀穩(wěn)定連續(xù)，且充填度大，巖壁效應(yīng)對夾層強(qiáng)度影響較小，主要受充填物本身的性態(tài)所控制，而顆粒組成、礦物成分、密度、含水量等是影響夾層物質(zhì)性態(tài)的主要因素。因此，礦物成分及物理特性是研究夾層力學(xué)強(qiáng)度的基礎(chǔ)。

3 礦物成分及物理特性

軟弱夾層和其它地質(zhì)體一樣處于一定的地質(zhì)環(huán)境中，其物理性質(zhì)既是夾層本身物質(zhì)基礎(chǔ)的表現(xiàn) ,又是夾層和周圍環(huán)境相互作用的外在表現(xiàn)。物質(zhì)基礎(chǔ)是影響夾層塑、液限的重要因素，環(huán)境條件如地應(yīng)力、地下水等通過夾層含水量、干密度、孔隙比等指標(biāo)得到很好地反映[2]。侏羅系地層屬典型的紅層，為古巴蜀湖盆的湖泊相沉積，形成于干燥炎熱的氣候環(huán)境[3]，在這種強(qiáng)氧化條件下，蒸發(fā)作用強(qiáng)，水介質(zhì)鹽度高，有利于形成伊利石、蒙脫石、高嶺石等黏土礦物，為軟弱夾層的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。顯微鏡下觀察，軟弱夾層礦物成分主要礦物為伊利石、蒙脫石和高嶺石，次要礦物為方解石，膠結(jié)物主要為泥質(zhì)膠結(jié)物。黏土礦物含量約為75 %，蒙脫石、伊利石是較強(qiáng)親水礦物，使軟弱夾層具有親水性強(qiáng)，遇水易軟化，強(qiáng)度降低，在水的作用下易膨脹，失水易崩解等特性，直接影響軟弱夾層的變形和強(qiáng)度特征。據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果，夾層的塑限為19.6 %～22.8 %，液限為37.6 %～40.8 %，塑性指數(shù)為18 %，液性指數(shù)為 -0.3 %～0.1 %，此軟弱夾層為堅硬狀低液限黏土；其天然狀態(tài)下密度為1.95～2.09 g/cm3，干密度為 1.66～1.78 g/cm3， 含水率為17.2 %～17.5 %，孔隙比為 0.529～0.635。軟弱夾層的物理性質(zhì)見表1。

4 膨脹性分析

物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果表明，軟弱夾層已泥化為黏性土，采用膨脹土理論對兩種類型的夾層樣品進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)(表2)，夾層自由膨脹率41 %～47 %，蒙脫石含10.37 %～17.49 %，陽離子交換量16.25～28.53 mmol/kg，具有弱至中等膨脹性。膨脹性與黏土礦物的含量密切相關(guān)，表明膨脹性試驗(yàn)與礦物分析的結(jié)果是吻合的。

表1 物理性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

表2 膨脹性試驗(yàn)結(jié)果

5 抗剪強(qiáng)度

5.1 直剪試驗(yàn)

用直剪試驗(yàn)測定天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下夾層的抗剪強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)方法采用快剪，施加大小分別為50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa的垂直壓力，以0.5 mm/min的剪切速率進(jìn)行剪切，使試樣在3～5 min的內(nèi)剪壞。根據(jù)天然狀態(tài)直剪與飽和狀態(tài)直剪的試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)回歸分析，求出C值、φ值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從快剪的結(jié)果看，飽和條件下，C值減少了約60 %，φ值減少了約35 %，表明軟弱夾層遇水飽和后，抗剪強(qiáng)度會顯著降低，且C值的降低幅度遠(yuǎn)大于φ值。

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)成果

5.2 殘余強(qiáng)度試驗(yàn)

根據(jù)王恭先等的研究，殘余強(qiáng)度與土的原始含水量及原始密度無關(guān)。即不論是超固結(jié)土還是正常固結(jié)土，不論其初始密度是多少，其殘余強(qiáng)度都是一樣的，可以用重塑土采用反復(fù)直剪試驗(yàn)測定夾層的殘余強(qiáng)度[4]。實(shí)驗(yàn)方法采用慢剪，對試樣分別施加50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa垂直壓力，以0.02 mm /mim的剪切速度進(jìn)行剪切，當(dāng)剪切位移達(dá)到最大后，故須對上樣進(jìn)行多次重復(fù)剪切，反轉(zhuǎn)電機(jī)，將上、下剪切盒反推至重合，再進(jìn)行下一次剪切，如此重復(fù)3～4次，當(dāng)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線基本水平時，停止剪切，得到反復(fù)直剪試驗(yàn)剪應(yīng)力與累計剪切位移關(guān)系曲線。從圖2可以看出，第一次剪切有明顯的峰值，而后應(yīng)力大幅衰減，經(jīng)過2～3次的反復(fù)剪切后，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系趨于穩(wěn)定。與峰值強(qiáng)度相比，殘余強(qiáng)度遠(yuǎn)小于峰值強(qiáng)度，主要是因?yàn)檐浫鯅A層含有大量具有片狀結(jié)構(gòu)的伊利石、蒙特石、高嶺石等礦物，在剪切面附近黏粒高度定向排列所致。

圖2 剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系曲線

5.3 選取與分析

原生構(gòu)造型軟弱夾層，在構(gòu)造應(yīng)力作用下，沿軟、硬巖層接觸帶或軟巖內(nèi)部曾發(fā)生過層間剪切錯動，強(qiáng)度處于殘余剪切狀態(tài)。魯皮尼、斯金納和伏格漢在在進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和觀察的基礎(chǔ)上，根據(jù)土中圓形顆粒和板狀(片狀)顆粒的相對含量，將土殘余剪切狀態(tài)分為滑動型、紊動型和過渡型三種。滑動型應(yīng)采用殘余強(qiáng)度，紊動型接近峰值強(qiáng)度，過渡型介于 兩者之間[4]。該地層中的軟弱夾層含有大量具有片狀結(jié)構(gòu)的伊利石、蒙特石、高嶺石等礦物，在剪切面附近黏粒高度定向排列，具有明顯的脆性，屬于滑動型剪切狀態(tài)。因此，應(yīng)采用殘余強(qiáng)度對邊坡工程進(jìn)行檢算。

6 軟弱夾層對邊坡工程的影響

測區(qū)屬于低山丘陵區(qū)，順層邊坡問題十分突出，在軟弱夾層的控制下，多處邊坡工程在施工過程中出現(xiàn)滑塌現(xiàn)象。筆者認(rèn)為原因主要有兩個方面：一是在構(gòu)造應(yīng)力和卸荷作用下，軟弱夾層發(fā)生過層間剪切錯動，在該方向上的強(qiáng)度處于殘余狀態(tài)，殘余強(qiáng)度控制著邊坡的長期穩(wěn)定，由于殘余強(qiáng)度較低，即使是較平緩(傾角一般5°～15°)的巖層，開挖一段時間以后，邊坡也會產(chǎn)生破壞。二是軟弱夾層主要有黏土礦物組成，吸水產(chǎn)生膨脹，在軟弱夾層接觸面產(chǎn)生負(fù)壓，對夾層以上的物質(zhì)產(chǎn)生頂托作用，暴雨往往成為邊坡滑塌的誘因。

7 結(jié)論

(1)侏羅紀(jì)地層中的軟弱夾層作為一種特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，是成巖條件、地質(zhì)構(gòu)造和地下水活動等作用的產(chǎn)物，它主要由伊利石、蒙脫石和高嶺石等黏土礦物組成的低液限黏土，具有弱至中等膨脹性。

(2)軟弱夾層的殘余強(qiáng)度控制著邊坡的長期穩(wěn)定，在邊坡的穩(wěn)定性分析時，應(yīng)采用殘余強(qiáng)度而不是峰值強(qiáng)度。

(3)軟弱夾層的厚度雖小，卻控制著工程的安全穩(wěn)定。在勘察工作中應(yīng)引起重視，重點(diǎn)查清軟弱夾層的工程性狀及分布特點(diǎn)。

[1] 王行本．關(guān)于軟弱夾層的抗剪強(qiáng)度問題[J]. 水力發(fā)電, 1985(4).

[2] 胡濤，任光明， 聶德新，等. 沉積型軟弱夾層成因分類及強(qiáng)度特征[J]. 中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報, 2004, 15(1).

[3] 黃紹檳，程強(qiáng)，胡厚田．四川紅層分布及工程環(huán)境特征研究[J].公路， 2005(5).

[4] 王恭先. 滑坡防治中的關(guān)鍵技術(shù)及其處理方法[J]. 巖石力學(xué)與工程程學(xué)報， 2015(11).

胡婷(1982～)，女，學(xué)士，講師，研究方向?yàn)榈缆饭こ獭?/p>

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[定稿日期]2016-10-31