借鑒丹霞地貌穩(wěn)定原理加固蘭州第三系半成砂巖邊坡

金學(xué)菊 袁 寧 肖 剛 徐靜波 馮炳超

（甘肅省建筑科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

借鑒丹霞地貌穩(wěn)定原理加固蘭州第三系半成砂巖邊坡

金學(xué)菊 袁 寧 肖 剛 徐靜波 馮炳超

（甘肅省建筑科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730050）

蘭州及周邊地區(qū)廣泛分布著第三系半成砂巖邊坡。近年來(lái)，隨著高速公路、鐵路、橋梁等大型工程的建設(shè)，砂巖邊坡的治理工程也迫在眉睫。由于第三系半成砂巖邊坡支護(hù)理論不完善，很多治理后緩坡常在雨季出現(xiàn)大量滑塌；而自然界中有很多垂直的砂巖邊坡、丹霞地貌卻能長(zhǎng)期穩(wěn)定。本文通過(guò)總結(jié)自然穩(wěn)定陡坡、丹霞地貌的穩(wěn)定規(guī)律和特點(diǎn)，并分析了許多治理后又滑塌的工程邊坡，大膽提出了借鑒穩(wěn)定丹霞地貌規(guī)律進(jìn)行邊坡加固的理念。丹霞地貌是上世紀(jì)30年代命名的一類地貌類型。丹霞地貌是內(nèi)陸盆地沉積的紅色屑巖，后來(lái)地殼抬升，巖石被流水切割、溶蝕和重力崩塌等綜合作用而形成的陡崖、孤立突出的塔狀地形。丹霞地貌發(fā)育始于第三紀(jì)晚期的喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)。

半成砂巖邊坡；電鏡掃描；裂隙；邊坡滑塌；丹霞地貌；穩(wěn)定直立坡

1 蘭州地區(qū)半成砂巖分布現(xiàn)狀

蘭州地區(qū)半成砂巖分布廣泛，永登縣、紅古區(qū)、皋蘭縣、九州開(kāi)發(fā)區(qū)、大沙坪、黃河北岸的羅鍋溝、李麻溝、大砂溝、安寧區(qū)沙井驛及蘭州南山上均有泥巖或砂巖出露地表；蘭州河谷盆地第四系地層的下伏層也主要為第三系紅色強(qiáng)風(fēng)化砂巖，局部泥巖與砂巖交互出露[1]。

蘭州第三系砂巖，成巖作用差，是一種極軟半成巖，浸水后性質(zhì)變化大，水穩(wěn)定性差，其物理、力學(xué)性質(zhì)介于一般土和一般巖石之間，工程行業(yè)對(duì)其性質(zhì)研究、試驗(yàn)較缺乏，應(yīng)用實(shí)例也很缺乏。對(duì)其采用巖體力學(xué)理論或土力學(xué)理論分析研究均不能完全適宜。因此，很有必要找出更適宜的試驗(yàn)分析方法，更好的指導(dǎo)邊坡治理工程，為邊坡治理提供參考依據(jù)。

蘭州地區(qū)大部分砂巖含硫量較高，具膨脹性，飽和砂巖失水易龜裂，龜裂后雨水極易滲入，滲入后使其強(qiáng)度基本喪失，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)滑塌，造成嚴(yán)重?fù)p失。蘭州南部某高速公路旁的砂巖邊坡在過(guò)去十年間，在雨季常發(fā)生失穩(wěn)滑塌現(xiàn)象，造成了大量損失。因此，找到治理此類問(wèn)題的突破口迫在眉睫。

2 蘭州地區(qū)第三紀(jì)半成巖成因

蘭州地區(qū)砂巖僅新城鎮(zhèn)主要為白堊系，其余大部分為第三系。早第三紀(jì)晚期，甘肅處于干燥而炎熱的環(huán)境，普遍形成了湖泊相含石膏等鹽類的棕紅色泥巖，為陸相湖盆沉積，湖泊相沉積層主要分布于沙井驛、九州、大沙坪、咸水河、野狐城等地。第三紀(jì)地層后來(lái)大多被第四紀(jì)黃土覆蓋，露頭零散。蘭州市區(qū)盆地內(nèi)下伏第三系很發(fā)育，是河流相為主的沉積，主要為棕紅色疏松砂巖，底部為泥灰質(zhì)砂礫巖；晚第三紀(jì)初也形成了河流相灰白色礫巖、棕黃色砂質(zhì)泥巖。

3 電鏡掃描試驗(yàn)分析砂巖的性質(zhì)

土的微觀結(jié)構(gòu)理論最早由太沙基（Terzaghi）于1925年提出，即掃描電子顯微鏡(簡(jiǎn)稱S E M ) 測(cè)試技術(shù) 。電鏡掃描技術(shù)是近代出現(xiàn)的研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究方法，應(yīng)用電鏡掃描研究巖土的微觀結(jié)構(gòu)，可以輔助分析巖土的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙、裂隙、主要成分等。

3.1 電鏡掃描試驗(yàn)過(guò)程

本研究電鏡試驗(yàn)樣品采自采皋蘭縣忠和鎮(zhèn)蘭州市北龍口。試驗(yàn)于2016年7月在中科院寒旱所完成。試驗(yàn)儀器（圖1）為日本電子光學(xué)公司生產(chǎn)，型號(hào)及名稱為“JSM-6701F-冷場(chǎng)發(fā)射型掃描電鏡”，本次采用的掃描倍數(shù)為1000～30000倍。

圖1 電鏡掃描試驗(yàn)儀器

圖2 掃描5000倍圖片-微裂隙情況

圖3 掃描500倍圖片-微裂隙、片狀結(jié)構(gòu)

圖4 掃描20000倍圖片-鐘乳狀鹽結(jié)晶

圖5 掃描1000倍圖片-微孔道結(jié)構(gòu)

圖6 掃描30000倍圖片-微裂隙及裂隙內(nèi)鐘乳狀鹽結(jié)晶

從電鏡掃描試驗(yàn)，蘭州半成砂巖有以下特點(diǎn)：

1）蘭州半成砂巖具明顯的片狀結(jié)構(gòu)，薄片之間的結(jié)合差，易剝落；

2）蘭州半成砂巖具有很多細(xì)小的微裂隙，小孔隙，這些裂隙、孔道易成為滲水通道，這是其水穩(wěn)定性差的主要原因；

3）蘭州半成砂巖具有很多鐘乳狀微結(jié)晶，結(jié)合X光譜分析結(jié)果，含有較多的硫酸鹽成分，硫酸鹽水穩(wěn)定性差，易膨脹（圖4）。

另外，在大部分新鮮巖面上滴稀鹽酸試劑會(huì)起氣泡，說(shuō)明含有碳酸鹽成分。電鏡掃描照片見(jiàn)圖2～圖6。

3.2 砂巖水穩(wěn)定性、浸水膨脹原理

蘭州地區(qū)的半成巖在天然狀態(tài)下強(qiáng)度較高，粘聚力和內(nèi)摩擦角都較高，很多高陡直立的邊坡能長(zhǎng)期穩(wěn)定；但浸水飽和后抗剪強(qiáng)度明顯降低。通過(guò)電鏡掃描其微觀結(jié)構(gòu)，其主要原因有以下兩點(diǎn)：

1）蘭州泥巖在天然狀態(tài)下密度高、含水率很低，電鏡掃描試驗(yàn)中可以看出其微觀為薄鱗片狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育眾多的微孔隙，浸水后水分進(jìn)入這些微裂隙，導(dǎo)致微裂隙擴(kuò)張，使泥巖膨脹。

2）砂巖含有蒙脫石等親水礦物及鐘乳狀碳酸鹽（石膏、芒硝為主）微結(jié)晶，親水礦物吸水后具有一定的體積膨脹性；而石膏和芒硝遇水后發(fā)生以下反應(yīng)，體積明顯膨脹。

2（CaSO4）+H2O =2（CaSO4）·H2O

2（CaSO4）.H2O+3H2O=2(CaSO4.2H2O)

Na2SO4+10H2O=Na2SO4·10H2O

石膏和芒硝等鹽類含量的高低，是半成砂巖水穩(wěn)定性的主要決定因素。

3.3 砂巖失水龜裂過(guò)程分析

砂巖中發(fā)育有大量的微裂隙，這些微裂隙浸水后易膨脹，從而使裂隙擴(kuò)展；另外微裂隙附近還發(fā)育有易膨脹的鹽類礦物，這些礦物遇水后體積膨脹，導(dǎo)致微裂隙擴(kuò)張；浸水后的砂巖失水干燥后，體積收縮，原來(lái)充水的裂縫變成較大的干縮裂縫——稱為龜裂，龜裂裂縫再次浸水后，大量的水浸入裂縫，從而導(dǎo)致巖體破壞，邊坡滑塌。

4 蘭州半成砂巖邊坡常見(jiàn)滑塌原因分析

很多半成砂巖人工緩坡在雨季常出現(xiàn)經(jīng)常性滑塌；而自然界中有很多垂直的砂巖邊坡卻長(zhǎng)期穩(wěn)定。這到底是什么原因呢？針對(duì)上述疑問(wèn)，以下通過(guò)多種試驗(yàn)及理論進(jìn)行分析。

4.1 通過(guò)電鏡掃描試驗(yàn)成果分析滑坡原因

根據(jù)電鏡試驗(yàn)，砂巖中發(fā)育有大量的微裂隙，這些微裂隙浸水后易膨脹，從而使裂隙擴(kuò)展；另外微裂隙附近還發(fā)育有易膨脹的鹽類礦物，這些礦物遇水后體積膨脹，導(dǎo)致微裂隙擴(kuò)張；浸水后的砂巖失水干燥后，體積收縮，原來(lái)充水的裂縫變成較大的干縮裂縫——稱為龜裂，龜裂裂縫再次浸水后，大量的水浸入裂縫，從而導(dǎo)致巖體破壞，邊坡滑塌。

4.2 通過(guò)膨脹試驗(yàn)分析滑坡原因

蘭州半成砂巖邊坡浸水后，會(huì)產(chǎn)生10～80kN/m2的膨脹力，膨脹力能導(dǎo)致巖體破碎崩解，當(dāng)毛細(xì)裂縫越多，約束壓力越小時(shí)，就越容易發(fā)生破碎崩解現(xiàn)象。而穩(wěn)定的自然直立坡有較高的垂直約束壓力，壓力大于膨脹力，不易膨脹崩解。

工邊坡卸載了其上部的垂直壓力，加上巖體內(nèi)存在大量毛細(xì)裂縫，毛細(xì)裂縫大多數(shù)在1年時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生龜裂，龜裂裂縫在雨季被浸水后，就可能發(fā)生滑坡，根據(jù)調(diào)查，一般1年內(nèi)多數(shù)發(fā)生的是淺層小規(guī)?；?；在3～5年的時(shí)間內(nèi)常發(fā)生深層大規(guī)模滑坡，這主要是由于龜裂裂縫持續(xù)往深部發(fā)展造成的結(jié)果[5]。

4.3 從成因、層理結(jié)構(gòu)分析滑坡原因

蘭州半成砂巖是第三系在水下沉積后又固結(jié)而成的，是第三系湖積地層，各向異性顯著，多具水平層理或傾斜層理。其在垂直狀態(tài)下雨水難以滲入；天然的砂巖丹霞地貌頂部覆蓋了一層土，這成為其天然的“雨傘”，保護(hù)了巖體不被水浸；另外，蘭州砂巖具水平層理，垂直向滲透系數(shù)很小，不易被雨水滲入。而人工緩坡，將層理、裂隙暴露于外，巖體極易受降雨影響而飽和，飽和后邊坡表層的抗剪強(qiáng)度降低或喪失，導(dǎo)致邊坡滑塌。

4.4 通過(guò)力學(xué)原理分析滑坡原因

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蘭州砂巖的最大膨脹壓力是60～80kN/m2，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，頂部覆蓋一定土層的砂巖斷崖能長(zhǎng)期穩(wěn)定。

工程邊坡因降雨而飽和時(shí)，泥巖吸水后，表層剪切強(qiáng)度減小，邊坡表層的抗剪強(qiáng)度減小，導(dǎo)致邊坡表層發(fā)生滑塌。巖體毛細(xì)裂縫越多，上覆壓力越小時(shí)，就越容易發(fā)生這種現(xiàn)象。而自然界中的丹霞地貌直立崖，其在垂直狀態(tài)下穩(wěn)定的非常多。這種砂巖邊坡在自然垂直鉛直狀態(tài)下能長(zhǎng)期穩(wěn)定的原因是在約束壓力下極少膨脹，潛在裂縫不會(huì)張開(kāi)，垂直狀態(tài)本身不會(huì)受雨水浸泡，抗剪強(qiáng)度能維持穩(wěn)定。

而工程邊坡挖方、放坡解除了約束壓力，裂隙內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓導(dǎo)致微裂隙膨脹，裂隙膨脹后吸入雨水、大氣中的水分，產(chǎn)生正孔隙水壓力，孔隙水壓破壞泥巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，導(dǎo)致邊坡滑塌[3]。

4.5 蘭州半成砂巖邊坡滑坡原因分析總結(jié)

目前，大部分現(xiàn)有的公路邊坡治理采取了放坡結(jié)合支護(hù)的措施，工程雖考慮了防水、排水措施，但是仍不能防止砂巖的滑坡。這主要是因?yàn)樵谧匀恢?，大面積暴露的邊坡，在雨期很難做到不浸水。目前公路上治理邊坡常采用的方案是放坡+錨桿支護(hù)+排水措施。在持續(xù)強(qiáng)降雨時(shí)，雨水會(huì)滲入巖體微裂隙引發(fā)裂隙膨脹，雨停后，當(dāng)?shù)卣舭l(fā)強(qiáng)烈，浸水的砂巖失水發(fā)生龜裂，龜裂后裂縫擴(kuò)展，再次降雨時(shí)，雨水將沿著龜裂裂縫滲入泥巖深層，從而使泥巖裂縫不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致強(qiáng)度喪失而滑坡。

砂巖邊坡中的排水結(jié)構(gòu)，砂巖層中水流不均勻，風(fēng)化的巖屑顆粒易堵塞過(guò)濾材料的孔隙，使排水通道失效，這也是導(dǎo)致砂巖滑坡的因素之一。

圖7 某公路邊坡治理后在雨季滑塌

圖8 蘭臨高速公路雨季邊坡滑坡

5 丹霞地貌穩(wěn)定原理分析總結(jié)

在自然界中，很多天然砂巖丹霞地貌能在垂直狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定，主要原因有以下幾點(diǎn)：

1）龜裂裂縫在垂直的壓力約束下未能發(fā)展。

2）在垂直狀態(tài)下，雨水很難滲入，自然防水能力強(qiáng)，陡坡巖體很難被雨水浸入。

3）而平緩的砂巖邊坡，其上覆壓力被卸除或減??；緩坡大面積暴露于空氣中，很易受降雨影響，降雨后雨水很易侵入微裂隙；雨水滲入引發(fā)微裂隙擴(kuò)張，微裂隙擴(kuò)張后待雨停天晴后，由于當(dāng)?shù)貧夂蚋稍?、蒸發(fā)量大，干燥后易龜裂，產(chǎn)生大量龜裂裂縫，龜裂裂縫顯著大于之前的微裂隙，其成為再次降雨后的滲水通道，再次降雨后，雨水滲入龜裂裂縫，如此循環(huán)，砂巖一般在降雨時(shí)發(fā)生滑塌。

圖9 自然狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定的直立砂巖坡-蘭州安寧區(qū)大砂溝天斧沙宮

圖10 自然狀態(tài)下長(zhǎng)期穩(wěn)定的直立砂巖坡-黃河甘肅蘭州～白銀段

而自然界中陡直的丹霞地貌，存在垂直的約束壓力，雖然側(cè)向約束壓力解除，但是自然作用下，保留下來(lái)的巖體質(zhì)量總體較好。在高約束壓力下其強(qiáng)度高、變形小，而且直立陡坡頂覆蓋有塔狀第四系土層，直立坡不易受雨水浸泡，尖塔狀第四系覆蓋物易使雨水流失。

蘭州安寧天斧沙宮能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定，其地貌特征是其表層覆蓋了一層錐形黃土，保證了垂直壓力和良好的防水性，能防止雨水滲入，保護(hù)了底部砂巖不被雨水浸泡；二是直立陡坡很難被雨水浸泡影響，泥巖的濕度能長(zhǎng)期處于干燥狀態(tài)。

6 借鑒自然穩(wěn)定丹霞地貌加固邊坡的成功案例

在自然界中很多垂直的砂巖坡能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，而很多人工緩坡在竣工后一兩年內(nèi)就在雨季產(chǎn)生滑坡。若把穩(wěn)定的丹霞地貌，穩(wěn)定原理及要素用于工程邊坡，如在邊坡加固設(shè)計(jì)時(shí)保持其上覆約束壓力，采用陡直的自然坡度，將其迎風(fēng)雨的一側(cè)護(hù)面，防止風(fēng)、雨侵蝕造成風(fēng)化剝落，在坡頂“戴帽”壓重形成利于排水的錐形頂。防止積水，覆蓋上覆約束壓力，砂巖的天然強(qiáng)度得以維持，能保證其穩(wěn)定。

自然界中穩(wěn)定的例子很多，如蘭州市安寧區(qū)的天斧沙宮（圖9）、黃河甘肅蘭州～白銀段（圖10）有很多近乎直立的陡崖，其幾乎在幾百年來(lái)都能長(zhǎng)期穩(wěn)定。

在日本兵庫(kù)縣南部的六甲山南部，第三紀(jì)半成泥（砂）巖分布也很廣，當(dāng)?shù)匕训谌o(jì)泥巖當(dāng)做地基使用，地基下的巖體邊坡坡度是1：0.2，近似直立的陡坡，表面用干砌石保護(hù)，其長(zhǎng)久以來(lái)穩(wěn)定性良好。在兵庫(kù)縣南部地震時(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)邊坡有變動(dòng)的征兆。實(shí)踐證明其效果好，治理方法符合自然特點(diǎn)，不會(huì)刷坡造成大量生態(tài)破壞。日本土力學(xué)大師大根義男在其《實(shí)用土力學(xué)》[2]里對(duì)此案例進(jìn)行了論述，并分析了其穩(wěn)定的力學(xué)原理。

7 借鑒自然穩(wěn)定丹霞地貌加固砂巖邊坡的方法

泥（砂）巖邊坡加固時(shí)，對(duì)陡直而長(zhǎng)期穩(wěn)定的坡泥巖、砂巖坡可以大膽保留原來(lái)的陡坡，在坡頂覆土壓重，坡體頂部覆土壓重及防滲處理、排水措施，保證邊坡不被雨水浸泡；并采取護(hù)面處理，護(hù)面是為防止風(fēng)化剝落的巖塊崩塌。覆土壓重保證垂直約束壓力，進(jìn)行頂部防水，護(hù)面措施防止局部坍塌。

根據(jù)調(diào)查，蘭州周邊高速公路旁的邊坡經(jīng)常失穩(wěn)滑塌，其都采取了放坡+支護(hù)的措施，放坡使巖體更容易被雨水浸濕，引起泥（砂）巖在雨季的干濕變化，從而引起龜裂，最后導(dǎo)致滑坡。這是此類砂巖邊坡治理后更易滑塌的主要原因。因此，可以大膽嘗試直立坡+上覆壓重土+防水措施+護(hù)面措施的支護(hù)方式。

蘭州南蘭臨高速公路某邊坡，公路竣工后一年內(nèi)發(fā)生了第一次小規(guī)模滑塌，滑塌后采取了清理滑塌體、放坡、支護(hù)等治理措施；次年原址上又發(fā)生了更大的滑塌。由此可見(jiàn)，砂巖邊坡的治理，不能生搬硬套理論，總結(jié)和利用自然規(guī)律，便能節(jié)省大量的治理費(fèi)，甚至挽回不必要的生命損失。這種加固理念，當(dāng)巖層具順坡向的傾斜層理時(shí)，層理將是滑坡誘發(fā)的關(guān)鍵因素，這時(shí)就要分析這種方法治理的適宜性。因此，進(jìn)行充分詳細(xì)的地質(zhì)勘察，是邊坡加固設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵保障[4]。

8 結(jié) 語(yǔ)

蘭州地區(qū)的半成砂巖邊坡難治理，易受水影響，治理后容易再次滑塌，針對(duì)這種情況，我們總結(jié)了長(zhǎng)期穩(wěn)定的自然丹霞地貌直立坡的穩(wěn)定原理，把自然丹霞地貌的穩(wěn)定規(guī)律和要素作為工程邊坡的治理要素，并經(jīng)理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了借鑒穩(wěn)定丹霞地貌進(jìn)行邊坡加固的理念，給工程邊坡設(shè)置這些穩(wěn)定的要素并防范局部塌落風(fēng)險(xiǎn)，就能取得很好的治理效果。

[1]《蘭州市地理志》

[2]《實(shí)用土力學(xué)》日本出版-盧有杰譯

[3]《土力學(xué)》清華大學(xué)出版 陳忠頤等編

[4]《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）

[5]《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（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文章標(biāo)號(hào)：1003-8965（2017）04-0069-04