全 文 ：第 3卷 第 7 期
20 07 年 1 2月
地 下 空 间与 工 程 学 报
C hi e s e n J
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云南水麻高速公路岩堆体边坡结构特征研究 ’
薛亚东 ,黄宏伟 ,刘忠强
(同济大学 地下建筑与工程系 ,岩土及地下工程教育部重点实验室 ,上海 20 0 92 )
摘 要 : 云南水麻高速公路沿线赋存大量的岩堆体 , 在施工过程中常常发生岩堆体滑坡 ,
造成 了巨大的损失 。 通过现场调研 ,提出了采用坡面角度 、坡面形状和坡体厚度等研究岩堆的
外部结构 ,采用土石混合比和块石尺度分布研究岩堆的内部结构 ,从而实现岩堆体结构特征的
几何特征描述指标方法 ,为建立岩堆体力学参数与结构特征的定量关系奠定了基础 。
关键词 : 岩堆体 ,边坡 , 结构特征 , 几何特征
中图分类号 二T U4 5 7 文献标识码 : A 文章编号 : 16 7 3刃 836 ( 2X() 7 ) 07 一12 95习 5
S t u d y o n t h e S t r u e t u r e C h a r a c t e r i s t i c s o f T a l u s
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1 引 言
云南水麻高速公路位于云南省昭通境内 ,起于
水富县伏龙口 ,止于大关县麻柳湾 ,全长 135 . 57 公
里 ,是国道主干线 ( G4Z 0 )二连浩特 一 河 口公路云
南省境内的第一段 。 路线所经区域属强侵蚀中高
山峡谷地形 , 地质构造属 于新构造运动强烈上升
区 。 由于地质的特点 ,在该地区形成了大量的岩堆
体 。 经过初步的调查统计 ,在水麻沿线共有大小岩
堆体 75 处之多 。 岩堆体是山岩物理风化 (或化学
风化 )作用而形成的岩石碎块的堆积体 ,是一种特
殊的地质体 。 一般岩堆体表面的坡度与该堆积体
的安息角相符或近似 , 主要分布在山岭区的陡坡上
或山麓下 。 岩堆体主要由土和石混合堆积而成 ,它
的最显著特点是构成材料的力学特性空间变异性
大 ,表现出强烈的非均质性 。 由于岩堆体一般结构
收稿 日期 : 20 7刁 8 一 10 (修改稿 )
作者简介 :薛亚东 ( 197 1一 ) , 男 , 山西丙城人 ,副教授 ,主要从事岩石力学 、 边坡风险评估与地下工程方面的教学与科
研工作 。 E 一 m a i l : y a d o n群u e @ 12 6 · e o m
基金项 目 :博士后科学基金 ( 2 0 603 906 5 )
1 29 6地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 3 卷
松散 ,天然状态下多处于极限平衡状态 , 因此在施
工扰动情况下 ,极易发生失稳而造成滑坡 , 因此岩
堆体的滑坡成为水麻高速公路工程中的主要地质
灾害之一 。
影响岩堆体稳定性的因素主要包括岩堆体的
物质组成 、 构造特征 、 物理力学特性 、 水文气象、 地
震及施工扰动等。 由于岩堆体本身的复杂性 , 相关
的研究还很不充分 。 Iamr ac hc ion e 等对含石率在
O 一 30 % 的土石混合材料的抗剪强度展开研究 , 通
过三轴剪切试验 ,得出了混合体抗剪强度随含石率
增加而增加的规律川 。 v al ej 。 等通过对砂石 一粘
土混合材料的孔隙度与抗剪强度的系统研究 ,得出
混合材料的抗剪强度与砂石和土的比例有关 [’ 〕 ,
当砂石的重量比超过 75 % 时 ,材料抗剪强度主要
由砂石的摩擦阻力控制 ; 当砂石的重量 比小于
4 0% 时 , 材料抗剪强度主要由粘土的抗剪强度控
制 ;当砂石的重量比介于 40 % 一 75 % 之间 ,材料抗
剪强度由砂石的摩擦阻力和粘土的抗剪强度共同
控制 ; 徐文杰等通过水下混合体的推剪现场试
验图 ,得出了混合体的剪切强度参数 ,指出水对混
合体的强度有重要影响 。 U 等对三峡库区岸坡的
土石混合体进行现场调查 [’] ,指出混合体中块石和
土的混合比例 、分布特征 、块石的大小 、形状 、空间姿
态等都是随机的 ,加上土 、石两种材料在强度上存在
两个量级以上的差别 , 因此导致混合体具有更复杂
的力学行为 。 从已有研究成果可以得出 ,岩堆体的
稳定性影响因素很多 ,其中岩堆体的构造特征和力
学特性是两个主要的因素 ,而构造特征和力学特性
皆与岩堆体的几何特征相关 , 因此系统研究岩堆体
的几何特征对岩堆边坡的研究具有实际意义 。
( 3 )由于软弱泥岩易于风化 , 碎裂块体沿边坡
滚落逐渐在坡脚或突出坡台堆积 (图 1 一 b ) ;
( 4 )悬空硬岩在外力和风化作用下断裂 , 沿边
坡滚落与软岩风化物混合形成堆积体 (图 1 一 c ) ;
( 5) 随上部堆积体的增加 , 以及在降雨等因素
作用下 ,岩堆体逐渐密实 ,并可能形成向下的滑动
(图 l 一 d ) ;
( 6) 岩堆体趋于稳定。
图 l 岩堆体形成过程示意图
iF g
.
1 几 e id 叫犷aln of t己us fo mr in g p~
s
2 岩堆的形成
岩堆的形成机理一般为 :物理风化形成的岩石
碎块自上而下在重力的作用下运动堆积而成 。 由
于形成岩堆的山岩结构与山坡地貌不同 ,因此形成
的岩堆也存在很大不同 , 岩堆的变形机理也不尽相
同 。 在研究岩堆的稳定性时 ,应首先分析具体工程
区域岩堆的形成 。
通过对水麻高速公路沿线岩堆的踏勘和地质
调查 ,分析了该地区岩堆的形成过程如下 (图 1 ) :
( l) 在地壳板块运动过程中 ,地层受构造挤压
作用而隆起抬升 ,形成陡峭山峰 (图 1 一 a ) ;
( 2) 在逆层边坡侧 , 岩层断裂出露 ,形成软弱
泥岩与坚硬岩层 (砂岩或灰岩 )的交替结构 ;
3 岩堆的几何形态特征与分类
由于岩堆是由风化岩块 、 碎屑等自然堆积而
成 , 因此岩堆的几何形态主要决定于山体上部岩层
的组成 、岩性 、 山坡的方位 、坡度及坡脚形态等。 这
里主要研究岩堆体的倾向坡面几何形态特征 ,包括
坡度 、坡面形状和坡体厚度等。
3
.
1 岩堆坡度
自然岩堆体的坡度一般与土石混合体的休止
角接近 ,而混合体土石结构不同 , 则其休止角一般
也不同 。 对于近代形成的岩堆体 , 主要存在于第四
系坡积层 、崩积层和残积层等地层 , 土石混合体主
要由泥岩 、 页岩 、千枚岩 、板岩和片岩的风化产物与
砂岩 、 花岗岩和石灰岩等的破碎岩块组成 。 不同岩
石组成的岩堆体休止角见表 1 。
表 1 不同岩性岩堆休止角
T曲le 1 hT e 助回e of r叮沁se of 回 uS
岩石组成 岩堆休止角a/
花岗岩
石灰质砂岩
密实灰岩
片麻岩
云母片岩
37
3 4 ~ 35
32 ~ 36
.
5
34
3 0
2 0 7年第 7期 薛亚东 ,等 : 云南水麻高速公路岩堆体边坡结构特征研究 1297
初期的岩堆体一般结构松散 ,含有大量的空洞
和孔隙( 图 2 所示 ) 。 当组成岩堆的含石率较高 ,
或者石块的尺度相对较大时 ,岩堆表面坡度一般也
较大 ;随着碎屑土含量的增加 , 岩堆的休止角逐渐
变小 , 岩堆坡度也相应变小 ;随着上部新堆积层的
增加以及雨水的作用 , 岩堆体将逐渐密实 ,其休止
角会增大 ,但坡度却可能由于风化搬运而变小 , 因
此对早期的岩堆体 , 其稳定性要高于晚期的岩堆
体 ,这在岩堆边坡工程设计和处置时是需要考虑
的。 水麻高速公路沿线岩堆坡度调查结果见表 2 。
…\ 、 队 热
1 \ }又 } \、卜、 、 \ 黔\ \ {\ ~ 一、 、 、
}蔑兰竺三 吩垂鱼三 {蒸兰丝三
(
a )单面坡型 ( b )上陡下缓型 ( 。 )上下陡中缓型
图 3 坡面形状
Fi g
.
3 P or ifl e Of alt u s
s lo ep
图 2 岩堆体内部结构
iF g
.
2 hT e i~
at ur c恤 of 诫us表 2 岩堆边坡坡度调查结果
T的 le 2 hT e 咖ep an 妙e of 回us
里程号 边坡坡度o/ 里程号 边坡坡度o/
K2 0 + 8X()
~
2K 1
+ 10
KZ I + l X()
~ 60 6
K2 2 + 94 0
~ K23 + 70
K3 8 + 15 2
一 3 10
K4 3 + 340
~ 44 0
K4 7 + 26 4
~ 630
K5 2 + 3 12
~ 4 50
巧 ~ 2 0 5K 8
+ 190
~ 39 0
6K 1
+ 163
~ 68 0
K64
十 4 (刃
~ 63 0
K73 + 0
~ 120
K I 15 + 9 65
一 K l l 6 + 70
K 12 1 + 4 35
~ 555
30 一 35
巧 ~ 2 0 中部 10
一 35 ,
上下部 30 一 35
15 ~ 3 5 2 8 一 35
30 ~ 3 5
中 2 5 一 30 ,
上下 30 一 50
一般大于 30 40 一 50
3 5 左右 35 一 40
20 一 4 5
3
.
2 坡面形状
岩堆坡面形状是与其形成历史和稳定状况相
联系的 ,研究坡面形状有助于直观判断岩堆体的稳
定性 。 岩堆体坡面形状主要有三种类型 (图 3) 〔’ 〕 :
单面坡型 、 上陡下缓型和上下陡中间缓型 。 一般而
言 ,两头陡中间缓型稳定性最好 ,其次是单面坡型 ,
上陡下缓型稳定性最差 。
由于水麻高速公路沿线的岩堆体多为近代形
成 (堆体中的岩石风化程度较轻 ) , 因而坡型多数
为单面坡型 ( 图 4 ) 。 调查结果显示 , 沿线岩堆约
89 % 为单面坡型 ,上陡下缓型约 9% , 上下陡中缓
型约 2% 。
图 4 岩堆体形貌
Fi g
.
4 hT
e t o
oP脚 phi e fe at uer Of t al us
3
.
3 坡体厚度
岩堆体在形成过程中 , 横断剖面如图 3 所示 ,
因此坡体厚度一般变化很大 。 对于大多数岩堆体 ,
坡体前后缘一般厚度较小 ,而坡体中部厚度较大 。
现场一般通过地质钻探来调查坡体的厚度分布 。
对于大多数的单面坡型岩堆 , 可采用坡面中心处的
厚度进行评价分析 。 另外 ,处于阳面的岩堆体厚度
一般较阴面和侧面的大 ,这可能与阳面山岩风化影
响更剧烈有关 。
水麻高速公路岩堆体坡体厚度的部分统计结
果见表 3 (部分根据钻探资料 , 部分根据现场估
测 ) 。 沿线全部岩堆厚度分布比例见表 4 。
表 3 岩堆厚度统计结果
T a b k 3 T h e t hi c k n e s of t al us
r 0 C k
里程号 厚度 / m
K O + 9X()
~ K I + 4 50 25
K2 2 + 94() ~ K 23 + l X() 15
K6 1 + 163 ~ 680 > 45
K68 + 890 ~ K6 8 + 99 0 3 1
.
8
K86 + 0 70 一 + 2 60 3
K 10 2 + 94 5 ~ K 102 + 985 12
K 105 + 07 0
.
5 1 ~ K 105 + 5X() > 2 5
K 105 + 56 0 ~ + 7 60 14
K 106 + 38 0 一 + 5 50 15
K 106 + 8 20 ~ K I OS + 180 20
2 19 8地 下 空 间与 工 程 学 报 第 3卷
表 4岩堆厚度分布统计
T a址e
.
4is D t ri bu 廿 o no f tl aus s loe p面 ck nes
厚度/ m
比例/ %
5 ~ 15 5 1~5 2
35 料 4 1
从表 4可以看出 ,大多岩堆体坡体厚度在 5 -
25 m 之间。 而这一类岩堆体大多具有潜滑性 ,对外
界环境和施工因素很敏感 。 从施工现场情况看 ,正
是这一类边坡在施工过程中发生了多次滑坡事故。
对于大于 25 m 的大型岩堆体 , 一般多伴随古滑坡 ,
因此一旦发生滑坡 ,往往后果比较严重 。
岩堆体积 40 % 以下的风化岩堆 , 还有一类是介于
前面两者之间的风化崩塌岩堆 。 水麻高速公路岩
堆以崩塌岩堆为主 ,其中块石多为褐红 、 紫红色泥
岩或页岩碎块 ,结构松散 ,碎块石呈棱角 、或次棱角
状 ,有接触但不紧密 ,具架空现象 ;含石率一般大于
70%
, 粒径一般为 2 一 1sc m ,少量砂岩块石 ,粒径 20
一 5c0 m
,最大可达 Zm 以上 ;岩堆体结构上下不均 ,
近地表呈松散状 ,深部较密实。
4 岩堆体土石几何特征
自上世纪 40 年代始 , 科研工作者开展了大量
的关于土石混合体性质的研究 ,包括混合体的变形
特性 、强度特性以及它们与土石混合比的关系 。 岩
堆体从广义上讲也属于土石混合体 , 因此这里参考
了大量有关土石混合体的研究成果 。 由于岩堆体
取样非常困难 ,且取到的样很难有代表性 , 因此室
内的相关试验多采用砂 、 粘土 、 小块碎石等按照不
同的比例模拟岩堆体。 研究岩堆边坡稳定性的关
键参数是抗剪强度参数 , 因此已有研究多集中在土
石混合体抗剪强度测试 。 大量的研究成果表明 , 土
石混合体的抗剪强度主要与含石率 、岩块特性 、 粘
土性质 、岩块尺度和含水量等有关 。 v al ej 。 等人
在大量研究的基础上 , 给出了土石混合体组成 ( 图
s a )[
, ]
,而水麻高速公路岩堆体的组成有所不同
(图 s b ) 。 尽管试验的材料各不相同 ,但有一点是
肯定的 , 即混合体的抗剪强度与岩块大小和含石率
有很大关系 。 为定量研究岩堆体中岩块大小分布
特征 ,徐文杰等采用了分形几何学方法 , 研究了虎
跳峡龙蟠右岸分布的土石混合体粒度分布的分维
规律 ,建立了平均粒径与相应的分维数之间的定量
关系模型 〔6 ] 。 根据我们的研究成果 , 提出了岩堆
体的等效代表性结构单元 ( Equ iv 己en t eR p er s en at -
it v e Sutr
e
utr
e E l e m e nt
,简称 ESR E )概念 。 E SR E 是
根据结构特征描述参数 (几何参数 、 分布参数 、 表
面参数等 ) , 并结合室内外相关试验 , 而建立的岩
堆体结构量化指标 。 根据 ESR E 指标 , 就可以实现
岩堆体特性的室内等效模拟 ,从而为岩堆体的力学
等特性研究提供建模依据 。
水麻高速公路沿线的岩堆体 ,根据混合体中岩
块的比例大致可分为三大类 ,一类是块石体积占岩
堆体积 7 0% 以上的崩塌岩堆 , 一类是块石体积占
图 5 土石混合体结构
iF g
.
5 S t r’U c t眠 of 胡 k 一 d ay 而 x tuer
5 岩堆体几何特征讨论
岩堆体的最显著特点是构成材料的力学特性
空间变异性大 , 表现出强烈的非均质性 。 作为一种
特殊的土石混合材料 , 现有的岩石力学 (岩体力
学 )和土力学都不能描述和分析其力学特性 。 目
前 ,关于岩堆体结构特征与力学特性研究很少 , 分
析可能主要有两方面的原因 :一是过去在岩堆体上
修建的工程规模和工程数量都不大 (在实践中 ,多
采用了避绕岩堆的设计原则 ) ;还有就是岩堆体本
身的复杂性 ,试验研究难度较大 。
为解决山区高速公路工程中遇到的大量岩堆
边坡问题 ,需要研究者展开这方面的研究 。 作为一
种特殊的地质体 ,其性质受结构的影响很大 , 因此
从研究岩堆体的几何特征人手 ,研究岩堆体的结构
与力学特性关系可能是有效的解决途径 。
岩堆体的结构可以分为外部结构和内部结构 ,
外部结构主要指岩堆体的几何形态 , 包括坡面角
度 、坡面形状和坡体厚度等 ; 内部结构主要指土石
混合比和块石尺度分布 。 尽管不同地区 的岩堆结
构不尽相同 ,但对于近代的大多数岩堆而言 , 采用
上述的内外部结构指标基本可 以描述其几何形态
特征 。
20( ) 7年第 7期 薛亚东 ,等 : 云南水麻高速公路岩堆体边坡结构特征研究 129 9
根据工程实例 ,可以反演不同内部结构岩堆体
的抗剪强度参数 ,结合室内混合体剪切试验 , 可推
导出内部结构与抗剪强度参数之间的量化关系 ,从 〔3〕
而为岩堆体的稳定性分析提供参考依据 ,也可为岩
堆边坡数值计算提供计算参数 。 这方面的工作目
前才刚刚展开 ,还需要作大量的现场和室内试验来
完善岩堆体分析体系 。
6 结 论
[ 4〕
云南水麻高速公路沿线赋存大量的岩堆体 , 由
于岩堆体一般由岩块 、 碎屑和土组成 , 因而结构疏
松 、力学特性空间变异性大 、稳定性差 ,造成岩堆体
边坡稳定性分析理论落后于实践 ,导致了岩堆边坡
的过渡加固或加固强度不足而引起滑坡 , 给施工造
成巨大困难和损失 ;
通过大量的调研分析 ,认为岩堆体的结构特征
可通过其几何特征进行分析研究 , 通过坡面角度 、
坡面形状和坡体厚度等研究岩堆的外部结构 ,通过
土石混合比和块石尺度分布研究岩堆的内部结构 。
[ 5 ]
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