近水平层状红层软岩滑坡成因机制研究

耿兴福，苗天德

（1.中煤科工集团西安研究院有限公司，西安 710054；2.兰州大学土木工程与力学学院，兰州 730000）

红层软岩泛指侏罗系、白垩系与第三系砂岩、泥岩、页岩及砂岩、泥岩与页岩互层等软硬相间的层状岩体。红层软岩抗风化能力差，水敏感性强，遇水后岩体强度大幅度下降［1］，我国西部地区甘肃、四川与云南省红层软岩大面积分布［2］。在红层软岩地区，近水平层状结构斜坡分布范围较广，红层软岩倾角较缓，岩层倾角一般小于12°。近水平层状红层软岩滑坡的滑动面倾角远小于滑带土的内摩擦角，传统的极限平衡理论无法合理地解释其成因机制。研究近水平层状红层软岩滑坡成因机制，对揭示滑坡发育规律和防灾减灾有重要现实意义。该类型滑坡成因机制已受到国内外众多学者的关注［3－6］。本文依据近水平层状红层软岩滑坡赋存的影响因素、滑坡变形机制和破坏形式，结合滑坡滑带土强度特征，对近水平层状红层软岩滑坡成因机制进行了研究。

1 近水平层状红层软岩滑坡赋存的影响因素

1.1 地质环境

（1）地形地貌。岩层产状、剪出口位置、坡体形态、临空条件等因素都不同程度地影响滑坡的变形、成因机制［7－8］。在岩层产状接近水平条件下，受坡角侵蚀等因素的影响，常形成高陡地形，具有良好的临空条件，为滑坡的形成提供了可能。加之人为工程活动开挖坡脚，形成大量高陡边坡，加大了斜坡的临空面，进一步增加了滑坡的可能性。

（2）岩石组成。近水平层状红层软岩主要为泥岩和砂岩或页岩和砂岩互层结构［9］，属典型的层状沉积岩。由于泥岩和页岩风化速度快，形成软弱夹层，为滑坡松散坡积物沿基岩面滑动提供了有效结构。

（3）地质构造与岩体结构。大量调查表明，近水平红层地质构造简单，近水平层状结构斜坡区褶曲构造与断裂构造活动不甚强烈。在各种地质构造营力作用下，岩体层面、近正交节理、劈理与各种结构裂隙发育，工程地质性质呈各向异性。红层软岩富含高岭石、伊利石和蒙脱石等矿物成分，水敏感性强，遇水膨胀软化，在较高的含水条件或饱水状态下，岩体的力学强度大幅度降低，增加了滑坡发生的可能性。

1.2 降雨

受降雨及地表水入渗影响，产生“滑体增重效应”和“岩土体软化效应”，红层软岩抗剪强度降低。雨水渗入裂隙及潜在滑动面，并且由下部基岩形成的相对隔水层导致水体滞留，形成高动水压力f（图1中简化成集中力），致使滑坡体变形加剧；另一方面地下水位迅速上升，形成静水压力和沿滑移面的扬压力，下滑力增大，进而形成贯通性结构面（滑动面），促使斜坡体变形失稳，产生滑坡。滑块受力图，如图1所示。在甘肃陇东地区、四川、云南等红层中，每年雨季发生大量坡体塌滑灾害，同时也促发了古滑坡复活［1，10－11］。降雨是近水平层状红层软岩滑坡的主要致滑因素。

图1 滑块受力图Fig.1 Mechanical analysis of sliding blocks

1.3 人类活动

人类活动对水平层状红层软岩滑坡分布的影响主要有工程活动、拓地建设、矿山开采、人工荷载与农业灌溉等。大量开挖斜坡坡脚切坡修路、建房、开采矿山，加大了斜坡临空面，严重降低了斜坡的稳定性，破坏了岩体的自然平衡条件；在坡体上堆积弃土，开展工程建设，改变了原始斜坡结构，增大斜坡载荷造成失稳；农业灌溉使得斜坡积水，给滑坡的发生、发展提供了条件。

1.4 外动力因素

新构造运动与地震是触发水平层状红层软岩滑坡重要的外动力因素，根据历史统计资料，老滑坡与古滑坡一般多属地震滑坡。1920年的宁夏海源8.5级大地震在甘肃、青海、宁夏等地触发了1 600多处各种类型的滑坡，其中红层软岩滑坡650余处。

上述4个方面，地质环境条件的影响对滑坡的产生是必不可少的，即形成滑坡的内因。降雨、人类活动和外动力因素，促使地质环境条件发挥作用，打破斜坡体平衡环境，是形成滑坡的外因。

2 近水平层状红层软岩滑坡滑带土强度特征

2.1 红层软岩的抗剪强度特征

红层软岩属典型的层状岩体，岩体抗剪强度具各向异性，沿垂直岩层层面方向抗剪强度值最大（τmax），沿岩层层面方向抗剪强度值最小（τmin）［7］，在这两种状态下红层软岩属于近似均质岩体，可用Mohr－Coulomb强度准则评价红层软岩的抗剪强度。

如图2所示，在岩体破坏面与岩层层面斜交的状态下，岩体抗剪强度值随剪切破坏面与岩层层面夹角α值（α介于0°～90°）的改变呈规律性变化。岩体抗剪强度可用J C Jaeger提出的方法［13］式（1）表示：

图2 岩体剪切破坏面与岩层层面夹角α关系图Fig.2 Angle relationship between the shear failure plane and the stratum plane

式中，s为红层软岩岩体抗剪强度（kPa）；s1，s2分别为为强度参数（kPa）。

岩体粘聚力与内摩擦角是决定岩体抗剪强度的重要参数，经对比分析研究，J C Jaeger强度表达式可修正为式（2）［3］：

根据试验结果，经拟合与试验分析，C（α），φ（α）可近似表示为：

式（3），式（4）中：0≤α≤90°；Cmax，φmax与Cmin，φmin分别是剪切破坏面垂直和平行岩层层面状态下的粘聚力及内摩擦角值。

红层软岩具较强的水敏感性，天然状态与饱水软化状态下的抗剪强度存在较大的差异，红层软岩遇水软化后，其抗剪强度大幅度下降，岩体粘聚力一般小于15kPa。

2.2 滑带土强度特征

滑带土强度直接决定滑坡的变形状态，而对滑坡长期稳定性来说，具有非常重要的意义。滑坡在自然条件下，蠕动变形和应力松弛同时存在［14］。受季节性冻融、饱水岩体冻胀、干缩循环等因素的影响，滑带土的应力松弛加剧，发生滑带土“老化”现象。滑带土强度不能充分发挥，甚至完全没有发挥，这是近水平层状红层软岩滑坡失稳的重要原因。王志俭等［4］通过滑带土松弛试验证明了上述观点。从近水平状红层软岩滑坡的破坏形式来看，滑坡的下部滑动面主要是下部泥岩、页岩等软弱夹层。本来强度就不高的滑带土同时经历蠕动变形和应力松弛双重破坏，在暴雨和连续降雨的摧残下，不堪重负，只能产生滑坡。

3 近水平层状红层软岩滑坡变形机制和破坏形式

3.1 近水平层状红层软岩滑坡破坏形式［15］

（1）堆积层滑坡。红层斜坡下部常有覆盖土层分布，边坡开挖切穿岩土界面时，常引起上覆堆积层沿岩土界面滑动。堆积层滑坡是红层软岩地区常见的滑坡型式，但规模一般比较小。

（2）顺层座滑型滑坡。近水平红层顺层滑坡是常见的一种滑坡型式，其形成和变形破坏特点与岩性特点和岩体结构特征有密切的关系。顺层滑坡后缘常为坡体中的陡倾结构面，滑面为坡体中的软硬岩层界面或软弱夹层，滑坡后缘下座明显，常形成较宽的拉张裂缝，图3是典型顺层滑坡示意图。

图3 近水平红层软岩顺层滑坡示意图Fig.3 Sliding along the stratum plane of approximately horizontal bedded red－soft－mudstone

3.2 近水平层状红层软岩滑坡变形机制

根据国道316线和212线、宝（鸡）－成（都）铁路、天（水）—兰（州）铁路、成（都）—昆（明）铁路沿线红层软岩滑坡资料，近水平层状红层软岩滑坡的变形可分为以下3个阶段：

（1）卸荷回弹。卸荷回弹是斜坡岩体内积存的弹性应变能量释放而产生的［16］。在斜坡成坡或开挖过程中，岩体向临空方向回弹膨胀，使原有结构松弛，同时又可在集中应力和剩余应力作用下，陡倾节理开始扩展。这种变形大多在成坡或开挖以后于较短时期内完成。

（2）应力松弛－蠕动变形耦合。在降雨的作用下，陡倾节理是地表水入渗的主要通道。近水平层状红层软岩主要为泥岩和砂岩或页岩和砂岩互层结构，泥岩、页岩遇水软化，陡倾节理逐渐演化为平面上呈弧状折曲，剖面上呈近直立状后缘拉张裂缝［3］。拉张裂缝规模及其性质直接影响应力松弛－蠕动变形耦合阶段历时和滑坡动态特征。人工开挖坡脚形成的拉张裂缝规模大，应力松弛－蠕动变形耦合阶段短，自然条件下形成的拉张裂缝规模小，应力松弛－蠕动变形耦合阶段相对较长。

（3）滑坡形成。后缘拉张裂缝的不断扩大，使得滑坡体前缘岩体长期处于剪切应力状态，在降雨、人工活动等外界因素促发下，岩体不断扰动，强度下降当岩体强度降至残余强度时，锁固段岩体蠕动变形、渐近破坏进程加快，滑动面基本贯通，滑坡进入滑动变形阶段，滑坡形成［3］。该类滑坡的形成规模，主要受构造结构面的组合形式、结构面的发育密度和贯通长度的控制。岩体节理发育密度小，贯通长度大；风化和卸荷裂隙发育密度大，贯通长度小。

从近水平层状红层软岩滑坡的3个变形阶段可看出，该类型滑坡的成因机制可简化为：内因孕育－后缘张裂－耦合变形－外因推动－滑坡形成。这种机制可推广到多级近水平层状红层软岩滑坡。第一块滑体的下滑为第二块滑体提供了良好的临空条件，并改变了其受力条件，在同样的变形机制下，第二块滑体下滑，依此类推，直到滑体逐次下滑到一定程度和范围后，滑动过程逐渐停止。即：内因孕育—第一块滑体后缘张裂—耦合变形—外因推动—1级滑坡形成……良好临空条件—第n块滑体后缘张裂—耦合变形—外因推动—n级滑坡形成。

4 结论

从地质环境、降雨、人类活动和地震4个方面对我国近水平层状红层软岩滑坡赋存的影响因素进行了分析，并将该类滑坡的变形机制分为卸荷回弹、应力松弛－蠕动变形耦合和滑坡形成3个阶段，提出了“内因孕育－后缘张裂－耦合变形－外因推动－滑坡形成”的成因机制，更合理的解释了该类滑坡的成因机制。并将该机制推广至多级滑坡的变形机制，为将来更好对近水平层状红层软岩滑坡进行预报提供基础。

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