娄衡高速公路红砂岩崩解实验及路堑边坡稳定性分析

学校代号10536学号13202030322分类号U416密级公开全日制专业学位硕士学位论文娄衡高速公路红砂岩崩解实验及路堑边坡稳定性分析学位申请人姓名刘翰辞所在学院土木与建筑学院专业学位类别工程硕士专业学位领域建筑与土木工程校内导师姓名及职称刘辉副教授校外导师姓名及职称刘辉煌高工论文提交日期2015.05 学校代号：10536学号：13202030322密级：公开长沙理工大学硕士学位论文娄衡高速公路红砂岩崩解实验及路堑边坡稳定性分析学位申请人姓名刘翰辞指导教师刘辉所在学院土木与建筑学院专业学位领域建筑与土木工程论文提交日期2015.05论文答辩日期2015.05答辩委员会主席张可能 LouHengHighwayredsandstoneDisintegrationtestingandCuttingRedStandstoneAnalysisbyLIUHanciB.E.(ChangshaUniversityofScience&Technology)2013AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinArchitectureandCivilEngineeringinChangshaUniversityofScience&TechnologySupervisorProfessorLiuHuiApril,2015 长沙理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加１＾＾示注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：曰：＾月ｐ净斗寺／＾斗学位论文版权使用援权书、本学位论文作者完全了解学校有关保留使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可Ｗ将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信息服务。本学位论文属于１、保密□，在年解密后适用本授权书。２、不保密团。＂＂（＾请在＾＾上相应方框内巧Ｖ）＾作者签名：头絲曰期：如锋（＞芝月〇／曰勺导师签名日期＾月＇日 摘要在众多边坡稳定性中，红砂岩边坡稳定性是建设过程中面临的一个大问题，红砂岩由于其经过风化作用过程中的差异性造成其不完全一样的特殊性质，含水量有差异的红砂岩形成其强度同样存在差别，在接触水后，会容易产生崩解，软化，当坡体开挖后，会产生稳定性能力不强现象，加上本文工程背景地处亚热带气候，温度、湿度等因素对于红砂岩的地下层岩石性质方面的影响会更加明显。本文以娄底至衡阳高速公路内的红砂岩路堑边坡为工程背景，通过对娄衡高速区域地形地貌、地层岩性和水文地质条件的调查研究，再结合该地区红砂岩特殊的工程地质特点，分析出红砂岩的岩性特征和内部存在的破坏机理，在此基础上，通过岩石耐崩解性实验掌握岩石的崩解数量、崩解指数、崩解时间和崩解状况，以此研究适合娄衡高速红砂岩路堑边坡的具体治理处治方案，加强路堑边坡的稳定性。通过本文的研究，为娄底至衡阳高速公路内的红砂岩路堑边坡问题提供一定的处治措施，以此提高边坡的稳定性，对日后的安全施工和经营维护打下良好的基础。关键词：红砂岩；路堑边坡稳定性；岩性特征；破坏机理；耐崩解性；处治措施I ABSTRACTThestabilityofslopeofredsandstoneisoneofthebiggestproblemsinconstructionprocess.Redsandstonehasitsspecialnatureduetotheweatheringprocess.Thedifferenceinthewatercontentoftherockscausesdifferentstrength.Onceitcontactswithwater,itwilleasilyleadtothedisintegrationandsofteningoftherock.Whenitbeginstoexcavatetheslope,thestabilityoftheslopewillbequestionable.Inthispaperwriterassumesthatthelocationwillbesomewherethathassubtropicalclimate.Temperature，humidityandotherfactorsmayhavemoreobviousimpactonthenatureoftheundergroundredsandstone.Inthispaper,theconstructionbackgroundisthecuttingslopeofredsandstoneinthehighwayfromLouditoHengyang.Throughconductingresearchesaboutthetopography，formationlithologyandhydrogeologicalconditionofHengyanghighwayregion,combinedwiththespecialengineeringpropertiesofredsandstoneinthisarea,thelithologicalcharacterandthefailuremechanismoftherockcanbeanalyzed.Basedonthisanalysis,byfurtherconductingrock-disintegratingexperiments,thetreatmentschemesandstabilityenhancementplanwhicharesuitableforthecuttingslopeofredsandstoneinHengyanghighwayregioncanbedrawnup.Throughtheresearchofthispaper,sometreatmentmeasureswillbeprovidedforsolvingthestabilityproblemofthecuttingslopeofredsandstoneinHengyang-Loudihighwayregionandwillimprovethesafetyinconstructionaswellasmaintenance.Keywords:redsandstone;cuttingslopestability;lithology;failuremechanism;resistantdisintegration；treatmentmeaII 目录摘要..........................................................................................................................IABSTRACT..................................................................................................................II第一章绪论1.1研究背景与意义.........................................................................................(1)1.2.国内外研究现状........................................................................................(1)1.2.1国内研究现状...................................................................................(1)1.2.2国外研究现状...................................................................................(4)1.3本文大致的研究内容和技术路线.............................................................(5)1.3.1本文主要研究内容...........................................................................(5)1.3.2本文研究技术路线...........................................................................(6)第二章红砂岩工程性质及边坡破坏机理研究2.1研究区域的地质环境.................................................................................(7)2.1.1地形地貌...........................................................................................(7)2.1.2地层岩性...........................................................................................(9)2.1.3水文地质条件...................................................................................(9)2.2娄衡地区红砂岩的形成和特性...............................................................(14)2.3娄衡地区红砂岩的工程地质特点...........................................................(15)2.3.1风化的特点.....................................................................................(16)2.3.2水对红砂岩力学性质的影响特点.................................................(16)2.4路堑边坡破坏机理...................................................................................(18)2.5本章小结...................................................................................................(19)第三章红砂岩路堑边坡数值分析及处治技术研究3.1数值分析...................................................................................................(20)3.1.1边坡概况.........................................................................................(20)3.1.2计算原理.........................................................................................(20)3.1.3模型建立.........................................................................................(22)3.2路堑边坡的防护原则...............................................................................(24)3.3路堑边坡防护常用技术...........................................................................(25)3.3.1坡率法.............................................................................................(25)3.3.2排水法.............................................................................................(25)3.3.3防护法.............................................................................................(26)3.3.4支挡加固法.....................................................................................(26)3.3.5注浆加固法.....................................................................................(26) 3.4生态护坡及综合防护技术.......................................................................(26)3.4.1防护机理研究.................................................................................(26)3.4.2防护方法.........................................................................................(27)3.5本章小结...................................................................................................(30)第四章红砂岩路堑边坡稳定性案例分析4.1项目概况...................................................................................................(31)4.2红砂岩特性及崩解性试验.......................................................................(32)4.2.1红砂岩的结构特征.........................................................................(32)4.2.2红砂岩的矿物化学成分.................................................................(32)4.2.3红砂岩的崩解性实验.....................................................................(33)4.3红砂岩的工程分类...................................................................................(42)4.4红砂岩的工程分布情况...........................................................................(43)4.5拟处治措施...............................................................................................(43)4.6推荐处治方案施工控制要求...................................................................(44)4.6.1红砂岩路堑材料的预先处理.............................................................(44)4.6.2施工控制要求....................................................................................(44)4.7红砂岩路堑边坡处治...............................................................................(46)4.8本章小结...................................................................................................(48)结论与展望本文主要结论....................................................................................................(49)今后工作展望....................................................................................................(50)参考文献................................................................................................(51)致谢....................................................................................................(53) 第一章绪论1.1研究背景与意义在众多的高速公路施工问题中，红砂岩路堑边坡稳定性问题是建设过程中面临的一个比较棘手的问题，而在红砂岩占据全省面积四分之一的湖南地区，这一问题显得尤为突出。湖南地区红砂岩的沉积属于白垩系及早第三系，化学性质差别不大，沉积厚度一般在十几米到几百米之间，除了在不平整的两面存在部分砾岩厚度不相同的砾岩之外，[1]该岩层的化学性质比较统一，大部分以粉砂质泥岩或泥质粉砂岩形式存在。因亚热带气候原因，再通过温度、湿度等因素造成的效果，红砂岩地层的岩性出现了易被风化、崩解的现象，长此以往，强度被大大降低。所以，红砂岩地区是工程事故高发区，只有对其工程性质有了准确的把握和掌控后，才能够大大降低边坡设计和施工的风险性。本论文选取的娄底到衡阳高速公路处在湖南省中部丘陵区，地势呈南低北高走向，最低的海拔为76米，最高的海拔为201米，其中地形地貌以丘岗、丘陵为主，海拔高程大概在95米到160米之间，相对地形高差较小，但高低起伏不断。娄衡高速路堑土石方工程规模大，当中挖方数量达到540万方，填方数量达到539万方。填方的高度是10米到20米总共有57处地方，填方高度大于20米的有11处地方，挖方高度为10米到20米总共有80处地方，20米到30米总共有34处地方，而填方的高度超过30米的一共有三处地方。由于项目地处于亚热带大陆季风性湿润气候区，气候较为温暖和气，雨量比较充足，而红砂岩由于其具有遇水易软化的性质，从而导致岩体内形成弱化构造表面，路堑边坡的整体稳定性减小了，因为其特殊的地理条件和气候环境，使得娄衡高速地区红砂岩路堑边坡问题较为严重，所以，如何最大程度减少该地区路堑边坡稳定性问题，保证娄衡高速在建设过程和维护运营过程中的安全问题，使得对该地区红砂岩路堑边坡的稳定性问题的研究具有比较重要的意义。1.2.国内外研究现状1.2.1国内研究现状在关于红砂岩形成的原因和沉积类型方向上，章泽军等在江西地区对部分盆地底层1 进行的研究得到的结论为，晚白垩纪末期，在气候变化，生态变迁，洪水冲刷等因素的影响下，由于地质断裂带被侵蚀并加以填充形成冲积扇。曾昭选等对红色盆地的水土流失情况进行了研究，判断水土流失的方式分为沟谷侵蚀、坡面侵蚀两种，大致的分布情况与断层带的走向相似。在关于红砂岩的矿物构成及其内部相关化学元素含量方向上，孙英勋、刘汝明、鲁志强等在剖析发生于云南西南部的红砂岩地质灾害情况时，判断红砂岩内主要矿物构成包括泥质胶结物，内部含有数量大约为51%~85%、方解石，内部含有数量大约为13%~28%、长石，内部含有数量大约为2%~6%、石英，内部含有数量大约为4%~19%，另外还有少量绿泥石、云母和氢氧化铁含量大约为9%；通过抗压强度实验和浸水实验，彭振斌、杜长学和左文贵等人鉴定出除了长石和石英作为矿物成分包含于红砂岩之外，还包括大量的蒙脱石、高岭石和伊利石等矿物成分，并且还得到了红砂岩遇水易崩解的性质是跟水在红砂岩体内的活动性存在一定的相关性。在关于红砂岩的风化带划分方向上，通过对红砂岩形成时间和红砂岩形成效果的研究，朱定华对红砂岩的风化带进行了不同的划分，给日后研究红砂岩的流变及强度特点带来了便利；通过对位于四川盆地处的红砂岩风化壳和剖面进行分析，根据其表面残留物的特点，唐时嘉将红砂岩划分为3个风化带，而通过在红砂岩风化壳的元素变化得测试，发现铁元素和铝元素增长较快，而钠、镁、钙含量则不断降低，其中杜长学在分析湖南北部地区红砂岩其岩性特点时，按照红砂岩不同的风化程度将其划分为三个风化带，分别为：微风化带、中风化带和强风化带，微风化带是这三者中属于较易软化岩性[2]质的风化带，其软化系数一般要小于0.75。在对长沙地段的红砂岩风化带进行分析时，彭柏兴实施了综合分化系数指标，并判断出通过该指标的采用，可在一定程度上减少对红砂岩分化带进行划分所产生的误差。在关于红砂岩的应力应变特征及其水稳定性上，通过对红砂岩的微粒结构的渐变和宏观力学响应的特点时判断出，红砂岩的应力应变特点包含以下四个阶段：第一是压密阶段、第二是弹性阶段、第三是塑形强化阶段、第四是峰后软化阶段或称其为破坏阶段；通过对江苏地区红砂岩实施含水率变化的膨胀变形实验，刑福东、朱珍德判断红砂岩的膨胀应变和吸水率之间存在一定的线性关系，而且同时间上的关系可以表示为一定的数学上的分段函数，为日后研究降雨对边坡稳定性影响准备了一定的理论基础；通过对湖南耒阳段高速公路上的红砂岩进行耐崩解试验时，邓觐宇判断红砂岩之所以存在水稳定性差，比较容易软化、崩解的特点，很大一部分原因是因为红砂岩中所含有的伊利石和2 矿物蒙脱石产生的作用，因为他们具有极强的亲水性，并按照红砂岩的崩解行性把其分为了3种类型，第一个类型岩为渣状、粒状和泥状，第二个类型岩为块状，第三个类型岩为不崩解岩类。在关于红砂岩参数选择方向上，通过对四川地区部分高速公路地段红砂岩力学特点的研究，张倬元、吉随旺等人经过分析得出，抗压强度数值不会大于15Mpa的属于强风化砂岩，而弱风化砂岩的抗压强度数值位于15Mpa—31Mpa之间的属于弱风化砂岩，在将砂岩用作建筑材料的时候，因为其软化系数不大于0.75，所以是表现出来时易软化岩的性质，容易风化；同样是在四川地区，周德培、周应华针对东部红盆地区的红砂岩进行了物理力学实验，通过对实验数据的分析得到了一定结论，首先，在单轴抗压强度的数值范围上，红砂岩大致位于22Mpa—40Mpa之间，接着在软化系数的方向，粉砂岩、泥岩软化系数比砂岩小，最后，在凝聚力的取值范围上，砂岩大致位于1Mpa—4Mpa之间，在内摩擦角的取值范围上，红砂岩大致位于25°—60°之间；通过对湖南地区东常高速（澧县东岳庙至常德段）公路沿线某段红砂岩的发育情况进行分析,黄杰等人判断出在将红砂岩经过反复干燥、湿润或将其至于大气环境下时，由于颗粒软化，整体强度降低，岩体容易发生崩解破坏，给红砂岩边坡的稳定性带来了一定的隐患；通过对湖南衡阳地区某段公路上滑坡的分析研究时，邹静蓉、李志勇、谢强等人在现场使用直剪试验（将试样放入剪切盒内，固定上面的盒子，下面的盒子则可在水平方向上滑动，首先给予垂直压力，然后对剪切盒下面的盒子逐级施加水平力，直至试样被剪坏），室内重塑土多次剪切与反算法来共同评定滑坡土质的抗剪强度指标,再采用剩余推力法来进行稳定性安全系数的推算，通过对演算数据的分析处理，综合评定出对滑坡加固的处理方法：通过实施二级锚杆挡土墙来进行综合护坡，在湖南长沙地区，戴塔根、李智诚等人采用室内单轴强度试验来进行红层地区工程地质的承载力判断，由于真实数值要高于饱和抗压强度，所以对折减系数的数值取用是在0.50—0.90的区域内来判断其工程的安全[3]性。在关于红砂岩路堑边坡毁坏原理及其稳定性的方向上，张忠平等人在对重庆地区万梁高速（万州区至梁平县）的部分标段进行了红砂岩边坡破坏模式的研究，通过分析得出边坡破坏主要包括近水平层状的高边坡破坏、由顺层岩石产生的滑坡及大型堆积滑坡这三种类型，而其中近水平层状岩石高边坡破坏与边坡的结构面发育程度及岩石的组成有很大关系，另外，还发现边坡的毁坏模式含有部分坍塌、落石、经风化作用后产生剥蚀、倾倒、崩塌等表现，而其破坏机理可表述为由于边坡坡体上部庞大且厚实的砂质岩3 土错位排列，而在泥岩强度较低的下部含水量较高，导致边坡内部产生重心偏移，从而在局部造成压应力集中导致产生张拉破坏，再由于雨水下落造成雨水堆积于延伸到顶部的张拉裂缝，从而产生滑移；通过对云南地区红层岩土的研究，骆银辉得出了蠕变—剪切—滑移是红层边坡破坏的发展过程这个结论，并判断这三个阶段是呈周期性扩展，同时还发现水在红层边坡的破坏过程中起到较大影响，如果不能将地表水和地下水及时排出将会大大降低边坡岩体的整体刚度，如果不对边坡实施支挡锚杆加固，将会对以后继续实施施工及运营造成带来部分危险；通过对广东韶关地区红砂岩的勘测调查，陈明晓等人认为，对红砂岩的取样研究是对红砂岩路堑边坡设计和施工的重要前提，而研究的内容包括红砂岩的产状、地层岩性、节理裂隙的发展状态、断层、以及软弱夹层范围的大小、岩性、深度、露出和分布情况，再通过极限平衡方法计算得出的数据来得出红砂岩路堑边坡的内部变形极其毁坏特点，并以此判断以后可能出现的变形破坏表现，通过极限平衡理论计算出来的数据再采用稳定性理论研究方法对路堑边坡实施稳定性验算，将它的破坏机理和破坏模式探明，再根据相关的特点制定出不同毁坏机理和破坏模式的防治措施，以此来加强红砂岩路堑边坡的安全性能，通过对红砂岩边坡取样实验和岩体监测所得到的数据，反求滑坡处的抗剪强度，得到部分结论为：内摩擦角在10°—20°之间变化，结构表面的凝聚力在2000pa—8000pa之间变化，由于红砂岩易崩解、易风化、易软化和软硬相间的特点，导致天然水和地下水容易渗透至结构内部，使岩体内部的抗剪强度大大减小；通过分析水在红砂岩路堑边坡破坏中所带来的影响，李志勇，杨志达等人提出了如何预防、降低其作用的措施，首先最大限度减小路堑边坡破面和控制边坡破面的外露时间长短，采用全封闭防护法来向开挖的红砂岩路堑边坡实施防护，降低雨水渗入边坡内部的概率，其次通过阻拦和排泄等方法来疏散地表水，保证滑坡稳定性。1.2.2国外研究现状瑞典人Fellenius在1937年根据力矩平衡方程（将路堑边坡滑动面看为圆弧面），[4]在垂直分条的状态之中得到了分析边坡安全系数的方法；1945年以后，随着生产力的大力提升，土木交通建设获得飞速发展，随之出现的边坡问题也不断涌现，使得越来越多的专家学者在这个方向进行了一定的研究，获得了一定的成果，例如，1949年，Amonfrolov在书籍《建筑物边坡稳定性评价及预防治理措施》中对路堑边坡坍塌原因和预防及治理措施进行了一定的分析;美国人K.Terizoghli在1950年通过《路堑边坡抗滑4 原理的研究》一书的编写，对滑坡产生的破坏机理，破坏过程，内力分析进行了一定的[5]研究；在1955年，Janbu将边坡滑面扩散到变曲率面；同时，Bishop将水平反作用力[6]带入计算公式，通过一系列演算，在很大程度上将公式的计算过程进行了简单化；Morgentern和Price通过在特定受力条件下（垂直分条）的验算，推断出了较之前更为[7]详尽的计算法则；1973年，法国人Sarma首次提出了结构弱剪面的概念，并采用倾斜分条代替了前人的垂直分条，同时演算出了一系列的计算法则，再通过Hoek将计算法则经过计算机编程从而加大了计算效率，最后通过共轭梯度法（ConjugateGradient）中[8]的F~R法则在一定程度上解决了最小临界滑动面的安全系数问题。1.3本文大致的研究内容和技术路线1.3.1本文主要研究内容本文所含研究内容是基于娄底至衡阳高速公路上的部分红砂岩路堑边坡,由于地处亚热带大陆季风湿润气候区，雨量较为充沛，且地下水、地表水较为丰富，由于红砂岩的特性在接触水后容易产生崩解、软化，当坡体开挖后，也会产生稳定性能力不强等等现象，因此对于该地段红砂岩路堑边坡的全面分析治理有着较为重要的理论意义和现实意义，为日后建设、经营、维护的安全性带来了一定的保证，增加了一定的经济和人工效益。本文的主要研究内容如下：（1）介绍了娄底至衡阳高速公路内的地形地貌（地势总体北高南低，以丘岗为主，地形高差相对较小）、地下层的岩石性质和水文地质条件（包括碳酸岩裂隙岩溶水、基岩裂隙水及松散堆积层孔隙水）情况，在此基础上，分析了红砂岩的形成原因和岩性特点。（2）通过岩石耐崩解性实验掌握岩石的崩解数量、崩解指数、崩解时间和崩解状况，实验给下一步明确的路堑边坡防护措施带来了初步的试验基础。[9]（3）研究类比红砂岩路堑边坡的处治技术，根据常用边坡治理技术实施综合评判。（4）综合实验数据和常用边坡治理技术方法的类比，再结合娄衡高速特殊的地理，气候，环境及降雨等因素，研究了适合于该路段的红砂岩路堑边坡防治措施建议。5 1.3.2本文研究技术路线图1.1本文采用技术路线.6 第二章红砂岩工程性质及边坡破坏机理研究2.1研究区域的地质环境2.1.1地形地貌湖南省内包括高山、平原、湖泊和丘陵四种地形，其中东面（罗霄山脉）、西面（武陵山、雪峰山脉）和南面（诸广山、阳明山、八面山和五岭）为山脉包围，这些山脉的海拔大部分为900米左右，而盆地与丘陵则大部分位于省内中部，海拔较低（230米至550米之间），而在北部则是湖泊平原相连和部分海拔较低的山，海拔基本是在45米以下。湖南省内的地貌按照形象和形态原因划分可以分为山地、丘陵、岗地、平原和水面，其中山地最多，占据到省内面积的一半以上（52.14%），依次是丘陵（占据到省内面积的14.88%）、岗地（占据到省内面积的14.21%）、平原（占据到省内面积的12.46%）、剩下的则是水面。按照省内海拔高度划分可以分为250米以下占据到省内面积的将近一半（45.38%），250米至450米占据到省内面积四分之一（23.37%），剩下的则是450米至800米，含量最少。根据物质构成将其划为三种基本类型：包括岩浆岩类型、沉积岩类型和变质岩类型，这当中主要成分为沉积岩类型，占据到省内面积的一半以上（58.14%），依次是变质岩型，占据到省内面积的四分之一（25.02%），剩下部分则是岩浆岩的类型，含量最少。按照形成原因划分可以分为流水型地貌、岩溶型地貌和湖泊型地貌，其中流水型地貌最多，占据到省内面积的一半以上（65.67%），而岩溶型地貌占据了省内面积的四分之一（26.13%），剩下的则是湖泊型地貌，含量最少。本文工程实例背景当中的起始段娄底境内地势东部低、西部高，西部山体较多，群峰林立，构造、侵蚀、溶蚀地貌占绝大部分，山高而陡；东部随着山体的走势，地势慢慢减小，地形比较平缓，没有太多起伏，丘冈向四周连贯、平地开阔，海拔不高，由于前期较为频繁的地壳运动导致花岗岩较周围物体稍高。7 图2.1娄底地形图衡阳位于湖南省中部偏南地区，主要是盆地地形，四周被山脉环绕，而岗丘则是衡阳的主要地貌类型，另外还包括山地、平原、水面，各占据一定部分，衡阳总面积达到三千五百多平方公里。图2.2衡阳地形图8 娄衡高速处在湖南省中部的丘陵区，地势呈现南面地北面高走势，其中最高的海拔高度为201米，最低的海拔高度为76米，丘岗、丘陵构成其大致的地形地貌，海拔高程大概在95米到160米之间，相对地形高差变化不大，高低波动连续不断。图2.3娄衡高速线路图2.1.2地层岩性（1）中元古界冷家溪群娄底市初露最老的地层，主要分布于新化西部白马山岩体周边，大熊山及东部双峰紫云山岩体周边。为一套滨—浅海相复理石夹中酸性火山岩泥沙质沉积建造，岩性以板岩、粉砂质板岩、砂岩为主夹碳酸页岩、炭质板岩。普遍遭中浅区域变质而成千枚岩。（2）上元古界板溪群分布范围与冷家溪群一致，为惯称的“黑板溪”。为一套海相刹泥质沉积，岩性为板岩，砂岩夹凝灰岩，其中板岩在岩石组合中占60%到80%，变质砂岩占10%到25%，其他岩类5%到10%，发育水平层理。2.1.3水文地质条件由岩石的特点和地下水分布特点，娄衡高速的地下水类型分为三种类型，包括松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和碳酸岩裂隙岩溶水。基岩裂隙水又可分为碎屑岩孔隙水、碎屑岩裂隙水、浅变质碎屑岩裂隙水、岩浆岩裂隙水四个亚类，碳酸岩裂隙岩溶水可分9 [10]为碳酸岩岩溶水与碳酸岩夹碎屑岩裂隙岩溶水。第四纪松散沉积物中面积不大、水量较少的砂、砂卵孔隙水，只是散布在河床之上，在此仅就主要地下水类型概述如下：2.1.3.1松散堆积层孔隙水松散堆积层孔隙水大约埋藏在地下10米附近，含水层为河流流域第四系全新统地层。其中一部分含水层基本上是大小程度较为均匀，内含土质较少的沙砾、卵石和粗砂，利于孔隙水的运移、赋存，另外一部分为基座阶地，含水层中粘质土含量较高，胶结较密实，对于孔隙水的贮存、移动带来了不便，地下含水量贫乏。外界环境的降雨形成对孔隙水的基本补充，再加上部分河水和地下水的相互补充。孔隙水的流通路径不长，方便近距离的流向附近的河水。孔隙水地下水的水化学类型是HCO3-Ca型为大致成分，总硬度7.9～15.9德度，PH值6.5-8、矿化度0.1～0.5g/L。2.1.3.2基岩裂隙水基本上包括碎屑岩孔隙裂隙水、碎屑岩裂隙水、浅变质岩裂隙水、岩浆岩裂隙水四类。（1）碎屑岩孔隙裂隙水含水岩第主要有白垩系上统和上三迭—下侏罗系的紫红色厚层状砂岩、砂质页岩、泥岩、泥质粉砂岩、中粗粒砂岩夹砂砾岩等。地下水出现较少，流量通常不大，水的流量普遍是在0.051-0.089L/s的范围之内，流量达到大值的时候大约是2.204L/s，流量达到小值的时候大约是0.010L/s。通过钻孔的方式冒出来的水也不太多，日均量大概是23.79吨，水量贫乏。但局部白垩系上统底部砾岩中发育有两组呈半充填状态的构造裂隙，其含水量中等。地下水的水化学类型是HCO3-Ca型为大致成分，总硬度8.5-16.8德度，、矿化度0.1-0.5g/L、PH值6.5-8。（2）碎屑岩裂隙水含水岩系主要有泥盆系中统跳马涧组，上统余天瞧组、锡矿山组上段，石炭系下统[11]测水段，二叠系上统龙潭组及三叠系下统麒麟山组石英砂岩、砂岩、页岩和煤系。水量中等的裂隙水主要赋存于泥盆系中统跳马涧组、上统锡矿山组上段、石炭系下统测水段、三叠系下统麒麟山组厚层石英砂岩、砂岩裂隙中，含水层的裂缝间隙之间的发育不完全相同，存在一些差别。地下水出现较少，流量通常较大，水的流量普遍是10 0.143-0.801L/s，流量达到大值时为16.02L/s，流量达到小值时为0.010L/s。水量贫乏的裂隙水主要赋存于泥盆系上统佘田桥组和二叠系上统龙潭裂隙中。这样的裂隙水出现在地表的概率很小，就算存在，其流出的水量也很少。泉水一般流量0.014-0.039L/s，最大0.114L/s，最小0.0029L/s。地下水水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-SO4-Ca·Mg、HCO3-Ca、HCO3-K+Na·Ca·Mg型为主，总硬度一般小于4.2德度，PH值6.5-8、矿化度0.054-0.254g/L。（3）浅变质岩裂隙水浅变质岩裂隙水主要赋存于下古生界浅变质碎屑岩裂隙中。含水层岩性主要为含砾砂质板岩、冰碛砾岩、板状页岩为主，局部为石英砂岩、硅质页岩等。水量中等的裂隙水主要赋存于板溪群、震旦系、寒武系下统、奥陶系板岩、冰碛砾岩、板状页岩裂隙中。含水层组裂隙比较突出，裂隙率普遍在0.40～3.52%，流量达到大值时为21.02%，裂缝间隙大致向西北方向，东北方向发展。裂隙水出现较多，水的流量普遍是0.20-0.987L/s的范围，流量达到大值的时候大约为3.5L/s，流量达到小值时为0.003L/s。水量贫乏的裂隙水基本蕴藏于志留系下统、浅变质砂质板状页岩裂缝间隙之间。岩层裂隙比较突出，可是内部含有较多泥土，导水性能较差。泉水流量一般0.038-0.080L/s，最大0.794L/s，最小0.010L/s。地下水主要通过外界降雨来补充水分，另外岩溶水也在一定程度上提供补充，地下水行进途径短，多沿横切走向的沟谷中流走。地下水的水化学类型基本属于HCO3~Ca·Mg、HCO3·CL-K+Na·Ca·Mg、HCO3·CL-K+Na·Ca型，总硬度通常不会大于3.9德度，PH值在5.0-7.0之间、矿化度大还是0.2g/L。（4）岩浆岩裂隙水含水层为花岗岩，岩性为细中粒少斑状角闪石黑云母花岗闪长岩、细中粒角闪石黑云母花岗闪长岩、中细粒斑状及细粒二云母二长花岗岩、中粗粒黑云母花岗、细中粒斑状、少斑状二云母二长花岗岩、细中粒斑状、少斑状角闪石黑云母二长花岗岩、细中粒[12]角闪石黑云母花岗岩。花岗岩风化带厚度为6到19米，但部分厚度可达29到79米。岩石通过风化作用普遍是砂粒状外表，对于其由于地壳运动而产生移动带来了便利。因为岩浆较为频繁的产生，在岩石的风化作用较小的区域形成和原生裂缝间隙的发展也较为明显。泉水流量一般0.128-0.221L/s，最大0.546L/s，最小0.010L/s。地下水主要通过外11 界环境的降雨来进行水分的补充。地下水行进路程不长，通过附近河道流走。地下水的水化学类型基本是HCO3-K+Na·Ca·Mg、总硬度小于4.2德度，PH值5-6.5、矿化度0.042～0.18g/L。2.1.3.3碳酸盐裂隙岩溶水该区域内碳酸岩裂隙岩溶水分为覆盖型、埋藏型和裸露型，以祼露型分布最广。所以就把裸露型岩溶水作为重点进行分析研究。外界环境的降雨是地下水的基本供给，再通过岩溶洼地的垂直补充，还有松散堆积物当中的孔隙水形成的补充，岩溶水多沿岩溶之间的裂缝空隙、岩溶之间的管道以及地表以下暗河运移，岩溶水多以岩溶泉的方式流出，也有部分通过地表以下的暗河出口排泄给地下表面的河流。（1）碳酸盐岩溶水溶洞地下河水主要赋存于石炭系船山组、黄龙组和二叠系下统茅口组灰岩、白云质灰岩、硅质灰岩中。含水岩组岩溶强烈发育，岩溶重复堆积情况比较突出。单条地表以下的水流峰值为209.44L/s，长度最多为5.0千米。由于其含水岩组存在较为充足的含水量，且储存的位置也不尽相同，在通过观察其富水性指标，判断得出该岩组是属于地下溶洞河床的发展较为成熟。地下水化学类型为HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型，PH值6.5-8，矿化度0.1-0.5g/L，总硬度8.4-16.8德度。溶洞地下河中等发育的岩溶水主要赋存于泥盆系中统棋梓桥组、上统佘田桥灰岩区和石炭系下统梓门桥段。岩石性质大体是泥灰岩、泥灰岩，出现较多漏斗、岩溶洼地、天窗等现状也是由于该岩溶的发展较为成熟。地下水化学类型为HCO3-Ca为主，PH值6.5-8，矿化度0.1-0.5g/L，总硬度8.4-16.8德度。溶洞地下河不发育的岩溶水赋存于泥盆系下统锡矿山灰岩段和三叠系下统大冶组及其北区的麒麟山组。岩石性质大体是白云质灰岩和薄层灰岩，较多基岩被经过风化作用后的粘质土（红色）所遮掩，存在厚度为1米到9米，溶洞地下河不发育，地下水主要以泉的形式排泄。地下水的水化学类型大部分是属于HCO3-Ca，矿化度实在0.2-0.6g/L的范围，总硬度为8.4-16.8德度，PH值为6.4-8.1。(2)碳酸盐夹碎屑岩裂隙岩溶水溶洞地下河中等发育的裂隙岩溶水存在二叠系下统栖霞组、泥盆系中统棋梓桥组、上统佘田桥组页岩灰岩区。处于栖霞组地下表面的岩溶发育并不完全，可处于地下的岩溶发育状况则相反，成为地下水便于储藏的位置。泥盆系棋梓桥组、佘田桥组页岩灰岩12 区，岩性上部以灰岩、泥灰岩为主，下部以砂质页岩、砂岩为主，并兼有夹层，具明显的二分性特征。因此，溶洞、通过溶蚀形成的裂缝间隙及构造内部的裂缝间隙成为地下水主要贮藏的场所。溶洞地下河不发育的裂隙岩溶水赋存于寒武系中、上统，石炭系下统岩关阶及大塘阶石磴子段，二叠系上统大隆组，岩性为灰岩、泥灰岩、硅质灰岩夹页岩。处于溶洞地下河位置的发育不算完全，裂缝间隙和比较小的溶洞称为地下水基本存在的场所。综上所述，该含水岩组的岩溶的发育情况属于中等或中等偏下，水的储存含量比较偏少。地下水的水化学类型的大体成分是HCO3-Ca，矿化度是在0.2-0.6g/L的范围，总硬度是8.5-17.0德度，PH值是6.4-8.1。表2.1地下水富水性分级一览表（表一）实际测地富钻孔泉水平均下径流模水地下水类型地层符号涌水量流量流量数(升/级（吨/日）(升/秒)(升/秒)秒·平方千别米)中松散堆积层孔隙水Qh100-1000——等贫碎屑岩孔隙水K2、J1-T3—<0.1—<1乏Tq、Gd2、中1碎屑岩裂隙水2—0.1-1—1-2.5D3xD2t基岩裂等隙水中浅变质裂隙水O、∈1—0.1-1—1-2.5等中岩浆岩裂隙水γ1、γ1、γ—0.1-1—1.5553等13 表2.2地下水富水性分级一览表（表二）实际测地富钻孔泉水平均下径流模水地下水类型地层符号涌水量流量流量数(升/级（吨/日）(升/秒)(升/秒)秒·平方千别米)强烈丰P1m、C2+3>700—>1009-10发育富岩中等中溶Cd3、Ds100-700—10-1005-913发育水等裂隙贫岩溶不发育Tq、Td、Dx1<100<10—2.5-5113水乏中等中裂隙发育P1q、D3s、D2q100-700—10-1002.5-5等岩溶贫水1不发育P2d、C1y、Gd<100<10—1-2.5乏2.2娄衡地区红砂岩的形成和特性红砂岩属于沉积岩系，许多年前，岩石分布在地壳的外部，经过在反复干燥、湿润的状态下进行一系列物理化学反应，通过受热膨胀，受冷缩小造成外表的改变形成了碎石颗粒。伴随着水流的作用，带动了碎石颗粒的运动，大部分碎石颗粒随着水流的逐渐减缓停留在一定的区域，随着岁月的积累，沉积在该区域的碎石颗粒越来越多，沉积厚度越来越高，沉积的同时，碎石颗粒也会随着周围环境的变化，通过自身的状态和所处环境周围的状态形式发生相应的改变；我们现在之所以看到部分岩石暴露于山体之外，那是因为经过地壳多年的移动，导致江阳湖泊发生位移或产生高度的变化，使沉积于底14 部并经过多年变化岩石来到了表面。沉积岩的颗粒构成有不同的特点，那是因为沉积岩在沉积时由于其周围环境的差异所造成的。沉积岩的沉积具有一定的地域选择性，由于冲刷流水流速的原因，在河流的上游，碎屑颗粒被流量较大，速度较快的流水带动，开始往下游移动，随着冲刷流水的速度减缓，流量减小，较大的碎屑颗粒难以被流水带动，则跟随冲刷水流继续移动的碎屑颗粒的特点为：直径较小，重量较轻；随着越往下游走，冲刷流水的速度越来越慢，直到流动现象不再明显，细小的碎屑颗粒也会随之沉积，因此随着冲刷水流流速的变化，沉积岩从上游到下游的沉积也呈现相应的特点：颗粒的直径范围会相应和重量范围会相应变低。经过多年的地壳运动，本文工程应用地区的娄底、衡阳为盆地地型，红砂岩就是在那个时期形成并演变至今。由于红砂岩的岩性不尽相同，可以按岩性将其分为两大类，第一类是碎屑岩类，第二类是粘土岩类。存在泥状构造及粒状碎屑构造这两个较为重要的构造对应于碎屑岩类型及粘土岩类型。我们看到红砂岩的外表之所以呈现为红色，是因为铁元素以某种形态含于红砂岩当中。碎屑岩类是以粒状碎屑的结构形式存在的，碎屑岩中的岩石碎屑含有数量达到二分之一到五分之四，碎屑颗粒内部主要的存在方式是通过孔隙式胶结，在硬度方面，这类岩石数值会相对的高，在抗风化性能地表现上是这一种岩石一个优点，而缺点则是这类[13]岩石不太好的崩解效果。而粘土岩类的特点则与碎屑岩类特点不太相似，粘土岩类的岩石硬度、抗风化性能都不强，但是崩解性是其优点，在粘土眼泪的结构构成上，基本上是泥状或含粉砂泥状，表现为泥质触碰式结合和堑地式结合为通常结合方式，有时候，粘土岩类也会通过碳酸盐结合，粘土岩类岩石中的碎屑率比较低，部分低于四分之一，通常情况下位于百分之六和百分之一之间，所以就造成粘土岩类相关方面存在的特点。2.3娄衡地区红砂岩的工程地质特点娄底至衡阳高速公路工程地质上的问题跟红砂岩本身的岩性特征密切相关，本地区绝大部分为泥砂岩互层，再加上粉质砂岩、泥岩等软岩构成，红砂岩由于其在风化过程中的差异性造成其不尽相同的现状特点，含水量不一样的红砂岩形成存在一定差别的强度，在接触水的时候，会比较快速产生崩解，渐渐变软，随着坡体开挖的进行，同样会出现稳定性能力不强等等现象。15 2.3.1风化的特点通过日常环境所产生的辐射，外加生物和水质产生的作用，岩石会出现结构上的松散，部分还会破成碎片的现象称为岩石的风化左右。不一样岩石的风化特点，风化程度不尽相同，这就导致不同红砂岩地区的施工和设计会遇到不同的难题。在红砂岩的分门别类上，我们通常将其按照定性和定量的区别来进行划分，三分法即我们指的按照定量来分类，在日常施工队伍的施工中，通常是使用三分法来进行。裸露在山体、丘陵外表的红砂岩太阳照射、高温的条件下会出现较为明显的风化作用，根据周围环境的差异，红砂岩的风化特点也存在一定的不同。微风化上的红砂岩在内部构造上大致没有发生改变，仅仅只有节理面存在侵入或者发生部分颜色改变，含有不太多由于风化作用形成的间隙；中风化的红砂岩内部构造发生一定的摧毁，顺着节理面含有次生矿物，部分经风化作用的裂缝间隙得到发展，把岩体分成强度非常高的岩石块状体型；强风化的红砂岩内部构造相当程度上被毁坏，内部矿物元素产生比较明显的改变，经过风化作用的裂缝间隙得到了比较完全的发育，形成了强度相对较低的岩石碎块。2.3.2水对红砂岩力学性质的影响特点改变红砂岩力学性能的重要因素之一是红砂岩遇水后产生的相关反应，水稳定较为平稳的红砂岩遇水后不会产生较大的变形，容易保持结构的基本稳定型，强度发生较小变化，而水稳定性较差的红砂岩在遇水后，内部结构产生较大变化，外部变形较为明显，容易达到不稳定状态；水岩反应表示是通过地质板块运动，含水液体与矿物岩石之间相应的内部元素发生互换效果，在对于边坡的实际设计和施工的应用当中，我们应该从化学、物理两个方向来思考水与红砂岩的相关反应，以此来对反应之后的红砂岩所改变的岩性特点作出相应的判断，掌握其相关力学性能，维持工程施工的后续实施。在水与红砂岩相互作用的时候，由于岩石的矿物成分和孔隙性原因，侵水后的岩石的力学强度会降低，失去一定的粘结力，从而导致红砂岩边坡的结构稳定性大大降低，整体性变差，使得边坡岩石容易滑落，严重情况甚至出现滑坡，类似这种水和红砂岩通过整体的反应称为水与红砂岩之间的化学物理效应。水与红砂岩发生反应后，对红砂岩岩性产生改变的几种作用可以总结如下：水楔反应体现在粘土内部矿物颗粒之间直径挨得很近的时候，周围水分子会自动提供到矿物细小颗粒的附近，同时矿物颗粒表面上的16 吸附作用会将颗粒附近的水分子吸入到矿物颗粒内部，随着吸入的水分子越来越多，矿物颗粒之间的距离渐渐远离，这种水楔作用会在有外力作用的情况下体现的更加突出。水楔作用会使岩石形成以下两种效果：第一是随着水分子被挤入到矿物颗粒之间，会造成粘土颗粒体积的增大，随即在矿物颗粒内部产生膨胀压力；第二是胶体及可溶盐联接被水胶联接所替代，减小内部所产生的摩擦力，从而减小了岩石内部的强度。然而当对矿物颗粒施加的外力过大（大于矿物颗粒对周围水分子的吸附力），矿物颗粒内被吸入的水分子会由于外力作用被挤出来，导致水楔作用的消散。表2.3各类型岩石软化系数岩浆岩沉积岩变质岩岩石名称软化系数岩石名称软化系数岩石名称软化系数花岗岩0.72-0.97火山集块岩0.60-0.80片麻岩0.75-0.97闪长岩0.60-0.80火山角砾岩0.57-0.95石英片麻岩0.44-0.84辉绿岩0.33-0.90凝灰岩0.52-0.86云母片岩0.53-0.69流纹岩0.75-0.95砾岩0.50-0.96绿泥石片岩0.53-0.69安山岩0.81-0.91石英砂岩0.65-0.97千枚岩0.67-0.96玄武岩泥质砂岩0.30-0.950.21-0.75硅质板岩0.75-0.79粉砂岩泥岩0.40-0.60泥质板岩0.39-0.52页岩0.24-0.74石英岩0.94-0.96石灰岩0.70-0.94溶蚀—潜蚀反应是指水通过扩散作用进入岩石的时候，再通过溶解作用将将岩石中可溶物质稀释的过程，称为溶蚀作用；假设岩石中直径较小的颗粒被水分带走的作用，便称之是潜蚀作用。溶蚀—潜蚀作用会很大程度上减小岩石的强度，增加其变形。17 润滑作用是指在岩体的内部本来是由胶体矿物和可溶性盐采用胶结的方式连接为整体，当水进入到岩石里的时候胶体矿物和可溶性盐发生溶解，由于存在方式变为了水胶联结，因此致使岩石内部矿物构造的整体性大大降低，减小了摩擦力及连接力，在这整个变化反应当中，水的效果体现在润滑。联结作用是指矿物颗粒外面被束缚的水分子经过吸附力把矿物颗粒的距离缩小，部分结构面由于对于被土体充满，所以这种联结作用可以起到比较大的影响，但对于矿物颗粒之间的连接强度来说起到的作用比较有限，所以其对于岩石力学的干扰能够不纳入考虑范围之内。孔隙水压力作用是指当岩石受到突如其来的荷载作用时，由于有自由水存在于岩石的空隙当中，难以将水分子挤出的岩石便顿时形成较大的孔隙水压力，会降低岩石内矿物颗粒互相的压应力，因此减小了岩石的抗剪强度。赋存于地面以下岩石空隙中的水与岩体内存在的层状或带状的软弱薄层主要通过以下过程来完成地下水与岩土之间的化学反应作用：赋存形成岩石矿物的晶体之间，氢离子（水中）代替阳性离子的反应；可溶性盐在水中将水变为电解质溶液，离子通过静电力摧毁其以前的水分子结构，在附近产生了部分的水分子周围层；通过在特定的化学物理环境当中，沉积岩内部一定的矿物元素与溶液混为一体的反应；运动介质通过地壳的作用的岩石到达适宜的场所后，由于条件发生改变而发生沉淀、堆积的过程的作用；因为以上反应的发生导致红砂岩的自身结构发生一定的改变，强度大大降低，尤其是在路堑边坡的开挖施工过程中，随着开挖的进行，产生了新的破裂面，随着日常降雨、施工所需用水和地表以下的水侵入到岩石的软弱夹层当中，发生一系列水的化学效应，导致路堑边坡的岩性特点发生改变，内部结构发生破坏，安全性大大降低，给路堑边坡的施工作业增加了部分风险。2.4路堑边坡破坏机理路堑边坡坡面风化剥落破坏形式和失稳破坏形式，为红砂岩路堑边坡基本的两种破坏形式；其中路堑边坡坡面风化剥落破坏是一种影响较大且循环的剥落破坏，当日晒雨淋等一系列自然反应作用于未进行坡面防护的红砂岩路堑边坡上时，红砂岩路堑边坡的整体性降低，在雨水冲刷、重力等作用下表层的细小颗粒发生松软、脱落等现象，导致红砂岩路堑边坡稳定性丧失，而造成路堑边坡的失稳毁坏的几种因素则如下所示：第一18 种是红砂岩形成的顺层边坡（由于层理往路堑偏向），而软弱夹层则包含于层理中间，再加上大量的孔隙水存在于软弱夹层中的原因导致平面型滑坍破坏发生于红砂岩路堑[14]边坡；第二种是因为常年的风化作用使得红砂岩路堑边坡的强度大大降低，再加上地震、人工爆破等作用的发生，增大了红砂岩岩层之间裂隙的宽度，而且红砂岩路堑边坡的下端会经常受到雨水的渗透、侵染导致岩层发生软化、变形等现象出现，从而倾斜破坏常常发生于路堑边坡当中；第三种是圆弧型坍塌破坏，由于地球内力引起地壳乃至岩石圈的变位、变形及地震活动，导致红砂岩内部发生破裂，再加上常年雨水的侵入和风化效果，使得红砂岩路堑边坡发生失稳破坏，降低了安全性。2.5本章小结（1）红砂岩由于其在风化过程中的差异性造成其不尽相同的工程特性，含水量不同的红砂岩形成其强度也存在差别，在接触水后，会容易产生崩解，软化，当随着开挖坡体的进行，也会产生稳定性能力不强等等现象。（2）路堑边坡坡面风化剥落破坏、路堑边坡失稳破坏，成为红砂岩路堑边坡基本的两种破坏形式。19 第三章红砂岩路堑边坡数值分析及处治技术研究3.1数值分析3.1.1边坡概况3D该坡长约为15米，坡率为1：1.25，通过FLAC建立出来的模型，实施典型断3D面建模，利用强度折减法运用FLAC得出模拟边坡的边坡稳定性系数参数图和位移矢量及塑性区等参数图。图3.1实地边坡3.1.2计算原理（1）空间导数有限差分近似法3D通过混合离散法在FLCD实施，再加上软件计算原理的共同作用，计算模型成为一个四面体的组合，在第n+1个端点对应于n+1个表面时，假设组合内任意一个位置点的速度为νi，再通过高斯公式得到：20 （3.1）在式子当中，V表示四面组合体的体积，S表示四面体的外部表面积，nj表示外部表面单位法向量的分量。（2）运动方程（3.2）（3.3）（3）应力、应变及节点不平衡（3.4）（4）阻尼力计算式：（3.5）计算式当中α是阻尼系数，系统默认值为0.8；21 （3.6）3.1.3模型建立从现场土样的室内实验结果判定其标准值是c=19KPa，φ=11.83°，其他数据如下表所示：表3.1模型建立相关数据上部粘土天然重度平均值（kN/m³）18.3强风化红砂岩天然重度平均值（kN/m³）21.1上部滑体天然重度平均值（kN/m³）19.8上部滑体饱和重度（kN/m³）20.63D结合实际边坡情况，使用FLAC建立模型如下：图3.2红砂岩边坡数值计算模拟22 图3.3边坡稳定性系数及位移矢量图3.4边坡失稳破坏下的塑性区表示根据图3.3判断，此红砂岩边坡稳定性系数为0.86，位移矢量在坡底处达到最大值，由图3.4判断得出此红砂岩边坡塑性区以混为一体，达到贯通状态，边坡位于失稳破坏23 情况，由于此红砂岩边坡稳定性系数为0.86<1.5，说明该边坡危险性较大，再加之外部环境影响，边坡稳定性情况更加恶劣，需要采取合适的措施加强其稳定性。3.2路堑边坡的防护原则治理红砂岩路堑边坡是为了预防其边坡失稳和治理以产生失稳的边坡所带来的危害，在红砂岩路堑边坡的防护上，要把事先预防摆在首位，通过防止和治理的结合，按照安全第一，保证效果的原则，尽量避免因为事故发生后再采取相应补救措施所带来的成本和风险，在制定对红砂岩路堑边坡的防护治理措施时，应通过对红砂岩路堑边坡的了解、判断、评估和分析之后，综合考虑措施的经济效应性、安全稳定性、合理操作性，具体问题具体分析，作出合理有效的方案，具体的防护治理措施需要根据红砂岩路堑边坡的安全系数数值的大小来进行合理判断，如果红砂岩路堑边坡的安全系数数值要小于1.5的话，则需要进行边坡加固处理；如果红砂岩路堑边坡经过计算在安全系数上的数值大于1.5的话，即可以实施路堑边坡的直接防护，加强稳定性。从以前众多有关于红砂岩路堑边坡资料文件及其相关研究来进行分析判断，边坡太陡，防护措施不到位和未进行边坡防护成为红砂岩路堑边坡失稳的三大主要因素，但究其内部原因，则是因为地壳运动、河水冲刷、山体迁移造成红砂岩过度风化，导致整体性降低，内部构造失稳，所以，如何把握红砂岩路堑边坡的风化程度，成为保障边坡稳定性不可忽略的原因。而在边坡形成风化作用最为明显的边坡坡脚，由于风化作用造成剥落物的堆积，也给红砂岩路堑边坡带来了产生落石，堵塞排水通道等隐患，所以因对红砂岩路堑边坡坡脚的剥落物的堆积现象产生足够的重视。本文娄底至衡阳高速公路地处亚热带大陆季风湿润气候区，地区自然条件较为温暖，雨水比较多，春夏秋冬明显。地下表面水系基本包括湘江和五水、清华河，再加上真水、武水及其支流。地下水类型主要为：第四系覆盖层中的孔隙潜水和基岩裂隙水等两个大类。较低海拔地区地势起伏较小，存在较厚的遮掩层，大部分是由于冲洪积形成的具有一定粘性的土壤、砂砾和卵石层，形成一定的富水区，具有较为充沛的孔隙潜水；基岩裂隙水的水分含量普遍不大，可在基岩破碎带、断层一些地方，存在比较充沛的含水量。周围环境降雨大多补充到地下水，水流朝较低地势流向。所以该地区的边坡受风化情况比较严重，对于保持红砂岩路堑边坡的稳定性存在一些潜在的危害，如何将这种危险性尽量降低，可在红砂岩路堑边坡的坡度上做出一定的改变，将路堑边坡的坡度增24 大以后，可以减少边坡的水平面积，相应的日光照射，雨水冲刷也会相应减少，从而减缓了边坡的风化速度，保证发生边坡事故的概率得到了降低；还可以将边坡开挖呈阶梯状，持续受到风化影响的红砂岩在边坡上形成堆积土壤，再将部分植被种植于边坡之上，增加边坡表面土壤的联结性、整体性，有利于提高红砂岩路堑边坡的安全防护性带来积[15]极可靠效果。另一种提高边坡稳定性的方法则是在红砂岩路堑边坡坡脚设置挡土墙，用于减少边坡坡脚由于剪切破坏所带来的应力集中。由力学知识分析得知，位于路堑边坡上的数值最大的作用力是与边坡表面平行存在表现，而垂直于坡面的则是最小主应力，应此坡顶和坡脚则成为应力集中出现的部位，所以在坡脚处实施挡土墙对于增加红砂岩路堑边坡的安全性有较大作用。3.3路堑边坡防护常用技术高速公路的全部施工过程当中，路堑边坡的稳定性问题是一个不可忽略的安全问题，因为无论是自然因素影响（包括降雨因素、地震因素等等），还是人为因素（包括施工影响、人类活动等等），都会对路堑边坡的施工阶段和后续运营阶段带来一定的影响，随着安全质量因素的深入人心，对于如何保障路堑边坡稳定性这个复杂性的问题提出了越来越严格的要求，根据以前施工经验的总结和对新技术新理论的发展研究，归纳出五类红砂岩边坡治理的通常方案，包括坡率法、排水法，再加上防护法、支挡加固法和注浆加固法，五类方法各具有一定的优缺点，在工程实施当中经常是根据现实情况，综合使用以上治理方法，使其达到最佳的治理结果。3.3.1坡率法坡率法是路堑边坡治理过程中常常使用的一种方法，其原理之一是将具有一定重量的物体放置于路堑边坡坡脚，通过重物的堆积来减小边坡的侧向滑动力，原理之二是对[16]路堑边坡进行削方，通过使边坡比例达到合理程度来保证边坡的安全性。使用坡率法的优点在于施工原理通俗易懂，施工过程简单易行，且工程造价较低；使用坡率法的缺点不易于在施工环境不大的区域进行，且万一如果削方过多会使土方量的陡增而带来其它危害，另外也会对周围环境产生一定的消极影响。3.3.2排水法影响边坡稳定性的重要因素是水的入侵，因此如何预防水的入侵或如何排出已经入25 侵路堑边坡内部的水成为保障边坡安全的必须考虑的问题。在对水的预防方面，施工过程中常常通过修建截沟和跌槽来对地表水的入侵进行一定程度的预防；在对水的排泄方面，施工过程中常常通过修建排水沟、盲沟和渗沟来保证路堑边坡内部对水的排泄。3.3.3防护法路堑边坡另一种常用的治理方法来进行坡面稳定性加强，坡面防护的原理是通过抹面工程、植被工程及格栅工程来对路堑边坡表面建立一道防护膜来减小其表面受到自然环境的影响，包括雨水的渗入，日常的风化、侵蚀作用。3.3.4支挡加固法路堑边坡另一种常用的治理方法是对路堑边坡破面进行支挡加固，其原理通过在路堑边坡可能的滑坡地段进行挡土墙工程及抗滑桩工程，虽然属于被动防护工程，但也可[17]以在一定程度上减缓路堑边坡问题进一步恶化，增加其安全性。3.3.5注浆加固法注浆加固法的原理是利用浆液稳定的粘结性能，在注入路堑边坡的岩体内之后，将分散粘土颗粒粘接起来，达到较好的整体性功能，以保证路堑边坡的稳定性。3.4生态护坡及综合防护技术3.4.1防护机理研究防护机理研究包括抗冲刷机理的分析研究和抗渗机理的分析研究，雨水冲刷对于红砂岩路堑边坡稳定性的影响是比较大的，受到雨水冲刷的边坡会流失部分土壤颗粒，降低边坡表面的联结性，红砂岩边坡的整体性也会受到影响，随着雨水流走的边坡表面土壤颗粒会聚集到边坡坡脚，形成淤泥，当淤泥达到一定量以后，会存在堵塞排水沟，影响路面正常交通行驶的隐患；在种植于路堑边坡上的植被还没有长大时候，铁丝网、三维网格等用于约束边坡表面土壤颗粒的工具会使红砂岩路堑边坡变得粗糙，具有层次感，当受到雨水冲刷时，伴随雨水流动的边坡土壤颗粒会受到不平整边坡的阻碍，降低流动速度，最大限度的将土壤颗粒留在路堑边坡上，减少土壤颗粒的流失，保障边坡表面土质的联结性，完整性，当种植于边坡上的绿色植被渐渐长大后，植被的根须慢慢进26 入边坡土壤深处，对红砂岩路堑边坡的土壤起到了粘结、固定作用，极大增加了边坡在抗冲刷的能力，大大的增加了红砂岩路堑边坡的稳定性，损害红砂岩路堑边坡稳定性的另一大重要因素是地表水的渗透，当地表水大量渗透到边坡里时，路堑边坡内的土壤颗粒的粘聚力下降，导致土壤内部剪力的产生，当产生的剪力大于土质内部的抗滑移力时，土质会出现向下滑移的现象，导致路堑边坡稳定性的破坏，地表水渗入至路堑边坡土质内部时，由于土壤颗粒之间存在一定的间隙，地表水会汇聚停留在土质当中，长此以往，会对路堑边坡内的土壤颗粒产生软化、溶解作用，大大降低路堑边坡的稳定性，发生滑移现象几率明显增大，危害施工、养护安全，所以，如何有效控制地表水渗流到路堑边[18]坡的土质当中去，成为预防路堑边坡危害发生的关键原因。经过大量的调查研究，在众多抗渗透的工程方法当中，效果比较好的是进行边坡植被防护，因为边坡植被防护能在抗渗透的过程中起到以下作用：在雨水下落的过程中，植被防护范围生长的植物叶片会对其降落区域上的雨水形成一把整体“雨伞”的作用，植被叶片会阻碍降落雨水对路堑边坡表面的直接冲刷，会降低雨水下落速度，减少其下落动能，植被叶片表面的经脉纹络还会将下落至其上的整体雨水颗粒分散成颗粒较小的雨水颗粒，减少其对于堑边坡的影响。如此一来，由于防护植被的阻挡作用，避免了由于大颗粒雨水和速度较快、动能较大的雨水对路堑边坡的冲击从而产生内陷孔洞，防止了孔隙联通从而形成细小的雨水下滑通道，最大程度上降低了雨水渗透的概率；其次植被防护区域的植被根茎会对路堑边坡的土壤产生联结力，加强其表面土壤颗粒的整体性，加大了路堑边坡表面形成径流的难度，降低了雨水从径流快速流至路堑边坡坡底的可能性，最大程度地防止了边坡表面松散、细小颗粒随雨水流失的可能性，保证了路堑边坡的完整性，维持了土体的宏观结构，大大降低了边坡滑坡、坍塌等事故发生的概率。3.4.2防护方法人类存活于生态环境当中，既要适应生态环境，又要改变生态环境，生态护坡指的就是人类在改变环境的过程中，要最大限度的利用生态环境的自然性、协调性来保护由人类对生态环境带来的影响，通过在红砂岩路堑边坡种植绿色生态植被，经过绿色生态植被的生长发育，上部的植被叶片起到分散雨水、降低雨水下落速度来保护路堑边坡，下部的植被根茎起到联结边坡表面、减少水土流失来保护边坡，所种植路堑边坡防护植物经过不断的繁衍生息，达到了与周围环境融为一体，通过自身与环境的适应性、协调性来对红砂岩路堑边坡进行防护，既可以使边坡更加稳定也可以保证美观性的需要。27 3.4.2.1公路边坡生态防护的治理思路参照路堑边坡的工程特征，根据娄衡高速公路当中对于红砂岩路堑边坡治理当中含有的些许问题，综合前人对路堑边坡治理措施的总结，按照“经济、环保、有效”的思路，对其路堑边坡提出一定的治理方法，主要内容如下所示。（1）建立边坡综合治理概念避免将路堑边坡的绿化问题和防护问题分开来进行处理的方法，应该根据实际情况，将绿化问题和环保问题结合起来，综合治理，已建立防治效果的最大化，保障路堑边坡的稳定性。（2）贯彻动态设计的原则主要是针对挖方边坡。路堑边坡的问题所在并不能在开挖之前一次性确定，之前的设计工作也只能在大体上建立一定的预防措施，实际情况会随着开挖的深入而随时发生变化，所以要根据产生的变化情况及时制定符合实际的治理处治措施，保证边坡的稳定性。（3）力求全路段绿化在维持路堑边坡稳定性的基础上，尽量提高整个路段的路堑边坡的绿化率，最大化将绿化效果延展至所有路段，以提高对于路堑边坡稳定性的维持和提高环境的美化概率。（4）积极尝试和推广新技术时代在变化，技术在革新，在应对路堑边坡稳定性这个复杂的问题时，我们也需要在以前的老方法中总结优点和缺点，迎新除旧，在目前的新技术当中，通过设置三维植被网来和路堑边坡的植草、植块结构形成统一的整体，以提高稳定性，最大程度加强路堑边坡的安全稳定性。3.4.2.2形式的确定基本材料形式包括以下三部分：（1）锚杆锚杆在路堑边坡的应用主要体现在两方面，第一个是对深层次、较稳定边坡的使用，操作方法是将长度大约为25厘米到65厘米（是路堑边坡岩石的损坏程度而定）的锚杆打入土质当中，用于定牢遮掩在边坡坡面上部的网；第二个是针对不稳定路堑边坡，前提是通过对不稳定边坡的固定作用，然后再对表面的网加以固结。28 （2）网根据不同的边坡特点在铁丝网（分镀锌类型及普通类型）和土工网进行选择。（3）基材混合物是把绿化基础材料、需要种植的土壤、复合纤维及所种植的植被种子进行规定成分比例的合成。3.4.2.3草种的选择和配方边坡喷播草坪的生长效果关键在于选择适宜的草种和用量配方。选用的草种须根系发达、粗生、耐热、耐寒、耐贫瘠、抗干旱，且具有生长迅速、植株低矮、形成景观优美、自然等特点。在秋冬季节进行施工的道路，由于天气寒冷并且风大，暖季型草种不易萌芽，因此在选种时主要以冷季型草种为主，适量加入暖季型草种。冷季型草种主要选择根系发达和抗逆性强的高羊茅、苜蓿和黑麦草，暖季型草种主要是繁殖力强的狗牙根和变叶画眉草；而在春夏季节施工的道路，可以以暖季型草种为主，冷季型草种为辅的原则。此外，若有硬质岩陡坡和挡土墙、锚定板等，还应采用抗逆性强、耐脊薄、生[19]命力强的灌木和藤本植物。3.4.2.4生态综合防护的原则和技术要点对于路堑边坡的治理效果是首要前提，在此基础之上，要全面考虑生态防护与周围环境的融合度，避免因人工行为带来的不协调，利用草木共同种植的效果，综合考虑现阶段情况和未来长期路堑边坡的养护问题，保证方案的可操作性，减小实施、运营花费。（1）应在坡面开挖及锚杆框架梁作业进行的同时进行植被种植，防止由于在过深的开挖破面以后造成植被种植不方便等因素形成。（2）再对固定网的安装时应注意以下要点，首先应将网向周围拉直，保证网与网的连接长度大于10厘米，每间距30厘米的位置用铁丝系紧，并将锚杆托板用于对网的加固。（3）在混凝土搅拌机中放进按照一定比例配置的绿化基础材料、所需种植土壤、纤维和植被种植种子，经过大于1分钟的拌弄，达到内部成分大致相同之后，将配比混合形成的材料放进混凝土喷射机当中实施。（4）对于混凝土喷射机的使用应该注意最大程度从植被的正对面进行喷射，保证重合面和四周角落的混合物的覆盖。（5）在对喷射完成的路堑边坡表面进行湿润养护时，应防止由于高压喷水枪喷出29 来的水流对坡面形成的压力冲击，造成形成细小通道后在水流的同时带走喷射混合物，不利于植被的生长；在经过前期的初步养护之后，为了防止由于阳光暴晒造成植被脱水等情况的发生，应在早上和晚上对坡面分别进行一次养护喷水。（6）刚柔相济传统的浆砌片石护面墙（挡墙）和喷射水泥砂浆等是刚性防护。虽然此类做法可以对边坡防护产生比较良好的效果，可万一出现裂开等现象发生，会大大降低治理成果，还会对周围的环境产生一定的影响。所以通过在边坡稳定性固定的位置实施挂网种植草种等软硬互相结合综合治理方法。（7）草木结合，走向绿化目前在国外的路堑边坡治理措施当中已经开始采用乔灌木的种植手段来保护路堑边坡的稳定性，国内的处理措施还是较多种植草种为主，但草种的缺点是实施范围不够广，在土壤不肥沃的区域难以生长，且后期保养成本较高，易于破坏，不利于路堑边坡长期的稳定性的维持，但通过采用草木结合的种植方式，使路堑边坡得到上下两层更为严密的保护，而草与木的混合生长使得根系的连接结合更为紧密，增强路堑边坡的整体[20]性。3.5本章小结3D（1）利用FLAC数值分析软件，对实地边坡建立数值模型，由稳定性系数及位移矢量、塑形区域判断该边坡处于失稳状态，需要采取合适措施加强边坡稳定性。（2）在红砂岩路堑边坡的防护上，要把事先预防摆在首位，通过防止和治理的结合，按照安全第一，保证效果的原则，尽量避免因为事故发生后再采取相应补救措施所带来的成本和风险，在制定对红砂岩路堑边坡的防护治理措施时，应通过对红砂岩路堑边坡的了解、判断、评估和分析之后，综合考虑措施的经济效应性、安全稳定性、合理操作性，具体难点具体分析，采取实际可靠的治理方法。（3）五类红砂岩边坡治理的通常方案：坡率法、排水法，再加上防护法、支挡加固法和注浆加固法，五类方法各具有一定的优缺点，在工程实施当中经常是根据现实情况，综合使用以上治理方法，让其达到最佳的治理现象。（4）生态护坡指的就是人类在改变环境的过程中，要最大限度的利用生态环境的自然性、协调性来保护由人类对生态环境带来的影响。30 第四章红砂岩路堑边坡稳定性案例分析4.1项目概况娄底至衡阳高速公路第三合同段起于衡南县鸡笼镇（K70+677.864），终点接衡枣高速公路（K118+194.31），经祁东、衡阳、衡南三个县城，设计速度100km/h，路堑宽度26.0m，主线长40.223km；连接线3条,其中岐山连接线12.974km，祁东连接线26.397km，丁字桥连接线5.964km，共45.335km。娄衡高速的位置在湖南省中部的丘陵区，地势呈现南面地北面高走势，其中最高的海拔高度为201米，最低的海拔高度为76米，丘岗、丘陵构成其大致的地形地貌，海拔高程大概在95米到160米之间，相对地表形状高差不大，高低上下连续不断。路堑土石方量规模较大，挖方量达到540万方，填方量达到539万方。填方高度10m≤H﹤20m为57处，H≥20m为11处；挖方高度10m≤H﹤20m为80处，20m≤H﹤30m有34处，H≥30m的有3处。详见下表。表4.1土石方工程量规模表3挖方540万m3填方539万m表4.2填切方规模表10m≤H﹤20m57处填方高度H≥20m11处10m≤H﹤20m80处挖方高度20m≤H﹤30m34处H≥30m3处本文娄底至衡阳高速公路地处亚热带大陆季风湿润气候区，地区自然条件较为温暖，雨水比较多，春夏秋冬明显。地下表面水系基本是湘江和五水、清华河，再加上真水、武水及其支流。地下水类型主要为：第四系覆盖层中的孔隙潜水和基岩裂隙水等两[21]个大类。较低海拔地区地势起伏较小，存在较厚的遮掩层，大部分是由于冲洪积形成的具有一定粘性的土壤、砂砾和卵石层，形成一定的富水区，具有较为充沛的孔隙潜水；基岩裂隙水的水分含量普遍不大，可在基岩破碎带、断层一些地方，存在比较充沛的含31 水量。周围环境降雨大多补充到地下水，水流朝较低地势流向。沿线含有泥岩，泥质砂岩，砂岩，泥质或砂质页岩等沉积类岩石，由于该类岩石内部存在较多铁性氧化物，所以导致外表为红色居多，开挖出来以后经过周围环境的混合作用而形成的一类岩石，称为红砂岩。由于红砂岩具有易崩解性，不能满足《路基设计规范》（JTJD30-2004）第3.8.1条中的一般规定的第一条写到“膨胀性岩石、易溶性岩石、崩解性岩石和盐化岩石等均不应用于路基填筑”要求，而沿线满足要求的土场料数量少（见下表），储量不大，运距远，借土困难，难以满足全线路堑换填筑的需要。表4.3取土场概况表编号地点土料类别上路运距储量31#土料场衡南县鸡笼镇春光村砂性土3～4Km60～100万m32#土料场祁东县三圣村低液限粘土8～10Km5～6万m羊角塘镇与过水坪镇交33#土料场低液限粘土10～12Km40～50万m界处高槐村7组34#土料场过水坪镇樟树村6组低液限粘土8～10Km4～5万m4.2红砂岩特性及崩解性试验4.2.1红砂岩的结构特征沿线的红砂岩主要表现为泥状结构和粒状碎屑结构结构形式，其中是以泥状结构为[22]主要存在形式。碎屑岩类呈粒状碎屑结构，岩石当中破碎粉屑数值达到55%～85%,孔隙式胶结是上种颗粒互相连接的大体形式，此种岩石在抗风化方面具有较好的性能，而且硬度比较大。粘土岩类呈泥状结构或含粉砂泥状结构，以基底式胶结和泥质接触式胶结为主，岩石当中的细碎土屑成分低于15%，此类岩石的抗风化能力不高，且硬度较低，红砂岩中，[23]传统泥状结构的强度低于含砂泥状结构，在抗风化性能方面，表现也较差。4.2.2红砂岩的矿物化学成分粘土矿物成分在碎屑岩类中的数量普遍在4%~9%，内部高岭石成分占2.1%~5.9%，内部蒙脱石成分占1.6%~2.7%，内部伊利石成分占2.6%~7.9%。粘土矿物成分在粘土岩类中的数量普遍在14%~45%，内部高岭石成分占8%~35%，32 内部蒙脱石成分占2%~9%，内部伊利石成分占4%~25%。表4.4红砂岩的主要化学成分结构类型SiO2/%Al2O3/%CaO/%Fe2O3/%粒状碎屑结构46.53~75.1211.43~16.440.11~16.702.86~6.88泥状结构23.24~64.288.00~20.780.09~31.392.20~10.654.2.3红砂岩的崩解性实验易崩解性为造成红砂岩路堑不稳定的重要因素，其基本体现于红砂岩经过干湿循环以后，导致岩石内某些活性矿物起作用而崩解、碎裂并软化，强度也随之急剧下降。在自然因素作用下崩解过程通常需几天至几十天才能完成，所以通过耐崩解性实验来掌握[24]岩石的耐崩解性特点，就可以为选择路堑边坡治理方案打下良好的前提。4.2.3.1实验目的确定娄衡高速红砂岩内所含元素的崩解数量、崩解时间、崩解指数和崩解状况。4.2.3.2实验原理1.红砂岩接触到水而产生崩解现象是物理风化作用的表现。因为它具有较大的外表面积，遇水有比较大的亲和能力，内部的矿物构成以伊利石、高岭石和蒙脱石等细小颗粒为大体形成，当岩石遇水后，周围的水分子会进入岩石内部的空间当中，导致细小颗粒体积的扩大、硬度的变软，再慢慢裂开，岩石能够在几个月以内快速发生崩解现象，产生外表为块体形状的结合物，根据岩石的干燥和湿润的快慢速度、内部元素的构成差[25]异，会产生不同的崩解时间。本实验通过人为操作方式模拟岩石在天然条件下受到湿润和干燥影响所产生的变化，经过两个循环周期之后，岩石试块所表现出来的抵抗软化和崩解的能力，称之为岩石的耐崩解性。2.崩解情况分以下几种情况描述：（1）不崩解：试块在遇水之后并没有发声明显的崩解,或许只在四周的边缘产生部分崩解，称得的重量不到原试块总质量的百分之一；（2）块状崩解：试块遇水反应崩解出小型块体形状；（3）粒状崩解：试块遇水反应崩解出细小颗粒；（4）渣状崩解：试块遇水反应崩解出混合物，形状大体为泥状、颗粒状；33 （5）泥状崩解：试块遇水反应崩解成泥巴形状。4.2.3.3实验仪器和设备耐崩解试验仪、天平、烘箱、干燥器图4.1耐崩解试验仪4.2.3.4实验方案1.24小时方案（1）把挑好的试块进行名称对准和数据填写，写进相应的表格之中。（2）通过耐崩解试验仪器的圆柱形状的筛筒之内装入编好号的岩石试件，使试件干燥达24小时（控制温度：105℃~110℃），然后将试件置于干燥器内，将其温度降到室[26]温，再进行称重。（3）把已经装好试件的筛桶置入水槽，再向筛桶内注水至转动轴下大约20mm位置处，并将试件至于水中浸泡24小时。（4）将筛桶的转速保持在20转每分钟的频率，转动十分钟，再将筛桶内的残留试件烘干至24小时（控制温度：105℃~110℃），然后将试件置于干燥器内，将其温度降到室温，再进行称重。（5）将步骤2与步骤3再进行一次，经过第二次往复完成，称量筛桶与试块剩余的34 重量。2.48小时方案（1）把挑好的试块进行名称对准和数据填写，写进相应的表格之中。（2）通过耐崩解试验仪器的圆柱形状的筛筒之内装入编好号的岩石试件，使试件干燥达24小时（控制温度：105℃~110℃），然后将试件置于干燥器内，将其温度降到室温，再进行称重。（3）把已经装好试件的筛桶置入水槽，再向筛桶内注水至转动轴下大约20mm位置处，并将试件至于水中浸泡48小时。（4）将筛桶的转速保持在20转每分钟的频率，转动十分钟，再将筛桶内的残留试件烘干至24小时（控制温度：105℃~110℃），然后将试件置于干燥器内，将其温度降到室温，再进行称重。（5）将步骤2与步骤3再进行一次，经过第二次往复完成，称量筛桶与试块剩余的重量。3.72小时方案（1）把挑好的试块进行名称对准和数据填写，写进相应的表格之中。（2）通过耐崩解试验仪器的圆柱形状的筛筒之内装入编好号的岩石试件，使试件干燥达24小时（控制温度：105℃~110℃），然后将试件置于干燥器内，将其温度降到室温，再进行称重。（3）把已经装好试件的筛桶置入水槽，再向筛桶内注水至转动轴下大约20mm位置处，并将试件至于水中浸泡72小时。（4）将筛桶的转速保持在20转每分钟的频率，转动十分钟，再将筛桶内的残留试件烘干至24小时（控制温度：105℃~110℃），然后将试件置于干燥器内，将其温度降到室温，再进行称重。（5）将步骤2与步骤3再进行一次，经过第二次往复完成，称量筛桶与试块剩余的重量。4.2.3.4实验成果比较分析35 表4.5岩石耐崩解性实验数据（Id1）浸泡24h浸泡48h浸泡72h岩性Id1Id1Id1%%%微新泥质砂岩99.999.799.5弱风化泥质砂岩99.198.997.3微新泥质粉砂岩98.897.495.7弱风化泥质粉砂岩96.895.392.3微新粉砂质泥岩93.591.587.4弱风化粉砂质泥岩87.682.475.6强风化粉砂质泥岩77.275.366.1微新泥岩89.584.974.9弱风化泥岩73.669.457.2表4.6岩石耐崩解性实验数据结果（Id1）岩石变异试验项目最小值最大值平均值标准差标准值名称系数泥质97.399.999.11.20.0198.7砂岩泥质粉砂耐崩解性指92.498.896.12.40.0295.8岩数粉砂（%）质泥66.193.581.8370.0480.5岩泥岩57.289.574.94.10.0573.936 表4.7泥质砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id1）浸泡时间（h）表4.8泥质粉砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id1）浸泡时间（h）37 表4.9泥质粉砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id1）浸泡时间（h）表4.10泥质粉砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id1）浸泡时间（h）38 表4.11岩石耐崩解性实验数据（Id2）浸泡24h浸泡48h浸泡72h岩性Id2Id2Id2%%%微新泥质砂岩99.599.298.1弱风化泥质砂岩98.397.394.4微新泥质粉砂岩97.795.992.3弱风化泥质粉砂岩94.492.488.6微新粉砂质泥岩89.687.382.5弱风化粉砂质泥岩82.577.467.2强风化粉砂质泥岩70.464.954.1微新泥岩81.976.365.4弱风化泥岩62.557.948.2表4.12岩石耐崩解性实验数据结果（Id2）试验变异岩石名称最小值最大值平均值标准差标准值项目系数泥质砂岩94.498.397.81.40.0196.7泥质粉砂岩88.697.793.522.50.0391.5耐崩解性指数（%）粉砂质泥岩54.189.675.13.90.0472.9泥岩48.281.965.44.30.0665.239 表4.13泥质砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id2）浸泡时间（h）表4.14泥质粉砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id2）浸泡时间（h）40 表4.15泥质粉砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id2）浸泡时间（h）表4.16泥质粉砂岩耐崩解性指数~浸泡时间关系曲线（Id2）浸泡时间（h）41 4.3红砂岩的工程分类根据强度、耐崩解特性强弱等指标把红砂岩区别为三类：I类红砂岩：岩块单轴抗压强度小于15MPa，105℃温度下烘干后浸水24小时内，呈现渣状、泥状或粒状崩解。Ⅱ类红砂岩：岩块单轴抗压强度大于15MPa，105℃温度下烘干后浸水24小时内，呈块状崩解。Ⅲ类红砂岩：岩块单轴抗压强度大于15MPa，不出现崩解情况；岩石的开挖方式通[27]常实施爆破方发，破碎成一定规格的料后以满足填石路堤施工填筑材料的要求。娄底到衡阳段高速公路沿线分布红砂岩主要有：白垩系上统代家平组（K2D）红砂岩：主要出露地层为滨湖、浅湖相沉积粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。该类岩石呈紫红色，内部结构为砂泥质组成，中间较厚，呈现层状形态，内部部分区域少量钙质交接砂岩，岩石强度不高，容易产生干裂，与水反应产生导致分解。下第三系古星统洞塘组(E1D)红砂岩：主要出露地层为河湖相沉积砂岩夹泥质粉砂岩，或呈互层产出。现场照片：I类边坡Ⅱ类边坡Ⅲ类边坡钻孔取样照片：I类照片Ⅱ类照片Ⅲ类照片42 现场取样红砂岩，将其机械破碎为细颗粒状。表4.17液塑性试验试验结果岩石名称液限ωp(%)塑限ωp塑性指数Ip粉砂质泥岩25.1014.910.20CBR试验表明：最佳含水量为8.1%，最大干密度为2.13g/cm3，承载比为15.6(压实度90%)、17.4(压实度93%)、20.1(压实度95%)，23.0(压实度96%)，28.8(压实度98%)，[28]34.6(压实度100%)；其CBR值较高，满足应用路堤填压的情况。4.4红砂岩的工程分布情况沿线的红砂岩分布状况如下：I类红砂岩：主线段K77+980-K105+470、K110+900-K119+438，丁字桥连接线K0+000-K8+610，祁东连接线K11+160-K24+960段；Ⅱ类红砂岩：多呈夹层或互层形式分布第I、Ⅲ类红砂岩层中；Ⅲ类红砂岩：分布于主线段K105+470-K110+900段。表4.18沿线需要调配的红砂岩数据利用类别I类红砂岩Ⅱ类红砂岩Ⅲ类红砂岩333项目名称（万m）（万m）（万m）娄衡主线449.47—77.36祁东连接线92.7616.8—丁字桥连接线26.657.92—合计568.8824.7277.364.5拟处治措施根据本项目沿线红砂岩的特性及分布现象，结合红砂岩路堑边坡一般的处治方法：（1）完成除去红砂岩内部的水分子的活性来进行前提的一些工作。（2）实施密闭的方法，阻断或一定程度上阻断红砂岩和外部环境的触碰。（3）对红砂岩路堑进行一定程度上的压实，既可以加强整体紧密度，又可以使其透43 水性得到降低。（4）掺适量石灰或水泥进行改良，使红砂岩的水分子活性得到降低。问题按照以下措施实施处治：（1）Ⅲ类红砂岩直接作为路堑填实的材料，实施填石路堑施工工艺进行控制。（2）I类、Ⅱ类红砂岩采取如下处理措施后应用到路堑填实材料。表4.19I类、Ⅱ类红砂岩应用路堑填实材料的处治措施表处治措施及优缺点类别处治措施优缺点消除红砂岩活性，造价低，但对措施一：人工崩解施工进度有影响阻断了红砂岩与外界水分交换，措施二：黏土包边或包土工布但机械化程度低，施工质量不好一般填H﹤8m控制方造价低，质量容易控制，但效果措施三：与低液限粘土分层填筑较差增加路堑强度，提高水稳定效果，措施四：掺水泥或石灰造价不低根据对现场调查及方案研究，我们认为采用单一的处治方式均有不足，因此本次设计，从保证质量、节约造价的角度上考虑，拟采用人工崩解+粘土包边的方案进行处治。4.6推荐处治方案施工控制要求4.6.1红砂岩路堑材料的预先处理对于红砂岩要达到提前崩解的措施是把初始整体炸开的红砂岩置于外部环境的直接接触之下，经过一段时间以后，红砂岩会伴随着各种自然反应渐渐崩解直至碎裂，在阳光暴晒之日喷射一定的水，等待半个月左右。4.6.2施工控制要求1.在红砂岩路堑填实材料之前，需对其实施压实，并压实到规定的紧密度，达到改变地表局部特征，整理表面闲杂物体的效果。44 2.布料上料前必须在边线位置处采用花杆挂线，要求花杆长度为2米，红白相间格长40厘米，纵向间距为20米。首先在路堑两侧坡脚线内用粘土包边，以防雨水对己成形红砂岩的侵蚀及冲刷。粘土宽度为2米，作成向内的横坡度，以保证边线处粘土得到充分压实。在填压之前应事先规划好行走线路，待经过提前进行过崩解处理的红砂岩材料到达填方区域以后，安排专门人员管理材料卸车，按照每个方格网当中完成一车的卸料数量，再将其表面处理平整。根据填筑厚度及作业面积，计算上料数量，用自卸车将填筑料按方格网均匀堆放在路堑上，控制每车料的数量尽可能相等。实施过程当中不要选择质地较硬、体积较大的岩石，要尽量防止出现在同一层填压的材料是由差异性较大的红砂岩组成，最大程度保证填压的整体[29]密度。3.耙压、整平经过预崩解处理的红砂岩填料运到填方段后，卸料后采用220马力以上的三齿推土机、勾松，“耙压”的次数要大于三次，如果存在没有经过提前崩解的红砂岩运至现场，要对其“耙压”再实施一遍。4.碾压推土机耙压后，90区采用50t以上羊角碾振压3～5遍，行驶速度控制在2～3km/h；93区采用50t以上羊碾振压3～5遍，行驶速度控制在2～3km/h，基本可以保证岩石粒径控制在25cm以内。实施过程中应限制松铺的厚度颗粒直径，保证松铺的厚度小于40cm，颗粒的直径小于25cm。平地机的整平方法是由两侧开始向路中推进，如此往返三次，一般就可达到规定的粒径要求。平地机精平后，用YZl8B以上振动压路机强振碾压3遍，行驶速度控制在3～4km/h；最后用YZl8B振动压路机碾压4遍，行驶速度控制在3～4km/h。压实时的操作要求，从两侧路堑边沿向路中推进；压路机碾压轮重叠不小于40～50cm。通过喷水来对坦平整齐路堑上的岩石减小摩擦力，经过平坦之后的路堑经过喷射一定的水让石块互相含有减小摩擦的效果，易于碾压时石块移动、嵌琐，振动碾压以拖式50吨或击振力50t以上自行式重型压路机为佳，当对于面积较大的填方施工时，其效果会尤其明显。压路机通过路堑表面的压实速度是影响填压效果的一个重要原因，如果铺设层的厚度保持一定，影响到填方效果与以下原因相关：碾压遍数/压路机速度，将压路机行驶速率控制在稳定的数值范围内，通常位于2～7km/h的范围，但在需要高密度压实、但当铺设层厚度超过一定的数值或者填压的原料较难压密则需要减小速度，保持在4~5km/h。5.含水量控制在对路堑进行压实之前，应对所选取的红砂岩填实材料实施含水量测定，保证其含水量正常取值不超过百分之一。在已经填压路段实施灌砂法完成对于压实度测定，用燃烧乙醇的方法得出其含水量数值。在施工当中横向坡度的道路倾斜达到4%。45 在碰到降雨时，应等到路堑表面干燥到一定程度之后，方可继续施工，必须对下层的填方做进一步碾压，达到一定的压实标准。在下一层填筑前，将己完工的路堑用羊角碾重新振压一遍，形成凹凸面，以保证上下层面间的联结。6.因为在实际操作当中对于施工技巧和现实状况有一定要求，不好通过把控碾压的效果来对测定红砂岩压实度，所以将其和外观检查法进行比较，再借鉴碾压沉降差，共同对数据实施判断：（1）假设体积较大的石头出现在灌砂法判定压实度的实验中时，就要另外选择测试点，避开原来测试点。（2）外观检查：使表面达到坦平整齐，不出现空旷间隙，没有松散石头，要求将50吨的载车驶过表面没有过大变化。（3）压实沉降差法：按照随机性的原则，选取路堑上的测试点，量定其高度，随后利用50吨的载车驶过表面测量其沉降数值。施工中采用压实沉降差进行压实检测，首先在压实后的填石路堤纵向布点，点位间距离8m左右，横向间距视现场情况而定，应避免在突出的大石上和压路机不能到的地方布点。在布好的点位上用油漆做醒目的标记，用水准仪测量测点高程，测量时为了减少误差，准备一块20×20cm的钢质垫块，垫块中央有一个半球形突出点，在测量时，将垫块放置在测点上，水准尺放在垫块突出点上进行测量。然后将50吨的载车驶过表面测定（压实系数：车速2.0～4.0km/h，频率30Hz）。然后用水准仪检测各测点高程，各测点在碾压前后的高差就是测点的压实沉降差。压实沉降差单点值应小于5mm，检测频率为每2000m²检测12点。当所需要压实的面积达不到200m²的条件时候，测定的试验点则需[30]要大于4个。4.7红砂岩路堑边坡处治不仅仅是红砂岩填筑路堑，沿线红砂岩边坡处治也是本项目另外一个难点。本次的施工图纸规划拟建议实施以下措施进行处治：红砂岩路堑边坡依据岩石特性及其风化可以程度分为以下三类：46 表4.20红砂岩路堑边坡分类表边坡上部岩石风化强烈，以强风化为主，岩石碎裂，完整I类：全风化-强风化岩边坡性极差。Ⅱ类：中风化、泥质胶结为主的边坡内主要分布中风化粉砂质泥岩和不均匀夹薄层钙质泥质粉砂岩、粉砂质泥岩边坡砂岩，表层风化程度比较高。Ⅲ类：中风化、钙质胶结为主的边坡内主要分布中厚层钙质砂岩，抗风化能力较强。砂岩边坡红砂岩具有易于风化、易于崩解和易于软化的特点，表层结构面容易形成渗水，而水的作用会大大减小软弱夹层的抗剪强度，使得岩土体内部重度及含水量提高。边坡开挖引起地应力的重分布，坡脚应力增加，边坡越高、坡率越陡，应力越大。措施应该实施使边坡倾斜的方法，按照1:1~1:1.5的比率进行坡比，进行绿化防护设计，合理封堵、引排地表水和地下水，并采取有效防护措施，详见下表。表4.21红砂岩路堑边坡的防护措施表类别处治措施中风化、钙质、难崩解窗式护面墙、土工格式种植草、厚层基材种植草；三维网植草、方格骨架植草、窗式护面墙、方格骨架H﹤10m内空心预制块护坡、锚杆骨架种植草、窗式护面板墙、方格骨架内空心预中-强风化、泥质、易崩10m≤H﹤20m制块护坡、+矮墙解锚杆框架梁+锚杆骨架植草、土工格室植草、方格骨20m≤H﹤30m架内空心预制块护坡+矮墙H≥30m预应力锚杆框架、抗滑挡墙+锚杆骨架种植草H﹤10m三维网格种植草、方格骨架种植草10m≤H﹤20m拱形骨架式种植草、方格骨架植草+矮墙全风化、土质20m≤H﹤30m拱形骨架式种植草、方格骨架植草+矮墙H≥30m拱形骨架式种植草、方格骨架植草+矮墙47 4.8本章小结（1）掌握娄衡高速红砂岩内所含元素内崩解数量、崩解时间、崩解指数和崩解情况。（2）根据沿线红砂岩的特性及分布特征，结合红砂岩路堑边坡一般的治理方法，总结出了相应的治理建议方法。48 结论与展望本文主要结论本文通过娄底至衡阳高速公路内的红砂岩路堑边坡用作分析背景，通过对范围内地表特征、地下层岩石的性质和地下水的变化运动的调查研究为前提，再结合特殊的气候因素来判断红砂岩特殊的情况特点，分析出红砂岩的岩性特征和内部存在的破坏机理，在此基础上，通过岩石耐崩解性实验掌握岩石的崩解数量、崩解指数、崩解时间和崩解状况，通过比较各类路堑边坡防护普遍使用的技术来研究适合娄衡高速红砂岩路堑边坡的处治方案，得到了具有一定理论价值和实用意义的结论，现将得到的成果归纳如下：（1）根据娄衡地区的地形地貌（地势总体北高南低，以丘岗为主，整条线路是沟壑为主，地形高差相对较小）、地下层的岩石性质及水文地质条件（包括松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和碳酸岩裂隙岩溶水）情况，在此基础上，分析了娄衡高速内红砂岩的形成原因和岩性特点，红砂岩主要以泥状结构分布，内部高岭石的成分大约是8%~39%，内部伊利石成分大约是6%~29%，内部蒙脱石成分大约是2%~9%，基本是基底式胶结和泥质接触式胶结，岩石碎屑含有数量低于20%，所以此类红砂岩抗风化性能较差，强度不高。3D（2）通过FLAC建立实际路堑边坡模型，由位移矢量图和塑性区图得出边坡的稳定状况，再通过岩石耐崩解性实验掌握岩石的崩解数量、崩解指数、崩解时间和崩解状况，实验给探究娄衡高速特殊、详尽的路堑边坡防护措施带来了的初步地理论依据。（3）研究了红砂岩路堑边坡的处治技术，应用预防为主，防治统筹，安全第一，保证效果的总体原则，归纳出五类红砂岩边坡治理的通常方案：坡率法、排水法，再加上防护法、支挡加固法和注浆加固法，五类方法各具有一定的优缺点，在工程实施当中经常是根据现实情况，综合使用以上治理方法，使其达到最佳的治理结果，再通过生态护坡及综合防护技术，植被绿化作用，最大程度地防止了边坡表面松散、细小颗粒随雨水流失的可能性，保证了路堑边坡的完整性，维持了土体的宏观结构，大大降低了边坡滑坡、坍塌等事故发生的概率。49 （4）根据模型建立、耐崩解性实验结果和对常用边坡治理技术方法的类比，再结合特殊的地理，气候，环境和降雨等因素，提出适合于该路段的红砂岩路堑边坡防治措施建议，对保证边坡稳定性带来了积极的意义。今后工作展望虽然本人对娄底至衡阳高速公路内的红砂岩路堑边坡的情况进行了一定的研究，并对出现的相关边坡问题提出了一些防护措施建议，但由于本人研究水平能力上的不足，一些相关因素没有考虑齐全，部分问题并没有进行深入探讨，所以，今后还需要做不少工作来进行整理、完善，主要包括如下：（1）进一步了解、掌握娄衡高速内红砂岩路堑边坡的结构特征，岩性特点，找出因特殊的地理环境，气候，降雨等因素造成与其他红砂岩路堑边坡的不同点，实施符合于当地现实状态的调查分析，提高准确性。（2）在进行岩石耐崩解性实验时，因为是人为操作，难以与实际情况完全吻合，会对实验数据造成一定的误差，对红砂岩路堑边坡的后续稳定性分析带来了一定的不确定性，今后应该将模型进一步符合实际情况，增加结果准确性。（3）进一步归纳总结红砂岩路堑边坡的防治措施，加强对边坡实时动态的详细观测，制定更符合实际情况的一坡一治措施，保证施工及运营的稳定性。50 参考文献[1]李军，杨晓娟，张晓龙等.基于三维马尔可夫链模型的岩性随机模拟[J].石油学报，2012，33（1）：846-853[2]龚涛，段泽文.岩体风化带多元分割方法[J].云南农业大学学报，2001，16（14）：294-298[3]陈长发.新型支挡结构在铁路既有线施工中的应用[J].城市建设理论研究（电子版），2014，（6）nd[4]FelleniusW.Calculationofthestabilityofearthslpoe[J].Transactionsof2CongressonLargeDams,Washington,DC,1936:445-462[5]JanbuN.Applicationofcompositeslipsurfaceforstabilityanalysis[A].Proc,EuropeanConfonsatbilityofearthslopes[C],Sweden,1954(3),43-49[6]Bishop.TheuseofSlipCircleintheStabilityAnalysisofSlope[J].Geotechnique,1955,7-17[7]MorgenstemN,PriceVE.Theanalysisofthestabilityofgeneralslipssurfaces[J].Geotechnique,1965,15(1):79-93[8]Sarma,S.K.Stabilityanalysisofembankmentsandslopes.JournaloftheGrotechnicalEngineeringDivision,1979,105(12):1511-1524[9]陈泽松，芮瑞，夏元友.二广高速公路怀集至广州段路堑边坡分类与加固优化[J].中外公路，2009，29（26）：62-64[10]高体玉，易怀兵.基岩裂隙水的类型及其特征分析[J].建筑与发展，2011，（1）：25-26[11]王小清，郑振华，刘珍奇.袁家矿区南段沉积环境与聚煤规律[J].煤炭技术，2009，28（11）：120-121[12]伍光英，马铁球，刘富国等.南岭万洋山加里东期花岗岩地址地球化学特征及其成因[J].中国地质，2008，35（4）：608-617[13]刘勇.娄衡高速公路白垩系泥质粉砂岩崩解特性研究[J].广东建材，2010,26（8）：22-25[14]康伟，吴川，曹为等.浏阳膨胀性红砂岩边坡工程地质特征研究[J].公路与汽运，2012，（4）：171-174[15]王茂文，周中心，张震.系统锚杆处理红砂岩路堑边坡机理分析[J].公路工程，2008，（6）：86-88[16]秦豹.基于机动位移法的顺层岩质路堑边坡稳定性分析[J].中国水运，2010，（2）：115-116[17]鲍大春，王国体.公路路堑高边坡的分析和处理[J].工程与建设，2011，（1）：87-89[18]龚文惠，王平，陈峰.顺层岩质路堑边坡稳定性的敏感性因素分析[J].岩土力学，2007，28（4）：812-816[19]李相文，王庆昌，魏观亭等.不同边坡加固生态综合防护技术探讨[J].中国科技博览，2009,34:230-231[20]王加龙.冻融作用对边坡稳定性的影响浅析[J].北方交通，2011，（3）：1-3[21]王跃庚，刘强.岩土工程中的水文地质评价实例浅析[J].城市建设理论研究，2011，51 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致谢经过一年的努力，通过查阅各种文献资料，通过无数次键盘的敲击，我终于完成了论文的撰写，首先，我要感谢我可爱可敬的导师，刘辉副教授，是刘老师在我攻读硕士研究生的两年期间给与生活上的关心照顾，学业上的谆谆教诲，让我在这两年的时间内受益匪浅，特别是在论文撰写期间，刘辉老师极其渊博的专业学识，帮我解决了论文当中许多的疑难杂症，刘辉老师独特的人格魅力，让我深深为之折服，所以，能够跟着刘辉老师学习两年，并在专业知识方面以及为人处事方面取得一定的成长，我深感荣幸。此外，我要感谢我的校外导师刘辉煌高工，正是因为刘辉煌老师在课堂之外的教育与指导，才让我做到了知行合一，实现了理论与实践相结合，达到了最好的学习效果；另外，还要感谢邓小钊、王永龙、杨昊、闫凯旋、龚瑞民的参与和协助，谢谢他们在我论文撰写期间对我提供的无私帮助，让我可以顺利完成毕业论文的撰写工作。于论文完成之际，非常谢谢感谢爸爸妈妈给予他们孩子最无私的支持与关怀！因为是他们对我日常生活方面的帮助和学习方面的鼓励才使我能如此顺利的完成两年在长沙理工大学读书、学习和生活！还要感谢一起进行科研工作的同学，正是由于大家参与，我才有了这色彩缤纷的两年学习生涯！总之，十分谢谢在这两年当中照顾、帮助过我的学校老师、领导、同事、同学、师兄弟和朋友，还有那些认识或者不认识，还可能叫不出名字的各位好心人！也特别感谢答辩会场各位老师的到来及点评！53