论文部分内容阅读
摘要：从平移断层的原岩应力状态特征出发，结合断层充填物中泥化夹层的形成过程及国内外的研究现状，研究了泥化夹层中水膜面的成因及特殊机制，及由此而引起的工程灾害类型及防治策略。
关键词：平移断层、泥化夹层、水膜效应、应变破坏、防治对策
中图分类号： B845.67 文献标识码： A
岩体力学的研究对象为天然岩体，与传统的基本假设（连续的、均质的、各向同性的）确有不符。主要原因之一就是岩体的各向异性，造成岩体各向异性的主要因素之一就是地质构造产生的断层。断层是地壳中广泛出现的一种构造形迹，断层的存在破坏了岩体的均一性，使岩土工程体的建设及其稳定性受到很大影响。对于不同类型的断层，由于其不同构造特性和力学特性，研究的方法和思路有所不同，由于篇幅限制，本文主要针对剪性的平移断层区域的山体开挖的灾害力学性质及其防治对策进行研究。
1前言
平移断层是地壳岩体在地壳运动过程中，在区域动力作用下发生断裂而沿断层面走向近水平走滑形成。软弱夹层是此类结构面中最复杂的一种结构面，也是是力学性质最差的单元，也是变形最大，优先破坏的地质单元。对软弱夹层中泥化夹层的组分及其力学性质从理论研究到工程应用已取得了长足发展，并成功地解决过工程问题[1]~[4]。但至目前为止，对泥化夹层的分布规律尚无定论，对由泥化夹层引起的特殊的工程灾害没有给出科学合理的机理性解释，尤其是水对泥化夹层强度的影响研究还不够全面深入。平移断层中泥化夹层的存在要求人们在此区域进行岩土工程建设时，对由泥化夹层引起的地质灾害进行机理性研究，以达到预防并进行有效的工程处理。
2 断层区域岩体开挖的地质灾害类型
平移断层面是由剪切破坏而形成，在形成过程中经挤压破碎和长期的风化作用，断层面不可避免地存在有软弱夹层。在平移断层区域进行工程建设时，工程体的变形破坏多从断层面开始，尤其是软弱夹层中含有泥化夹层时。此特性结合平移断层的应力状态特征，决定了工程开挖过程中的灾害类型，在此称其为应变型破坏。虽然在正断层和逆断层区域有时也存在类似泥化夹层的软弱夹层，但是，由于平移断层区域特殊的应力状态特征，即在断层区域存在有较大的剪应力。在人类工程扰动下，平移断层区域应力释放或应力重新调整，使断层更易发生错动或变形。因此，在岩体开挖的工程扰动下，由泥化夹层在平移断层中引发的地质灾害，较在正断层和逆断层区域更具有典型性。
3 泥化夹层分布特征
由泥化夹层的形成机制可知，软岩受剪切破坏是泥化夹层形成的直接原因，由夹层受剪破坏模式可知（见图1），当软岩在剪应力状态下时，在硬岩（弹性参数为E1、μ1）与软岩（弹性参数为E2、μ2）接触面上将产生较大的应力集中，又E1> E2，μ1>μ2而使软岩遭受破坏.显然软硬岩层间的弹性参数相差越大,接触面上应力集中越高,软层越易破坏。此外应力集中程度还与夹软层的厚度H有关，厚度越小时，应力集中越大；反之，厚度越大时，应力将随厚度而衰减，接触面上的应力集中相对较小。
图1 软弱夹层受剪破坏模式
4 泥化夹层水膜效应机理
4．1 水膜面的形成
根据泥化夹层的形成过程可知，地壳的构造运动使泥化夹层形成以后，在该软弱夹层内部存在有很多破坏裂隙面，即粘土层的软弱面。从整体而言，形成了有很多裂隙的粘土层。在岩体开挖的扰动下，泥化夹层受到剪切错动，由于这种错动而提高了错动破坏面的粘粒的含量，并由于浸入裂隙面的地下水的擦过，就形成光滑的裂隙面，该破坏裂隙面的典型断面。在这些光滑面上，粘着了一层很薄的水膜，从而形成水膜面。
水膜面的形成基于粘土颗粒与水及水溶液的相互作用。由于粘土颗粒中含有一定量的胶体颗粒（粒径小于0.001mm），在其与水相互作用时具有胶体特性。每一胶体粒子都有一胶核，它能从溶液中吸附离子并使之与其牢固地结合而带电成为电位离子。由于静电引力的作用，在带电的胶核周围又吸附了一层与之反号的电荷离子而成为反离子层。胶核电位离子与其周围的反离子层一起组成双电层，前者为内层，反者为外层。胶粒周围反号离子的分布受静电引力及分子热运动力的影响控制。分子静电引力促使离子与胶粒相吸引，而分子热运动力则尽量使其在溶液中平均分布。在这两种力的作用下，最后在颗粒周围达到平衡。紧靠颗粒表面的反离子由于静电引力大，与颗粒结合牢固而形成固定层。而后，随距颗粒表面愈远静电引力愈小，反离子与颗粒结合不牢而具有一定活动性，从而形成活动层（扩散层）。胶粒的电位离子可为正，也可为负，主要由介质的性质决定。对以次生粘土矿物为主要成分的粘土粒子而言，在自然条件下其颗粒表面常带负电。带负电的粘土粒子在水中形成双电子层时，于反离子层中吸附了大量的水分子及其它阳离子，粘土颗粒表面所吸附的水称结合水从而形成水膜面。
从现有的资料来看，人们对泥化夹层水膜面的存在尚未引起足够重视，从而忽略其形成机制及其力学特性的研究。谭罗荣在葛洲坝308#和202#泥化夹层中发现有水膜面的存在[8]，即较薄的、高含水量的、低强度的自然光滑面泥膜，其手感特别细腻。并利用衍射仪对光滑面及其两侧泥化物进行了矿物成份分析，测量其含水量。杜炜平在乌拉嘎金矿露天边坡泥化夹层发现有水膜面的形成，致使边坡沿倾角仅为9~13°的滑面滑移，对其进行了力学分析及机制研究，采取的防治措施取得成效[5][6][7]。
4．2 泥化夹层水膜面的力学特性
泥化夹层裂隙面上的水膜是当地下水浸入破坏裂隙面时，经摩擦、湿胀而残存于平滑裂隙面上的结合水，起类似润滑剂的作用。当泥化夹层中水膜面未形成时，泥化夹层中的粘土矿物经过长期固结，其抗剪强度（固结不排水）较大，我国曾测定的泥化夹层内聚力与内摩擦角的平均值为：C s =0.015MPa、φs =16.83°。
日本学者对口之津、油谷、北松等地区的泥化夹层中的粘土层进行抗剪强度测试，其强度指标C s=（0.14~0.29）kg/cm2，φs=（10.4°~31.5°）。当泥化夹层中形成水膜面时，泥
化夹层的强度大大降低，其测定值见表3。 由此可看出，泥化夹层因特殊的水膜面效应，其内聚力和内摩擦角降到很小，从而使泥化夹层的强度大大降低，降低程度约为一个数量级。表3中水膜面的内聚力与内摩擦角的平均值仅为：C w =0.055kg/cm2、φw =2.017°。
水膜面的抗剪强度 ：
τw= C w +σtanφw（1）
代φw =2.017入式（1）得：
τw ≈ C w （2）
水膜面的抗剪强度即为其内聚力。
当水膜面的水膜消失后，该裂隙面的抗剪强度又大幅度回升，即C wC d ，
φwφd 。
表1泥化夹层水膜面的剪切特性与水膜面的厚度
注：Cs、φs为泥化夹层抗剪强度指标；C w、φw为泥化夹层水膜面强度指标；φd为扰动水膜面后的内摩擦角。
由表1可知：水膜面力學特性除表现在抗剪强度可以回升外，水膜面并不是一种连续面，而是有规律性地呈条带状排列。水膜面的这种不连续性如图2所示.。
图2水膜面不连续性示意图
图2中lw为水膜面的长度， ld为水膜面不连续部分的长度。设Kd为不连续系数，则：
（3）
结合平移断层应力状态图1，岩体开挖人工扰动使应力状态得到重新调整，断层面泥化夹层在形成水膜面时在水平方向的变形荷载为：
（4）
式中：F—为此类平移断层发生变形破坏的净力；
L—为泥化夹层的长度。
其余符号意义同前。
Kd的大小除受控于地质因素外，工程开挖人工扰动（如爆破）对Kd的影响则是至关重要的。由于人工扰动而使得不连续的水膜面逐渐连接起来，从而由图2并式（3）知Kd值减小。当所有的水膜面连成一个连续面时，则Kd =0，由式（4）知，F值显著增大，由此而引发工程体的灾害性事故。限于目前国内外的技术因素，现场测定Kd值尚无可能。试验室对Kd进行计算一般可按下述方法进行：从现场取出含有水膜面的40~60cm×40~60cm的立方体原状样，将试样放入雾箱内，水膜面即出现白色线条，由此而实测其长度，从而计算出Kd值。
泥化夹层水膜面的形成是一个逆反过程。当水膜面的形成条件具备时，泥化夹层水膜面强度C w、φw很小；但当形成水膜面条件消失时，泥化夹层水膜面强度又恢复到C s、φs。由泥化夹层水膜面的这一力学特性可得出岩土工程灾害的特征及防治对策。
5 断层区域岩体灾害及防治
平移断层区域的原岩应力状态特征、泥化夹层的物理力学作用、水膜面的水膜效应及断层两盘的岩体结构决定了岩土工程灾害的特征为应变破坏。
5.1在岩体开挖期间应变破坏的具体表现形式
当断层两盘岩体较完整时，岩体开挖穿越断层时多引起错位，轴线出现断点。隧洞断面严重变形；山体边坡可能引起山体大范围的位移变形甚至失稳。
当断层两盘岩体节理较为发育时，泥化夹层中的水膜效应必然会首先引起隧洞的局部变形或掉块，以至于波及到整个隧洞的坍塌，或岩层顺层滑移而形成大范围坍塌；山体开挖将会使山坡体出现局部较大变形并逐步演变成工程灾害。
5.2灾害防治必须从机制入手，从根本上扼制灾害发生
水是泥化夹层强度明显降低的最主要因素，防治水首当其冲。疏排水阻止泥化夹层水膜面形成，保持断层中泥化夹层的原始强度。
减小山体开挖的人工扰动烈度，如采用先进的爆破技术，消除外部环境引起的震动影响，使泥化夹层水膜化的外部因素得到控制。
超前支护与疏排水相结合。对成洞隧道进行不等强支护，尤其是当泥化夹层暴露时，及时对隧道局部进行集中加固，以防止隧洞断面变形，保持隧道的整体稳定性。对于山体边坡，尽量避免雨季施工，及时对开挖山体进行支护并采取加载措施。
6 结语
a.根据泥化夹层的形成机制与过程，阐述了泥化夹层的分布特征；
b.从理论上研究了泥化夹层水膜面的形成机理及其特殊的力学特性，即水膜面的形成使泥化夹层的强度降低了一个数量级之多，当水膜面消失后，泥化夹层抗剪强度又回复到其初始值；
c.结合泥化夹层水膜面的力学特性，给出了引起岩体变形灾害的净荷载公式。
d.总结了岩体开挖的灾害类型，为进一步的理论研究及制定工程灾害防治策略提供了思路。
参考文献：
[1]曲永新. 某水利工程泥化夹层的形成及变化趋势的研究[J]. 地质科学,1977(4)：363~371
[2]黎克日, 康文法. 岩体中泥化夹层的流变试验及其长期强度的确定[J]. 岩土力学,1983,4(1)：39~46
[3]Yan Ronggui, Du Wei ping. The Study on Mechanism of A Mine Large Landslide under the Solide-Liquid Coupling. International Symposium on Coupled Phenomena in Civil, Mining and Petroleum Engineering. Sanya, Hainan, P R C. Nov 1,1999
[4]杜炜平.复合式岩土工程破坏特征与防治对策[J].防灾减灾工程学报，2006（25）：101～105
[5]谭罗荣.葛洲坝泥化夹层的物质组成特性[J]. 岩土力学, 1984,5(2):27~34
作者简介：杜炜平（1970－），男，高級工程师，博士。主要从事工程管理和岩土工程研究工作。
关键词：平移断层、泥化夹层、水膜效应、应变破坏、防治对策
中图分类号： B845.67 文献标识码： A
岩体力学的研究对象为天然岩体，与传统的基本假设（连续的、均质的、各向同性的）确有不符。主要原因之一就是岩体的各向异性，造成岩体各向异性的主要因素之一就是地质构造产生的断层。断层是地壳中广泛出现的一种构造形迹，断层的存在破坏了岩体的均一性，使岩土工程体的建设及其稳定性受到很大影响。对于不同类型的断层，由于其不同构造特性和力学特性，研究的方法和思路有所不同，由于篇幅限制，本文主要针对剪性的平移断层区域的山体开挖的灾害力学性质及其防治对策进行研究。
1前言
平移断层是地壳岩体在地壳运动过程中，在区域动力作用下发生断裂而沿断层面走向近水平走滑形成。软弱夹层是此类结构面中最复杂的一种结构面，也是是力学性质最差的单元，也是变形最大，优先破坏的地质单元。对软弱夹层中泥化夹层的组分及其力学性质从理论研究到工程应用已取得了长足发展，并成功地解决过工程问题[1]~[4]。但至目前为止，对泥化夹层的分布规律尚无定论，对由泥化夹层引起的特殊的工程灾害没有给出科学合理的机理性解释，尤其是水对泥化夹层强度的影响研究还不够全面深入。平移断层中泥化夹层的存在要求人们在此区域进行岩土工程建设时，对由泥化夹层引起的地质灾害进行机理性研究，以达到预防并进行有效的工程处理。
2 断层区域岩体开挖的地质灾害类型
平移断层面是由剪切破坏而形成，在形成过程中经挤压破碎和长期的风化作用，断层面不可避免地存在有软弱夹层。在平移断层区域进行工程建设时，工程体的变形破坏多从断层面开始，尤其是软弱夹层中含有泥化夹层时。此特性结合平移断层的应力状态特征，决定了工程开挖过程中的灾害类型，在此称其为应变型破坏。虽然在正断层和逆断层区域有时也存在类似泥化夹层的软弱夹层，但是，由于平移断层区域特殊的应力状态特征，即在断层区域存在有较大的剪应力。在人类工程扰动下，平移断层区域应力释放或应力重新调整，使断层更易发生错动或变形。因此，在岩体开挖的工程扰动下，由泥化夹层在平移断层中引发的地质灾害，较在正断层和逆断层区域更具有典型性。
3 泥化夹层分布特征
由泥化夹层的形成机制可知，软岩受剪切破坏是泥化夹层形成的直接原因，由夹层受剪破坏模式可知（见图1），当软岩在剪应力状态下时，在硬岩（弹性参数为E1、μ1）与软岩（弹性参数为E2、μ2）接触面上将产生较大的应力集中，又E1> E2，μ1>μ2而使软岩遭受破坏.显然软硬岩层间的弹性参数相差越大,接触面上应力集中越高,软层越易破坏。此外应力集中程度还与夹软层的厚度H有关，厚度越小时，应力集中越大；反之，厚度越大时，应力将随厚度而衰减，接触面上的应力集中相对较小。
图1 软弱夹层受剪破坏模式
4 泥化夹层水膜效应机理
4．1 水膜面的形成
根据泥化夹层的形成过程可知，地壳的构造运动使泥化夹层形成以后，在该软弱夹层内部存在有很多破坏裂隙面，即粘土层的软弱面。从整体而言，形成了有很多裂隙的粘土层。在岩体开挖的扰动下，泥化夹层受到剪切错动，由于这种错动而提高了错动破坏面的粘粒的含量，并由于浸入裂隙面的地下水的擦过，就形成光滑的裂隙面，该破坏裂隙面的典型断面。在这些光滑面上，粘着了一层很薄的水膜，从而形成水膜面。
水膜面的形成基于粘土颗粒与水及水溶液的相互作用。由于粘土颗粒中含有一定量的胶体颗粒（粒径小于0.001mm），在其与水相互作用时具有胶体特性。每一胶体粒子都有一胶核，它能从溶液中吸附离子并使之与其牢固地结合而带电成为电位离子。由于静电引力的作用，在带电的胶核周围又吸附了一层与之反号的电荷离子而成为反离子层。胶核电位离子与其周围的反离子层一起组成双电层，前者为内层，反者为外层。胶粒周围反号离子的分布受静电引力及分子热运动力的影响控制。分子静电引力促使离子与胶粒相吸引，而分子热运动力则尽量使其在溶液中平均分布。在这两种力的作用下，最后在颗粒周围达到平衡。紧靠颗粒表面的反离子由于静电引力大，与颗粒结合牢固而形成固定层。而后，随距颗粒表面愈远静电引力愈小，反离子与颗粒结合不牢而具有一定活动性，从而形成活动层（扩散层）。胶粒的电位离子可为正，也可为负，主要由介质的性质决定。对以次生粘土矿物为主要成分的粘土粒子而言，在自然条件下其颗粒表面常带负电。带负电的粘土粒子在水中形成双电子层时，于反离子层中吸附了大量的水分子及其它阳离子，粘土颗粒表面所吸附的水称结合水从而形成水膜面。
从现有的资料来看，人们对泥化夹层水膜面的存在尚未引起足够重视，从而忽略其形成机制及其力学特性的研究。谭罗荣在葛洲坝308#和202#泥化夹层中发现有水膜面的存在[8]，即较薄的、高含水量的、低强度的自然光滑面泥膜，其手感特别细腻。并利用衍射仪对光滑面及其两侧泥化物进行了矿物成份分析，测量其含水量。杜炜平在乌拉嘎金矿露天边坡泥化夹层发现有水膜面的形成，致使边坡沿倾角仅为9~13°的滑面滑移，对其进行了力学分析及机制研究，采取的防治措施取得成效[5][6][7]。
4．2 泥化夹层水膜面的力学特性
泥化夹层裂隙面上的水膜是当地下水浸入破坏裂隙面时，经摩擦、湿胀而残存于平滑裂隙面上的结合水，起类似润滑剂的作用。当泥化夹层中水膜面未形成时，泥化夹层中的粘土矿物经过长期固结，其抗剪强度（固结不排水）较大，我国曾测定的泥化夹层内聚力与内摩擦角的平均值为：C s =0.015MPa、φs =16.83°。
日本学者对口之津、油谷、北松等地区的泥化夹层中的粘土层进行抗剪强度测试，其强度指标C s=（0.14~0.29）kg/cm2，φs=（10.4°~31.5°）。当泥化夹层中形成水膜面时，泥
化夹层的强度大大降低，其测定值见表3。 由此可看出，泥化夹层因特殊的水膜面效应，其内聚力和内摩擦角降到很小，从而使泥化夹层的强度大大降低，降低程度约为一个数量级。表3中水膜面的内聚力与内摩擦角的平均值仅为：C w =0.055kg/cm2、φw =2.017°。
水膜面的抗剪强度 ：
τw= C w +σtanφw（1）
代φw =2.017入式（1）得：
τw ≈ C w （2）
水膜面的抗剪强度即为其内聚力。
当水膜面的水膜消失后，该裂隙面的抗剪强度又大幅度回升，即C wC d ，
φwφd 。
表1泥化夹层水膜面的剪切特性与水膜面的厚度
注：Cs、φs为泥化夹层抗剪强度指标；C w、φw为泥化夹层水膜面强度指标；φd为扰动水膜面后的内摩擦角。
由表1可知：水膜面力學特性除表现在抗剪强度可以回升外，水膜面并不是一种连续面，而是有规律性地呈条带状排列。水膜面的这种不连续性如图2所示.。
图2水膜面不连续性示意图
图2中lw为水膜面的长度， ld为水膜面不连续部分的长度。设Kd为不连续系数，则：
（3）
结合平移断层应力状态图1，岩体开挖人工扰动使应力状态得到重新调整，断层面泥化夹层在形成水膜面时在水平方向的变形荷载为：
（4）
式中：F—为此类平移断层发生变形破坏的净力；
L—为泥化夹层的长度。
其余符号意义同前。
Kd的大小除受控于地质因素外，工程开挖人工扰动（如爆破）对Kd的影响则是至关重要的。由于人工扰动而使得不连续的水膜面逐渐连接起来，从而由图2并式（3）知Kd值减小。当所有的水膜面连成一个连续面时，则Kd =0，由式（4）知，F值显著增大，由此而引发工程体的灾害性事故。限于目前国内外的技术因素，现场测定Kd值尚无可能。试验室对Kd进行计算一般可按下述方法进行：从现场取出含有水膜面的40~60cm×40~60cm的立方体原状样，将试样放入雾箱内，水膜面即出现白色线条，由此而实测其长度，从而计算出Kd值。
泥化夹层水膜面的形成是一个逆反过程。当水膜面的形成条件具备时，泥化夹层水膜面强度C w、φw很小；但当形成水膜面条件消失时，泥化夹层水膜面强度又恢复到C s、φs。由泥化夹层水膜面的这一力学特性可得出岩土工程灾害的特征及防治对策。
5 断层区域岩体灾害及防治
平移断层区域的原岩应力状态特征、泥化夹层的物理力学作用、水膜面的水膜效应及断层两盘的岩体结构决定了岩土工程灾害的特征为应变破坏。
5.1在岩体开挖期间应变破坏的具体表现形式
当断层两盘岩体较完整时，岩体开挖穿越断层时多引起错位，轴线出现断点。隧洞断面严重变形；山体边坡可能引起山体大范围的位移变形甚至失稳。
当断层两盘岩体节理较为发育时，泥化夹层中的水膜效应必然会首先引起隧洞的局部变形或掉块，以至于波及到整个隧洞的坍塌，或岩层顺层滑移而形成大范围坍塌；山体开挖将会使山坡体出现局部较大变形并逐步演变成工程灾害。
5.2灾害防治必须从机制入手，从根本上扼制灾害发生
水是泥化夹层强度明显降低的最主要因素，防治水首当其冲。疏排水阻止泥化夹层水膜面形成，保持断层中泥化夹层的原始强度。
减小山体开挖的人工扰动烈度，如采用先进的爆破技术，消除外部环境引起的震动影响，使泥化夹层水膜化的外部因素得到控制。
超前支护与疏排水相结合。对成洞隧道进行不等强支护，尤其是当泥化夹层暴露时，及时对隧道局部进行集中加固，以防止隧洞断面变形，保持隧道的整体稳定性。对于山体边坡，尽量避免雨季施工，及时对开挖山体进行支护并采取加载措施。
6 结语
a.根据泥化夹层的形成机制与过程，阐述了泥化夹层的分布特征；
b.从理论上研究了泥化夹层水膜面的形成机理及其特殊的力学特性，即水膜面的形成使泥化夹层的强度降低了一个数量级之多，当水膜面消失后，泥化夹层抗剪强度又回复到其初始值；
c.结合泥化夹层水膜面的力学特性，给出了引起岩体变形灾害的净荷载公式。
d.总结了岩体开挖的灾害类型，为进一步的理论研究及制定工程灾害防治策略提供了思路。
参考文献：
[1]曲永新. 某水利工程泥化夹层的形成及变化趋势的研究[J]. 地质科学,1977(4)：363~371
[2]黎克日, 康文法. 岩体中泥化夹层的流变试验及其长期强度的确定[J]. 岩土力学,1983,4(1)：39~46
[3]Yan Ronggui, Du Wei ping. The Study on Mechanism of A Mine Large Landslide under the Solide-Liquid Coupling. International Symposium on Coupled Phenomena in Civil, Mining and Petroleum Engineering. Sanya, Hainan, P R C. Nov 1,1999
[4]杜炜平.复合式岩土工程破坏特征与防治对策[J].防灾减灾工程学报，2006（25）：101～105
[5]谭罗荣.葛洲坝泥化夹层的物质组成特性[J]. 岩土力学, 1984,5(2):27~34
作者简介：杜炜平（1970－），男，高級工程师，博士。主要从事工程管理和岩土工程研究工作。