广西碎屑岩典型区域软弱夹层强度特性及其对边坡稳定性的深度剖析

广西碎屑岩典型区域软弱夹层强度特性及其对边坡稳定性的深度剖析一、绪论1.1研究背景与意义广西地区地质条件复杂，碎屑岩分布广泛，在漫长的地质演化进程中，受沉积环境差异、构造运动影响以及风化侵蚀作用，碎屑岩中常发育有软弱夹层。这些软弱夹层的存在，极大地改变了岩体原本的完整性和力学特性，对区域边坡稳定性构成严重威胁。近年来，随着广西地区基础设施建设规模的不断扩大，如公路、铁路、水利水电等工程的大力推进，不可避免地涉及大量的边坡开挖与建设。在工程实践中，因软弱夹层引发的边坡失稳事故屡见不鲜，给工程建设带来巨大经济损失的同时，也对人民生命财产安全造成了严重威胁。例如，在某高速公路建设项目中，由于对边坡中软弱夹层的强度特性认识不足，施工过程中边坡突然发生滑坡，不仅导致工程被迫停工数月，延误了工期，还额外增加了高额的边坡加固处理费用；在一些山区的铁路建设中，因软弱夹层导致的边坡坍塌，曾造成铁路线路中断，严重影响了交通运输的正常运行。因此，深入开展广西碎屑岩典型区域软弱夹层强度特性及其对边坡稳定性影响的研究，具有极为重要的现实意义。从工程安全角度来看，准确掌握软弱夹层的强度特性，是合理设计边坡工程的关键前提。在边坡设计过程中，若对软弱夹层强度估计过高，会使设计偏于不安全，在工程运营过程中容易引发边坡失稳事故；反之，若对其强度估计过低，又会导致工程设计过于保守，增加不必要的工程投资。通过对软弱夹层强度特性进行系统研究，获取准确的力学参数，能够为边坡工程的设计提供科学依据，优化设计方案，确保工程在施工及运营期间的安全稳定，避免因边坡失稳而带来的巨大经济损失和社会影响。在地质灾害防治方面，研究软弱夹层对边坡稳定性的影响，有助于提前预测和防范边坡地质灾害的发生。广西地区降水丰富，强降雨天气频繁，雨水入渗会进一步降低软弱夹层的强度，增加边坡失稳的风险。通过分析软弱夹层在不同工况下对边坡稳定性的影响规律，建立科学合理的边坡稳定性评价模型，能够及时准确地对边坡稳定性进行评估，提前发出地质灾害预警，为采取有效的防灾减灾措施提供充足的时间，从而最大限度地减少地质灾害造成的人员伤亡和财产损失，保护生态环境，促进区域经济的可持续发展。1.2国内外研究现状1.2.1软弱夹层的分类在软弱夹层分类领域，国内外学者从不同角度建立了多种分类体系。国外方面，部分学者依据成因将软弱夹层划分为原生型与次生型。原生型夹层指原岩在成岩过程中本身岩性软弱，常富集片状矿物；次生型则是因层间软弱带风化、地下水作用泥化或地壳内外动力作用致使岩体应力释放而形成软弱裂隙带。这种分类方式聚焦于软弱夹层的形成根源，对研究其初始特性及后续演化具有重要指导意义，适用于地质成因分析及基础地质研究领域。例如，在对美国某山区岩体的研究中，通过这种分类方法清晰地梳理出不同类型软弱夹层的分布规律，为区域地质稳定性评估提供了关键依据。国内学者则结合工程实际需求，提出了更为细致的分类方法。如根据软弱夹层的物质组成、结构特征以及对工程的影响程度，将其分为软岩夹层、碎块夹层、碎屑夹层和泥化夹层。软岩夹层抗压强度一般小于15MPa，摩擦系数为0.40-0.60，变形模量小于2.0GPa，常见于红层地区；破碎夹层主要由80%以上粗颗粒组成，细颗粒成分较少；破碎夹泥层以细颗粒（0.2-2.0mm）和粗颗粒（>2.0mm）为主，黏粒含量占10%-30%，摩擦系数为0.30-0.45，变形模量为0.05-0.20GPa；泥化夹层结构松散，局部泥质团块呈定向排列，黏粒含量大于30%，摩擦系数为0.15-0.30，变形模量一般小于0.05GPa。这种分类体系紧密联系工程实际，便于工程人员根据不同类型软弱夹层的特性制定相应的工程处理措施，广泛应用于各类岩土工程设计与施工中。在国内某大型水利枢纽工程建设中，借助该分类方法准确识别出坝基中不同类型的软弱夹层，为坝基处理方案的设计提供了精准依据，保障了工程的安全稳定。1.2.2软弱夹层的成因及特征软弱夹层的形成是多种地质因素共同作用的结果。地质构造运动在其中扮演着关键角色，褶皱、断层等构造活动使岩体产生层间错动、挤压破碎，为软弱夹层的形成创造了条件。在强烈的褶皱作用下，岩层发生弯曲变形，软硬相间的岩层在层间应力作用下，软弱岩层易被错动、揉皱，形成厚度不一的软弱结构带。同时，沉积环境也对软弱夹层的形成有着重要影响。在湖泊、沼泽等静水沉积环境中，细粒物质如黏土、粉砂等大量沉积，形成岩性软弱的夹层；而在河流相沉积环境中，由于水流速度变化，也可能导致不同粒径物质交替沉积，形成相对软弱的夹层。在物质组成方面，软弱夹层主要由黏土矿物、粉粒、有机质等构成，其中黏土矿物含量较高，亲水性强，赋予了软弱夹层显著的膨胀性和收缩性。在含水量变化时，黏土矿物会发生膨胀或收缩，进而改变软弱夹层的物理力学性质。结构构造上，软弱夹层通常呈薄层状或透镜状，与周围岩体存在明显的物理力学性质差异。其结构疏松，孔隙度高，渗透性强，这些特性使得软弱夹层在受力时容易发生变形和破坏，且在地下水作用下，易被侵蚀、软化，进一步降低其强度。1.2.3软弱夹层的物理力学性质关于软弱夹层的物理力学性质，众多学者开展了大量研究。在密度方面，由于软弱夹层物质组成以细粒为主，其密度通常低于相邻坚硬岩层，一般在2.0-2.5g/cm³之间。含水量是影响软弱夹层性质的关键因素，其含水量往往较高，常处于饱和或接近饱和状态，这使得软弱夹层的强度降低，压缩性增大。例如，当含水量增加时，软弱夹层的抗剪强度会显著下降，导致边坡或地基的稳定性变差。抗剪强度是软弱夹层力学性质的核心指标，其大小受多种因素制约。内摩擦角和黏聚力是衡量抗剪强度的重要参数，软弱夹层的内摩擦角一般在15°-30°之间，黏聚力在0.05-0.3MPa之间，远低于坚硬岩体。软弱夹层的矿物成分、粒度成分、结构类型以及含水状态等都会对抗剪强度产生影响。黏土矿物含量高的软弱夹层，其抗剪强度相对较低；粒度越细，抗剪强度也越低；结构疏松的软弱夹层，抗剪强度同样较低。此外，软弱夹层的变形模量也较低，一般在0.01-1.0GPa之间，表明其在受力时容易发生变形，对工程结构的承载能力和稳定性产生不利影响。1.2.4软弱夹层的蠕变特性在软弱夹层蠕变特性研究方面，国内外取得了一系列重要进展。蠕变试验方法不断丰富和完善，室内试验通过对软弱夹层试件施加恒定荷载，利用高精度位移传感器和压力传感器，实时监测试件在长时间荷载作用下的变形和应力变化。在现场试验中，采用原位加载装置，对天然状态下的软弱夹层进行加载测试，获取更贴近实际工程条件的蠕变数据。这些试验为深入研究软弱夹层的蠕变特性提供了坚实的数据基础。学者们基于试验数据，建立了多种蠕变模型来描述软弱夹层的蠕变行为。经验模型如西原模型，通过对试验数据的拟合，建立起应力、应变与时间之间的经验关系，能较好地模拟软弱夹层在特定条件下的蠕变过程。而基于力学原理的本构模型，则从微观力学角度出发，考虑软弱夹层内部颗粒间的相互作用、位错运动等因素，构建更具物理意义的蠕变模型，如Burgers模型。这些模型在预测软弱夹层的长期变形和稳定性方面发挥了重要作用。软弱夹层的蠕变对边坡稳定性有着长期且深远的影响。随着时间推移，软弱夹层在蠕变作用下持续变形，会逐渐改变边坡的应力分布和变形状态。当蠕变变形积累到一定程度，可能导致边坡失稳，引发滑坡等地质灾害。在某山区公路边坡建设中，由于对软弱夹层的蠕变特性认识不足，运营数年后，边坡因软弱夹层蠕变发生了明显的变形和位移，严重威胁到公路的安全运营。因此，在边坡工程设计和分析中，必须充分考虑软弱夹层的蠕变特性，以确保边坡的长期稳定性。1.2.5含软弱夹层边坡的稳定性研究含软弱夹层边坡稳定性的分析方法和评价指标一直是岩土工程领域的研究重点。定性分析法中，工程地质法通过对边坡的地质条件、地形地貌、岩土体结构等进行详细的地质勘察和分析，结合工程经验，对边坡的稳定性进行定性评价。这种方法简单直观，但主观性较强，受评价人员经验水平影响较大。边坡分级评价法则根据边坡的高度、坡度、岩土体性质等因素，将边坡划分为不同等级，依据相应等级的评价标准对边坡稳定性进行评价，具有一定的系统性和规范性。定量分析法在含软弱夹层边坡稳定性研究中应用广泛。极限平衡法通过建立边坡的力学平衡方程，求解边坡的安全系数来评价其稳定性，如瑞典条分法、毕肖普法等。该方法原理简单，计算方便，但假设条件较多，未考虑岩土体的应力应变关系和变形协调条件。数值模拟法借助计算机技术，采用有限元法、离散元法等对边坡进行数值建模，模拟边坡在各种工况下的应力、应变和变形情况，能更全面地反映边坡的实际力学行为，但计算过程复杂，对模型参数的选取要求较高。不同分析方法各有优缺点和适用条件。定性分析法适用于初步勘察和对边坡稳定性要求不高的工程；极限平衡法适用于简单边坡的稳定性分析；数值模拟法适用于复杂地质条件和对边坡稳定性要求较高的工程。在实际工程中，通常需要综合运用多种方法，相互验证，以提高边坡稳定性评价的准确性和可靠性。1.3研究内容与技术路线1.3.1研究内容本文选取广西地区具有代表性的碎屑岩分布区域，如广西的山区、河谷地带等，这些区域的碎屑岩受地质构造运动和风化作用影响显著，软弱夹层发育典型。通过现场地质测绘、钻孔勘探等手段，详细查明软弱夹层在这些典型区域的分布位置、层数、厚度以及与周边岩体的接触关系，为后续研究提供基础地质资料。采用室内试验和现场原位测试相结合的方法，系统研究软弱夹层的强度特性。室内试验包括常规的物理性质试验，如密度、含水量、颗粒分析等，以明确软弱夹层的物质组成特征；力学性质试验则开展直剪试验、三轴压缩试验等，获取软弱夹层的抗剪强度参数（内摩擦角、黏聚力）、抗压强度等指标。通过现场原位测试，如现场大型直剪试验，进一步验证和补充室内试验结果，确保获取的强度参数更符合实际工程情况。同时，分析软弱夹层的矿物成分、粒度成分、结构类型以及含水状态等因素对其强度特性的影响机制，建立强度特性与各影响因素之间的定量关系。运用数值模拟软件，建立含软弱夹层的边坡模型，模拟不同工况下边坡的应力、应变和位移分布情况，分析软弱夹层对边坡稳定性的影响规律。考虑的工况包括自然状态、降雨入渗、地震作用等。在自然状态下，分析软弱夹层在自重作用下对边坡稳定性的影响；降雨入渗工况中，模拟雨水渗入边坡后，软弱夹层强度降低对边坡稳定性的影响，研究不同降雨强度和降雨持续时间下边坡的稳定性变化；地震作用工况下，考虑不同地震波特性和地震加速度，分析软弱夹层在地震作用下的动力响应以及对边坡稳定性的影响。结合数值模拟结果和极限平衡理论，对含软弱夹层边坡的稳定性进行定量评价，计算边坡的安全系数，确定边坡的潜在滑动面，为边坡的加固设计提供理论依据。1.3.2技术路线研究技术路线从资料收集与整理出发，广泛收集广西碎屑岩区域的地质勘察报告、工程建设资料以及前人相关研究成果，全面了解研究区域的地质背景、软弱夹层的研究现状等信息，为后续研究奠定基础。进行现场调研与勘察，实地考察典型区域的地质条件，开展地质测绘工作，详细记录地形地貌、地层岩性、地质构造等信息，确定软弱夹层的出露位置和分布范围。布置勘探钻孔，获取软弱夹层及周边岩体的岩芯样本，为室内试验提供材料。在室内试验阶段，对采集的岩芯样本进行物理性质试验，测定其密度、含水量等参数；开展力学性质试验，如直剪试验、三轴试验等，获取软弱夹层的强度参数。同时，利用扫描电镜、X射线衍射等微观测试手段，分析软弱夹层的矿物成分和微观结构。利用数值模拟软件，依据现场勘察和试验数据建立含软弱夹层的边坡模型，设置不同工况进行模拟分析，得到边坡在各种工况下的应力、应变和位移云图，分析软弱夹层对边坡稳定性的影响。综合室内试验和数值模拟结果，结合极限平衡理论，对边坡稳定性进行评价，提出针对性的边坡加固措施和建议，形成研究报告，为广西地区类似工程提供参考。整个技术路线体现了从理论到实践、从宏观到微观、从定性到定量的研究思路，确保研究的科学性和可靠性。二、广西碎屑岩区工程地质条件2.1广西碎屑岩分布概况及典型研究区选择2.1.1广西碎屑岩分布概况广西地区处于华南板块的西南缘，经历了多期复杂的地质构造运动，包括加里东运动、海西-印支运动以及燕山运动等，这些构造运动塑造了广西独特的地质构造格局，为碎屑岩的形成和分布奠定了基础。在漫长的地质历史时期，广西地区的沉积环境复杂多变，海陆交替频繁，河流、湖泊、滨海等沉积相广泛发育，为碎屑物质的沉积提供了丰富的来源和多样的沉积场所。广西碎屑岩在空间上呈现出较为广泛的分布态势。在桂北地区，以寒武系、奥陶系碎屑岩为主，这些碎屑岩主要由变质砂岩、页岩等组成，形成于深海-半深海相沉积环境，受区域变质作用影响，岩石普遍具有片理构造，质地较为坚硬。桂中地区的碎屑岩则多为泥盆系、石炭系，岩性主要包括砂岩、粉砂岩和页岩，沉积环境主要为滨海-浅海相，岩石中常含有丰富的海相化石，反映了当时温暖的浅海沉积环境。桂西地区广泛分布着三叠系碎屑岩，如田林、西林等地，主要为砂岩、泥岩互层，形成于陆相-海陆过渡相沉积环境，受后期构造运动影响，岩层褶皱、断裂发育，岩石完整性较差。2.1.2广西碎屑岩区滑坡发育特征通过对广西碎屑岩区滑坡的统计分析发现，该区域滑坡发生频率较高，尤其是在桂西、桂北等碎屑岩广泛分布的山区。据相关资料统计，过去几十年间，广西碎屑岩区每年平均发生滑坡数十起，且呈逐渐增多的趋势。滑坡规模大小不一，小型滑坡（滑坡体体积小于10万立方米）数量居多，约占总数的70%，主要由降雨引发，对山区居民点和小型基础设施造成破坏；中型滑坡（滑坡体体积在10-100万立方米之间）约占25%，常发生于地形起伏较大、岩土体结构复杂的区域，对公路、铁路等交通设施威胁较大；大型滑坡（滑坡体体积大于100万立方米）虽然数量较少，但一旦发生，危害极大，会造成严重的人员伤亡和财产损失，如20XX年发生在桂西某山区的大型滑坡，掩埋了整个村庄，导致数十人遇难。从分布规律来看，广西碎屑岩区滑坡主要集中在碎屑岩与其他岩性接触带、褶皱核部、断裂破碎带以及地形坡度大于30°的区域。在碎屑岩与碳酸盐岩接触带，由于两种岩石的物理力学性质差异较大，在地下水作用下，碎屑岩易软化、泥化，导致边坡失稳；褶皱核部和断裂破碎带岩体破碎，结构面发育，抗滑能力降低，容易引发滑坡；地形坡度较大的区域，岩土体自重产生的下滑力大，稳定性差，在降雨、地震等因素作用下，极易发生滑坡。通过对多个滑坡案例的分析发现，滑坡的发生与碎屑岩的分布密切相关，碎屑岩分布区滑坡发生的概率明显高于其他岩性区域，这是由于碎屑岩的抗风化能力较弱，在长期的风化作用下，岩体破碎，结构松散，加之广西地区降水丰富，雨水入渗使碎屑岩强度降低，增加了滑坡发生的可能性。2.1.3软弱夹层的分类结合广西碎屑岩区实际情况，可将软弱夹层分为以下几类。软岩夹层，主要由泥岩、页岩等软岩组成，这类软岩抗压强度一般小于15MPa，如在桂西三叠系碎屑岩中常见的泥岩夹层，遇水后强度迅速降低，具有明显的软化特性。其矿物成分以黏土矿物为主，亲水性强，吸水后体积膨胀，导致岩体结构破坏。软岩夹层的结构较为致密，但由于岩性软弱，在工程荷载作用下容易发生塑性变形，对工程稳定性影响较大。碎块夹层，由破碎的岩石块体和少量的充填物组成，其中破碎岩石块体含量一般在80%以上。这种夹层常见于断裂破碎带附近，如桂北地区的一些断层破碎带中，由于受到强烈的构造应力作用，岩石破碎成大小不一的碎块，碎块之间充填有少量的黏土、粉砂等细粒物质。碎块夹层的结构较为松散，透水性较强，力学性质不均匀，在工程建设中，容易引起地基不均匀沉降和边坡失稳。碎屑夹层，主要由碎屑物质组成，粒度较细，以粉粒和砂粒为主。在桂中地区的一些河流相沉积碎屑岩中，常发育有碎屑夹层，其物质来源主要是河流搬运的碎屑物质，在水流速度减缓时沉积形成。碎屑夹层的结构相对较紧密，但抗剪强度较低，尤其是在饱水状态下，其抗剪强度会显著降低，容易导致边坡滑动。泥化夹层，是在特定地质条件下，由其他类型的软弱夹层经过风化、地下水作用等进一步演化形成。其黏粒含量大于30%，结构松散，呈泥状或软塑状。在广西碎屑岩区，泥化夹层多发育于缓倾角的层间错动带中，地下水长期作用使夹层中的岩石矿物发生水解、水化等化学反应，形成大量的黏土矿物，导致夹层泥化。泥化夹层的抗剪强度极低，摩擦系数一般在0.15-0.30之间，是影响工程稳定性的关键因素之一。各类软弱夹层具有不同的特征和识别标志。软岩夹层颜色较深，多为灰黑色、深灰色，岩性细腻，用手触摸有滑腻感，遇水易软化、崩解。碎块夹层中可见明显的破碎岩石块体，块体之间的胶结程度较差，敲击时声音沉闷。碎屑夹层粒度较细，分选性较好，层理清晰，在显微镜下可观察到碎屑颗粒的排列方式。泥化夹层颜色多为灰白色、灰黄色，具有明显的可塑性，手指按压易变形，且遇水后呈流塑状。2.1.4典型研究区的选择本文选择西林县作为典型研究区，主要基于以下依据。西林县位于广西壮族自治区最西端，地处桂、滇、黔三省（区）结合部，地理坐标为北纬24°01′—24°44′，东经104°29′—105°36′之间。全县总面积3020平方公里，地势由西北向东南倾斜，处于云贵高原向广西丘陵过渡的褶皱带，地形起伏较大，相对高差可达1000余米。这种独特的地理位置和地形地貌条件，使得西林县碎屑岩分布广泛，且受构造运动影响强烈，软弱夹层发育典型，为研究软弱夹层强度特性及其对边坡稳定性影响提供了丰富的地质素材。从交通条件来看，西林县交通较为便利，有多条公路贯穿境内，如田西高速公路等，这为开展现场调研、勘察以及试验工作提供了便利条件，便于研究人员快速到达研究区域，获取第一手资料。同时，西林县近年来基础设施建设不断推进，在公路、铁路等工程建设过程中，遇到了诸多与软弱夹层相关的工程地质问题，积累了丰富的工程案例，为研究提供了实践基础。此外，西林县地质灾害频发，尤其是滑坡灾害，对当地人民生命财产安全造成了严重威胁，开展该区域软弱夹层的研究，对于解决实际工程问题、保障区域地质安全具有重要的现实意义。2.2广西西林县工程地质条件2.2.1地形地貌西林县地处云贵高原向广西丘陵过渡的褶皱带，地势呈现由西北向东南倾斜的态势。全县地势起伏较大，以中-低山地形地貌为主，地形切割较深。境内山脉纵横，土岭连绵，沟壑纵横，土山占全县总面积的98%，其余为石灰熔岩区。海拔一般高度在390-1100米之间，平均海拔达890米。最高点位于古障镇王子山，海拔高达1883.3米；最低点位于那佐乡达下村达下屯附近河谷，海拔仅390米。这种较大的地形高差，使得区域内地形起伏显著，为滑坡等地质灾害的发生提供了地形条件。在地貌类型上，西林县主要包括构造侵蚀地貌和溶蚀地貌。构造侵蚀地貌广泛分布，主要由碎屑岩经长期构造运动和流水侵蚀作用形成。在山区，由于地壳抬升，河流下切作用强烈，形成了深切的峡谷和陡峭的山坡，山坡坡度一般在30°-60°之间。这些山坡岩体破碎，风化作用强烈，在降雨、地震等因素作用下，极易发生滑坡、崩塌等地质灾害。溶蚀地貌主要发育在碳酸盐岩分布区，由于岩溶作用，形成了峰林、溶洞、地下河等独特的地貌景观。在溶蚀地貌区，岩体结构破碎，地下水位变化大，容易引发地面塌陷等地质灾害。地形地貌对边坡稳定性有着显著影响。在山区，高陡的地形坡度使得岩土体自重产生的下滑力增大，而抗滑力相对减小，边坡稳定性降低。当山坡坡度超过一定角度时，岩土体处于临界平衡状态，稍有外界因素扰动，如降雨、地震等，就可能导致边坡失稳。此外，地形的起伏还会影响地表水和地下水的流动，在山坡的低洼处，容易形成汇水区域，地表水大量积聚，渗入地下后，会增加岩土体的含水量，降低其抗剪强度，从而引发边坡滑坡。在溶蚀地貌区，由于岩溶洞穴和地下河的存在，会削弱岩体的承载能力，导致岩体局部失稳，进而引发边坡坍塌。2.2.2地质构造西林县处于区域构造的复杂部位，经历了多期构造运动，褶皱、断层等地质构造发育。在褶皱构造方面，主要有轴向近南北向和近东西向的褶皱。轴向近南北向的褶皱较为紧密，核部地层受强烈挤压，岩石破碎，节理裂隙发育，如在古障镇一带，可见到紧闭褶皱，核部岩石片理化现象明显。轴向近东西向的褶皱相对开阔，但翼部地层倾角较大，在重力和构造应力作用下，易发生层间错动，为软弱夹层的形成创造了条件。区内断层构造也较为发育，主要有正断层和逆断层。正断层一般规模较小，断层面倾角较陡，多在60°-80°之间，如八达镇附近的一些小型正断层，对岩体的完整性破坏较小，但可能会影响地下水的径流方向。逆断层规模相对较大，断层面倾角较缓，一般在30°-50°之间，如马蚌镇至古障镇一带的逆断层，使地层发生错动，破碎带宽度可达数十米，破碎带内岩石破碎，充填有大量的断层泥和角砾，形成了软弱结构面。地质构造对软弱夹层的形成和分布具有重要的控制作用。褶皱作用使岩层发生弯曲变形，在软硬相间的岩层中，软岩受到挤压、揉皱，形成厚度不一的软弱夹层。例如，在三叠系碎屑岩中，泥岩和砂岩互层，在褶皱作用下，泥岩夹层发生塑性变形，形成软弱结构带。断层活动导致岩体破碎，断层破碎带内岩石被研磨成细粒物质，在地下水作用下，这些细粒物质发生泥化、软化，形成软弱夹层。逆断层的上盘岩体受挤压，岩石破碎，在断层破碎带内常形成泥化夹层，其抗剪强度极低，对工程稳定性影响极大。同时，地质构造还控制着软弱夹层的分布位置和延伸方向，软弱夹层多分布在褶皱核部、断层破碎带以及节理裂隙密集带等构造薄弱部位。2.2.3地层岩性西林县出露的地层主要为三叠系，局部有少量二叠系和第四系。三叠系地层广泛分布，是区内的主要地层，岩性主要为砂岩、泥岩和页岩等碎屑岩，厚度可达数千米。二叠系地层主要分布在县境北部，岩性为石灰岩、燧石灰岩等。第四系地层主要分布在河谷、山间盆地等低洼地带，为冲积、洪积和残积物，岩性主要为黏土、粉质黏土、砂土等。三叠系碎屑岩的矿物组成主要包括石英、长石、云母、黏土矿物等。石英和长石是主要的碎屑矿物，石英含量一般在30%-50%之间，长石含量在20%-30%之间，它们构成了碎屑岩的骨架。云母和黏土矿物含量相对较少，但对碎屑岩的性质有着重要影响。云母具有片状结构，易沿解理面滑动，降低岩石的抗剪强度；黏土矿物主要有蒙脱石、伊利石和高岭石等，亲水性强，遇水后会发生膨胀、软化，显著降低岩石的强度。地层岩性与软弱夹层密切相关。在三叠系碎屑岩中，泥岩和页岩等软岩常作为软弱夹层存在。泥岩矿物成分以黏土矿物为主，结构致密，透水性差，但抗风化能力弱，在风化作用和地下水作用下，容易泥化、软化，形成软弱夹层。页岩具有薄片状结构，层理发育，强度较低，在层间错动和风化作用下，也易形成软弱夹层。此外，在砂岩与泥岩互层的地层中，由于两种岩石的力学性质差异较大，在构造应力作用下，容易在界面处产生层间错动，形成软弱结构面。2.2.4气象水文条件西林县属亚热带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季温和少雨。多年平均降水量在1100-1300毫米之间，降水主要集中在5-9月，约占全年降水量的70%-80%。其中，6-8月为降雨高峰期，月平均降水量可达200-300毫米，且多暴雨天气，日最大降水量可达150毫米以上。强降雨会使岩土体含水量迅速增加，重度增大，同时降低岩土体的抗剪强度，增加边坡失稳的风险。多年平均气温为19-21℃，夏季气温较高，月平均气温可达25-28℃；冬季气温相对较低，月平均气温在10-12℃之间。气温的变化会导致岩土体的热胀冷缩，使岩石内部产生应力，加速岩石的风化和破碎。蒸发量年平均在1400-1600毫米之间，蒸发作用会使岩土体中的水分散失，导致岩土体干裂，降低其抗风化能力和抗剪强度。西林县境内河流众多，主要有驮娘江、古障河、那佐河等。驮娘江是境内最大的河流，发源于云南广南县，流经西林县多个乡镇，在县内流程较长，水量丰富。河流对边坡稳定性的影响主要体现在两个方面：一是河流的侵蚀作用，会使河岸坡脚被冲刷，导致边坡下部失去支撑，从而引发边坡坍塌；二是河水的浸泡作用，会使边坡岩土体饱水，强度降低，增加边坡失稳的可能性。地下水类型主要有孔隙水、裂隙水和岩溶水。孔隙水主要赋存于第四系松散堆积物中，水位受降水和地表水补给影响较大，水位变化较频繁。裂隙水主要分布在碎屑岩和基岩的裂隙中，其富水性与岩石的裂隙发育程度密切相关，在构造破碎带和节理密集带，裂隙水较为丰富。岩溶水主要存在于碳酸盐岩分布区的岩溶洞穴和溶蚀裂隙中，其水位和水量变化较大，在雨季时，岩溶水水位迅速上升，可能对周边岩土体产生浮托力，降低边坡的稳定性。2.2.5水文地质条件西林县含水层主要包括第四系松散堆积物含水层和碎屑岩裂隙含水层。第四系松散堆积物含水层主要分布在河谷、山间盆地等低洼地带，岩性为黏土、粉质黏土、砂土等，透水性较好，富水性中等。该含水层主要接受大气降水和地表水的补给，通过蒸发和侧向径流排泄。碎屑岩裂隙含水层分布广泛，主要赋存于三叠系碎屑岩的裂隙中。其富水性受岩石裂隙发育程度、构造运动等因素影响，在褶皱核部、断层破碎带等构造薄弱部位，裂隙发育，富水性较好；而在完整的岩体中，裂隙不发育，富水性较差。该含水层主要接受大气降水和上覆含水层的补给，通过泉、地下径流等方式排泄。隔水层主要为泥岩、页岩等相对隔水层。泥岩结构致密，透水性差，能够有效阻挡地下水的垂向运动，起到隔水作用。页岩具有薄片状结构，层理发育，透水性较弱，也可作为隔水层。这些隔水层的存在，控制了地下水的径流路径和排泄方式，使地下水在含水层中运移时，遇到隔水层会发生侧向径流或汇聚，从而影响边坡岩土体的含水量和孔隙水压力。地下水的补给主要来源于大气降水，降水通过地表入渗进入含水层。在山区，地形坡度较大，地表径流速度快，入渗量相对较少；而在河谷、山间盆地等低洼地带，地形平坦，地表径流速度慢，入渗量相对较大。地表水也是地下水的重要补给源，河流、水库等地表水通过渗漏补给地下水。地下水的径流方向主要受地形和地质构造控制，总体上由高地势向低地势流动。在山区，地下水多沿山坡坡面径流；在河谷地带，地下水则向河谷方向径流。排泄方式主要有泉排泄、地下径流排泄和蒸发排泄。泉排泄是地下水在地形低洼处或岩石裂隙出露处，以泉的形式涌出地表；地下径流排泄是地下水通过含水层向河流、湖泊等排泄；蒸发排泄是在干旱地区或地下水位较浅的区域，地下水通过土壤蒸发和植物蒸腾作用排泄。水文地质条件对软弱夹层强度有着重要影响。地下水的长期浸泡会使软弱夹层中的黏土矿物发生水化作用，导致夹层软化、泥化，抗剪强度降低。地下水的渗流会产生动水压力，对软弱夹层产生冲刷作用，带走夹层中的细颗粒物质，破坏夹层的结构，进一步降低其强度。此外，地下水水位的变化会引起软弱夹层孔隙水压力的改变，当孔隙水压力增大时，有效应力减小，软弱夹层的抗剪强度降低，从而增加边坡失稳的风险。2.2.6场地条件西林县研究场地地形起伏较大，在山区，地面坡度一般在20°-40°之间，局部地段可达60°以上。场地平整度较差，给工程建设带来了一定的困难，在进行工程建设时，需要进行大量的场地平整工作，如填方、挖方等。填方工程可能会导致地基土的不均匀沉降，挖方工程则可能破坏山体的稳定性，引发边坡失稳。岩土体均匀性方面，由于场地内主要为碎屑岩，受地质构造、风化作用等因素影响，岩土体性质存在较大差异。在褶皱核部和断层破碎带，岩石破碎，结构松散，力学性质较差；而在完整的岩体中，岩石较为坚硬，力学性质较好。这种岩土体的不均匀性，使得工程建设中地基处理和边坡支护难度增大。在地基处理时，需要根据不同部位岩土体的性质，采用不同的处理方法，如换填法、强夯法等；在边坡支护时，需要针对不同地段的岩土体特性，设计合理的支护方案，如挡土墙、锚杆锚索等。场地条件对工程建设和边坡稳定性影响显著。地形起伏大和平整度差，增加了工程建设的成本和难度，同时也增加了边坡失稳的风险。岩土体的不均匀性，容易导致地基不均匀沉降和边坡滑动。在工程建设过程中，若对场地条件认识不足，未采取有效的工程措施，可能会引发一系列工程地质问题，如建筑物开裂、倾斜，边坡滑坡、崩塌等，给工程建设和人民生命财产安全带来严重威胁。2.3广西西林县碎屑岩顺层边坡分析2.3.1顺层岩质边坡定义及特征顺层岩质边坡是指岩土体层面与边坡坡面倾向一致或基本一致的边坡类型。在西林县碎屑岩分布区，这类边坡较为常见，其形成与区域地质构造和地层岩性密切相关。由于长期的构造运动和风化作用，碎屑岩地层常发生褶皱、断裂，使得岩层层面与坡面的相对位置关系呈现出顺层的特征。顺层岩质边坡具有独特的坡面形态，一般较为平整，且坡面走向与岩层走向基本一致。岩层倾角对边坡稳定性有着显著影响，当岩层倾角较小时，边坡相对稳定；随着岩层倾角的增大，边坡的稳定性逐渐降低。当岩层倾角超过一定角度时，边坡在自重和外部荷载作用下，容易沿层面发生滑动破坏。从稳定性特点来看，顺层岩质边坡在自然状态下，若没有外界因素的干扰，可能处于相对稳定状态。但由于其结构面与坡面倾向一致，抗滑能力较弱，一旦受到降雨、地震、工程开挖等因素的影响，就容易发生失稳破坏。在降雨条件下，雨水渗入岩层，会增加岩土体的重量，降低层面的抗剪强度，从而引发边坡滑动。工程开挖过程中，若破坏了边坡的原有平衡状态，如切坡过陡、坡脚开挖等，也会导致边坡稳定性急剧下降。2.3.2顺层岩质边坡分类根据岩层组合和结构特征，可将顺层岩质边坡分为以下几类。单层顺层边坡，即由单一岩性的岩层构成的顺层边坡，如西林县一些地区的砂岩顺层边坡。这类边坡的稳定性主要取决于岩层的强度和结构，若岩层较为完整，强度较高，则边坡相对稳定；反之，若岩层破碎，强度较低，边坡稳定性较差。多层顺层边坡，由多层不同岩性的岩层组成，各岩层之间的力学性质存在差异。在西林县碎屑岩分布区，常见的是砂岩与泥岩互层的多层顺层边坡。由于泥岩的强度较低，在边坡受力时，泥岩夹层容易发生变形和破坏，成为边坡滑动的潜在软弱面。当泥岩夹层厚度较大、连续性较好时，边坡的稳定性会受到更大影响。软硬互层顺层边坡，是指由强度差异较大的岩层交替组成的顺层边坡。在这种边坡中，硬岩起到一定的支撑作用，而软岩则容易成为滑动面。如砂岩与页岩互层的边坡，页岩的抗风化能力和抗剪强度较弱，在风化和水的作用下，页岩层容易软化、泥化，降低边坡的整体稳定性。不同类型的顺层岩质边坡稳定性存在明显差异。单层顺层边坡若岩层完整，稳定性相对较好；多层顺层边坡由于岩层组合复杂，存在多个潜在滑动面，稳定性较差；软硬互层顺层边坡，软岩夹层的存在使其稳定性介于单层顺层边坡和多层顺层边坡之间。在工程建设中，需要根据不同类型顺层边坡的特点，采取相应的加固和防护措施。2.3.3顺层岩质边坡破坏模式顺层岩质边坡常见的破坏模式有滑动破坏、崩塌破坏等。滑动破坏是顺层岩质边坡最主要的破坏模式，当边坡沿岩层层面的下滑力超过抗滑力时，就会发生滑动。在西林县碎屑岩顺层边坡中，由于软弱夹层的存在，滑动破坏往往沿着软弱夹层发生。软弱夹层的抗剪强度低，在长期的风化、水的作用下，其强度进一步降低，当受到外部荷载作用时，边坡就容易沿软弱夹层滑动。在降雨后，软弱夹层含水量增加，抗剪强度大幅下降，此时边坡更容易发生滑动破坏。崩塌破坏一般发生在边坡上部，当边坡上部的岩体因风化、卸荷等原因失去支撑时，就会发生崩塌。在顺层岩质边坡中，若岩层倾角较大，且边坡上部岩体完整性较差，在地震、爆破等动力作用下，上部岩体容易从边坡上崩落。在一些高陡的顺层岩质边坡上，由于长期的风化作用，岩体表面破碎，在暴雨冲刷或地震作用下，容易发生崩塌现象。这些破坏模式与软弱夹层密切相关。软弱夹层作为边坡中的薄弱环节，其强度和变形特性直接影响着边坡的破坏模式。软弱夹层的存在降低了边坡的整体抗滑能力，使其更容易发生滑动破坏；同时，软弱夹层的变形也会导致边坡上部岩体的应力集中，增加崩塌破坏的可能性。在分析顺层岩质边坡的稳定性时，必须充分考虑软弱夹层的影响，采取有效的措施对软弱夹层进行处理，以提高边坡的稳定性。2.4含软弱夹层碎屑岩顺层边坡工程地质问题含软弱夹层碎屑岩顺层边坡在工程建设中面临着诸多严峻的工程地质问题，其中滑坡是最为突出的问题之一。在广西西林县，由于降雨频繁，雨水入渗是导致滑坡发生的关键因素。雨水通过坡面裂隙、孔隙等通道渗入边坡内部，使软弱夹层饱水，含水量急剧增加。这不仅增大了软弱夹层的重度，使下滑力增大，还会导致软弱夹层中的黏土矿物发生水化作用，颗粒间的连接力减弱，抗剪强度大幅降低。研究表明，当软弱夹层含水量增加10%时，其抗剪强度可降低20%-30%。在重力和下滑力的作用下，边坡就容易沿着软弱夹层发生滑动破坏。在工程开挖过程中，不合理的开挖方式也会引发滑坡。如在公路建设中，若采用大开挖、高切坡的方式，会破坏边坡的原有应力平衡状态，使坡体应力重新分布，导致坡体下部支撑力减弱，上部岩土体失去平衡，从而引发滑坡。在某公路建设项目中，由于在含软弱夹层的顺层边坡处进行了过度开挖，施工过程中边坡突然发生滑坡，造成了严重的经济损失和工期延误。坍塌也是含软弱夹层碎屑岩顺层边坡常见的工程地质问题。在强降雨条件下，坡面径流对边坡的冲刷作用加剧，会带走边坡表层的岩土体，削弱边坡的稳定性。当坡面径流速度达到一定程度时，会对软弱夹层产生强烈的冲刷侵蚀，使软弱夹层逐渐被掏空，上部岩土体失去支撑，进而发生坍塌。在一些山区，由于缺乏有效的坡面防护措施，强降雨后边坡坍塌现象时有发生。风化作用也是导致坍塌的重要因素。长期的风化作用使边坡岩体表面破碎，节理裂隙发育，岩体完整性遭到破坏。在风化作用下，软弱夹层的强度不断降低，当降低到一定程度时，边坡就容易发生坍塌。如在西林县的一些山区，由于长期受风化作用影响，边坡岩体风化深度可达数米，在暴雨或地震等因素作用下，容易发生坍塌灾害。地下水活动对含软弱夹层碎屑岩顺层边坡的稳定性也有着重要影响。地下水的渗流会产生动水压力，对软弱夹层产生渗透力，使软弱夹层中的颗粒发生移动，破坏其结构，降低其抗剪强度。当动水压力达到一定值时，会导致软弱夹层发生管涌、流土等现象，进一步削弱边坡的稳定性。在一些地下水位较高的区域，地下水的浮托力会使软弱夹层的有效应力减小，抗滑力降低，从而增加边坡失稳的风险。此外，地震作用也是含软弱夹层碎屑岩顺层边坡面临的重要问题。在地震波的作用下，边坡岩土体产生强烈的震动，会使软弱夹层的结构进一步破坏，抗剪强度降低。同时，地震产生的惯性力会增大边坡的下滑力，使边坡更容易发生滑动、坍塌等破坏。在历史地震中，广西部分地区的含软弱夹层碎屑岩顺层边坡就曾因地震作用而发生大规模的滑坡和坍塌，给当地造成了严重的灾害损失。2.5本章小结本章对广西碎屑岩区工程地质条件进行了系统分析，广西碎屑岩分布广泛，受地质构造运动和沉积环境影响，不同区域碎屑岩特征差异明显。区内滑坡发育与碎屑岩分布密切相关，具有特定的发生频率、规模和分布规律。软弱夹层分类多样，包括软岩夹层、碎块夹层、碎屑夹层和泥化夹层，各有其独特的物质组成、结构特征和识别标志。西林县作为典型研究区，其工程地质条件复杂。地形地貌以中-低山为主，地势起伏大，对边坡稳定性影响显著；地质构造上，褶皱、断层发育，控制着软弱夹层的形成和分布；地层岩性主要为三叠系碎屑岩，矿物组成决定了其工程性质，且与软弱夹层密切相关；气象水文条件中，降水集中、气温变化和河流、地下水活动对边坡稳定性产生重要影响；场地条件方面，地形起伏和岩土体不均匀性增加了工程建设难度和边坡失稳风险。西林县碎屑岩顺层边坡具有独特的定义、特征和分类，常见的破坏模式为滑动破坏和崩塌破坏，与软弱夹层密切相关。含软弱夹层碎屑岩顺层边坡存在滑坡、坍塌等工程地质问题，受降雨、工程开挖、风化作用、地下水活动和地震作用等多种因素影响。研究这些内容，为后续深入研究软弱夹层强度特性及其对边坡稳定性的影响奠定了坚实基础，对解决广西地区相关工程地质问题具有重要的现实意义。三、软弱夹层土物理力学性质试验研究3.1概述本试验旨在深入探究广西西林县碎屑岩典型区域软弱夹层的物理力学性质，为该地区边坡稳定性分析及工程建设提供关键的基础数据和理论依据。软弱夹层作为影响边坡稳定性的关键因素，其物理力学性质的准确测定对于边坡工程的设计、施工以及长期稳定性评估至关重要。通过对软弱夹层物理力学性质的研究，能够揭示其内在的力学机制，为预测边坡在不同工况下的变形和破坏模式提供科学支撑，从而有效降低工程建设中的风险，保障工程的安全与稳定。试验材料选取自西林县典型研究区内多个具有代表性的钻孔和露头。在钻孔取芯过程中，严格按照相关规范操作，确保岩芯的完整性和代表性。对于露头处的软弱夹层，仔细清理表面风化层，选取新鲜、未受扰动的部分作为试验样品。共采集了[X]组软弱夹层土样，涵盖了不同类型的软弱夹层，包括软岩夹层、碎块夹层、碎屑夹层和泥化夹层，以全面反映研究区域内软弱夹层的特性。试验方法的选择依据相关的国家标准和行业规范，同时结合研究区域软弱夹层的特点。物理性质试验方面，采用环刀法测定土样的密度，该方法操作简便、精度较高，能够准确获取土样的单位体积质量；利用烘干法测定含水量，通过将土样在特定温度下烘干至恒重，计算失去的水分重量，从而得到土样的含水量，此方法是测定含水量的经典方法，结果可靠；运用筛分法和比重计法进行颗粒分析，筛分法用于分析较大粒径颗粒，比重计法用于分析细小颗粒，两者结合能够全面了解土样的颗粒组成。力学性质试验中，直剪试验采用应变控制式直剪仪，通过对土样施加水平剪切力，测定土样在不同法向压力下的抗剪强度，该方法能够直观地反映土样的抗剪特性；三轴压缩试验选用三轴仪，模拟土体在三向应力状态下的力学行为，可获取土样的抗压强度、内摩擦角和黏聚力等重要力学参数。这些试验方法在岩土工程领域广泛应用，具有成熟的理论基础和实践经验，能够为研究软弱夹层的物理力学性质提供准确、可靠的数据。3.2软弱夹层土物理性质试验研究3.2.1基本物理性质指标测定本试验选用环刀法测定软弱夹层土的密度。在样品采集时，从研究区域内多个钻孔和露头处获取具有代表性的土样，每个采样点采集3-5个样品，以保证数据的可靠性。将采集的土样小心装入已知质量的环刀中，用削土刀将环刀两端多余的土削平，确保土样与环刀紧密贴合，无孔隙和空洞。随后，用天平精确称量装有土样的环刀质量，根据环刀的体积和土样与环刀的总质量、环刀质量，计算出土样的密度。计算公式为：\rho=\frac{m_2-m_1}{V}，其中\rho为土样密度，m_1为环刀质量，m_2为环刀与土样的总质量，V为环刀体积。含水量的测定采用烘干法。取适量土样放入已知质量的铝盒中，准确称量铝盒与土样的总质量。将铝盒放入烘箱中，在105-110℃的温度下烘干至恒重，一般烘干时间为8-12小时。取出铝盒，放入干燥器中冷却至室温后，再次称量铝盒与干土的质量。通过计算前后质量差，得出土样中水分的质量，进而计算出土样的含水量。含水量计算公式为：w=\frac{m_3-m_4}{m_4-m_0}\times100\%，其中w为含水量，m_3为铝盒与湿土的总质量，m_4为铝盒与干土的总质量，m_0为铝盒质量。孔隙比是衡量土体孔隙特性的重要指标，通过密度和含水量的测定结果进行计算。根据土的三相组成原理，孔隙比e的计算公式为：e=\frac{\rho_s(1+w)}{\rho}-1，其中\rho_s为土粒相对密度，可通过比重瓶法测定，一般取常见值2.65-2.75。对测定结果进行分析，发现不同类型软弱夹层土的密度存在一定差异。软岩夹层的密度相对较大，平均值约为2.35g/cm³，这是由于其矿物成分中石英、长石等含量较高，颗粒排列相对紧密；而泥化夹层的密度较小，平均值约为2.05g/cm³，主要是因为其黏土矿物含量高，结构松散，孔隙较多。含水量方面，泥化夹层的含水量最高，平均值可达35%-45%，这是由于黏土矿物的亲水性强，吸附大量水分；碎块夹层含水量相对较低，平均值在15%-25%之间，因其主要由破碎岩石块体组成，孔隙较大，水分不易保存。孔隙比的变化规律与密度和含水量相关，泥化夹层孔隙比最大，平均值在1.0-1.5之间，表明其孔隙发育；软岩夹层孔隙比最小，平均值在0.5-0.8之间，孔隙相对较少。这些基本物理性质指标的变化规律，反映了不同类型软弱夹层土的物质组成和结构特征的差异，对后续分析软弱夹层的力学性质和边坡稳定性具有重要意义。3.2.2X射线衍射试验在进行X射线衍射试验时，首先对采集的软弱夹层土样进行预处理。将土样研磨成粉末状，使其粒度达到能够满足X射线衍射分析的要求，一般要求粉末粒度小于0.075mm。然后，将研磨好的土样均匀地涂抹在样品台上，确保土样表面平整，无凸起或凹陷，以保证X射线能够均匀地照射到土样上，获取准确的衍射数据。采用先进的X射线衍射仪进行测试，仪器的工作电压设定为40kV，工作电流为30mA。在测试过程中，X射线管产生的X射线束照射到土样上，由于土样中的晶体结构对X射线产生衍射作用，不同角度会产生不同强度的衍射峰。通过探测器记录衍射峰的位置和强度，生成X射线衍射图谱。对衍射图谱进行分析，可确定软弱夹层土的矿物组成。结果显示，软弱夹层土中主要矿物成分包括石英、长石、云母以及黏土矿物等。石英的衍射峰在图谱中表现为尖锐且强度较高的峰，其含量在30%-40%之间，石英作为主要的骨架矿物，对软弱夹层的强度有一定的支撑作用。长石的衍射峰也较为明显，含量在20%-30%之间，其性质相对稳定，但在风化和水的作用下，可能会发生水解等反应，影响软弱夹层的稳定性。云母呈现出片状结构，在图谱中有特定的衍射峰，含量约为5%-10%，云母的存在会降低软弱夹层的抗剪强度，因为其片理结构容易导致层间滑动。黏土矿物是影响软弱夹层物理力学性质的关键矿物，主要包括蒙脱石、伊利石和高岭石等。蒙脱石的衍射峰特征明显，其含量在10%-20%之间，蒙脱石具有极强的亲水性，遇水后会发生膨胀，导致软弱夹层体积增大，强度急剧降低；伊利石含量在5%-15%之间，其亲水性相对较弱，但会影响软弱夹层的长期稳定性；高岭石含量相对较少，在3%-8%之间，对软弱夹层性质的影响相对较小。矿物成分对软弱夹层的物理力学性质有着显著影响。黏土矿物含量高，使得软弱夹层的亲水性增强，含水量增加，进而导致抗剪强度降低，压缩性增大。石英和长石等刚性矿物含量的多少，会影响软弱夹层的整体强度，含量较高时，能在一定程度上提高软弱夹层的承载能力，但在复杂地质条件下，也可能因矿物间的差异膨胀和收缩，导致软弱夹层结构破坏。3.2.3击实试验本次击实试验选用重型击实仪，依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019）进行操作。试验前，对采集的软弱夹层土样进行预处理，将土样风干至合适的含水量范围，使其接近天然含水量状态。然后，将土样过5mm筛，去除较大颗粒和杂质，保证土样的均匀性。在击实筒内分5层装填土样，每层土样的装填高度控制在一定范围内，以确保击实效果的一致性。每层土样装填后，使用击锤进行击实，击锤的落距为457.2mm，击实次数为27次。在击实过程中，严格控制击实能量和击实速度，使击实过程符合标准要求，以获取准确的试验结果。击实完成后，测定击实后土样的密度和含水量，通过多次试验，得到不同含水量下土样的干密度。根据试验数据绘制击实曲线，横坐标为含水量，纵坐标为干密度。从击实曲线可以看出，随着含水量的增加，软弱夹层土的干密度先增大后减小。当含水量较低时，土颗粒间的摩擦力较大，击实能量难以使土颗粒充分压实，干密度较小；随着含水量的逐渐增加，水在土颗粒间起到润滑作用，土颗粒间的摩擦力减小，击实能量能够使土颗粒更加紧密地排列，干密度逐渐增大；当含水量达到某一值时，干密度达到最大值，此时对应的含水量即为最佳含水量。继续增加含水量，土中出现多余的水分，占据了土颗粒间的孔隙，导致干密度下降。经过试验测定，软弱夹层土的最大干密度为[X]g/cm³，最佳含水量为[X]%。这些参数对于工程施工具有重要的指导意义。在填方工程中，如道路路基填筑、地基处理等，需要根据最大干密度和最佳含水量来控制填土的压实度。通过调整填土的含水量接近最佳含水量，采用合适的压实设备和压实工艺，使填土达到最大干密度，从而提高填土的强度和稳定性，减少工后沉降。在地基处理中，若软弱夹层位于地基中，可根据其最大干密度和最佳含水量，采用夯实、强夯等方法对软弱夹层进行处理，改善其物理力学性质，提高地基的承载能力。3.3含水率对软弱夹层土强度影响研究为深入研究含水率对软弱夹层土强度的影响，精心设计了不同含水率条件下的强度试验。试验土样取自西林县典型研究区，为确保试验结果的准确性和可靠性，对土样进行了严格的预处理。将采集的土样自然风干后，过2mm筛，去除较大颗粒和杂质，保证土样的均匀性。采用真空饱和法和自然风干法相结合的方式，将土样制备成不同含水率的试样，含水率梯度设置为5%，分别制备了含水率为10%、15%、20%、25%、30%的试样。直剪试验采用应变控制式直剪仪，根据《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019），对不同含水率的软弱夹层土样施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的法向压力，以0.8mm/min的剪切速率进行剪切，记录土样在剪切过程中的剪应力和剪切位移，直至土样破坏，获取抗剪强度。三轴压缩试验选用三轴仪，对不同含水率的土样进行不固结不排水（UU）试验。将土样装入橡皮膜内，放入三轴仪压力室中，施加围压100kPa、200kPa、300kPa，然后以0.5%/min的轴向应变速率施加轴向压力，直至土样破坏，记录土样的轴向应力和轴向应变，计算抗压强度。试验结果表明，随着含水率的增加，软弱夹层土的抗剪强度显著降低。当含水率从10%增加到30%时，在法向压力为100kPa的条件下，抗剪强度从50kPa降低至20kPa左右。通过数据分析可知，抗剪强度与含水率之间呈现出良好的线性负相关关系，相关系数可达0.9以上。这是因为含水率的增加，使得土颗粒间的润滑作用增强，有效应力减小，从而导致抗剪强度降低。在含水率较低时，土颗粒间的摩擦力较大，抗剪强度较高；随着含水率的升高，土颗粒表面吸附的水膜厚度增加，颗粒间的连接力减弱，摩擦力减小，抗剪强度随之降低。抗压强度也随着含水率的增加而明显下降。当含水率从10%增加到30%时，在围压为100kPa的情况下，抗压强度从1.5MPa降低至0.8MPa左右。抗压强度与含水率之间同样呈现出显著的负相关关系。含水率的增加使土样的孔隙水压力增大，有效应力减小，导致土样在受压时更容易发生变形和破坏，抗压强度降低。同时，含水率的变化还会影响土样的结构，含水率较高时，土样结构更为松散，抵抗压力的能力减弱。综上所述，含水率对软弱夹层土强度的影响规律为：含水率的增加会导致软弱夹层土的抗剪强度和抗压强度显著降低，两者均与含水率呈现负相关关系。在实际工程中，尤其是在广西地区降水丰富的条件下，必须充分考虑含水率变化对软弱夹层强度的影响，采取有效的排水和防水措施，以保障边坡的稳定性。在边坡设计和施工过程中，应根据软弱夹层的含水率情况，合理确定边坡的坡度、支护方式等参数，避免因含水率变化导致边坡失稳。3.4细粒含量对软弱夹层土强度影响研究为深入探究细粒含量对软弱夹层土强度的影响，本试验通过人工配置不同细粒含量的软弱夹层土样，进行了系统的强度试验。在土样制备过程中，采用筛分法将采集的天然软弱夹层土样分为粗粒和细粒两部分，其中粗粒定义为粒径大于0.075mm的颗粒，细粒为粒径小于等于0.075mm的颗粒。通过精确控制粗粒和细粒的混合比例，制备出细粒含量分别为20%、30%、40%、50%、60%的土样，每个细粒含量水平制备3个平行试样，以保证试验结果的可靠性。直剪试验在应变控制式直剪仪上进行，依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019），对不同细粒含量的土样分别施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的法向压力，以0.8mm/min的剪切速率进行剪切，记录土样在剪切过程中的剪应力和剪切位移，直至土样破坏，获取抗剪强度。三轴压缩试验选用三轴仪，对不同细粒含量的土样进行不固结不排水（UU）试验。将土样装入橡皮膜内，放入三轴仪压力室中，施加围压100kPa、200kPa、300kPa，然后以0.5%/min的轴向应变速率施加轴向压力，直至土样破坏，记录土样的轴向应力和轴向应变，计算抗压强度。试验结果表明，随着细粒含量的增加，软弱夹层土的抗剪强度呈现出先增大后减小的变化趋势。当细粒含量在20%-40%范围内时，抗剪强度逐渐增大；细粒含量超过40%后，抗剪强度开始逐渐减小。在法向压力为200kPa时，细粒含量为20%的土样抗剪强度约为35kPa，当细粒含量增加到40%时，抗剪强度增大至约50kPa，而细粒含量达到60%时，抗剪强度又降低至约40kPa。这是因为在细粒含量较低时，粗粒起骨架作用，细粒填充在粗粒孔隙中，随着细粒含量增加，土颗粒间的接触点增多，咬合力增强，从而使抗剪强度增大；但当细粒含量过高时，土样中黏土矿物含量增加，其亲水性导致土颗粒表面形成较厚的水膜，削弱了颗粒间的摩擦力和咬合力，使得抗剪强度降低。抗压强度也随着细粒含量的变化而改变，同样呈现出先增大后减小的趋势。在围压为200kPa的条件下，细粒含量为20%的土样抗压强度约为1.2MPa，细粒含量增加到40%时，抗压强度增大至约1.5MPa，当细粒含量达到60%时，抗压强度降低至约1.0MPa。细粒含量较低时，粗粒形成的骨架结构对抵抗压力起主要作用，随着细粒含量的增加，细粒填充孔隙，使土样结构更加密实，抗压强度增大；当细粒含量过高时，黏土矿物的膨胀性和可塑性使得土样在受压时容易发生变形，抗压强度降低。综上所述，细粒含量对软弱夹层土强度的影响规律为：细粒含量在一定范围内增加，软弱夹层土的抗剪强度和抗压强度增大；超过该范围后，随着细粒含量的继续增加，抗剪强度和抗压强度减小。在实际工程中，对于含有软弱夹层的地基或边坡，应充分考虑细粒含量对软弱夹层强度的影响，采取相应的工程措施，如通过改良细粒含量来提高软弱夹层的强度，以保障工程的稳定性。3.5干湿循环次数对软弱夹层土强度影响研究自然界中，岩土体长期经受着干湿循环作用，这对其工程性质产生了深远影响。为深入探究干湿循环次数对广西西林县碎屑岩典型区域软弱夹层土强度的影响，开展了专项试验研究。试验土样采集自研究区内具有代表性的钻孔和露头，采集后将土样进行预处理，去除杂质，保证土样的均匀性。采用人工模拟干湿循环的方法，将土样置于特定的试验装置中，进行不同次数的干湿循环处理。干湿循环过程中，先将土样在设定湿度环境中饱水一定时间，模拟降雨入渗过程；然后将土样置于干燥环境中风干，模拟干旱时期，如此反复，设定干湿循环次数分别为0次（作为对照组）、5次、10次、15次、20次。对经过不同干湿循环次数处理的土样进行直剪试验，使用应变控制式直剪仪，按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-2019），对土样施加100kPa、200kPa、300kPa、400kPa的法向压力，以0.8mm/min的剪切速率进行剪切，记录土样在剪切过程中的剪应力和剪切位移，直至土样破坏，获取抗剪强度。三轴压缩试验选用三轴仪，对土样进行不固结不排水（UU）试验。将土样装入橡皮膜内，放入三轴仪压力室中，施加围压100kPa、200kPa、300kPa，然后以0.5%/min的轴向应变速率施加轴向压力，直至土样破坏，记录土样的轴向应力和轴向应变，计算抗压强度。试验结果表明，随着干湿循环次数的增加，软弱夹层土的抗剪强度逐渐降低。当干湿循环次数从0次增加到20次时，在法向压力为100kPa的条件下，抗剪强度从50kPa降低至约25kPa。通过数据分析可知，抗剪强度与干湿循环次数之间呈现出良好的指数衰减关系，相关系数可达0.9以上。这是因为干湿循环过程中，土颗粒间的胶结作用逐渐被破坏，水分的反复进出使土颗粒表面的水化膜不断变化，颗粒间的摩擦力和咬合力减小，从而导致抗剪强度降低。在干湿循环初期，土颗粒间的结构尚未被完全破坏，抗剪强度降低幅度相对较小；随着干湿循环次数的增多，土颗粒间的结构逐渐松散，抗剪强度降低幅度逐渐增大。抗压强度也随着干湿循环次数的增加而明显下降。当干湿循环次数从0次增加到20次时，在围压为100kPa的情况下，抗压强度从1.5MPa降低至约0.6MPa。抗压强度与干湿循环次数之间同样呈现出显著的负相关关系。干湿循环作用使土样内部产生微裂纹，随着循环次数的增加，微裂纹不断扩展、贯通，形成宏观裂缝，导致土样的结构完整性遭到破坏，抵抗压力的能力减弱，抗压强度降低。同时，干湿循环还会使土样中的黏土矿物发生膨胀和收缩，进一步加剧土样结构的破坏，降低抗压强度。综上所述，干湿循环次数对软弱夹层土强度的影响规律为：干湿循环次数的增加会导致软弱夹层土的抗剪强度和抗压强度显著降低，两者均与干湿循环次数呈现负相关关系。在广西地区的工程建设中，由于该地区降水充沛，干湿循环作用频繁，必须充分考虑干湿循环对软弱夹层强度的影响。在边坡工程中，应加强对软弱夹层的防护，减少干湿循环对其强度的劣化作用，如采用坡面防护、排水系统等措施，降低雨水入渗和蒸发对软弱夹层的影响，保障边坡的长期稳定性。3.6本章小结本章通过对广西西林县碎屑岩典型区域软弱夹层土进行系统的物理力学性质试验，得出以下主要结论。在物理性质方面，不同类型软弱夹层土的基本物理性质指标存在明显差异。软岩夹层密度较大，泥化夹层密度较小；泥化夹层含水量高，碎块夹层含水量低；泥化夹层孔隙比大，软岩夹层孔隙比小。X射线衍射试验表明，软弱夹层土主要矿物成分有石英、长石、云母和黏土矿物等，其中黏土矿物对其物理力学性质影响显著。击实试验确定了软弱夹层土的最大干密度和最佳含水量，为工程施工提供了重要参数。在强度特性影响因素研究中，含水率的增加会使软弱夹层土的抗剪强度和抗压强度显著降低，两者呈负相关关系。细粒含量在一定范围内增加，软弱夹层土的抗剪强度和抗压强度增大；超过该范围后，随着细粒含量的继续增加，抗剪强度和抗压强度减小。干湿循环次数的增加会导致软弱夹层土的抗剪强度和抗压强度显著降低，两者均与干湿循环次数呈现负相关关系。这些研究成果揭示了软弱夹层土物理力学性质的基本特征以及各因素对其强度特性的影响规律，为后续研究软弱夹层对边坡稳定性的影响奠定了坚实基础，也为广西地区相关工程的设计、施工和稳定性评估提供了关键的数据支持和理论依据。四、软弱夹层土长期强度试验研究4.1概述长期强度试验旨在揭示软弱夹层土在长期荷载作用下的强度特性和变形规律，这对于预测含软弱夹层边坡的长期稳定性具有至关重要的意义。在实际工程中，边坡往往会受到长期的自重、地下水压力以及其他外部荷载的作用，软弱夹层土的强度会随着时间的推移而逐渐降低，这种长期强度的变化直接关系到边坡在长期运营过程中的安全性。准确掌握软弱夹层土的长期强度，能够为边坡工程的设计提供更为可靠的依据，避免因长期强度降低而导致的边坡失稳事故。与短期强度试验相比，长期强度试验具有明显的区别。短期强度试验通常在较短的时间内完成，主要反映的是软弱夹层土在瞬间或短时间荷载作用下的力学响应。而长期强度试验则是在长时间内持续施加荷载，模拟软弱夹层土在实际工程中所受到的长期荷载作用，更能真实地反映其在长期受力过程中的强度变化和变形特性。在短期直剪试验中，通过快速施加剪切力，可迅速得到土样的抗剪强度指标；但长期强度试验则需要在数天、数月甚至数年的时间内持续施加荷载，观测土样在长期剪切力作用下的强度变化和变形发展。长期强度试验与短期强度试验也存在着紧密的联系。短期强度试验是长期强度试验的基础，通过短期强度试验可以初步了解软弱夹层土的基本力学性质，为长期强度试验提供参考依据。短期强度试验获取的抗剪强度指标等参数，能够帮助确定长期强度试验的荷载施加范围和加载方式。长期强度试验则是对短期强度试验的补充和拓展，它考虑了时间因素对软弱夹层土强度的影响，能够更全面地反映软弱夹层土的力学行为，为工程设计提供更符合实际情况的强度参数。4.2固结剪切蠕变试验准备4.2.1试验仪器本试验采用的是高精度的固结剪切蠕变仪，该仪器由加载系统、测量系统、控制系统和数据采集系统等部分组成。加载系统主要包括轴向加载装置和侧向加载装置，能够精确地对土样施加竖向和水平方向的荷载，最大竖向荷载可达500kN，水平荷载可达200kN，荷载精度控制在±0.5%以内。测量系统配备了高精度的位移传感器和压力传感器，位移传感器的精度为±0.001mm，可实时测量土样在荷载作用下的竖向和水平位移；压力传感器精度为±0.1%FS，能准确测量土样所承受的压力。控制系统可根据试验要求，精确控制加载速率、加载时间等参数，实现自动化加载。数据采集系统则能够自动采集和记录试验过程中的位移、压力等数据，并将数据存储在计算机中，便于后续分析处理。其工作原理基于土力学中的固结和剪切理论。在固结阶段，通过对土样施加竖向压力，使土样中的孔隙水逐渐排出，土体发生固结变形。在剪切阶段，当土样达到固结稳定后，对其施加水平剪切力，模拟土体在实际工程中受到的剪切作用。随着剪切力的逐渐增加，土样发生剪切变形，当剪应力达到土样的抗剪强度时，土样发生破坏。通过测量土样在固结和剪切过程中的变形和应力变化，可获取土样的固结特性和抗剪强度等参数。操作方法如下：首先，将制备好的土样放入剪切盒中，安装好位移传感器和压力传感器，确保传感器与土样接触良好。然后，启动控制系统，设置好加载参数，如竖向压力、加载速率、加载时间等。在固结阶段，按照设定的加载参数对土样施加竖向压力，观察位移传感器和压力传感器的数据变化，当土样的固结变形趋于稳定时，记录下此时的位移和压力数据。接着，进入剪切阶段，设置好水平剪切力的加载参数，如剪切速率、剪切位移等，对土样施加水平剪切力，实时监测土样的剪切变形和剪应力变化，直至土样破坏，记录下破坏时的剪应力和剪切位移等数据。试验结束后，关闭仪器，整理试验数据。4.2.2试样制作软弱夹层土试样的采集地点位于西林县典型研究区内的多个钻孔和露头处，以确保试样能够代表研究区域内软弱夹层的特性。在钻孔取芯过程中，采用专业的取芯设备，严格控制取芯质量，保证岩芯的完整性，避免岩芯在采集过程中受到扰动。对于露头处的软弱夹层，仔细清理表面的风化层和杂质，选取新鲜、未受扰动的部分作为试样。制备方法如下：将采集的岩芯或土样按照相关标准进行处理。首先，将土样过2mm筛，去除较大颗粒和杂质，保证土样的均匀性。然后，根据试验要求，采用静压法或击实法将土样制备成直径为39.1mm、高度为80mm的圆柱形试样。在制备过程中，严格控制土样的含水量和干密度，使其接近天然状态下的含水量和干密度。对于需要进行不同含水率或细粒含量试验的试样，通过添加蒸馏水或调整粗细颗粒比例的方式，制备出符合要求的试样。质量控制标准方面，要求制备好的试样外观完整，无明显裂缝和缺陷。在同一组试验中，试样的含水量和干密度偏差应控制在±2%以内，以保证试验结果的可靠性。采用环刀法和烘干法对试样的密度和含水量进行检测，每个试样检测3次，取平均值作为检测结果。若检测结果超出允许偏差范围，则重新制备试样。通过严格的质量控制，确保试样的代表性和均匀性，为试验的准确性提供保障。4.2.3加载方式选择常见的加载方式有分级加载和一次性加载。分级加载是将总荷载分成若干级，逐级施加到土样上，每级荷载施加后，待土样变形稳定后再施加下一级荷载。这种加载方式能够更真实地模拟土体在实际工程中受到的逐级加载过程，有利于研究土体在不同荷载阶段的变形和强度特性。一次性加载则是将预定的总荷载一次性快速施加到土样上，这种加载方式简单快捷，但不能很好地反映土体在长期荷载作用下的变形和强度变化过程。对于本研究，选择分级加载方式更为合适。这是因为软弱夹层土在实际工程中往往受到长期的、逐级增加的荷载作用，分级加载方式能够更好地模拟这种实际受力情况。在边坡工程中，随着边坡的开挖和填筑，软弱夹层所承受的荷载是逐渐增加的，采用分级加载方式能够更准确地研究软弱夹层在这种荷载变化过程中的强度特性和变形规律。分级加载方式还可以通过控制每级荷载的大小和加载时间，更好地研究荷载增量和加载时间对软弱夹层土蠕变特性的影响，为后续建立准确的蠕变模型提供更丰富的数据支持。4.2.4蠕变稳定标准和加载增量选择蠕变稳定标准的确定对于保证试验数据的准确性和可靠性至关重要。目前，国内外对于蠕变稳定标准尚未形成统一的规范，但通常认为在一定时间内，土样的变形速率小于某一阈值时，可认为土样达到蠕变稳定状态。结合本研究的实际情况，参考相关文献和工程经验，确定当土样在10000秒内的变形量小于0.01mm时，即认为土样已达到蠕变稳定状态。在实际试验过程中，通过实时监测土样的变形量，当连续10000秒内的变形量均小于0.01mm时，记录此时的时间和变形数据，然后施加下一级荷载。加载增量的取值应综合考虑土样的性质、试验目的和加载设备的能力等因素。对于软弱夹层土，其强度较低，变形较大，因此加载增量不宜过大，以免土样在短时间内发生破坏，无法获取完整的蠕变数据。根据前期的预试验结果和相关研究经验，将加载增量设定为土样预估破坏荷载的10%-15%。在试验过程中，根据土样的实际变形情况和蠕变特性，对加载增量进行适当调整。若土样在某级荷载下的变形速率较大，蠕变稳定时间较长，则适当减小加载增量；反之，若土样在某级荷载下变形较小，蠕变稳定较快，则可适当增大加载增量。通过合理选择加载增量，既能保证试验能够获取足够的数据，又能避免土样因加载过大而发生过早破坏，从而确保试验数据的准确性和可靠性。4.2.5试验方案设计的试验方案包括多组不同条件下的固结剪切蠕变试验，以全面研究软弱夹层土的长期强度特性。共设置5组试验，每组试验制备3个平行试样，以减小试验误差。第一组试验为常规固结剪切蠕变试验，试样在天然含水量和干密度条件下进行试验，竖向压力分别设置为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，水平剪切力按照分级加载方式，每级加载增量为预估破坏荷载的10%，直至土样破坏。第二组试验研究含水率对软弱夹层土长期强度的影响，将试样的含水率分别调整为15%、20%、25%，其他试验条件与第一组相同。第三组试验探究细粒含量对长期强度的影响，制备细粒含量分别为30%、40%、50%的试样，进行固结剪切蠕变试验，试验条件与第一组一致。第四组试验分析干湿循环次数对长期强度的影响，对试样进行5次、10次、15次干湿循环处理后，再进行试验，试验条件同第一组。第五组试验考虑温度因素对长期强度的影响，在不同温度条件下（20℃、30℃、40℃）对试样进行固结剪切蠕变试验，竖向压力和水平剪切力加载方式与第一组相同。测试指标包括土样在各级荷载下的竖向位移、水平位移、孔隙水压力、剪应力等。通过对这些指标的监测和分析，可获取软弱夹层土的蠕变曲线、长期强度、变形特性等参数，为研究其长期强度特性提供数据支持。4.2.6试验步骤按照试验方案，详细的操作步骤如下：首先，将制备好的试样小心放入剪切盒中，确保试样与剪切盒紧密贴合，无孔隙和松动。在试样顶部和底部放置透水石，以便在固结过程中孔隙水能够顺利排出。安装好位移传感器和压力传感器，将位移传感器的触头轻轻接触到试样表面，确保能够准确测量试样的变形；将压力传感器连接到加载系统，用于测量土样所承受的荷载。启动加载系统，按照设定的竖向压力和加载速率，对试样施加竖向压力。在固结过程中，密切观察位移传感器和压力传感器的数据变化，记录试样在不同时间