湯明高

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,四川成都 610059)

0 引言

膨脹土、填土、黃土、粘土等都是典型的非飽和土,以它們?yōu)榻橘|(zhì)修建的基礎(chǔ)工程經(jīng)常會引起不同程度的工程破壞,如地基和路面的隆起開裂、房屋脹裂、支擋和圍護結(jié)構(gòu)的損壞失效、滑坡的發(fā)生、場地液化等等,嚴重的會導致整個工程癱瘓。隨著工程建設(shè)日益增多,與非飽和土相關(guān)的地質(zhì)災害問題也變得越來越廣泛和復雜,本文對此進行了相關(guān)分析和探討。

1 非飽和土的物質(zhì)組成

既然研究對象是工程實踐中的非飽和土,那么對非飽和土本身應(yīng)該有一個較明確的認識。首先是物質(zhì)性,通常所見的非飽和土的物質(zhì)組成是土顆粒、水、空氣和收縮膜。其次是宏觀性與微觀性共存,就土顆粒而言,即平常所說的土粒的礦物成分,其包括原生礦物(物理風化后與母巖成分相同的部分)、次生礦物(化學風化后轉(zhuǎn)變的一種新的礦物,主要是粘土礦物,如蒙脫石、伊利石、高嶺石等),以及腐殖質(zhì)(有機質(zhì)部分);水又分為固態(tài)水(冰)、液態(tài)水和氣態(tài)水(水蒸汽);空氣存在真空狀態(tài)和自然狀態(tài);收縮膜(非飽和土的汽-液相交界面)性質(zhì)既不同于水,也不同于氣體,是一個獨立的相,該相在表面化學里被稱為收縮膜(Contractile Skin),是非飽和土的第四相[1-2]。

研究非飽和土物質(zhì)間的相互作用,才是研究非飽和土體的關(guān)鍵。物質(zhì)間的作用涉及到物理作用(包括力、能量)和化學作用(化學反應(yīng)即物質(zhì)的改造)。力的作用與力的作用方式和作用途徑密切相關(guān),能量的產(chǎn)生大部分來自作用功,因此力的作用就促成了物質(zhì)間的能量交換;化學作用與化學反應(yīng)的過程和反應(yīng)生成物有關(guān)。具體的工程實踐對巖土體的作用方式和作用途徑往往大相徑庭,不同的作用過程所產(chǎn)生的結(jié)果也會不一樣,對于具體的工程隱患應(yīng)作具體的機制分析。

2 相關(guān)物理量

非飽和土的物理性質(zhì)指標(密度ρ和土的重度γ、土粒比重Gs、非飽和土的含水量ω、孔隙比е、空隙率n、土的飽和度SX)和物理狀態(tài)指標(密實度、稠度等),請參考飽和土相關(guān)定義和描述。

水是影響土工程特性的最主要因素之一,與土體性質(zhì)有關(guān)的量——含水量,當膨脹土中水分增加時,就會發(fā)生膨脹變形,相反,當水分減少時,土體就會發(fā)生收縮變形。

非飽和土的特征量——基質(zhì)吸力,在非飽和土體中由于氣相的存在而導致的那部分負孔隙水壓力。基質(zhì)吸力是土體保持原狀,增強土體抗剪強度的重要因素,是土體中的“收縮劑”。

3 非飽和土力學基礎(chǔ)

3.1 非飽和土的有效應(yīng)力原理

非飽和土的組成除了土顆粒和水以外,還有氣體,氣相的存在使非飽和土的性質(zhì)較飽和土復雜得多。一般將飽和土的有效應(yīng)力原理推廣到非飽和土,這樣非飽和土的問題就可以轉(zhuǎn)化為用處理飽和土的方法來考慮了。其中,使用最廣泛的為Bishop的有效應(yīng)力公式:

式中:σ為破壞時在破壞面上的法向總應(yīng)力,ua為孔隙氣壓,uw為孔隙水壓,x為有效基質(zhì)吸力系數(shù)。

3.2 非飽和土的抗剪強度公式

非飽和巖體的抗剪強度公式可用獨立的應(yīng)力狀態(tài)變量來表達[1-2]。在抗剪強度公式中可采用3個應(yīng)力狀態(tài)變量中的兩個。已經(jīng)證明應(yīng)力狀態(tài)變量(σ-ua)和(ua-uw)是實際應(yīng)用最有利的組合。利用這兩個應(yīng)力變量寫成的抗剪強度公式如下:

式中:c′為Mohr-Coulomb破壞包線的延伸與剪應(yīng)力軸的截距,在剪應(yīng)力軸處的凈法向應(yīng)力和基質(zhì)吸力均為零,也稱有效粘聚力。σ為破壞時在破壞面上的法向總應(yīng)力。ua為破壞時在破壞面上的孔隙氣壓力,在本文穩(wěn)定性分析時,認為孔隙氣壓力為大氣壓,即ua=0。φ′為與凈法向應(yīng)力狀態(tài)變量(σ-ua)f有關(guān)的內(nèi)摩擦角。uw為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力。φb為表示抗剪強度隨基質(zhì)吸力(ua-uw)f而增加的速率。Δc′=(ua-uw)ftgφb,Δc′為有效粘聚力隨(ua-uw)f的增量。(σ-ua)f為破壞時在破壞面上的凈法向應(yīng)力狀態(tài)。(uauw)f為破壞時破壞面上的基質(zhì)吸力。

非飽和土的有效應(yīng)力原理和抗剪強度公式是從飽和土相關(guān)理論推廣而來,為了讓式(1)和式(2)保持一致,Bishop建議的非飽和土有效應(yīng)力公式中的x與tgφb和tgφ′的關(guān)系為[3]:

非飽和土體的相關(guān)理論在某種程度上還不夠完善,但現(xiàn)有的研究成果和理論,為進一步研究非飽和土力學問題提供了一個方向。

4 災變機理分析

自然發(fā)生和人為誘發(fā)的對人民生命和財產(chǎn)安全造成危害的地質(zhì)現(xiàn)象統(tǒng)稱為地質(zhì)災害(Geologic Disaster),包括10大類共計31種,其中崩塌、滑坡、泥石流、地表裂縫、地面塌陷、巖溶等最為發(fā)育。我們知道災害治理的關(guān)鍵就是要對癥下藥,那么分析各種災害產(chǎn)生的機理和過程就成為防災減災中關(guān)鍵的一步。

4.1 與脹縮性有關(guān)的災變

膨脹土是一種在水的作用下產(chǎn)生反復脹縮變形的粘性土,且隨自由膨脹率的增大,脹縮變形量也增大。土的膨脹和收縮直接造成了地面的隆起和開裂,這是高等級公路、機場跑道和房屋建設(shè)中所必須充分考慮的問題之一。

膨脹土的工程性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)特征有關(guān),現(xiàn)有的研究結(jié)果表明[4]:①膨脹土主要由細小的蒙脫石、伊利石和高嶺石等礦物組成;②形狀大多為片狀或扁平狀,并形成微集聚體;③排列的形式是,有的微集聚體中片狀顆粒呈平行排列,有的微集聚體與微集聚體彼此呈平行排列,具有高度的定向性,呈平行層狀排列結(jié)構(gòu);④微集聚體與微集聚體之間接觸形式有面-面接觸、面-邊接觸和面-邊-角接觸;⑤微孔隙和微裂隙的普遍發(fā)育,孔隙裂隙的大小、形狀各異,膨脹土的微裂隙是構(gòu)成膨脹土特有的微結(jié)構(gòu)特征的重要組成部分。

膨脹土的典型特點是遇水膨脹,失水收縮;土中水的含量、土顆粒與水之間的相互作用及土顆粒本身的物理化學性質(zhì)決定膨脹土的脹縮性。非飽和土力學研究內(nèi)容之一就是研究非飽和土顆粒與水之間的相互作用,描述土顆粒與水之間的相互作用的物理量就是土中的基質(zhì)吸力。

基質(zhì)吸力的大小與土的含水量的變化又有著密切的關(guān)系,毛尚之[5]曾經(jīng)專門進行過這方面的研究。圖1所示為采用軸平移方法和滲析技術(shù)方法量測的土樣的重力含水量與吸力間的關(guān)系。圖2所示為考慮體積變化和不考慮體積變化時體積含水量和吸力大小的相互關(guān)系。土的含水量與吸力之間的關(guān)系曲線稱為土-水特征曲線,它反映吸力作用下土的持水性能和土中吸力隨含水量的變化情況,可以看出土中吸力的大小與含水量之間成反比關(guān)系。

基于非飽和土力學的膨脹土脹縮變形過程如下:在工程應(yīng)用的生命周期中,由于氣候的作用,路基內(nèi)膨脹土會因路肩、路面、邊坡、地下等滲水而含水量增大,土體中基質(zhì)吸力減小,導致土顆粒間的作用力下降,造成顆粒本身的膨脹應(yīng)力大于基質(zhì)吸力對土顆粒的束縛力,引起膨脹土的膨脹變形;路面局部環(huán)境的脹縮造成了不均勻的路面變形,這種差異變形如果超過一定的幅度,就會對路面帶來縱裂和不均勻沉陷的破壞。

4.2 與穩(wěn)定性有關(guān)的災變

崩滑災害是巖土體局部或整體失穩(wěn)而產(chǎn)生的崩塌和下滑,時常造成人類生命財產(chǎn)的損失,是工程建設(shè)中必須重點考慮的災害之一[6-8]。而且大多數(shù)的崩滑是發(fā)生在雨季,《中國典型滑坡》[9]與《中國典型災難性滑坡》[10]中列舉了100多個滑坡實例,其中有95%以上的滑坡與降雨有著密切關(guān)系。非飽和土力學的發(fā)展,為深入研究雨水對崩塌和滑坡的影響提供了新的理論基礎(chǔ)及相應(yīng)的分析方法。

降雨入滲引起坡體內(nèi)巖土體基質(zhì)吸力降低,一方面,導致邊坡巖土體強度以及邊坡穩(wěn)定性下降,外在表現(xiàn)就是邊坡體局部或整體的位移變化;另一方面,導致邊坡的非飽和巖土體產(chǎn)生應(yīng)變,邊坡也將產(chǎn)生一定數(shù)量的位移。

(1)降雨導致坡體穩(wěn)定性降低的實質(zhì)是:坡體非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低,從而使邊坡局部和整體巖體強度也隨之降低。邊坡巖體基質(zhì)吸力產(chǎn)生的抗剪強度包括在巖體的凝聚力里(即c=c′+(uauw)ftgφb)?？梢岳斫?在延續(xù)雨季里由于雨水入滲邊坡導致基質(zhì)吸力(ua-uw)降低,因而使總粘聚力減小了,斜坡巖土體的穩(wěn)定性降低。

(2)降雨引起邊坡位移的實質(zhì)是:降雨入滲使得邊坡非飽和區(qū)物料的含水量增加,基質(zhì)吸力下降,而基質(zhì)吸力的降低又使得邊坡非飽和物料產(chǎn)生應(yīng)變,于是,邊坡便產(chǎn)生了與降雨有關(guān)的位移。非飽和土的應(yīng)變由兩部分組成:一部分應(yīng)變是由應(yīng)力的變化造成的;另一部分應(yīng)變由基質(zhì)吸力的變化引起的。而由基質(zhì)吸力的變化引起的那一部分應(yīng)變對于研究邊坡降雨入滲過程中,邊坡的位移變化機制以及降雨型滑坡災害的治理和預報至關(guān)重要。

4.3 與流動性有關(guān)的災變

泥石流是暴雨時節(jié)山區(qū)多發(fā)型地質(zhì)災害,泥石流物料區(qū)巖土體在暴雨之前一般處于非飽和狀態(tài),泥石流發(fā)生的過程就是填充物料由非飽和轉(zhuǎn)變?yōu)槌柡偷倪^程。長期的干旱,致使表層物料區(qū)含水量趨于零,物料呈散粒和半散粒狀,此時基質(zhì)吸力較大,當陡降暴雨時,由于基質(zhì)吸力的作用,水分開始浸潤物料,含水量增加,物料之間的凝聚力(即)減小,物料的流動性增強。當降雨量達到一定的程度時,孔隙水壓力增加,基質(zhì)吸力逐漸減小為零,產(chǎn)生超孔隙水壓力,物料產(chǎn)生流動性,由于持續(xù)高強度的降雨和物料的不斷補充,泥石流發(fā)生。

4.4 對圍護結(jié)構(gòu)的影響分析

基質(zhì)吸力的引入為探討非飽和土體中的圍護提供了新途徑。研究表明土中吸力的大小與含水量成非線性反比關(guān)系。含水量增加,吸力減小,土體抗剪強度降低?？梢姺秋柡屯恋牧W性態(tài)與土的基質(zhì)吸力變化密切相關(guān)。

李寧軍等[11]曾探討基質(zhì)吸力對襯砌內(nèi)圈環(huán)向拉應(yīng)力和塑性圈半徑的影響,認為具有如下變化特征(圖3、圖4)。

圖3 內(nèi)環(huán)拉應(yīng)力隨基質(zhì)吸力變化曲線

(1)比較曲線可以看到,非飽和黃土隧道力學性態(tài)的演變主要取決于基質(zhì)吸力變化,與變化的大小密切相關(guān);其次,與黃土的原始狀態(tài)有關(guān)外,還與基質(zhì)吸力的衰減速度密切相關(guān)。

圖4 塑性圈半徑隨基質(zhì)吸力變化曲線

(2)隨著基質(zhì)吸力的減小,圍巖塑性區(qū)的半徑、襯砌的支護力和襯砌的應(yīng)力均明顯增大,且支護力和襯砌內(nèi)環(huán)拉應(yīng)力的變化速率遠大于塑性圈的變化速率。

(3)泥石流物流區(qū)處于非飽和狀態(tài)的物料由非飽和轉(zhuǎn)變?yōu)槌柡偷倪^程就是泥石流災變過程,基質(zhì)吸力在此過程中起到了“催化劑”的作用。

5 結(jié)束語

通過以上的分析,可以得出如下結(jié)論。

(1)膨脹性地質(zhì)災害與土中的基質(zhì)吸力密切相關(guān)。含水量增大,土體中基質(zhì)吸力減小,土顆粒間的作用力下降,導致顆粒本身的膨脹應(yīng)力大于基質(zhì)吸力引起的束縛作用,膨脹土發(fā)生膨脹變形。

(2)降雨入滲引起坡體內(nèi)巖土體基質(zhì)吸力降低。一方面導致邊坡巖土體強度以及邊坡穩(wěn)定性下降;另一方面導致邊坡的非飽和巖土體產(chǎn)生應(yīng)變,邊坡也將產(chǎn)生與基質(zhì)吸力有關(guān)的位移。

(3)由于基質(zhì)吸力的降低和含水量的增加有關(guān),實際工作中應(yīng)采取一定的排水措施,以免基質(zhì)力喪失過多,且應(yīng)考慮基質(zhì)吸力變化帶來的最不利影響。

(4)非飽和土隧道力學性態(tài)的演變,主要取決于土的基質(zhì)吸力變化,與變化的大小和衰減速度密切相關(guān)。

[1] 弗雷德隆德D G,拉哈爾佐.非飽和土土力學[M].陳仲頤,譯.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2] 徐永福,劉松玉.非飽和土強度理論及其工程應(yīng)用[M].南京:東南大學出版社,1999.

[3] 成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家專業(yè)實驗室.降雨誘發(fā)滑坡研究總報告[R].成都:成都理工大學,2004.

[4] 繆林昌,劉松玉.論膨脹土的工程特性及工程措施[J].水利水電科技進展,2001,21(2):37-40.

[5] 毛尚之.非飽和膨脹土的土-水特征曲線研究[J].工程地質(zhì)學報,2002,10(2):129-133.

[6] 李凱玲,張平印,門明玉.秦嶺山區(qū)某路基沉陷成因及對策[J].災害學,2009,24(2):65-68.

[7] 劉妮娜,門明玉,陳志新,等.注漿法治理公路黃土暗穴病害的試驗研究[J].災害學,2009,24(2):87-90.

[8] 馮玉濤,肖盛燮.崩滑流地質(zhì)災害鏈式機理及其優(yōu)化防治[J].災害學,2009,24(3):22-26.

[9] 中國巖石力學與工程學會地面巖石工程專業(yè)委員會,中國地質(zhì)學會工程地質(zhì)專業(yè)委員會.中國典型滑坡[M].北京:科學出版社,1988.

[10]黃潤秋,許強.中國典型災難性滑坡[M].北京:科學出版社,2008.

[11]李寧軍,夏永旭.基質(zhì)吸力對非飽和黃土隧道力學特性影響研究[J].西安公路交通大學學報,2000,20(2):49-51.