梁 鵬

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院, 重慶 401121)

降雨對泥巖邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)制分析

梁 鵬

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計院, 重慶 401121)

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度不斷加大，高速公路建設(shè)越來越多，特別是山區(qū)高速公路的建設(shè)發(fā)展十分迅速。通過對相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行收集與整理，對泥巖進(jìn)行了判別和分類，并歸納分析了影響高填路基邊坡穩(wěn)定性的各種因素，研究了泥巖邊坡在考慮降雨條件下的穩(wěn)定性規(guī)律及穩(wěn)定性安全系數(shù)，對其變形破壞機(jī)理進(jìn)行了分析研究。

降雨； 泥巖； 邊坡； 穩(wěn)定性

在降水進(jìn)程中，當(dāng)軟巖基質(zhì)的吸力發(fā)生變化時，其巖體邊坡的抗剪強(qiáng)度也隨著變化，而降水的持續(xù)時間和強(qiáng)度也在一定程度上影響著邊坡的安全性以及邊坡滑動的最大危險面。

極限平衡法主要是對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行定量評價，不考慮巖塊自身的變形，只對滑動面上的受力情況進(jìn)行研究分析，對于滑坡體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)不進(jìn)行研究。因此，選用計算參數(shù)、正確引用滑體荷載條件等對滑體的體型和滑面形態(tài)進(jìn)行分析，也可借助圖表或圖解法進(jìn)行計算分析[1]。

最常用的極限平衡分析法大部分是針對巖體的滑動破壞而進(jìn)行分析，至于其它形式的邊坡變形如蠕動、崩塌等破壞，尚未形成成熟的計算方法。用土力學(xué)中的極限平衡法對巖質(zhì)邊坡進(jìn)行分析，其特點在于事先假定滑移面形狀，計算保持平衡的抗滑力，若下滑力大于抗滑力，則會發(fā)生失穩(wěn)滑坡破壞。對于弧面滑動面，1915 年瑞典人 Petterso 對滑坡體安全系數(shù)進(jìn)行了描述；1963 年瑞典人費倫紐斯提出了條分法分析滑動面上的應(yīng)力分布問題。長沙礦冶研究院熊傳治推導(dǎo)了 Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，提出了安全系數(shù)普通表達(dá)式，并通過優(yōu)化方法實現(xiàn)了確定滑動面的方法[2]；陳祖煜[3]、邵長華等[4]實現(xiàn)了用單純形法、負(fù)梯度法和 DPF 法來確定滑動面最優(yōu)形狀的方法。

1 泥巖的工程特性

泥巖是一種多相介質(zhì)，介于巖石和黏土之間半膠結(jié)、半堅硬狀態(tài)，是固化而成的一種沉積巖。由其組成成分為依據(jù)劃分為粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)、硅質(zhì)、鐵質(zhì)泥巖、炭質(zhì)、錳質(zhì)等泥巖；由其顏色可劃分為黃色、灰色、紅色、黑色、褐色等。泥巖是已經(jīng)固結(jié)成巖的，但泥巖的層理不明顯，呈塊狀。從成巖時間來看，泥巖歷時較短，膠結(jié)程度較差，相對而言其結(jié)構(gòu)較松軟，天然狀態(tài)下其抗壓及抗剪強(qiáng)度都較高，但較易吸水，當(dāng)遇到降雨等情況，泥巖由于受到水化作用會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致泥巖強(qiáng)度降低，產(chǎn)生膨脹以至崩解。

有關(guān)泥巖的工程問題，主要由于泥巖的一些工程特性有關(guān)，如遇水后膨脹、軟化導(dǎo)致強(qiáng)度大幅降低，而且對地應(yīng)力、濕度、地下水等環(huán)境因素較為敏感。泥巖是一個多礦物體系，屬于膨脹性極軟巖，由于泥巖的礦物成分不同，導(dǎo)致其物理性能、力學(xué)性質(zhì)各不相同。泥巖屬于膨脹性極軟巖，泥巖按其與母巖的關(guān)系分為次生礦物與原生礦物，礦物的性質(zhì)特征是影響泥巖各項物理力學(xué)性能的重要因素泥巖邊坡穩(wěn)定性問題是由于存在膨脹力，原因其所含黏土礦物親水性較強(qiáng)，土層中水分的變化對膨脹力有直接影響。開挖引起巖土體的結(jié)構(gòu)相對疏松，改變了原來的應(yīng)力狀態(tài)。在自重應(yīng)力、膨脹力的作用下，在坡腳附近，巖體臨空面發(fā)生蠕滑，產(chǎn)生嚴(yán)重變形，最終引發(fā)滑坡[1]。

對于泥巖邊坡而言，其變形失穩(wěn)破壞及力學(xué)機(jī)制非常的復(fù)雜。何滿潮等對某高速公路泥巖路塹邊坡的變形力學(xué)機(jī)制進(jìn)行了研究，歸納為：水力、自重應(yīng)力和開挖應(yīng)力等組合型變形力學(xué)機(jī)制。

通常情況下，在整個降水過程，由于雨水的滲透，土體表層的飽和度將變大，致使土體緩慢移向下部。而在坡腳處由于雨水的滲透路線比較短，此處這些雨水最先滲透到不透水層，坡腳處土層的飽和度將隨著不透水層雨水的匯聚而變大，致使浸潤線的出現(xiàn)，隨著雨水的繼續(xù)滲入，坡腳出的浸潤線將逐漸移向上部[2]。

非飽和土體隨著雨水的不斷滲入將逐漸變成飽和土體，這是由于非飽和土體中增加的水分主要出現(xiàn)在浸潤線以內(nèi)。另外，土體強(qiáng)度的減小、孔隙水壓力的增大以及土體重量變大也是造成土體邊坡失穩(wěn)的重要原因。通常情況下，土體強(qiáng)度主要是隨著土體粘聚力的減小而減??；對于相同土體而言，飽和土體的抗剪強(qiáng)度要比非飽和土的低；當(dāng)非飽和土的含水量減小時，其抗剪強(qiáng)度則增大。因此，非飽和土體的抗剪強(qiáng)度由于降水的原因而降低是導(dǎo)致土體邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素[3]。

邊坡巖土質(zhì)的不同以及降水形式的不同，雨水對其產(chǎn)生的危害程度也是不同的。通常來說，土體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨著降水強(qiáng)度的減小而顯著增大，對于降水強(qiáng)度變化小的降水類型，土體邊坡的穩(wěn)定系數(shù)則較高。在降雨強(qiáng)度較小情況下，在邊坡土體的表層將會出現(xiàn)了瞬時飽和區(qū)，這也在一定程度上降低了邊坡土體的滲透性能[4]。

由于雨水的滲透速率決定于邊坡土壤的滲透性，因此雨水的滲透能力在很大程度上影響著土體邊坡安全系數(shù)。故在邊坡設(shè)計時應(yīng)綜合考慮土體滲透性和降水強(qiáng)度的影響。在降水的強(qiáng)度和持續(xù)時間相同的條件下，隨著土體滲透能力的減小，邊坡的穩(wěn)定性將顯著增加。而當(dāng)降水持續(xù)時間短以及強(qiáng)度較大時，土體滲透系數(shù)將會變大，而此時土體滲入能力和降雨類型對其影響是顯著不同的，土體穩(wěn)定性反而會隨著土體是深入能力的降低而減小。

2 降雨對軟巖邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理

邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的誘因很大程度上取決于降雨，特別是持續(xù)的強(qiáng)降雨條件下，雨水對邊坡的破壞作用更大。

若泥巖邊坡的排水設(shè)施不完善或者對防水方面考慮較少，在降雨條件下，一部分雨水順著坡面流失，另一方面雨水入滲到坡體，產(chǎn)生滲流力，而且坡內(nèi)的巖土體與水發(fā)生作用，會導(dǎo)致其強(qiáng)度降低，進(jìn)而引發(fā)邊坡破壞，對邊坡穩(wěn)定性的影響非常大。

在降雨初期，雨水開始入滲到坡體，入滲速率與降雨強(qiáng)度相當(dāng)，隨著降雨的延續(xù)，坡體的基質(zhì)吸力降低，入滲速率下降，隨著降雨歷時的增長，邊坡內(nèi)部的孔隙水壓力不斷增加。在泥巖軟化效應(yīng)的作用下，邊坡表面局部會發(fā)生分層坍塌，而且隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，其塑性區(qū)面積增大，而且存在深層塑性區(qū)，所以降雨停止后，泥巖坡體內(nèi)各位置的塑性區(qū)面積稍微增加。

降雨條件下，由于排水設(shè)施不完善或者地下水水位上升等情況使雨水入滲到坡體內(nèi)部，對泥巖坡體的強(qiáng)度產(chǎn)生極大影響。對于飽和區(qū)，降雨入滲引起自重應(yīng)力增大；對于非飽和區(qū)，在降雨入滲情況下，坡體內(nèi)部原有的非飽和區(qū)逐漸趨于飽和，使該區(qū)土體的抗剪強(qiáng)度的降低，最終導(dǎo)致邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。因此，對軟巖邊坡在降雨入滲作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究顯得十分必要。

3 考慮降雨入滲的極限平衡分析法

分析降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，要先建立非飽和土的抗剪強(qiáng)度理論。坡內(nèi)巖土體的抗剪強(qiáng)度與含水量有很大關(guān)系，且基質(zhì)吸力隨著含水率的變化而變化。

至今人們較常使用 Bishop和 Fredlund的理論進(jìn)行極限平衡分析。

(1)Bishop 抗剪強(qiáng)度理論。

此理論是以有效應(yīng)力為基礎(chǔ)的抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則：

(1)

此理論認(rèn)為c′,φ′不隨基底吸力的變化而變化，用常規(guī)方法就能確定；然而與飽和度、應(yīng)力路徑以及土的類型相關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)受多種因素的影響，不容易測定，故而在實際應(yīng)用中存在局限。

(2)對于非飽和土的抗剪強(qiáng)度，F(xiàn)redlund 等人提出了公式：

(2)

上面兩種理論公式都是在非飽和情況下，對坡體穩(wěn)定性的影響因素進(jìn)行了考慮，當(dāng)土體接近或者已經(jīng)飽和時，假定其基質(zhì)吸力為零，這樣便得出了飽和土有效抗剪強(qiáng)度公式，如下式(3)：

(3)

考慮降雨條件下的邊坡穩(wěn)定性，其實是研究降雨后邊坡土體中基質(zhì)吸力降低的問題，依據(jù)上述理論可知：在排除雨水作用下，即邊坡土體干燥時的基質(zhì)吸力較大，此時邊坡比較穩(wěn)定；降雨使坡體的基質(zhì)吸力降低，從而降低了土體的抗剪強(qiáng)度，使邊坡安全系數(shù)下降，對邊坡的穩(wěn)定性不利。

4 結(jié)論

本文在充分收集相關(guān)研究及工程資料的基礎(chǔ)上，對泥巖判別、分類及其工程特性進(jìn)行了分析總結(jié)，對影響其穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行研究，對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)進(jìn)行了探討，分析了泥巖邊坡的變形破壞機(jī)理，得到以下結(jié)論：

(1)由于山區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，公路建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)高填或深挖路段，受路基填料的工程性質(zhì)及壓實性等原因和外界條件如外載、降雨等因素作用下，不可避免會遇到很多邊坡穩(wěn)定性問題。因此，對高填方路基邊坡的變形破壞和穩(wěn)定性問題進(jìn)行分析非常有必要。

(2)邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞的誘因很大程度上取決于降雨，特別是持續(xù)的強(qiáng)降雨條件下對邊坡的破壞作用更大。

[1] 鄭穎人,趙尚毅,時衛(wèi)民,等.邊坡穩(wěn)定分析的一些進(jìn)展[J].地下空間,2001,21(4)：262-272.

[2] 伍法權(quán).中國 21 世紀(jì)若干重大工程地質(zhì)與環(huán)境問題[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2001(2)：115-120.

[3] 夏元友,李梅.邊坡穩(wěn)定性評價方法研究及發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002,21(7):1087-1091.

[4] 方建瑞,朱合華.邊坡穩(wěn)定性研究方法與進(jìn)展[J].地下空間與工程學(xué)報,2007，3(2):343-348.

梁鵬(1982～)，男，本科，工程師，從事路基工程設(shè)計工作。

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[定稿日期]2015-06-17