層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)驗人：喬俊宇

層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

經(jīng)驗人：喬俊宇

分析了地層巖性特征、巖體應(yīng)力分布、水、地形地貌特征、坡形、外部動力荷載（如爆破荷載）、工程活動、時間和風化的影響等對層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，進而深入了解層狀巖質(zhì)邊坡巖體穩(wěn)定性和變形失穩(wěn)的破壞機理，為井巷工程實踐提供指導(dǎo)。

層狀巖質(zhì)邊坡的破壞與失穩(wěn)是巖土工程中的主要災(zāi)害之一，對其穩(wěn)定性的研究具有重要的現(xiàn)實意義。在工程地質(zhì)條件以層狀巖石分布為主的井巷工程中，平硐硐口、斜井井口、豎井井位的選擇，以及相應(yīng)采礦工業(yè)場地的選擇，層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定與否是重要影響因素之一。本文研究了層狀巖質(zhì)邊坡巖體穩(wěn)定性和變形失穩(wěn)的破壞機理，為井巷工程實踐提供指導(dǎo)。

影響因素

地層巖性特征

地層巖性特征是決定邊坡穩(wěn)定性和破壞模式的重要因素。在相同條件下，自然條件下的邊坡穩(wěn)定性要好于邊坡，邊坡的穩(wěn)定性是最差的。此外，邊坡穩(wěn)定是邊坡失穩(wěn)的主要因素，在邊坡失穩(wěn)的情況下，邊坡的傾角和弱抗剪強度較弱直接決定邊坡的穩(wěn)定性。

巖體應(yīng)力分布

邊坡巖體應(yīng)力分布特征復(fù)雜性非常突出。為簡化，層狀巖質(zhì)邊坡在工程實際中可被假設(shè)為具有各向異性的均質(zhì)彈性體。一般情況下，層狀巖體邊坡應(yīng)力分布特征為：拉應(yīng)力通常分布于坡頂、剪應(yīng)力通常分布于坡腳，而坡面附近各性應(yīng)力均很低。同時應(yīng)力分布由于巖體中不連續(xù)面的存在而變的更為復(fù)雜。因此，巖體應(yīng)力的存在在一定程度上會導(dǎo)致邊坡巖體發(fā)生變形、失穩(wěn)破壞。

水

在影響邊坡失穩(wěn)的眾多因素中，水的影響是不可忽視的。大量的事例證明，邊坡巖體的破壞和滑動與水的活動有關(guān)，地表水的沖刷作用、地下水的水壓力作用以及暴雨、高寒地區(qū)冰凍融解等等均是誘發(fā)邊坡失穩(wěn)的重要因素。所以，在工程設(shè)計過程中，必須充分考慮水對邊坡巖體的各種作用。首先，水對巖體有著非常明顯的物理、化學(xué)作用，這一作用導(dǎo)致的結(jié)果隨著時間的推移會越來越明顯。巖體在水的作用下會發(fā)生軟化、泥化、溶蝕、膨脹等現(xiàn)象，會直接破壞巖體結(jié)構(gòu)強度和整體性，影響邊坡的穩(wěn)定性。其次，降水或冰凍溶解水會通過地表水轉(zhuǎn)化為地下水。地下水滲流產(chǎn)生的滲透力作用會降低巖體結(jié)構(gòu)強度。地下水產(chǎn)生的滲透靜水壓力和滲透動水壓力是地下水對巖體力學(xué)作用的主要體現(xiàn)。靜水壓力在巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的浮力會產(chǎn)生導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)主動荷載效應(yīng)，而動水壓力沿滑動面的法向應(yīng)力會產(chǎn)生導(dǎo)致滑面滑動效應(yīng)。靜水壓力、動水壓力的這兩種效應(yīng)均會降低巖體強度參數(shù)，增大邊坡發(fā)生失穩(wěn)的趨向性。

地形地貌特點

邊坡在自然狀態(tài)下或由于工程作用形成的形態(tài)和規(guī)模等地貌特點直接影響邊坡的穩(wěn)定性。不利的地貌形態(tài)和規(guī)模會導(dǎo)致在坡腳位置產(chǎn)生剪應(yīng)力集中區(qū)，會產(chǎn)生強烈的剪切破壞；在坡頂位置會產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起坡頂巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生張裂破壞，形成大量的張裂縫隙，進而在很大程度上降低邊坡的穩(wěn)定性，導(dǎo)致或加快邊坡的失穩(wěn)。因此，在工程設(shè)計中，深入分析并研究邊坡的地形地貌特點和形狀，有助于了解邊坡的失穩(wěn)、破壞機制，預(yù)測邊坡的工程行為趨勢。

動荷載

井巷工程中層狀巖質(zhì)邊坡，是邊坡穩(wěn)定的最重要、最重要的動態(tài)荷載系數(shù)。井巷工程中的斜井、平硐等工程在施工過程中多采用鉆爆法，由于工程布置原因，施工過程中產(chǎn)生的爆破多發(fā)生在靠近邊坡腳和邊坡體內(nèi)。發(fā)生爆破時，坡腳爆破源附近的巖體由于爆破沖擊波作用，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致剪應(yīng)力增加，發(fā)生大量的剪切破壞；邊坡體內(nèi)爆破源附近的巖體會在爆破力的作用下被劇烈壓縮，由于邊坡自由面的存在，巖體在劇烈壓縮下會向自由面運動，因此會在巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生外向的拉伸力，由于巖體的抗拉強度僅為其抗壓強度的1/10～1/30，決定巖體整體性和強度的節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)因素在靠近自由面處發(fā)生滑動、擴張，導(dǎo)致巖體抗剪強度變小，此外，由于爆破引起的巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)微顆粒液化和結(jié)構(gòu)面錯動，爆破產(chǎn)生的慣性力導(dǎo)致邊坡下滑力增加等不利因素均可降低邊坡穩(wěn)定性，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、滑動。因此，爆破對層狀巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響是復(fù)雜的、多方面的。

工程活動

工程活動是指人為影響因素。礦山井巷工程實施過程中對所在區(qū)域邊坡的擾動影響是頻繁和巨大的。例如，由于采礦工業(yè)場地的需要會對原有邊坡進行開挖，平硐、斜井等巷道工程的掘進會對巖體結(jié)構(gòu)破壞，工業(yè)設(shè)備的布置會改變邊坡的載荷條件。巖質(zhì)邊坡是經(jīng)過漫長、復(fù)雜的地質(zhì)作用形成的。隨著人類工程活動的日益擴大，工程活動特別是不當?shù)墓こ绦袨?，對邊坡穩(wěn)定性的影響愈發(fā)明顯，常常會引發(fā)邊坡失穩(wěn)、滑坡等工程地質(zhì)災(zāi)害，使人類不得不重視工程活動對邊坡穩(wěn)定的影響。

時間因素

實踐證明，井巷工程中發(fā)生嚴重變形、破壞的巖質(zhì)邊坡大都是由巖體中存在的斷層破碎帶、節(jié)理等軟弱層的時效蠕變引起的，即邊坡經(jīng)過一個與時間有關(guān)的復(fù)雜的非線性累進，完成從開始變形至最終破壞。大量的實驗證明，軟弱夾層受剪應(yīng)力作用時間越長，其抗剪強度越低，許多滑坡災(zāi)害發(fā)生都有一定的時間性，大量的邊坡蠕變破壞表明軟弱夾層在邊坡蠕變破壞中起著非常重要的控制作用，一次對滑坡災(zāi)害進行時效蠕變破壞研究意義重大。

在井巷工程中，邊坡的使用壽命較長，屬于永久性工程，邊坡穩(wěn)定性通常需要考慮徐變效應(yīng)的影響。蠕變（蠕變）是隨時間變化的變形過程。由于層狀巖質(zhì)邊坡在沉積巖層中，在損傷的外部原因下極易發(fā)生地層，從而導(dǎo)致邊坡的變形和失穩(wěn)。在實際工程中，巖質(zhì)邊坡存在著嚴重的破壞，其中許多都與巖石的蠕變老化有關(guān)。

在這個階段的蠕變非常復(fù)雜的機制研究還處于初級階段，許多問題還沒有得到進一步解決。因此，在采用參數(shù)分析法的邊坡失穩(wěn)機理的影響下，可以忽略。

風化作用

邊坡區(qū)內(nèi)滑體由于風化作用，使原有節(jié)理、裂隙發(fā)育，滑體被分割成碎塊狀，造成巖體的結(jié)構(gòu)和整體性遭到破壞。對于巖體內(nèi)軟弱夾層，遭受風化后，原有的巖層間剪切剛度大幅下降，抗滑能力明顯降低，可誘發(fā)滑坡。

礦山工程所處區(qū)域氣候條件多為晝夜溫差，四個季節(jié)，季風盛行，并伴隨著大量的降雨和蒸發(fā)，特別是當前國內(nèi)礦產(chǎn)資源開發(fā)轉(zhuǎn)向高原地區(qū)、氣候條件更為惡劣，風化作用對巖體工程地質(zhì)性質(zhì)的影響更為明顯，強烈的風化作用使坡體形成了深厚的風化層，由于對風化的巖體結(jié)構(gòu)的變化，這反過來又導(dǎo)致對降低機械強度的巖石質(zhì)量，容重減小，孔隙度增加，增強的滲透，強度和穩(wěn)定性大大降低，這是更有利于下一步的風化和侵蝕面。

結(jié)語

詳細分析了層狀巖質(zhì)邊坡巖體變形失穩(wěn)的破壞機理，著重考慮了地層巖性特征、巖體應(yīng)力分布、水、地形地貌特征、坡形、動力荷載（如爆破效應(yīng)）、工程活動、時間、風化等因素的影響。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.17.043