降雨對泥巖邊坡穩(wěn)定性影響機制分析

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)文獻資料進行收集與整理，對泥巖進行了判別和分類，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)，對其變形破壞機理進行了分析研究。

降雨； 泥巖； 邊坡； 穩(wěn)定性

在降水進程中，當軟巖基質(zhì)的吸力發(fā)生變化時，其巖體邊坡的抗剪強度也隨著變化，而降水的持續(xù)時間和強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行研究分析，對于滑坡體內(nèi)部的應力狀態(tài)不進行研究。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)進行分析，也可借助圖表或圖解法進行計算分析[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。用土力學中的極限平衡法對巖質(zhì)邊坡進行分析，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力分布問題。長沙礦冶研究院熊傳治推導了 Mohr-Coulomb 破壞準則，提出了安全系數(shù)普通表達式，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)下其抗壓及抗剪強度都較高，但較易吸水，當遇到降雨等情況，泥巖由于受到水化作用會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，導致泥巖強度降低，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、軟化導致強度大幅降低，而且對地應力、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，導致其物理性能、力學性質(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，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，改變了原來的應力狀態(tài)。在自重應力、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)破壞及力學機制非常的復雜。何滿潮等對某高速公路泥巖路塹邊坡的變形力學機制進行了研究，歸納為：水力、自重應力和開挖應力等組合型變形力學機制。

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，土體強度主要是隨著土體粘聚力的減小而減?。粚τ谙嗤馏w而言，飽和土體的抗剪強度要比非飽和土的低；當非飽和土的含水量減小時，其抗剪強度則增大。因此，非飽和土體的抗剪強度由于降水的原因而降低是導致土體邊坡失穩(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)隨著降水強度的減小而顯著增大，對于降水強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)計時應綜合考慮土體滲透性和降水強度的影響。在降水的強度和持續(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。而當降水持續(xù)時間短以及強度較大時，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，會導致其強度降低，進而引發(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，入滲速率與降雨強度相當，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，對泥巖坡體的強度產(chǎn)生極大影響。對于飽和區(qū)，降雨入滲引起自重應力增大；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)土體的抗剪強度的降低，最終導致邊坡發(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度理論。坡內(nèi)巖土體的抗剪強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的理論進行極限平衡分析。

(1)Bishop 抗剪強度理論。

此理論是以有效應力為基礎(chǔ)的抗剪強度準則：

(1)

此理論認為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，故而在實際應用中存在局限。

(2)對于非飽和土的抗剪強度，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)定性的影響因素進行了考慮，當土體接近或者已經(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行了分析總結(jié)，對影響其穩(wěn)定性的主要因素進行研究，對邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)進行了探討，分析了泥巖邊坡的變形破壞機理，得到以下結(jié)論：

(1)由于山區(qū)復雜的地質(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)定分析的一些進展[J].地下空間,2001,21(4)：262-272.

[2] 伍法權(quán).中國 21 世紀若干重大工程地質(zhì)與環(huán)境問題[J].工程地質(zhì)學報,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].巖石力學與工程學報，2002,21(7):1087-1091.

[4] 方建瑞,朱合華.邊坡穩(wěn)定性研究方法與進展[J].地下空間與工程學報,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