水與裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析及工程應(yīng)用

■祖　勇（云南省電力設(shè)計(jì)院云南昆明650000）

水與裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響分析及工程應(yīng)用

■祖勇
（云南省電力設(shè)計(jì)院云南昆明650000）

在山區(qū)進(jìn)行大規(guī)模土木工程時(shí)，地下水和地下巖石土壤結(jié)構(gòu)對(duì)工程的進(jìn)度與質(zhì)量有著重大影響，地下巖石和土壤被地下水侵蝕，進(jìn)行著氧化還原反應(yīng)，地下水可以改變巖石和土壤之中的礦物成分，也決定著水體間的化學(xué)成分和對(duì)巖石土壤的侵蝕作用，影響的著巖石土壤對(duì)外力的承受度。所以，在邊坡進(jìn)行工程時(shí)，一定要注意地下水對(duì)巖石土壤的侵蝕程度。

地下水巖石土壤結(jié)構(gòu)坡面穩(wěn)定性

如果在山區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的巖土工程，工程首先要解決的問(wèn)題是邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題。因?yàn)樯絽^(qū)的地形不平坦，地下巖石土壤和地下水的結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，工程師為了工程結(jié)構(gòu)的平整和穩(wěn)定性，會(huì)在施工中對(duì)土壤進(jìn)行深挖和填方。所以，工程師要在工程開(kāi)始之前對(duì)工程結(jié)構(gòu)下的巖石和土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解，并針對(duì)實(shí)際情況設(shè)計(jì)安全的施工路線和有效的預(yù)防措施。

1　水和裂縫的影響對(duì)工程的影響

在山體間進(jìn)行工程時(shí)有兩種水體會(huì)對(duì)工程中邊坡的穩(wěn)定性發(fā)生影響，第一種水體是地表水，地表水會(huì)對(duì)邊坡上的巖石造成侵蝕，對(duì)邊坡的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，侵蝕嚴(yán)重時(shí)邊坡會(huì)失去對(duì)側(cè)向巖石的約束作用和對(duì)工程底部的支撐作用，還能使邊坡巖石軟化，加速風(fēng)化作用對(duì)邊坡巖石結(jié)構(gòu)的侵蝕，使巖石對(duì)工程結(jié)構(gòu)失去支撐作用；第二種水體是地下水，地下水會(huì)滲透進(jìn)巖石的縫隙中，造成巖石軟化，地下水對(duì)巖石結(jié)構(gòu)有潤(rùn)滑、分解和軟化等物理作用，也有溶解、氧化等化學(xué)作用，改變著巖石物理和化學(xué)的組成部分。

1.1水體對(duì)巖石和土壤的物理作用

1.1.1潤(rùn)滑作用

巖石下方的地下水滲透進(jìn)巖石的縫隙中，在巖石和巖石或巖石和土壤之間未連接的部分，如斷層面、未沉積成固態(tài)的沉積物或巖石間的風(fēng)化裂痕中產(chǎn)生潤(rùn)滑作用，使巖體與巖體間的摩擦阻力減小，使巖石間發(fā)生滑動(dòng)。

1.1.2軟化和分解作用

水體對(duì)巖石長(zhǎng)時(shí)間地浸泡會(huì)對(duì)巖石結(jié)構(gòu)發(fā)生物理性的影響。巖石結(jié)構(gòu)和土壤經(jīng)過(guò)水體地浸泡后不僅會(huì)發(fā)生形狀上的改變，還會(huì)發(fā)生由固態(tài)到液態(tài)的分解作用，使斷層間細(xì)碎的巖石和土壤發(fā)生泥化現(xiàn)象，在工程中造成滑坡或泥石流等自然災(zāi)害。

1.2水體對(duì)巖石和土壤的化學(xué)作用

地下水會(huì)改變土壤和巖石結(jié)構(gòu)所含的礦物質(zhì)成分，從而影響當(dāng)?shù)氐耐恋刭|(zhì)量和生態(tài)環(huán)境。

1.2.1離子交換

地下水在對(duì)土壤和巖石進(jìn)行物理侵蝕的時(shí)候，水體會(huì)因?yàn)榛瘜W(xué)力吸附和交換細(xì)碎土壤巖石中的離子和分子。一些部分粘土礦物，如氧化鐵、伊利石、高嶺石和各種有機(jī)物等，因?yàn)檫@些礦物質(zhì)的表面有可吸附和吸收的膠體物質(zhì)，使水體和巖石土壤在相互作用時(shí)發(fā)生物質(zhì)和成分上的改變，對(duì)地質(zhì)產(chǎn)生影響。

1.2.2氧化反應(yīng)

最常見(jiàn)的化學(xué)反應(yīng)，地下水和不同的巖石結(jié)構(gòu)之間會(huì)發(fā)生不一樣的化學(xué)反應(yīng)。比如，地下水在和硫化物發(fā)生氧化反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生四氧化三鐵和硫酸，地下水在溶解碳酸巖的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生二氧化碳。地下水在對(duì)巖石進(jìn)行氧化反應(yīng)的時(shí)候，會(huì)改變巖體中成分的構(gòu)成，對(duì)巖石的力學(xué)特征產(chǎn)生影響。

1.3裂縫對(duì)工程的影響

如果工程師要對(duì)裂縫對(duì)工程的影響進(jìn)行預(yù)估，必須先知道當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況。但裂縫的開(kāi)裂程度與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、巖石的受力狀態(tài)和風(fēng)化程度有關(guān)，所以想要精確地預(yù)估裂縫的開(kāi)裂程度比較困難。但是，工程的穩(wěn)定系數(shù)和垂直的裂縫深度的關(guān)系不大，如果沒(méi)有水體侵蝕，巖石和土壤結(jié)構(gòu)就會(huì)保持穩(wěn)定。

2　工程中的應(yīng)用

2.1巖石土壤的模擬實(shí)驗(yàn)

一般來(lái)說(shuō)，巖石在外力的作用下的劣化過(guò)程比較緩慢，所以，用實(shí)體巖石材料來(lái)進(jìn)行巖石的劣化實(shí)驗(yàn)，要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，歷史上有的專(zhuān)家經(jīng)過(guò)了20年的連續(xù)實(shí)驗(yàn)，才獲得了外力對(duì)巖石的侵蝕度與時(shí)間的關(guān)系。

地震也是改變地質(zhì)特征的重要外力因素，不過(guò)因?yàn)榈卣鹁哂胁豢深A(yù)知性和較強(qiáng)的破壞性，所以通過(guò)地震來(lái)研究巖石的劣化是不可行的。

在實(shí)際的工程中，工程師可以通過(guò)研究細(xì)碎巖石和土壤成分的方式來(lái)研究當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)特征和巖石質(zhì)量，并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)預(yù)估周?chē)w和巖石裂縫對(duì)工程的影響。

2.2邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

2.2.1用擬靜力分析地震對(duì)邊坡平衡性的影響

擬靜力分析法是將地震中產(chǎn)生的慣性力施加在邊坡內(nèi)不穩(wěn)定物質(zhì)上，然后根據(jù)極限平衡理論求出邊坡的穩(wěn)定程度。這是一個(gè)遵循極限平衡的思路，因?yàn)檫@種方法把地震中的動(dòng)態(tài)力等同于長(zhǎng)期作用在巖石上的靜態(tài)力，所以這種方法的本質(zhì)屬于邊坡靜態(tài)穩(wěn)定的分析。

2.2.2確頂邊坡裂縫的深度

如果工程師要確認(rèn)裂縫對(duì)該邊坡穩(wěn)定性的影響，必須先知道裂縫在坡內(nèi)的開(kāi)裂深度，因?yàn)殚_(kāi)裂程度與當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件、巖石的受力狀態(tài)和風(fēng)化程度有關(guān)，所以要準(zhǔn)確地計(jì)算裂縫的開(kāi)裂深度比較困難。學(xué)者Fredlund在其著作《非飽和土力學(xué)》中曾經(jīng)提到，邊坡裂縫的深度占頂坡到地下水位距離總距離的10%~20%,因?yàn)榱芽p的深度和邊坡的穩(wěn)定程度關(guān)系不大，所以，在計(jì)算邊坡裂縫深度的時(shí)候一般取邊坡穩(wěn)定系數(shù)最小值的對(duì)應(yīng)值。因?yàn)檫@種算法在工程中引起的誤差較小，所以在一般的工程設(shè)計(jì)中來(lái)計(jì)算邊坡裂縫的深度.

2.2.3分析水對(duì)巖石產(chǎn)生的力

巖石主要受兩種水的壓力，一種是靜態(tài)水產(chǎn)生的壓力，另一種是動(dòng)態(tài)水產(chǎn)生的壓力。巖石經(jīng)過(guò)靜態(tài)水長(zhǎng)期地浸泡，強(qiáng)度降低，水進(jìn)入巖石的縫隙內(nèi)產(chǎn)生的靜態(tài)壓力使巖石變形。動(dòng)態(tài)水產(chǎn)生的壓力可以使細(xì)碎的巖石土壤產(chǎn)生移動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)侵蝕對(duì)巖石進(jìn)行破壞。

從物理學(xué)角度來(lái)說(shuō)，靜態(tài)水對(duì)巖石產(chǎn)生的是垂直壓力，會(huì)使巖石裂縫產(chǎn)生垂直變形。而不斷運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)水對(duì)巖石產(chǎn)生的是水平力，巖石經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)水不斷沖刷后產(chǎn)生的是切向變形。對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)更應(yīng)該警惕的是動(dòng)態(tài)水對(duì)巖石產(chǎn)生的壓力，因?yàn)閯?dòng)態(tài)水產(chǎn)生的力破壞性更強(qiáng)。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)分析水對(duì)巖石產(chǎn)生的影響來(lái)分析邊坡的穩(wěn)定性，通過(guò)上述論證，單一的裂縫對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和對(duì)工程的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響不大，但如果有動(dòng)態(tài)水進(jìn)入裂縫，對(duì)邊坡的結(jié)構(gòu)影響是巨大的，工程師應(yīng)該妥善處理工程和附近水源之間的關(guān)系，對(duì)土地進(jìn)行勘測(cè)之后，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行施工。

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P621[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-337-1