黃土崩塌影響因素及穩(wěn)定性分析

凌鑫

摘 要：黃土崩塌是黃土地區(qū)常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，威脅著人類生產(chǎn)生活的安全。基于前人研究，綜合分析黃土崩塌災(zāi)害特征，確定黃土崩塌影響因素及影響范圍。黃土崩塌發(fā)育過程可分為3個(gè)階段，即潛在崩塌體形成階段、潛在崩塌體蠕動(dòng)位移階段、突然崩落階段。根據(jù)崩塌發(fā)展模式將崩塌分為傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌、錯(cuò)斷式崩塌。通過對比不同類型崩塌，建立崩塌的穩(wěn)定性判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對黃土崩塌的穩(wěn)定性評價(jià)，得到崩塌的穩(wěn)定性檢算公式及步驟。研究結(jié)果為解釋黃土崩塌形成、穩(wěn)定性判據(jù)及確定建設(shè)項(xiàng)目安全距離提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：黃土崩塌；滑移；機(jī)理；影響范圍

一、黃土崩塌災(zāi)害的特征

黃土崩塌是指陡立的黃土斜坡部分土體，以突然的方式脫離母體，堆積在坡腳的現(xiàn)象，若威脅到人們生命財(cái)產(chǎn)安全，則稱為黃土崩塌災(zāi)害。崩塌和滑坡比較有四個(gè)顯著特點(diǎn)：崩塌運(yùn)動(dòng)速度快；崩塌體運(yùn)動(dòng)不依附固定的面或帶；崩塌體在運(yùn)動(dòng)過程中有翻倒、墜落、撞擊、彈射等運(yùn)動(dòng)形式，其整體性遭到完全破壞；垂直位移大于水平位移。

二、黃土崩塌影響因素

1.地形地貌條件

黃土地形地貌主要表現(xiàn)在邊坡坡形、坡度和坡高3個(gè)方面，其中陡峻的斜坡地形是形成黃土崩塌的必要條件。黃土斜坡坡面形態(tài)可以劃分為4個(gè)基本類型，即凸型、階梯型、直線型和凹型。

2.降雨與黃土崩塌的關(guān)系

崩塌的發(fā)生多伴隨著淋雨或暴雨，并且呈現(xiàn)出滯后效應(yīng)。降雨的集中性造成大量雨水滲入黃土體中的孔隙、節(jié)理、裂縫中，形成水壓力，軟化斜坡土體，降低土體強(qiáng)度，同時(shí)導(dǎo)致坡體自重增加，增大崩塌力。當(dāng)水流進(jìn)入黃土中的結(jié)構(gòu)面或者軟弱面，在水流的潤滑和軟化作用下，黃土體沿著結(jié)構(gòu)面或者軟弱面滑移和擠出形成崩塌。邊坡黃土地層由于其濕陷性可以形成陷穴，或由于發(fā)育在黃土邊坡中的黃土暗穴在破壞后也會(huì)在地表形成陷穴，對原本完整的黃土陡坎邊緣具有豎向劈開作用，因而可造成陡坎邊緣崩塌。另外，黃土邊坡邊緣的陡坎上容易形成水涮窩，其形成及破壞過程中均易形成崩塌。

3.植物與黃土崩塌的關(guān)系

一方面植物根系容易吸收水分而軟化土體，另一方面會(huì)產(chǎn)生根劈作用。由于根部的不斷延伸和變粗，使土體裂隙、節(jié)理和層面不斷張開，并使土體進(jìn)一步破壞，進(jìn)而導(dǎo)致崩塌的形成。當(dāng)黃土斜坡或者坡頂邊緣存在喬木或者灌木的地方，常常會(huì)出現(xiàn)崩塌。這是因?yàn)閱棠净蛘吖嗄靖翟邳S土中延伸生長，一方面植物根系容易吸收水分而軟化土體，另一方面會(huì)產(chǎn)生根劈作用，從而導(dǎo)致了崩塌的發(fā)生。另外，植物根系也為各種動(dòng)植物通道。塬邊和溝邊和河谷低階地和梯田陡坎邊緣的黃土地層中，生物作用比較活躍。鼠穴和蛇穴和甚至一些蟲孔常常會(huì)成為黃土崩塌災(zāi)害的誘發(fā)因素。

4.黃土土性與黃土崩塌的關(guān)系

黃土的另一特征為濕陷性。黃土層由于地面的不平整，匯水量及水的滯留時(shí)間不同以及滲透系數(shù)的差異，在水流下浸、側(cè)浸或上浸的情況下，滲透使得下方黃土體濕陷下陷后，上部土體的支撐力下降，上下層間形成空隙。從而上方的非浸濕土或非飽和土形成近似于懸臂梁的形態(tài)，當(dāng)側(cè)下方土的濕陷進(jìn)一步擴(kuò)展時(shí)，使得懸臂梁的懸臂加長，自重增大而發(fā)生崩塌。

三、黃土崩塌穩(wěn)定性分析

基本假設(shè)：在崩塌發(fā)展中，特別是在突然崩塌運(yùn)動(dòng)以前，把崩塌體運(yùn)動(dòng)視力整體；把崩塌體的復(fù)雜的空間運(yùn)動(dòng)問題，簡化成平面問題，即取單位寬度的崩塌體進(jìn)行檢算；崩塌體兩側(cè)和穩(wěn)定巖體之間，以及各部分崩塌體之間均無摩擦作用。

1.傾倒式崩塌穩(wěn)定性檢算

傾倒式崩塌的受力分析如圖1所示。不穩(wěn)定巖體的上下各部分和穩(wěn)定巖體之間均有裂隙分開。一旦發(fā)生傾倒，將以某點(diǎn)為轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在穩(wěn)定性檢算時(shí)，應(yīng)考慮各種可能的附加力的最不利組合。在雨季，張開裂縫可能為暴雨充滿，應(yīng)考慮靜水壓力；如果不考慮其它力，則崩塌體的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K可按下式計(jì)算：

（1）

式中，f為靜水壓力，h0為水位高；W為崩塌體重量；P為地震力；a為轉(zhuǎn)點(diǎn)至重力延長線的垂直距離，這里為崩塌體寬的一半。

2.滑移式崩塌穩(wěn)定性檢算

滑移式崩塌有三種情況，分別表示平面破壞、楔形破壞和弧形破壞。這些崩塌體崩塌的關(guān)鍵在于起始的滑移是否形成。因此，可按滑動(dòng)穩(wěn)定檢算。

（2）

不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的自重：

（3）

將式（3）帶入式（2）可得：

（4）

式中，β為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面的傾角；Φ為內(nèi)摩擦角；c為粘聚力；l為崩塌體長度；h為崩塌體高度。

3.鼓脹式崩塌穩(wěn)定性檢算

這類崩塌體下部較厚的軟弱巖層常為斷層破碎帶，風(fēng)化破碎巖體及黃土等。在水的作用下，這些軟弱巖層先行軟化，在上部巖體壓力作用下，如果壓應(yīng)力大于軟弱巖層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，則軟弱巖層將被擠出，即發(fā)生鼓脹。上部巖體可能產(chǎn)生下沉、滑移或傾倒，以致發(fā)生突然崩塌，因此，鼓脹是這類崩塌的關(guān)鍵。所以，穩(wěn)定系數(shù)可以用下部軟弱巖層的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（雨季用飽水抗壓強(qiáng)度）與上部巖體在軟巖頂面產(chǎn)生的壓壓力的比值來計(jì)算：

（5）

式中，A為上部巖體的底面積；為下部軟巖在天然狀態(tài)下的（雨季為飽水的）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

4.拉裂式崩塌穩(wěn)定性檢算

拉裂式崩塌的典型情況如圖3所示。以懸臂梁形式突出的巖體，在AC面上只受最大的彎距和剪力，巖層頂部受拉，底部受壓。A點(diǎn)附近的拉壓力最大。在長期重力作用與長期的風(fēng)化作用下，A點(diǎn)附近的裂隙；適漸擴(kuò)大，并向深處發(fā)展。拉力將越來越集中在尚未裂開的部位，一旦拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，上部者體就發(fā)生成塌。因此，這類崩塌的關(guān)鍵是最大彎矩截面AC上的拉應(yīng)力能否超過巖石的抗拉強(qiáng)度。故可以用拉應(yīng)力與巖石允許抗拉強(qiáng)度的比值進(jìn)行穩(wěn)定性檢算。

假如突出的巖體長度為l，巖體等厚，厚度為h，寬度為1m（取單位寬度），巖石容重為γ。

當(dāng)AC斷面上尚未出現(xiàn)裂縫，則A點(diǎn)上的拉應(yīng)力為：

（6）

式中，M為AC面上的彎矩；I為AC截面的慣性矩。

穩(wěn)定性系數(shù)K值用巖石的允許抗拉強(qiáng)度與A點(diǎn)所受的拉應(yīng)力比值求得：

（7）

四、黃土崩塌穩(wěn)定性檢算的步驟

1.潛在崩塌體邊界條件的確定

在確定潛在崩塌體的邊界條件時(shí)，可能有兩種情況。一種是通過調(diào)查分析，邊界條件比較容易確定，這種情況通常有明顯而貫通結(jié)結(jié)構(gòu)而把它和穩(wěn)定巖體分開。第二種情況是潛在崩塌體的邊界條件不易確定，通常有多組結(jié)構(gòu)面相互穿插，而且沒有特別明顯而貫通的結(jié)構(gòu)面。這就要先進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的量測和統(tǒng)計(jì)，將結(jié)構(gòu)面分組，得到結(jié)構(gòu)面組的產(chǎn)狀資料；然后，據(jù)此和邊坡面的產(chǎn)狀赤平投影分析方法和步驟，找出在邊坡上不穩(wěn)定的滑塌體，并弄清構(gòu)成該滑塌體的結(jié)構(gòu)面和棱邊。最后，根據(jù)延伸最近而且最軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀和實(shí)際測量，用邊坡實(shí)體比例投影的方法，即可確定不穩(wěn)定巖體的邊界條件。

2.崩塌類型的初步判斷

崩塌可劃分為：傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌、錯(cuò)斷式崩塌。潛在崩塌體究竟發(fā)生哪一類崩塌要看它的形狀和受力狀態(tài)。這主要取決于切割潛在崩塌體結(jié)構(gòu)面的組合情況。所以，軟弱結(jié)構(gòu)面的組合情況是判斷崩塌類型的主要依據(jù)。

還有，巖體在風(fēng)化營力作用下，下部斷面可能逐漸變小，在重力作用下，下部巖體可能被剪斷，所以，也可能發(fā)生錯(cuò)斷式崩塌：對這樣的潛在崩塌體就要同時(shí)進(jìn)行多種檢算，即傾倒崩塌和錯(cuò)斷崩塌兩種檢算。

3.穩(wěn)定性檢算

（1）失穩(wěn)因素分析及其最不利組合。潛在崩塌體的失穩(wěn)因素及其最不利組合情況，主要取決于工程地質(zhì)條件，氣象水文條件，不穩(wěn)定巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、形狀及其可能的崩塌類型。一般來說，都應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析。

（2）公式和參數(shù)的選擇。公式和參數(shù)的選用主要決定于崩塌的類型，崩塌的類型不問選用的公式和參數(shù)也不同。常用的巖石物理力學(xué)參數(shù)有：巖石的容重，巖石的抗壓強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度，軟巖的天然狀態(tài)下的無側(cè)阻抗壓強(qiáng)度（或飽水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度），軟弱面的抗剪強(qiáng)度等。這些參數(shù)如果能取樣試驗(yàn)，都應(yīng)實(shí)測確定。如果不能實(shí)測，而有經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)參考，可選用相似條件下的數(shù)據(jù)和參數(shù)。當(dāng)只作估算時(shí)，可據(jù)有關(guān)的物理力學(xué)指標(biāo)，查工程地質(zhì)手冊確定。

（3）穩(wěn)定性計(jì)算。把選定的參數(shù)和有關(guān)數(shù)據(jù)帶入相關(guān)的公式，即可求出穩(wěn)定系數(shù)。

4.比較

潛在崩塌體如果有發(fā)生幾種類型崩塌的可能，對每種可能都應(yīng)進(jìn)行檢算，檢算后應(yīng)進(jìn)行分析對比。一般情況下，如果公式和參數(shù)選探正確，分析合理，計(jì)算山來的穩(wěn)定系數(shù)K值小的，穩(wěn)定性差，K值大的穩(wěn)定性相對較好。故K值最小的那種崩塌類型最易發(fā)生，所以，在整治中首先應(yīng)加以考慮。

五、結(jié)論

黃土崩塌受降雨影響，崩塌體富水量增加，在重力、靜水壓力、動(dòng)水壓力作用下，土體整體性及穩(wěn)定性大大降低，坡體自重增加，崩塌力增大。土體后緣卸荷裂隙在降雨影響下逐漸向深部擴(kuò)展，，最終貫通整個(gè)裂隙面，形成潛在崩塌體，在冰劈作用及根劈作用下，潛在崩塌體向下滑動(dòng)，繼而產(chǎn)生突然地崩塌。根據(jù)崩塌發(fā)展模式將崩塌分為：傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌、錯(cuò)斷式崩塌。分別得到了傾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓脹式崩塌、拉裂式崩塌、錯(cuò)斷式崩塌的穩(wěn)定性檢算公式及步驟，為黃土崩塌穩(wěn)定性分析及評價(jià)提供理論依據(jù)。

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