水與裂隙對邊坡穩定性的影響分析及工程應用

■祖　勇（云南省電力設計院云南昆明650000）

水與裂隙對邊坡穩定性的影響分析及工程應用

■祖勇
（云南省電力設計院云南昆明650000）

在山區進行大規模土木工程時，地下水和地下巖石土壤結構對工程的進度與質量有著重大影響，地下巖石和土壤被地下水侵蝕，進行著氧化還原反應，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成分和對巖石土壤的侵蝕作用，影響的著巖石土壤對外力的承受度。所以，在邊坡進行工程時，一定要注意地下水對巖石土壤的侵蝕程度。

地下水巖石土壤結構坡面穩定性

如果在山區進行大規模的巖土工程，工程首先要解決的問題是邊坡的穩定問題。因為山區的地形不平坦，地下巖石土壤和地下水的結構錯綜復雜，工程師為了工程結構的平整和穩定性，會在施工中對土壤進行深挖和填方。所以，工程師要在工程開始之前對工程結構下的巖石和土壤結構進行了解，并針對實際情況設計安全的施工路線和有效的預防措施。

1　水和裂縫的影響對工程的影響

在山體間進行工程時有兩種水體會對工程中邊坡的穩定性發生影響，第一種水體是地表水，地表水會對邊坡上的巖石造成侵蝕，對邊坡的結構產生影響，侵蝕嚴重時邊坡會失去對側向巖石的約束作用和對工程底部的支撐作用，還能使邊坡巖石軟化，加速風化作用對邊坡巖石結構的侵蝕，使巖石對工程結構失去支撐作用；第二種水體是地下水，地下水會滲透進巖石的縫隙中，造成巖石軟化，地下水對巖石結構有潤滑、分解和軟化等物理作用，也有溶解、氧化等化學作用，改變著巖石物理和化學的組成部分。

1.1水體對巖石和土壤的物理作用

1.1.1潤滑作用

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

1.1.2軟化和分解作用

水體對巖石長時間地浸泡會對巖石結構發生物理性的影響。巖石結構和土壤經過水體地浸泡后不僅會發生形狀上的改變，還會發生由固態到液態的分解作用，使斷層間細碎的巖石和土壤發生泥化現象，在工程中造成滑坡或泥石流等自然災害。

1.2水體對巖石和土壤的化學作用

地下水會改變土壤和巖石結構所含的礦物質成分，從而影響當地的土地質量和生態環境。

1.2.1離子交換

地下水在對土壤和巖石進行物理侵蝕的時候，水體會因為化學力吸附和交換細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、高嶺石和各種有機物等，因為這些礦物質的表面有可吸附和吸收的膠體物質，使水體和巖石土壤在相互作用時發生物質和成分上的改變，對地質產生影響。

1.2.2氧化反應

最常見的化學反應，地下水和不同的巖石結構之間會發生不一樣的化學反應。比如，地下水在和硫化物發生氧化反應時會產生四氧化三鐵和硫酸，地下水在溶解碳酸巖的時候會產生二氧化碳。地下水在對巖石進行氧化反應的時候，會改變巖體中成分的構成，對巖石的力學特征產生影響。

1.3裂縫對工程的影響

如果工程師要對裂縫對工程的影響進行預估，必須先知道當地的地質情況。但裂縫的開裂程度與當地的地質條件、巖石的受力狀態和風化程度有關，所以想要精確地預估裂縫的開裂程度比較困難。但是，工程的穩定系數和垂直的裂縫深度的關系不大，如果沒有水體侵蝕，巖石和土壤結構就會保持穩定。

2　工程中的應用

2.1巖石土壤的模擬實驗

一般來說，巖石在外力的作用下的劣化過程比較緩慢，所以，用實體巖石材料來進行巖石的劣化實驗，要花費很長的時間，歷史上有的專家經過了20年的連續實驗，才獲得了外力對巖石的侵蝕度與時間的關系。

地震也是改變地質特征的重要外力因素，不過因為地震具有不可預知性和較強的破壞性，所以通過地震來研究巖石的劣化是不可行的。

在實際的工程中，工程師可以通過研究細碎巖石和土壤成分的方式來研究當地的地質特征和巖石質量，并根據實際情況來預估周圍水體和巖石裂縫對工程的影響。

2.2邊坡穩定性計算

2.2.1用擬靜力分析地震對邊坡平衡性的影響

擬靜力分析法是將地震中產生的慣性力施加在邊坡內不穩定物質上，然后根據極限平衡理論求出邊坡的穩定程度。這是一個遵循極限平衡的思路，因為這種方法把地震中的動態力等同于長期作用在巖石上的靜態力，所以這種方法的本質屬于邊坡靜態穩定的分析。

2.2.2確頂邊坡裂縫的深度

如果工程師要確認裂縫對該邊坡穩定性的影響，必須先知道裂縫在坡內的開裂深度，因為開裂程度與當地的地質條件、巖石的受力狀態和風化程度有關，所以要準確地計算裂縫的開裂深度比較困難。學者Fredlund在其著作《非飽和土力學》中曾經提到，邊坡裂縫的深度占頂坡到地下水位距離總距離的10%~20%,因為裂縫的深度和邊坡的穩定程度關系不大，所以，在計算邊坡裂縫深度的時候一般取邊坡穩定系數最小值的對應值。因為這種算法在工程中引起的誤差較小，所以在一般的工程設計中來計算邊坡裂縫的深度.

2.2.3分析水對巖石產生的力

巖石主要受兩種水的壓力，一種是靜態水產生的壓力，另一種是動態水產生的壓力。巖石經過靜態水長期地浸泡，強度降低，水進入巖石的縫隙內產生的靜態壓力使巖石變形。動態水產生的壓力可以使細碎的巖石土壤產生移動，通過動態侵蝕對巖石進行破壞。

從物理學角度來說，靜態水對巖石產生的是垂直壓力，會使巖石裂縫產生垂直變形。而不斷運動的動態水對巖石產生的是水平力，巖石經過動態水不斷沖刷后產生的是切向變形。對于工程師來說更應該警惕的是動態水對巖石產生的壓力，因為動態水產生的力破壞性更強。

3　結束語

本文通過分析水對巖石產生的影響來分析邊坡的穩定性，通過上述論證，單一的裂縫對邊坡的穩定性和對工程的穩定性產生影響不大，但如果有動態水進入裂縫，對邊坡的結構影響是巨大的，工程師應該妥善處理工程和附近水源之間的關系，對土地進行勘測之后，根據實際情況進行施工。

[1]譚桔紅,晏鄂川.水與裂隙對邊坡穩定性的影響分析及工程應用[J].山地學報, 2011,03:373-377.

[2]郭玉龍.滲流與應力耦合作用對邊坡穩定性影響的研究[D].武漢理工大學,2013.

[3]祝艷波.宜巴高速公路巴東組軟巖碎屑土夾層的非飽和特性研究[D].中國地質大學,2014.

[4]倪衛達.基于巖土體動態劣化的邊坡時變穩定性研究[D].中國地質大學,2014.

[5]趙金剛.降雨-蒸發循環作用下膨脹土填方邊坡穩定性及機理研究[D].西北大學, 2013.

P621[文獻碼]B

1000-405X（2016）-1-337-1