土质边坡变形及稳定性的影响因素分析
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作者: 杨金灿
[摘要] 边坡稳定性受多种因素的影响,主要可分为内部因素和外部因素。其中,内部因素包括:组成边坡的岩土体类型及性质、边坡地质构造、边坡形态、地下水等;外部因素包括:振动作用、气候条件、风化作用、人类工程活动等。该文通过对以上各因素的分析,为正确认识边坡、合理设计和治理边坡,把边坡失稳灾害降低到最大限度提供依据。
[关键词] 边坡 变形 稳定性 动水压力
1 引言
随着我国基础设施建设的蓬勃发展,在建筑、交通、水利、矿山等部门都涉及到大量的边坡问题。边坡在演变过程中将发生不同形式和规模的变形与破坏,如滑坡和崩塌等。边坡在形成过程中,其内部原有的应力状态发生变化,引起应力重分布和应力集中等效应。为适应这种应力状态的变化,边坡将发生不同形式和不同规模的变形与破坏,这是推动边坡演变的内在原因。各种自然营力和人类工程活动也可造成边坡外形、内部结构及应力状态的变化,这些营力则是推动边坡演变的外部因素。
2 边坡变形破坏的发育过程
边坡在发生滑动之前通常是稳定的。由于各种因素影响,边坡土体强度逐渐降低,或边坡内部剪切力不断增加,使边坡的稳定状况受到破坏。在边坡内某一部分因抗剪强度小于剪切力而首先变形,产生微小的滑动,以后变形逐渐发展,直至坡面出现断续的拉张裂缝。随着裂缝的出现,渗水作用加强,变形进一步发展。后缘拉张裂缝加宽,开始出现不大的错距,两侧剪切裂缝也相继出现。坡脚附近的土石被挤压,滑坡出口附近潮湿渗水,此时滑动面已大部分形成,但尚未全部贯通。随着边坡变形的继续发展,后缘拉张裂缝进一步加宽,错距不断增大,两侧剪切裂缝贯通并撕开。边坡前缘的土石挤紧并鼓出,出现大量的鼓张裂缝,滑坡出口附近渗水混浊,这时滑动面已全部形成,接着便开始整体地向下滑动了。边坡变形破坏的发生是一个长期的变化过程,通常可将边坡变形破坏的发育过程分为三个阶段:蠕动变形阶段、滑动破坏阶段和渐趋稳定阶段。
3 土质边坡变形及稳定性的主要影响因素
3.1 内部因素
3.1.1边坡岩土体类型和性质
地层土体类型及其性质的差异是影响土质边坡稳定的主要因素。不同土层组成的边坡有其不同的内力作用机制,也有其不同的变形破坏形式[1]。
① 粘性土边坡。根据粘土成分的不同,分为一般粘土边坡、红土边坡、裂隙性硬粘土边坡等。粘土颗粒细密,但由于生成环境的不同,各类粘土的组织结构、物理力学特性等差别较大,对边坡稳定性的影响也不一样。但一般都具有干时坚硬开裂,遇水后膨胀分解呈塑状的特点,对边坡稳定极为不利。若土体内存在软弱结构面,则破坏了边坡土体的整体性,而且还降低了土体的抗剪强度,边坡常沿这些软弱结构面发生滑动变形破坏。
② 软土边坡。软土因其抗剪强度极低,流变性能显著,对于边坡稳定极为不利。由于软土的塑流变形,边坡随挖随塌,难以成形,这对于工程边坡的影响更为严重。
③ 砂性土边坡。由于砂性土结构较疏松、粘聚力低,边坡坡度一般较缓;由于砂性土一般透水性较大,所以,饱和含水的均质砂土边坡,在振动力作用下,易于发生液化破坏,对边坡的稳定不利。
④ 黄土边坡。黄土在我国华北、西北地区大面积分布,黄土具有多孔性,孔隙比一般为40%～50%,成分以粉粒为主,天然状态下含水量甚少,干燥时甚坚固,可形成直立边坡,但遇水后土体强度大为降低,容易剥落或遭受侵蚀,黄土边坡的变形以崩塌和滑动为主。
3.1.2地质构造
地质构造对边坡稳定的影响表现为结构面的产状、发育程度、规模、连通性及充填物成分、充填程度对边坡稳定性的影响。一般情况下,同向倾斜边坡比反向倾斜边坡稳定性差,同向缓倾边坡中,结构面倾角越陡,稳定性越差。结构面走向和边坡坡面走向之间的关系,决定了可能失稳边坡运动的自由程度,当倾向不利的结构面走向与坡面平行时,整个坡面都具有临空自由滑动的条件,因此对边坡的稳定最为不利;结构面走向与坡面走向夹角愈大,对边坡的稳定愈有利。而结构面充填的软弱物质会降低边坡抗剪强度,不利于边坡稳定。
3.1.3边坡形态
边坡形态对边坡的稳定性有直接影响。不利形态的边坡往往在坡顶产生张应力,并引起坡顶出现张裂缝;在坡脚产生强烈的剪应力,出现剪切破坏带,这些作用极大地降低边坡的稳定性。一般来说,坡度越陡,边坡越容易失稳,坡度越缓,边坡越稳定;而坡高越大,对边坡稳定越加不利。平面上呈凹形的边坡较呈凸形的边坡稳定;同是凹形边坡,边坡等高线曲率半径越小,越有利于边坡稳定。
3.1.4地下水
地下水对边坡稳定性的影响不仅是多方面的,而且是非常活跃的,包括地下水的埋藏条件、流量、渗流条件及其动态变化等。大多数边坡的破坏和滑动都与地下水的活动有关。地下水对边坡稳定性的影响可反映在以下几个方面:
3.1.4.1 静水压力
处于地下水位以下的透水边坡将承受水的浮托力的作用,使坡体的有效重量减轻;而不透水的边坡,坡面将承受静水压力,充水的张开裂隙也将承受裂隙静水压力的作用,这些都对边坡的稳定不利。地下水的存在使边坡土体的含水量增大,土体容重也随之增加,而且孔隙水压力也随之增大,从而引起剪应力增大和土体抗剪能力下降,使边坡稳定受到影响。
3.1.4.2 动水压力
地下水的渗透流动,将对坡体产生动水压力,在动水压力作用下,水流将带走边坡断层破碎带或其它软弱结构面中的细小颗粒。经过长期的渗流作用,土质边坡内部可能形成较为连贯的渗流通道,随着通道的不断扩大,坡体不断被淘空,最终将导致边坡失稳。
3.1.4.3 水的软化作用
水的软化作用指由于水的浸泡使边坡土体强度降低的作用。地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。出露的地下水可能冲刷边坡坡脚,并不断侵蚀掏空,使边坡不断崩垮,引起坡体整体失稳。
3.2 外部因素
3.2.1振动作用
地震对边坡稳定性的影响较大,地震作用导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力,使边坡下滑力增大;而且,在地震力的作用下,边坡岩土体的结构发生变化甚至破坏,出现新的结构面或使原有结构面张裂、松弛,地下水状态也有较大变化,孔隙水压力增大,边坡岩土体强度降低,随着地震力的反复作用,边坡发生位移变形,最终导致破坏。因此,在地震时经常发生边坡失稳。
边坡施工或露天矿开挖中经常采用的爆破施工振动也是影响边坡稳定性的动力因素。因为爆破振动产生的惯性力增加了边坡岩土体的下滑力,而且由于频繁的振动影响造成岩土体中原有裂隙的松动、错动与扩展,降低了结构面的力学强度,加速了滑体的蠕变过程,导致结构体沿优势产状失稳滑出或剪出,或诱发较大滑坡。
公路、铁路边坡由于车辆的长期反复荷载而导致强度疲劳、边坡破坏。对于受双荷载的土质边坡(如坡顶受公路荷载,坡底受铁路荷载),作用于坡体顶部的公路载荷对坡体的破坏程度几乎贯穿于整个边坡,其破坏远远大于作用于坡底的铁路载荷,作用于坡体底部的铁路载荷,其对坡体的影响范围基本保持在动载源周围2m以内;由于长期作用下可能引起坡体下部的局部液化,从而加快了坡体的失稳。
3.2.2气候条件
气候条件对边坡稳定性的影响有多种作用方式,如降雨、气温变化等,其中以降雨的作用最为突出[2]。在降雨过程中,由于雨水的作用,将导致某些岩土体产生膨胀及物理力学性质的变化;降雨也使地下水位提高,增加静水压力造成地下渗流场的变化,产生动水压力;降雨使土体饱和而使其容重增加,引起土体内部剪应力的增大。
3.2.3风化作用
风化作用能造成岩土体结构面的规模增大,条件恶化,并可产生风化裂隙等次生结构面及次生粘土矿物,使地表水易于入渗,改变地下水的动态等。长期的风化作用可使岩土体的抗剪强度减弱,影响边坡的形状和坡度,还可使边坡岩土体脱落或崩塌。
3.2.4人类工程活动
随着公路、铁路及城市建设向着山区的不断延伸和发展,人类工程活动对于边坡的影响越发凸显出来。人类工程活动对于边坡的影响存在着两面性,它既是一种改造,也是一种破坏。适当的人类活动能增强边坡的稳定性,而不适宜的活动则会对其产生不利的影响[3]。对边坡稳定性产生显著影响的人类工程活动主要有:
3.2.4.1 开挖削坡
工程实际中不合理的开挖边坡如开挖坡脚,会造成边坡临空面过大,坡脚压重不够,降低了边坡滑动面的抗滑力,造成边坡失稳。开挖对变形的影响,不仅是由于应力变化产生瞬时变形,还有由此产生的蠕变,而且由于开挖并非瞬时结束,又会对后期蠕变产生影响。
3.2.4.2 坡顶加载
坡顶加载一方面增加了坡体的下滑力,另一方面加大坡顶张应力和坡脚剪应力的集中程度,使边坡岩土体破坏,降低强度,因而引起边坡稳定性降低。
3.2.4.3 不适当的开挖放炮
开挖放炮产生爆破动荷载,其振动作用产生的地震惯性力对边坡稳定也产生不利影响。由于爆破振动的频繁作用使边坡岩土体原有裂隙、层理产生扩张或错动,降低了岩土体结构面的抗剪性能,减小摩擦阻力,降低了边坡稳定性。
4 结语
边坡的稳定性受内部和外部因素制约,当超过土体平衡条件时,边坡便会发生失稳现象。包括边坡岩土体类型及性质、边坡地质构造、边坡形态、地下水、振动作用、气候条件、风化作用及人类工程活动等,特别是人类工程活动及地下水对边坡稳定影响较大。
参考文献:
[1] 常士骠.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1992.
[2] 殷坤龙,汪洋,唐仲华.降雨对滑坡的作用机理及动态模拟研究[J].地质科技情报, 2002, 21(1): 75-78.
[3] 殷坤龙,晏同珍.滑坡预测及相关模型[J].岩石力学与工程学报, 1995, 15 (1):1-8.
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