层状岩质边坡稳定性分析

2015-01-28经验人乔俊宇

中国科技信息 2015年17期

经验人：乔俊宇

层状岩质边坡稳定性分析

经验人：乔俊宇

分析了地层岩性特征、岩体应力分布、水、地形地貌特征、坡形、外部动力荷载（如爆破荷载）、工程活动、时间和风化的影响等对层状岩质边坡稳定性的影响，进而深入了解层状岩质边坡岩体稳定性和变形失稳的破坏机理，为井巷工程实践提供指导。

层状岩质边坡的破坏与失稳是岩土工程中的主要灾害之一，对其稳定性的研究具有重要的现实意义。在工程地质条件以层状岩石分布为主的井巷工程中，平硐硐口、斜井井口、竖井井位的选择，以及相应采矿工业场地的选择，层状岩质边坡稳定与否是重要影响因素之一。本文研究了层状岩质边坡岩体稳定性和变形失稳的破坏机理，为井巷工程实践提供指导。

影响因素

地层岩性特征

地层岩性特征是决定边坡稳定性和破坏模式的重要因素。在相同条件下，自然条件下的边坡稳定性要好于边坡，边坡的稳定性是最差的。此外，边坡稳定是边坡失稳的主要因素，在边坡失稳的情况下，边坡的倾角和弱抗剪强度较弱直接决定边坡的稳定性。

岩体应力分布

边坡岩体应力分布特征复杂性非常突出。为简化，层状岩质边坡在工程实际中可被假设为具有各向异性的均质弹性体。一般情况下，层状岩体边坡应力分布特征为：拉应力通常分布于坡顶、剪应力通常分布于坡脚，而坡面附近各性应力均很低。同时应力分布由于岩体中不连续面的存在而变的更为复杂。因此，岩体应力的存在在一定程度上会导致边坡岩体发生变形、失稳破坏。

水

在影响边坡失稳的众多因素中，水的影响是不可忽视的。大量的事例证明，边坡岩体的破坏和滑动与水的活动有关，地表水的冲刷作用、地下水的水压力作用以及暴雨、高寒地区冰冻融解等等均是诱发边坡失稳的重要因素。所以，在工程设计过程中，必须充分考虑水对边坡岩体的各种作用。首先，水对岩体有着非常明显的物理、化学作用，这一作用导致的结果随着时间的推移会越来越明显。岩体在水的作用下会发生软化、泥化、溶蚀、膨胀等现象，会直接破坏岩体结构强度和整体性，影响边坡的稳定性。其次，降水或冰冻溶解水会通过地表水转化为地下水。地下水渗流产生的渗透力作用会降低岩体结构强度。地下水产生的渗透静水压力和渗透动水压力是地下水对岩体力学作用的主要体现。静水压力在岩体结构面产生的浮力会产生导致边坡失稳主动荷载效应，而动水压力沿滑动面的法向应力会产生导致滑面滑动效应。静水压力、动水压力的这两种效应均会降低岩体强度参数，增大边坡发生失稳的趋向性。

地形地貌特点

边坡在自然状态下或由于工程作用形成的形态和规模等地貌特点直接影响边坡的稳定性。不利的地貌形态和规模会导致在坡脚位置产生剪应力集中区，会产生强烈的剪切破坏；在坡顶位置会产生拉应力，引起坡顶岩体结构发生张裂破坏，形成大量的张裂缝隙，进而在很大程度上降低边坡的稳定性，导致或加快边坡的失稳。因此，在工程设计中，深入分析并研究边坡的地形地貌特点和形状，有助于了解边坡的失稳、破坏机制，预测边坡的工程行为趋势。

动荷载

井巷工程中层状岩质边坡，是边坡稳定的最重要、最重要的动态荷载系数。井巷工程中的斜井、平硐等工程在施工过程中多采用钻爆法，由于工程布置原因，施工过程中产生的爆破多发生在靠近边坡脚和边坡体内。发生爆破时，坡脚爆破源附近的岩体由于爆破冲击波作用，岩体内部结构发生变形，导致剪应力增加，发生大量的剪切破坏；边坡体内爆破源附近的岩体会在爆破力的作用下被剧烈压缩，由于边坡自由面的存在，岩体在剧烈压缩下会向自由面运动，因此会在岩体结构内部产生外向的拉伸力，由于岩体的抗拉强度仅为其抗压强度的1/10～1/30，决定岩体整体性和强度的节理、裂隙等结构因素在靠近自由面处发生滑动、扩张，导致岩体抗剪强度变小，此外，由于爆破引起的岩体结构内微颗粒液化和结构面错动，爆破产生的惯性力导致边坡下滑力增加等不利因素均可降低边坡稳定性，导致边坡失稳、滑动。因此，爆破对层状岩质边坡稳定性的影响是复杂的、多方面的。

工程活动

工程活动是指人为影响因素。矿山井巷工程实施过程中对所在区域边坡的扰动影响是频繁和巨大的。例如，由于采矿工业场地的需要会对原有边坡进行开挖，平硐、斜井等巷道工程的掘进会对岩体结构破坏，工业设备的布置会改变边坡的载荷条件。岩质边坡是经过漫长、复杂的地质作用形成的。随着人类工程活动的日益扩大，工程活动特别是不当的工程行为，对边坡稳定性的影响愈发明显，常常会引发边坡失稳、滑坡等工程地质灾害，使人类不得不重视工程活动对边坡稳定的影响。

时间因素

实践证明，井巷工程中发生严重变形、破坏的岩质边坡大都是由岩体中存在的断层破碎带、节理等软弱层的时效蠕变引起的，即边坡经过一个与时间有关的复杂的非线性累进，完成从开始变形至最终破坏。大量的实验证明，软弱夹层受剪应力作用时间越长，其抗剪强度越低，许多滑坡灾害发生都有一定的时间性，大量的边坡蠕变破坏表明软弱夹层在边坡蠕变破坏中起着非常重要的控制作用，一次对滑坡灾害进行时效蠕变破坏研究意义重大。

在井巷工程中，边坡的使用寿命较长，属于永久性工程，边坡稳定性通常需要考虑徐变效应的影响。蠕变（蠕变）是随时间变化的变形过程。由于层状岩质边坡在沉积岩层中，在损伤的外部原因下极易发生地层，从而导致边坡的变形和失稳。在实际工程中，岩质边坡存在着严重的破坏，其中许多都与岩石的蠕变老化有关。

在这个阶段的蠕变非常复杂的机制研究还处于初级阶段，许多问题还没有得到进一步解决。因此，在采用参数分析法的边坡失稳机理的影响下，可以忽略。

风化作用

边坡区内滑体由于风化作用，使原有节理、裂隙发育，滑体被分割成碎块状，造成岩体的结构和整体性遭到破坏。对于岩体内软弱夹层，遭受风化后，原有的岩层间剪切刚度大幅下降，抗滑能力明显降低，可诱发滑坡。

矿山工程所处区域气候条件多为昼夜温差，四个季节，季风盛行，并伴随着大量的降雨和蒸发，特别是当前国内矿产资源开发转向高原地区、气候条件更为恶劣，风化作用对岩体工程地质性质的影响更为明显，强烈的风化作用使坡体形成了深厚的风化层，由于对风化的岩体结构的变化，这反过来又导致对降低机械强度的岩石质量，容重减小，孔隙度增加，增强的渗透，强度和稳定性大大降低，这是更有利于下一步的风化和侵蚀面。