降雨对泥岩边坡稳定性影响机制分析

梁 鹏

(重庆市交通规划勘察设计院, 重庆 401121)

降雨对泥岩边坡稳定性影响机制分析

梁 鹏

(重庆市交通规划勘察设计院, 重庆 401121)

随着我国基础设施建设力度不断加大，高速公路建设越来越多，特别是山区高速公路的建设发展十分迅速。通过对相关文献资料进行收集与整理，对泥岩进行了判别和分类，并归纳分析了影响高填路基边坡稳定性的各种因素，研究了泥岩边坡在考虑降雨条件下的稳定性规律及稳定性安全系数，对其变形破坏机理进行了分析研究。

降雨； 泥岩； 边坡； 稳定性

在降水进程中，当软岩基质的吸力发生变化时，其岩体边坡的抗剪强度也随着变化，而降水的持续时间和强度也在一定程度上影响着边坡的安全性以及边坡滑动的最大危险面。

极限平衡法主要是对边坡稳定性进行定量评价，不考虑岩块自身的变形，只对滑动面上的受力情况进行研究分析，对于滑坡体内部的应力状态不进行研究。因此，选用计算参数、正确引用滑体荷载条件等对滑体的体型和滑面形态进行分析，也可借助图表或图解法进行计算分析[1]。

最常用的极限平衡分析法大部分是针对岩体的滑动破坏而进行分析，至于其它形式的边坡变形如蠕动、崩塌等破坏，尚未形成成熟的计算方法。用土力学中的极限平衡法对岩质边坡进行分析，其特点在于事先假定滑移面形状，计算保持平衡的抗滑力，若下滑力大于抗滑力，则会发生失稳滑坡破坏。对于弧面滑动面，1915 年瑞典人 Petterso 对滑坡体安全系数进行了描述；1963 年瑞典人费伦纽斯提出了条分法分析滑动面上的应力分布问题。长沙矿冶研究院熊传治推导了 Mohr-Coulomb 破坏准则，提出了安全系数普通表达式，并通过优化方法实现了确定滑动面的方法[2]；陈祖煜[3]、邵长华等[4]实现了用单纯形法、负梯度法和 DPF 法来确定滑动面最优形状的方法。

1 泥岩的工程特性

泥岩是一种多相介质，介于岩石和黏土之间半胶结、半坚硬状态，是固化而成的一种沉积岩。由其组成成分为依据划分为粉砂质、钙质、硅质、铁质泥岩、炭质、锰质等泥岩；由其颜色可划分为黄色、灰色、红色、黑色、褐色等。泥岩是已经固结成岩的，但泥岩的层理不明显，呈块状。从成岩时间来看，泥岩历时较短，胶结程度较差，相对而言其结构较松软，天然状态下其抗压及抗剪强度都较高，但较易吸水，当遇到降雨等情况，泥岩由于受到水化作用会产生应力集中现象，导致泥岩强度降低，产生膨胀以至崩解。

有关泥岩的工程问题，主要由于泥岩的一些工程特性有关，如遇水后膨胀、软化导致强度大幅降低，而且对地应力、湿度、地下水等环境因素较为敏感。泥岩是一个多矿物体系，属于膨胀性极软岩，由于泥岩的矿物成分不同，导致其物理性能、力学性质各不相同。泥岩属于膨胀性极软岩，泥岩按其与母岩的关系分为次生矿物与原生矿物，矿物的性质特征是影响泥岩各项物理力学性能的重要因素泥岩边坡稳定性问题是由于存在膨胀力，原因其所含黏土矿物亲水性较强，土层中水分的变化对膨胀力有直接影响。开挖引起岩土体的结构相对疏松，改变了原来的应力状态。在自重应力、膨胀力的作用下，在坡脚附近，岩体临空面发生蠕滑，产生严重变形，最终引发滑坡[1]。

对于泥岩边坡而言，其变形失稳破坏及力学机制非常的复杂。何满潮等对某高速公路泥岩路堑边坡的变形力学机制进行了研究，归纳为：水力、自重应力和开挖应力等组合型变形力学机制。

通常情况下，在整个降水过程，由于雨水的渗透，土体表层的饱和度将变大，致使土体缓慢移向下部。而在坡脚处由于雨水的渗透路线比较短，此处这些雨水最先渗透到不透水层，坡脚处土层的饱和度将随着不透水层雨水的汇聚而变大，致使浸润线的出现，随着雨水的继续渗入，坡脚出的浸润线将逐渐移向上部[2]。

非饱和土体随着雨水的不断渗入将逐渐变成饱和土体，这是由于非饱和土体中增加的水分主要出现在浸润线以内。另外，土体强度的减小、孔隙水压力的增大以及土体重量变大也是造成土体边坡失稳的重要原因。通常情况下，土体强度主要是随着土体粘聚力的减小而减小；对于相同土体而言，饱和土体的抗剪强度要比非饱和土的低；当非饱和土的含水量减小时，其抗剪强度则增大。因此，非饱和土体的抗剪强度由于降水的原因而降低是导致土体边坡失稳的关键因素[3]。

边坡岩土质的不同以及降水形式的不同，雨水对其产生的危害程度也是不同的。通常来说，土体边坡的稳定系数随着降水强度的减小而显著增大，对于降水强度变化小的降水类型，土体边坡的稳定系数则较高。在降雨强度较小情况下，在边坡土体的表层将会出现了瞬时饱和区，这也在一定程度上降低了边坡土体的渗透性能[4]。

由于雨水的渗透速率决定于边坡土壤的渗透性，因此雨水的渗透能力在很大程度上影响着土体边坡安全系数。故在边坡设计时应综合考虑土体渗透性和降水强度的影响。在降水的强度和持续时间相同的条件下，随着土体渗透能力的减小，边坡的稳定性将显著增加。而当降水持续时间短以及强度较大时，土体渗透系数将会变大，而此时土体渗入能力和降雨类型对其影响是显著不同的，土体稳定性反而会随着土体是深入能力的降低而减小。

2 降雨对软岩边坡稳定性影响机理

边坡发生失稳破坏的诱因很大程度上取决于降雨，特别是持续的强降雨条件下，雨水对边坡的破坏作用更大。

若泥岩边坡的排水设施不完善或者对防水方面考虑较少，在降雨条件下，一部分雨水顺着坡面流失，另一方面雨水入渗到坡体，产生渗流力，而且坡内的岩土体与水发生作用，会导致其强度降低，进而引发边坡破坏，对边坡稳定性的影响非常大。

在降雨初期，雨水开始入渗到坡体，入渗速率与降雨强度相当，随着降雨的延续，坡体的基质吸力降低，入渗速率下降，随着降雨历时的增长，边坡内部的孔隙水压力不断增加。在泥岩软化效应的作用下，边坡表面局部会发生分层坍塌，而且随着降雨的持续进行，其塑性区面积增大，而且存在深层塑性区，所以降雨停止后，泥岩坡体内各位置的塑性区面积稍微增加。

降雨条件下，由于排水设施不完善或者地下水水位上升等情况使雨水入渗到坡体内部，对泥岩坡体的强度产生极大影响。对于饱和区，降雨入渗引起自重应力增大；对于非饱和区，在降雨入渗情况下，坡体内部原有的非饱和区逐渐趋于饱和，使该区土体的抗剪强度的降低，最终导致边坡发生失稳破坏。因此，对软岩边坡在降雨入渗作用下的稳定性进行分析研究显得十分必要。

3 考虑降雨入渗的极限平衡分析法

分析降雨条件下的边坡稳定性，要先建立非饱和土的抗剪强度理论。坡内岩土体的抗剪强度与含水量有很大关系，且基质吸力随着含水率的变化而变化。

至今人们较常使用 Bishop和 Fredlund的理论进行极限平衡分析。

(1)Bishop 抗剪强度理论。

此理论是以有效应力为基础的抗剪强度准则：

(1)

此理论认为c′,φ′不随基底吸力的变化而变化，用常规方法就能确定；然而与饱和度、应力路径以及土的类型相关的经验系数受多种因素的影响，不容易测定，故而在实际应用中存在局限。

(2)对于非饱和土的抗剪强度，Fredlund 等人提出了公式：

(2)

上面两种理论公式都是在非饱和情况下，对坡体稳定性的影响因素进行了考虑，当土体接近或者已经饱和时，假定其基质吸力为零，这样便得出了饱和土有效抗剪强度公式，如下式(3)：

(3)

考虑降雨条件下的边坡稳定性，其实是研究降雨后边坡土体中基质吸力降低的问题，依据上述理论可知：在排除雨水作用下，即边坡土体干燥时的基质吸力较大，此时边坡比较稳定；降雨使坡体的基质吸力降低，从而降低了土体的抗剪强度，使边坡安全系数下降，对边坡的稳定性不利。

4 结论

本文在充分收集相关研究及工程资料的基础上，对泥岩判别、分类及其工程特性进行了分析总结，对影响其稳定性的主要因素进行研究，对边坡稳定性安全系数进行了探讨，分析了泥岩边坡的变形破坏机理，得到以下结论：

(1)由于山区复杂的地质环境，公路建设中经常出现高填或深挖路段，受路基填料的工程性质及压实性等原因和外界条件如外载、降雨等因素作用下，不可避免会遇到很多边坡稳定性问题。因此，对高填方路基边坡的变形破坏和稳定性问题进行分析非常有必要。

(2)边坡发生失稳破坏的诱因很大程度上取决于降雨，特别是持续的强降雨条件下对边坡的破坏作用更大。

[1] 郑颖人,赵尚毅,时卫民,等.边坡稳定分析的一些进展[J].地下空间,2001,21(4)：262-272.

[2] 伍法权.中国 21 世纪若干重大工程地质与环境问题[J].工程地质学报,2001(2)：115-120.

[3] 夏元友,李梅.边坡稳定性评价方法研究及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2002,21(7):1087-1091.

[4] 方建瑞,朱合华.边坡稳定性研究方法与进展[J].地下空间与工程学报,2007，3(2):343-348.

梁鹏(1982～)，男，本科，工程师，从事路基工程设计工作。

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[定稿日期]2015-06-17