关于土体裂缝对边坡稳定性影响的讨论

李晨，徐卫卫

0 引言

滑坡大多发生在暴雨期间或者之后不久，而中低降雨很少会导致边坡破坏[1]。Morgenstern，Au SW C等[2-6]研究者一致认为，暴雨直接导致了边坡失稳的发生，但是暴雨如何导致边坡下滑尚不完全清楚。一些研究人员指出，由于雨水的存在，非饱和边坡内土壤吸力的减少是导致边坡破坏的主要原因；但也有人认为雨水侵入边坡是重要原因。然而，这些研究人员都没有解决以下问题：

1）稳定几十年、几百年或更长时间的边坡，在大雨中突然坍塌的原因。

2）类型相似、坡度相似、覆盖坡面的植被相似的残积土或岩石组成的主要公路的天然边坡，在类似的大暴雨下，边坡破坏只发生在某一特定地点的原因。

3）许多破坏的边坡是由坚硬的岩石组成的，在任何天气和地下水位升高的情况下，这些岩石都应该是非常稳定的，并且稳定了许多年。暴雨过后突然破坏的原因（见图1）。

图1 稳定多年的岩质边坡突然破坏Fig.1 Sudden failure of rocky slope thathad been stable formany years

Morgenstern[2]提出了一个假设，土体和边坡内部已经存在裂缝，而且裂缝是造成暴雨导致斜坡破坏的主要因素。

本文中，将就土体裂缝对边坡稳定性的影响进行讨论，并分析了其对岩土工程计算方法产生的影响。

1 关于土壤和边坡中裂缝的假设

通过大量的岩土工程勘察、钻探和岩石取样的结果表明，岩石样本大多是不连续的，且岩芯样本多有裂缝和裂痕。因此，可认为大多数土壤也含有裂缝且不连续。同样，由于母岩本身一开始就具有裂缝和不连续性，所以由残积土形成的边坡也应被认为是含有裂缝的。裂缝是在土壤内部形成的错综复杂、连续的孔洞，能使土体内部的渗水和排水变得更快更容易。

关于土体内裂隙的存在已经被Holford[7]和Hutagamissufardal[8]证实：

1）在大多数黏性土边坡上修建观测井，观测发现即使所有边坡表面都被不透水塑料薄膜覆盖，大雨仍会使地下水位迅速上升。由于雨水不能直接进入边坡，所以只有在边坡的侧向容易渗透的情况下，才有可能使地下水迅速上升。除非在边坡内部已经存在裂缝，否则对于渗透系数极低的黏土来说，水在边坡内流动是不可能的，只可能通过裂缝进行流动。

2）将集水井中水抽干后，不久集水井中的水又会恢复到原来水位，是因为进入集水井的渗水量已经大于或等于抽出去的水量。考虑到地基土主要是淤泥或黏土，土壤渗透系数相对较低，这种情况意味着渗入集水井内的渗水量远大于土壤渗透系数引起的渗水量。只有在土壤中已经存在一些裂缝的情况下，这种高渗漏量才会发生。

当土壤内已经形成裂缝时，Mochtar[9]提出裂缝与雨水之间的联系如下：

1）从土壤形成开始时，土壤内的裂缝已经存在了相当长的一段时间。因此可以假定裂缝已经多次重复充满水。

2）土壤是边坡的一部分，可以假定多次降雨导致土壤内部的裂缝形成一个错综复杂的管道，雨水很容易通过边坡下部某处的裂缝出口排出。

3）中、小强度的雨水会使边坡内部的裂缝充满水，但水也很容易通过边坡的一些较低部分排出。因此，边坡内部的裂缝只是部分被水填满，如图2所示。

图2 在小雨到中雨时部分裂缝被雨水充满Fig.2 The crack partially filled w ith rainwater during light tomedium rain

4）遇到非常罕见的大雨，会使裂缝被水填满，因为进入裂缝的水量超过裂缝排水的能力。在这种情况下，裂缝必须承受与边坡表面水平一样高的水压，这就是边坡最危险的情况。在这种情况下降雨的强度比降雨的持续时间对边坡稳定性影响更大。

5）无论土体的原始条件如何，当裂缝成为主导因素时，土体剪切特性应表现出类似于砂土的剪切特性，即黏聚力C=0，内摩擦角渍屹0，边坡会变得非常容易受到裂缝内地下水位上升的影响。即使边坡主要由硬岩构成，裂缝和大雨的结合也会使边坡变得与颗粒状土粒一样不稳定。

6）假定边坡内部的裂缝随着时间的推移而扩展，如图3所示，边坡会随着时间的推移变得越来越危险。

7）边坡内部裂缝扩展的速率是不相同的，在土质条件、类型、坡度和植被情况几乎相同的条件下，具有最深裂缝的边坡在发生特大暴雨的时候会更容易破坏。

图3 多次暴雨后裂缝的逐渐延伸扩展Fig.3 The cracksgradually propagate aftermultiple rainstorms

由于裂缝的宽度可能仅在毫米到厘米之间变化，地勘时钻孔取土不能检测到一般裂缝的存在，因此，采用标准室内试验方法获取土体参数后，在对边坡进行安全判定时，实际情况可能会与判定结果有所不同。

2 土体裂缝对土工试验的影响

土体内部裂缝的存在对于岩土工程解决任何土体稳定性问题都有许多影响，即：

1）由于实际场地裂缝的存在，实际土层的土壤渗透系数可能比实验室渗透试验得到的土壤渗透系数要高得多。因此，应在土壤渗透性试验中推荐直接原位试验。

2）三轴测试是在原状土上进行的，在裂隙土上进行测试建议采用修正直剪试验，沿剪切平面施加独立的孔隙压力，如图4所示[8]。从这个试验中可以得出：沿着裂缝，排水剪切强度占主导地位（其中渍屹0，C=0）；对原状土，是正常不排水剪切强度占主导地位（C屹 0和渍屹0）。从Hutagamissufardal[8]和Mochtar[9]关于黏土和粉土的研究结果显示内摩擦角渍在17毅~20毅，如图5所示。这一结果与Mochtar和Edil 1988[9]高岭石黏土中模型桩侧抗剪强度的排水强度特性非常吻合，其中对于摩擦桩，剪切面位于土颗粒之间，其值渍抑18毅和 C=0。

这些研究成果表明，当土中存在裂缝时，应将排水强度条件应用到土体中，无论实际土体的类型，土都应被假定为砂土。

3）Morgenstern[2]也提到，反复渗水会对裂缝表面造成侵蚀。土中的细颗粒，如淤泥和黏土颗粒被渗流带走，粗颗粒将留在裂缝内。因此，可假定裂缝表面由薄薄一层砂完全填满，土体强度的表现类似于砂。

图4 修正直剪试验装置Fig.4 M odified direct shear testapparatus

图5 淤泥和黏土试样的内摩擦角Fig.5 The internal friction angle of siltand clay sam ples

4）在评估暴雨条件下危险边坡的稳定性时，假定边坡由完全排水的砂土组成，但内摩擦角渍值，应采用Hutagamissufardal[8]和Mochtar[9]给出的修正直剪试验方法来测量。但当只有部分坡体内部存在裂缝时，建议将边坡的裂缝部分作为砂土来评估，而无裂缝部分视为原状土，采用不排水抗剪强度参数进行边坡稳定评估。

5）假定由于边坡存在裂缝而采用与砂土相似性质的数据进行计算评估，得到的边坡安全系数比使用从地质勘察报告中获得的“实际”强度参数计算的边坡安全系数低得多。

6）Play伽[10]等利用地质雷达技术研究，结果表明边坡内部确实存在裂缝，而裂缝是暴雨过程中边坡破坏的主要原因。

7）Mochtar[9]也指出，裂隙土的假设应用到公路路基稳定性设计中，设计者应将公路路堤视为完全饱和，并应假定水面为路堤顶面。这是为了模拟路堤内部出现裂缝和发生大雨的情况，当为路堤设计适当的辅助排水系统时，如果忽略了路堤中的水的存在，水位被设计成天然地下水位，将会增加路堤坍塌的可能性。

3 处理边坡稳定问题的补救措施

由于任何存在裂缝的边坡土体在大到暴雨下都可能表现出砂土一样的性质，因此在进行边坡治理时应把水的处理放在最优先的位置。对于这类边坡的治理措施，应减少边坡内的水的作用力，或增加抗滑力矩。因此，建议采取下列措施：

1）在边坡内设置排水系统，当雨水进入边坡时，水可以立即通过排水沟排出，以使边坡保持稳定。

2）安装可以使裂缝紧密闭合且具有抗拉作用地锚，能够大大提高抗滑力与力矩。

3）使用其他土体加固材料，如土工布和土工网，并同时设置排水系统。

4 结语

1）研究发现，在大到暴雨的情况下，边坡土体内部裂缝的存在是导致边坡破坏的主要因素，边坡内部的裂缝可能随着时间的推移而扩展，而边坡内的裂缝扩展速率因边坡而异；边坡最终状态由内部裂缝的推进状态决定；造成滑坡的主要原因是降雨强度，而不是降雨持续时间，由于裂缝易排水，故建议采用排水抗剪强度参数来分析边坡的稳定性。

2）边坡在大雨作用下，构成边坡的土体会呈现出砂土的“单独颗粒”状态，所以三轴试验不适用于边坡稳定土体参数的确定，土体强度参数应该由Hutagamissufardal和Mochtar所用的修正直接剪切试验获得。

3）建议在进行边坡治理设计时，可以在边坡的底部或者中部设置排水系统，使用地锚以及其他土体加固材料作为解决边坡稳定性问题的修复方案。

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