黄土崩塌影响因素及稳定性分析

凌鑫

摘 要：黄土崩塌是黄土地区常见的一种地质灾害，威胁着人类生产生活的安全。基于前人研究，综合分析黄土崩塌灾害特征，确定黄土崩塌影响因素及影响范围。黄土崩塌发育过程可分为3个阶段，即潜在崩塌体形成阶段、潜在崩塌体蠕动位移阶段、突然崩落阶段。根据崩塌发展模式将崩塌分为倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌、错断式崩塌。通过对比不同类型崩塌，建立崩塌的稳定性判据，实现对黄土崩塌的稳定性评价，得到崩塌的稳定性检算公式及步骤。研究结果为解释黄土崩塌形成、稳定性判据及确定建设项目安全距离提供理论依据。

关键词：黄土崩塌；滑移；机理；影响范围

一、黄土崩塌灾害的特征

黄土崩塌是指陡立的黄土斜坡部分土体，以突然的方式脱离母体，堆积在坡脚的现象，若威胁到人们生命财产安全，则称为黄土崩塌灾害。崩塌和滑坡比较有四个显著特点：崩塌运动速度快；崩塌体运动不依附固定的面或带；崩塌体在运动过程中有翻倒、坠落、撞击、弹射等运动形式，其整体性遭到完全破坏；垂直位移大于水平位移。

二、黄土崩塌影响因素

1.地形地貌条件

黄土地形地貌主要表现在边坡坡形、坡度和坡高3个方面，其中陡峻的斜坡地形是形成黄土崩塌的必要条件。黄土斜坡坡面形态可以划分为4个基本类型，即凸型、阶梯型、直线型和凹型。

2.降雨与黄土崩塌的关系

崩塌的发生多伴随着淋雨或暴雨，并且呈现出滞后效应。降雨的集中性造成大量雨水渗入黄土体中的孔隙、节理、裂缝中，形成水压力，软化斜坡土体，降低土体强度，同时导致坡体自重增加，增大崩塌力。当水流进入黄土中的结构面或者软弱面，在水流的润滑和软化作用下，黄土体沿着结构面或者软弱面滑移和挤出形成崩塌。边坡黄土地层由于其湿陷性可以形成陷穴，或由于发育在黄土边坡中的黄土暗穴在破坏后也会在地表形成陷穴，对原本完整的黄土陡坎边缘具有竖向劈开作用，因而可造成陡坎边缘崩塌。另外，黄土边坡边缘的陡坎上容易形成水涮窝，其形成及破坏过程中均易形成崩塌。

3.植物与黄土崩塌的关系

一方面植物根系容易吸收水分而软化土体，另一方面会产生根劈作用。由于根部的不断延伸和变粗，使土体裂隙、节理和层面不断张开，并使土体进一步破坏，进而导致崩塌的形成。当黄土斜坡或者坡顶边缘存在乔木或者灌木的地方，常常会出现崩塌。这是因为乔木或者灌木根系在黄土中延伸生长，一方面植物根系容易吸收水分而软化土体，另一方面会产生根劈作用，从而导致了崩塌的发生。另外，植物根系也为各种动植物通道。塬边和沟边和河谷低阶地和梯田陡坎边缘的黄土地层中，生物作用比较活跃。鼠穴和蛇穴和甚至一些虫孔常常会成为黄土崩塌灾害的诱发因素。

4.黄土土性与黄土崩塌的关系

黄土的另一特征为湿陷性。黄土层由于地面的不平整，汇水量及水的滞留时间不同以及渗透系数的差异，在水流下浸、侧浸或上浸的情况下，渗透使得下方黄土体湿陷下陷后，上部土体的支撑力下降，上下层间形成空隙。从而上方的非浸湿土或非饱和土形成近似于悬臂梁的形态，当侧下方土的湿陷进一步扩展时，使得悬臂梁的悬臂加长，自重增大而发生崩塌。

三、黄土崩塌稳定性分析

基本假设：在崩塌发展中，特别是在突然崩塌运动以前，把崩塌体运动视力整体；把崩塌体的复杂的空间运动问题，简化成平面问题，即取单位宽度的崩塌体进行检算；崩塌体两侧和稳定岩体之间，以及各部分崩塌体之间均无摩擦作用。

1.倾倒式崩塌稳定性检算

倾倒式崩塌的受力分析如图1所示。不稳定岩体的上下各部分和稳定岩体之间均有裂隙分开。一旦发生倾倒，将以某点为转点发生转动。在稳定性检算时，应考虑各种可能的附加力的最不利组合。在雨季，张开裂缝可能为暴雨充满，应考虑静水压力；如果不考虑其它力，则崩塌体的抗倾覆稳定性系数K可按下式计算：

（1）

式中，f为静水压力，h0为水位高；W为崩塌体重量；P为地震力；a为转点至重力延长线的垂直距离，这里为崩塌体宽的一半。

2.滑移式崩塌稳定性检算

滑移式崩塌有三種情况，分别表示平面破坏、楔形破坏和弧形破坏。这些崩塌体崩塌的关键在于起始的滑移是否形成。因此，可按滑动稳定检算。

（2）

不稳定结构体的自重：

（3）

将式（3）带入式（2）可得：

（4）

式中，β为不稳定结构面的倾角；Φ为内摩擦角；c为粘聚力；l为崩塌体长度；h为崩塌体高度。

3.鼓胀式崩塌稳定性检算

这类崩塌体下部较厚的软弱岩层常为断层破碎带，风化破碎岩体及黄土等。在水的作用下，这些软弱岩层先行软化，在上部岩体压力作用下，如果压应力大于软弱岩层的无侧限抗压强度，则软弱岩层将被挤出，即发生鼓胀。上部岩体可能产生下沉、滑移或倾倒，以致发生突然崩塌，因此，鼓胀是这类崩塌的关键。所以，稳定系数可以用下部软弱岩层的无侧限抗压强度（雨季用饱水抗压强度）与上部岩体在软岩顶面产生的压压力的比值来计算：

（5）

式中，A为上部岩体的底面积；为下部软岩在天然状态下的（雨季为饱水的）无侧限抗压强度。

4.拉裂式崩塌稳定性检算

拉裂式崩塌的典型情况如图3所示。以悬臂梁形式突出的岩体，在AC面上只受最大的弯距和剪力，岩层顶部受拉，底部受压。A点附近的拉压力最大。在长期重力作用与长期的风化作用下，A点附近的裂隙；适渐扩大，并向深处发展。拉力将越来越集中在尚未裂开的部位，一旦拉应力超过岩石的抗拉强度时，上部者体就发生成塌。因此，这类崩塌的关键是最大弯矩截面AC上的拉应力能否超过岩石的抗拉强度。故可以用拉应力与岩石允许抗拉强度的比值进行稳定性检算。

假如突出的岩体长度为l，岩体等厚，厚度为h，宽度为1m（取单位宽度），岩石容重为γ。

当AC断面上尚未出现裂缝，则A点上的拉应力为：

（6）

式中，M为AC面上的弯矩；I为AC截面的惯性矩。

稳定性系数K值用岩石的允许抗拉强度与A点所受的拉应力比值求得：

（7）

四、黄土崩塌稳定性检算的步骤

1.潜在崩塌体边界条件的确定

在确定潜在崩塌体的边界条件时，可能有两种情况。一种是通过调查分析，边界条件比较容易确定，这种情况通常有明显而贯通结结构而把它和稳定岩体分开。第二种情况是潜在崩塌体的边界条件不易确定，通常有多组结构面相互穿插，而且没有特别明显而贯通的结构面。这就要先进行结构面的量测和统计，将结构面分组，得到结构面组的产状资料；然后，据此和边坡面的产状赤平投影分析方法和步骤，找出在边坡上不稳定的滑塌体，并弄清构成该滑塌体的结构面和棱边。最后，根据延伸最近而且最软弱结构面的产状和实际测量，用边坡实体比例投影的方法，即可确定不稳定岩体的边界条件。

2.崩塌类型的初步判断

崩塌可划分为：倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌、错断式崩塌。潜在崩塌体究竟发生哪一类崩塌要看它的形状和受力状态。这主要取决于切割潜在崩塌体结构面的组合情况。所以，软弱结构面的组合情况是判断崩塌类型的主要依据。

还有，岩体在风化营力作用下，下部断面可能逐渐变小，在重力作用下，下部岩体可能被剪断，所以，也可能发生错断式崩塌：对这样的潜在崩塌体就要同时进行多种检算，即倾倒崩塌和错断崩塌两种检算。

3.稳定性检算

（1）失稳因素分析及其最不利组合。潜在崩塌体的失稳因素及其最不利组合情况，主要取决于工程地质条件，气象水文条件，不稳定岩体的结构构造、形状及其可能的崩塌类型。一般来说，都应根据具体情况进行具体分析。

（2）公式和参数的选择。公式和参数的选用主要决定于崩塌的类型，崩塌的类型不问选用的公式和参数也不同。常用的岩石物理力學参数有：岩石的容重，岩石的抗压强度，抗剪强度，抗拉强度，软岩的天然状态下的无侧阻抗压强度（或饱水无侧限抗压强度），软弱面的抗剪强度等。这些参数如果能取样试验，都应实测确定。如果不能实测，而有经验数据参考，可选用相似条件下的数据和参数。当只作估算时，可据有关的物理力学指标，查工程地质手册确定。

（3）稳定性计算。把选定的参数和有关数据带入相关的公式，即可求出稳定系数。

4.比较

潜在崩塌体如果有发生几种类型崩塌的可能，对每种可能都应进行检算，检算后应进行分析对比。一般情况下，如果公式和参数选探正确，分析合理，计算山来的稳定系数K值小的，稳定性差，K值大的稳定性相对较好。故K值最小的那种崩塌类型最易发生，所以，在整治中首先应加以考虑。

五、结论

黄土崩塌受降雨影响，崩塌体富水量增加，在重力、静水压力、动水压力作用下，土体整体性及稳定性大大降低，坡体自重增加，崩塌力增大。土体后缘卸荷裂隙在降雨影响下逐渐向深部扩展，，最终贯通整个裂隙面，形成潜在崩塌体，在冰劈作用及根劈作用下，潜在崩塌体向下滑动，继而产生突然地崩塌。根据崩塌发展模式将崩塌分为：倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌、错断式崩塌。分别得到了倾倒式崩塌、滑移式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌、错断式崩塌的稳定性检算公式及步骤，为黄土崩塌稳定性分析及评价提供理论依据。

参考文献：

[1]刘祖典.黄土力学与工程[M].西安： 陕西科学技术出版社，1997

[2]孙建中、赵景波.黄土高原第四纪[M].北京： 科学出版社，1991

[3]胡厚田.崩塌落石研究[J].铁道工程学报，2005，12（增刊）： 388-391