關于土體裂縫對邊坡穩定性影響的討論

李晨，徐衛衛

0 引言

滑坡大多發生在暴雨期間或者之后不久，而中低降雨很少會導致邊坡破壞[1]。Morgenstern，Au SW C等[2-6]研究者一致認為，暴雨直接導致了邊坡失穩的發生，但是暴雨如何導致邊坡下滑尚不完全清楚。一些研究人員指出，由于雨水的存在，非飽和邊坡內土壤吸力的減少是導致邊坡破壞的主要原因；但也有人認為雨水侵入邊坡是重要原因。然而，這些研究人員都沒有解決以下問題：

1）穩定幾十年、幾百年或更長時間的邊坡，在大雨中突然坍塌的原因。

2）類型相似、坡度相似、覆蓋坡面的植被相似的殘積土或巖石組成的主要公路的天然邊坡，在類似的大暴雨下，邊坡破壞只發生在某一特定地點的原因。

3）許多破壞的邊坡是由堅硬的巖石組成的，在任何天氣和地下水位升高的情況下，這些巖石都應該是非常穩定的，并且穩定了許多年。暴雨過后突然破壞的原因（見圖1）。

圖1 穩定多年的巖質邊坡突然破壞Fig.1 Sudden failure of rocky slope thathad been stable formany years

Morgenstern[2]提出了一個假設，土體和邊坡內部已經存在裂縫，而且裂縫是造成暴雨導致斜坡破壞的主要因素。

本文中，將就土體裂縫對邊坡穩定性的影響進行討論，并分析了其對巖土工程計算方法產生的影響。

1 關于土壤和邊坡中裂縫的假設

通過大量的巖土工程勘察、鉆探和巖石取樣的結果表明，巖石樣本大多是不連續的，且巖芯樣本多有裂縫和裂痕。因此，可認為大多數土壤也含有裂縫且不連續。同樣，由于母巖本身一開始就具有裂縫和不連續性，所以由殘積土形成的邊坡也應被認為是含有裂縫的。裂縫是在土壤內部形成的錯綜復雜、連續的孔洞，能使土體內部的滲水和排水變得更快更容易。

關于土體內裂隙的存在已經被Holford[7]和Hutagamissufardal[8]證實：

1）在大多數黏性土邊坡上修建觀測井，觀測發現即使所有邊坡表面都被不透水塑料薄膜覆蓋，大雨仍會使地下水位迅速上升。由于雨水不能直接進入邊坡，所以只有在邊坡的側向容易滲透的情況下，才有可能使地下水迅速上升。除非在邊坡內部已經存在裂縫，否則對于滲透系數極低的黏土來說，水在邊坡內流動是不可能的，只可能通過裂縫進行流動。

2）將集水井中水抽干后，不久集水井中的水又會恢復到原來水位，是因為進入集水井的滲水量已經大于或等于抽出去的水量?？紤]到地基土主要是淤泥或黏土，土壤滲透系數相對較低，這種情況意味著滲入集水井內的滲水量遠大于土壤滲透系數引起的滲水量。只有在土壤中已經存在一些裂縫的情況下，這種高滲漏量才會發生。

當土壤內已經形成裂縫時，Mochtar[9]提出裂縫與雨水之間的聯系如下：

1）從土壤形成開始時，土壤內的裂縫已經存在了相當長的一段時間。因此可以假定裂縫已經多次重復充滿水。

2）土壤是邊坡的一部分，可以假定多次降雨導致土壤內部的裂縫形成一個錯綜復雜的管道，雨水很容易通過邊坡下部某處的裂縫出口排出。

3）中、小強度的雨水會使邊坡內部的裂縫充滿水，但水也很容易通過邊坡的一些較低部分排出。因此，邊坡內部的裂縫只是部分被水填滿，如圖2所示。

圖2 在小雨到中雨時部分裂縫被雨水充滿Fig.2 The crack partially filled w ith rainwater during light tomedium rain

4）遇到非常罕見的大雨，會使裂縫被水填滿，因為進入裂縫的水量超過裂縫排水的能力。在這種情況下，裂縫必須承受與邊坡表面水平一樣高的水壓，這就是邊坡最危險的情況。在這種情況下降雨的強度比降雨的持續時間對邊坡穩定性影響更大。

5）無論土體的原始條件如何，當裂縫成為主導因素時，土體剪切特性應表現出類似于砂土的剪切特性，即黏聚力C=0，內摩擦角漬屹0，邊坡會變得非常容易受到裂縫內地下水位上升的影響。即使邊坡主要由硬巖構成，裂縫和大雨的結合也會使邊坡變得與顆粒狀土粒一樣不穩定。

6）假定邊坡內部的裂縫隨著時間的推移而擴展，如圖3所示，邊坡會隨著時間的推移變得越來越危險。

7）邊坡內部裂縫擴展的速率是不相同的，在土質條件、類型、坡度和植被情況幾乎相同的條件下，具有最深裂縫的邊坡在發生特大暴雨的時候會更容易破壞。

圖3 多次暴雨后裂縫的逐漸延伸擴展Fig.3 The cracksgradually propagate aftermultiple rainstorms

由于裂縫的寬度可能僅在毫米到厘米之間變化，地勘時鉆孔取土不能檢測到一般裂縫的存在，因此，采用標準室內試驗方法獲取土體參數后，在對邊坡進行安全判定時，實際情況可能會與判定結果有所不同。

2 土體裂縫對土工試驗的影響

土體內部裂縫的存在對于巖土工程解決任何土體穩定性問題都有許多影響，即：

1）由于實際場地裂縫的存在，實際土層的土壤滲透系數可能比實驗室滲透試驗得到的土壤滲透系數要高得多。因此，應在土壤滲透性試驗中推薦直接原位試驗。

2）三軸測試是在原狀土上進行的，在裂隙土上進行測試建議采用修正直剪試驗，沿剪切平面施加獨立的孔隙壓力，如圖4所示[8]。從這個試驗中可以得出：沿著裂縫，排水剪切強度占主導地位（其中漬屹0，C=0）；對原狀土，是正常不排水剪切強度占主導地位（C屹 0和漬屹0）。從Hutagamissufardal[8]和Mochtar[9]關于黏土和粉土的研究結果顯示內摩擦角漬在17毅~20毅，如圖5所示。這一結果與Mochtar和Edil 1988[9]高嶺石黏土中模型樁側抗剪強度的排水強度特性非常吻合，其中對于摩擦樁，剪切面位于土顆粒之間，其值漬抑18毅和 C=0。

這些研究成果表明，當土中存在裂縫時，應將排水強度條件應用到土體中，無論實際土體的類型，土都應被假定為砂土。

3）Morgenstern[2]也提到，反復滲水會對裂縫表面造成侵蝕。土中的細顆粒，如淤泥和黏土顆粒被滲流帶走，粗顆粒將留在裂縫內。因此，可假定裂縫表面由薄薄一層砂完全填滿，土體強度的表現類似于砂。

圖4 修正直剪試驗裝置Fig.4 M odified direct shear testapparatus

圖5 淤泥和黏土試樣的內摩擦角Fig.5 The internal friction angle of siltand clay sam ples

4）在評估暴雨條件下危險邊坡的穩定性時，假定邊坡由完全排水的砂土組成，但內摩擦角漬值，應采用Hutagamissufardal[8]和Mochtar[9]給出的修正直剪試驗方法來測量。但當只有部分坡體內部存在裂縫時，建議將邊坡的裂縫部分作為砂土來評估，而無裂縫部分視為原狀土，采用不排水抗剪強度參數進行邊坡穩定評估。

5）假定由于邊坡存在裂縫而采用與砂土相似性質的數據進行計算評估，得到的邊坡安全系數比使用從地質勘察報告中獲得的“實際”強度參數計算的邊坡安全系數低得多。

6）Play伽[10]等利用地質雷達技術研究，結果表明邊坡內部確實存在裂縫，而裂縫是暴雨過程中邊坡破壞的主要原因。

7）Mochtar[9]也指出，裂隙土的假設應用到公路路基穩定性設計中，設計者應將公路路堤視為完全飽和，并應假定水面為路堤頂面。這是為了模擬路堤內部出現裂縫和發生大雨的情況，當為路堤設計適當的輔助排水系統時，如果忽略了路堤中的水的存在，水位被設計成天然地下水位，將會增加路堤坍塌的可能性。

3 處理邊坡穩定問題的補救措施

由于任何存在裂縫的邊坡土體在大到暴雨下都可能表現出砂土一樣的性質，因此在進行邊坡治理時應把水的處理放在最優先的位置。對于這類邊坡的治理措施，應減少邊坡內的水的作用力，或增加抗滑力矩。因此，建議采取下列措施：

1）在邊坡內設置排水系統，當雨水進入邊坡時，水可以立即通過排水溝排出，以使邊坡保持穩定。

2）安裝可以使裂縫緊密閉合且具有抗拉作用地錨，能夠大大提高抗滑力與力矩。

3）使用其他土體加固材料，如土工布和土工網，并同時設置排水系統。

4 結語

1）研究發現，在大到暴雨的情況下，邊坡土體內部裂縫的存在是導致邊坡破壞的主要因素，邊坡內部的裂縫可能隨著時間的推移而擴展，而邊坡內的裂縫擴展速率因邊坡而異；邊坡最終狀態由內部裂縫的推進狀態決定；造成滑坡的主要原因是降雨強度，而不是降雨持續時間，由于裂縫易排水，故建議采用排水抗剪強度參數來分析邊坡的穩定性。

2）邊坡在大雨作用下，構成邊坡的土體會呈現出砂土的“單獨顆?！睜顟B，所以三軸試驗不適用于邊坡穩定土體參數的確定，土體強度參數應該由Hutagamissufardal和Mochtar所用的修正直接剪切試驗獲得。

3）建議在進行邊坡治理設計時，可以在邊坡的底部或者中部設置排水系統，使用地錨以及其他土體加固材料作為解決邊坡穩定性問題的修復方案。

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