基于非飽和土力學(xué)的地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)變機(jī)制探討＊

湯明高

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610059)

0 引言

膨脹土、填土、黃土、粘土等都是典型的非飽和土,以它們?yōu)榻橘|(zhì)修建的基礎(chǔ)工程經(jīng)常會(huì)引起不同程度的工程破壞,如地基和路面的隆起開(kāi)裂、房屋脹裂、支擋和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的損壞失效、滑坡的發(fā)生、場(chǎng)地液化等等,嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致整個(gè)工程癱瘓。隨著工程建設(shè)日益增多,與非飽和土相關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題也變得越來(lái)越廣泛和復(fù)雜,本文對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)分析和探討。

1 非飽和土的物質(zhì)組成

既然研究對(duì)象是工程實(shí)踐中的非飽和土,那么對(duì)非飽和土本身應(yīng)該有一個(gè)較明確的認(rèn)識(shí)。首先是物質(zhì)性,通常所見(jiàn)的非飽和土的物質(zhì)組成是土顆粒、水、空氣和收縮膜。其次是宏觀性與微觀性共存,就土顆粒而言,即平常所說(shuō)的土粒的礦物成分,其包括原生礦物(物理風(fēng)化后與母巖成分相同的部分)、次生礦物(化學(xué)風(fēng)化后轉(zhuǎn)變的一種新的礦物,主要是粘土礦物,如蒙脫石、伊利石、高嶺石等),以及腐殖質(zhì)(有機(jī)質(zhì)部分);水又分為固態(tài)水(冰)、液態(tài)水和氣態(tài)水(水蒸汽);空氣存在真空狀態(tài)和自然狀態(tài);收縮膜(非飽和土的汽-液相交界面)性質(zhì)既不同于水,也不同于氣體,是一個(gè)獨(dú)立的相,該相在表面化學(xué)里被稱(chēng)為收縮膜(Contractile Skin),是非飽和土的第四相[1-2]。

研究非飽和土物質(zhì)間的相互作用,才是研究非飽和土體的關(guān)鍵。物質(zhì)間的作用涉及到物理作用(包括力、能量)和化學(xué)作用(化學(xué)反應(yīng)即物質(zhì)的改造)。力的作用與力的作用方式和作用途徑密切相關(guān),能量的產(chǎn)生大部分來(lái)自作用功,因此力的作用就促成了物質(zhì)間的能量交換;化學(xué)作用與化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程和反應(yīng)生成物有關(guān)。具體的工程實(shí)踐對(duì)巖土體的作用方式和作用途徑往往大相徑庭,不同的作用過(guò)程所產(chǎn)生的結(jié)果也會(huì)不一樣,對(duì)于具體的工程隱患應(yīng)作具體的機(jī)制分析。

2 相關(guān)物理量

非飽和土的物理性質(zhì)指標(biāo)(密度ρ和土的重度γ、土粒比重Gs、非飽和土的含水量ω、孔隙比е、空隙率n、土的飽和度SX)和物理狀態(tài)指標(biāo)(密實(shí)度、稠度等),請(qǐng)參考飽和土相關(guān)定義和描述。

水是影響土工程特性的最主要因素之一,與土體性質(zhì)有關(guān)的量——含水量,當(dāng)膨脹土中水分增加時(shí),就會(huì)發(fā)生膨脹變形,相反,當(dāng)水分減少時(shí),土體就會(huì)發(fā)生收縮變形。

非飽和土的特征量——基質(zhì)吸力,在非飽和土體中由于氣相的存在而導(dǎo)致的那部分負(fù)孔隙水壓力?；|(zhì)吸力是土體保持原狀,增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的重要因素,是土體中的“收縮劑”。

3 非飽和土力學(xué)基礎(chǔ)

3.1 非飽和土的有效應(yīng)力原理

非飽和土的組成除了土顆粒和水以外,還有氣體,氣相的存在使非飽和土的性質(zhì)較飽和土復(fù)雜得多。一般將飽和土的有效應(yīng)力原理推廣到非飽和土,這樣非飽和土的問(wèn)題就可以轉(zhuǎn)化為用處理飽和土的方法來(lái)考慮了。其中,使用最廣泛的為Bishop的有效應(yīng)力公式:

式中:σ為破壞時(shí)在破壞面上的法向總應(yīng)力,ua為孔隙氣壓,uw為孔隙水壓,x為有效基質(zhì)吸力系數(shù)。

3.2 非飽和土的抗剪強(qiáng)度公式

非飽和巖體的抗剪強(qiáng)度公式可用獨(dú)立的應(yīng)力狀態(tài)變量來(lái)表達(dá)[1-2]。在抗剪強(qiáng)度公式中可采用3個(gè)應(yīng)力狀態(tài)變量中的兩個(gè)。已經(jīng)證明應(yīng)力狀態(tài)變量(σ-ua)和(ua-uw)是實(shí)際應(yīng)用最有利的組合。利用這兩個(gè)應(yīng)力變量寫(xiě)成的抗剪強(qiáng)度公式如下:

式中:c′為Mohr-Coulomb破壞包線(xiàn)的延伸與剪應(yīng)力軸的截距,在剪應(yīng)力軸處的凈法向應(yīng)力和基質(zhì)吸力均為零,也稱(chēng)有效粘聚力。σ為破壞時(shí)在破壞面上的法向總應(yīng)力。ua為破壞時(shí)在破壞面上的孔隙氣壓力,在本文穩(wěn)定性分析時(shí),認(rèn)為孔隙氣壓力為大氣壓,即ua=0。φ′為與凈法向應(yīng)力狀態(tài)變量(σ-ua)f有關(guān)的內(nèi)摩擦角。uw為破壞時(shí)在破壞面上的孔隙水壓力。φb為表示抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力(ua-uw)f而增加的速率。Δc′=(ua-uw)ftgφb,Δc′為有效粘聚力隨(ua-uw)f的增量。(σ-ua)f為破壞時(shí)在破壞面上的凈法向應(yīng)力狀態(tài)。(uauw)f為破壞時(shí)破壞面上的基質(zhì)吸力。

非飽和土的有效應(yīng)力原理和抗剪強(qiáng)度公式是從飽和土相關(guān)理論推廣而來(lái),為了讓式(1)和式(2)保持一致,Bishop建議的非飽和土有效應(yīng)力公式中的x與tgφb和tgφ′的關(guān)系為[3]:

非飽和土體的相關(guān)理論在某種程度上還不夠完善,但現(xiàn)有的研究成果和理論,為進(jìn)一步研究非飽和土力學(xué)問(wèn)題提供了一個(gè)方向。

4 災(zāi)變機(jī)理分析

自然發(fā)生和人為誘發(fā)的對(duì)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全造成危害的地質(zhì)現(xiàn)象統(tǒng)稱(chēng)為地質(zhì)災(zāi)害(Geologic Disaster),包括10大類(lèi)共計(jì)31種,其中崩塌、滑坡、泥石流、地表裂縫、地面塌陷、巖溶等最為發(fā)育。我們知道災(zāi)害治理的關(guān)鍵就是要對(duì)癥下藥,那么分析各種災(zāi)害產(chǎn)生的機(jī)理和過(guò)程就成為防災(zāi)減災(zāi)中關(guān)鍵的一步。

4.1 與脹縮性有關(guān)的災(zāi)變

膨脹土是一種在水的作用下產(chǎn)生反復(fù)脹縮變形的粘性土,且隨自由膨脹率的增大,脹縮變形量也增大。土的膨脹和收縮直接造成了地面的隆起和開(kāi)裂,這是高等級(jí)公路、機(jī)場(chǎng)跑道和房屋建設(shè)中所必須充分考慮的問(wèn)題之一。

膨脹土的工程性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)特征有關(guān),現(xiàn)有的研究結(jié)果表明[4]:①膨脹土主要由細(xì)小的蒙脫石、伊利石和高嶺石等礦物組成;②形狀大多為片狀或扁平狀,并形成微集聚體;③排列的形式是,有的微集聚體中片狀顆粒呈平行排列,有的微集聚體與微集聚體彼此呈平行排列,具有高度的定向性,呈平行層狀排列結(jié)構(gòu);④微集聚體與微集聚體之間接觸形式有面-面接觸、面-邊接觸和面-邊-角接觸;⑤微孔隙和微裂隙的普遍發(fā)育,孔隙裂隙的大小、形狀各異,膨脹土的微裂隙是構(gòu)成膨脹土特有的微結(jié)構(gòu)特征的重要組成部分。

膨脹土的典型特點(diǎn)是遇水膨脹,失水收縮;土中水的含量、土顆粒與水之間的相互作用及土顆粒本身的物理化學(xué)性質(zhì)決定膨脹土的脹縮性。非飽和土力學(xué)研究?jī)?nèi)容之一就是研究非飽和土顆粒與水之間的相互作用,描述土顆粒與水之間的相互作用的物理量就是土中的基質(zhì)吸力。

基質(zhì)吸力的大小與土的含水量的變化又有著密切的關(guān)系,毛尚之[5]曾經(jīng)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行過(guò)這方面的研究。圖1所示為采用軸平移方法和滲析技術(shù)方法量測(cè)的土樣的重力含水量與吸力間的關(guān)系。圖2所示為考慮體積變化和不考慮體積變化時(shí)體積含水量和吸力大小的相互關(guān)系。土的含水量與吸力之間的關(guān)系曲線(xiàn)稱(chēng)為土-水特征曲線(xiàn),它反映吸力作用下土的持水性能和土中吸力隨含水量的變化情況,可以看出土中吸力的大小與含水量之間成反比關(guān)系。

基于非飽和土力學(xué)的膨脹土脹縮變形過(guò)程如下:在工程應(yīng)用的生命周期中,由于氣候的作用,路基內(nèi)膨脹土?xí)蚵芳?、路面、邊坡、地下等滲水而含水量增大,土體中基質(zhì)吸力減小,導(dǎo)致土顆粒間的作用力下降,造成顆粒本身的膨脹應(yīng)力大于基質(zhì)吸力對(duì)土顆粒的束縛力,引起膨脹土的膨脹變形;路面局部環(huán)境的脹縮造成了不均勻的路面變形,這種差異變形如果超過(guò)一定的幅度,就會(huì)對(duì)路面帶來(lái)縱裂和不均勻沉陷的破壞。

4.2 與穩(wěn)定性有關(guān)的災(zāi)變

崩滑災(zāi)害是巖土體局部或整體失穩(wěn)而產(chǎn)生的崩塌和下滑,時(shí)常造成人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)的損失,是工程建設(shè)中必須重點(diǎn)考慮的災(zāi)害之一[6-8]。而且大多數(shù)的崩滑是發(fā)生在雨季,《中國(guó)典型滑坡》[9]與《中國(guó)典型災(zāi)難性滑坡》[10]中列舉了100多個(gè)滑坡實(shí)例,其中有95%以上的滑坡與降雨有著密切關(guān)系。非飽和土力學(xué)的發(fā)展,為深入研究雨水對(duì)崩塌和滑坡的影響提供了新的理論基礎(chǔ)及相應(yīng)的分析方法。

降雨入滲引起坡體內(nèi)巖土體基質(zhì)吸力降低,一方面,導(dǎo)致邊坡巖土體強(qiáng)度以及邊坡穩(wěn)定性下降,外在表現(xiàn)就是邊坡體局部或整體的位移變化;另一方面,導(dǎo)致邊坡的非飽和巖土體產(chǎn)生應(yīng)變,邊坡也將產(chǎn)生一定數(shù)量的位移。

(1)降雨導(dǎo)致坡體穩(wěn)定性降低的實(shí)質(zhì)是:坡體非飽和區(qū)基質(zhì)吸力降低,從而使邊坡局部和整體巖體強(qiáng)度也隨之降低。邊坡巖體基質(zhì)吸力產(chǎn)生的抗剪強(qiáng)度包括在巖體的凝聚力里(即c=c′+(uauw)ftgφb)。可以理解,在延續(xù)雨季里由于雨水入滲邊坡導(dǎo)致基質(zhì)吸力(ua-uw)降低,因而使總粘聚力減小了,斜坡巖土體的穩(wěn)定性降低。

(2)降雨引起邊坡位移的實(shí)質(zhì)是:降雨入滲使得邊坡非飽和區(qū)物料的含水量增加,基質(zhì)吸力下降,而基質(zhì)吸力的降低又使得邊坡非飽和物料產(chǎn)生應(yīng)變,于是,邊坡便產(chǎn)生了與降雨有關(guān)的位移。非飽和土的應(yīng)變由兩部分組成:一部分應(yīng)變是由應(yīng)力的變化造成的;另一部分應(yīng)變由基質(zhì)吸力的變化引起的。而由基質(zhì)吸力的變化引起的那一部分應(yīng)變對(duì)于研究邊坡降雨入滲過(guò)程中,邊坡的位移變化機(jī)制以及降雨型滑坡災(zāi)害的治理和預(yù)報(bào)至關(guān)重要。

4.3 與流動(dòng)性有關(guān)的災(zāi)變

泥石流是暴雨時(shí)節(jié)山區(qū)多發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害,泥石流物料區(qū)巖土體在暴雨之前一般處于非飽和狀態(tài),泥石流發(fā)生的過(guò)程就是填充物料由非飽和轉(zhuǎn)變?yōu)槌柡偷倪^(guò)程。長(zhǎng)期的干旱,致使表層物料區(qū)含水量趨于零,物料呈散粒和半散粒狀,此時(shí)基質(zhì)吸力較大,當(dāng)陡降暴雨時(shí),由于基質(zhì)吸力的作用,水分開(kāi)始浸潤(rùn)物料,含水量增加,物料之間的凝聚力(即)減小,物料的流動(dòng)性增強(qiáng)。當(dāng)降雨量達(dá)到一定的程度時(shí),孔隙水壓力增加,基質(zhì)吸力逐漸減小為零,產(chǎn)生超孔隙水壓力,物料產(chǎn)生流動(dòng)性,由于持續(xù)高強(qiáng)度的降雨和物料的不斷補(bǔ)充,泥石流發(fā)生。

4.4 對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響分析

基質(zhì)吸力的引入為探討非飽和土體中的圍護(hù)提供了新途徑。研究表明土中吸力的大小與含水量成非線(xiàn)性反比關(guān)系。含水量增加,吸力減小,土體抗剪強(qiáng)度降低。可見(jiàn)非飽和土的力學(xué)性態(tài)與土的基質(zhì)吸力變化密切相關(guān)。

李寧軍等[11]曾探討基質(zhì)吸力對(duì)襯砌內(nèi)圈環(huán)向拉應(yīng)力和塑性圈半徑的影響,認(rèn)為具有如下變化特征(圖3、圖4)。

圖3 內(nèi)環(huán)拉應(yīng)力隨基質(zhì)吸力變化曲線(xiàn)

(1)比較曲線(xiàn)可以看到,非飽和黃土隧道力學(xué)性態(tài)的演變主要取決于基質(zhì)吸力變化,與變化的大小密切相關(guān);其次,與黃土的原始狀態(tài)有關(guān)外,還與基質(zhì)吸力的衰減速度密切相關(guān)。

圖4 塑性圈半徑隨基質(zhì)吸力變化曲線(xiàn)

(2)隨著基質(zhì)吸力的減小,圍巖塑性區(qū)的半徑、襯砌的支護(hù)力和襯砌的應(yīng)力均明顯增大,且支護(hù)力和襯砌內(nèi)環(huán)拉應(yīng)力的變化速率遠(yuǎn)大于塑性圈的變化速率。

(3)泥石流物流區(qū)處于非飽和狀態(tài)的物料由非飽和轉(zhuǎn)變?yōu)槌柡偷倪^(guò)程就是泥石流災(zāi)變過(guò)程,基質(zhì)吸力在此過(guò)程中起到了“催化劑”的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的分析,可以得出如下結(jié)論。

(1)膨脹性地質(zhì)災(zāi)害與土中的基質(zhì)吸力密切相關(guān)。含水量增大,土體中基質(zhì)吸力減小,土顆粒間的作用力下降,導(dǎo)致顆粒本身的膨脹應(yīng)力大于基質(zhì)吸力引起的束縛作用,膨脹土發(fā)生膨脹變形。

(2)降雨入滲引起坡體內(nèi)巖土體基質(zhì)吸力降低。一方面導(dǎo)致邊坡巖土體強(qiáng)度以及邊坡穩(wěn)定性下降;另一方面導(dǎo)致邊坡的非飽和巖土體產(chǎn)生應(yīng)變,邊坡也將產(chǎn)生與基質(zhì)吸力有關(guān)的位移。

(3)由于基質(zhì)吸力的降低和含水量的增加有關(guān),實(shí)際工作中應(yīng)采取一定的排水措施,以免基質(zhì)力喪失過(guò)多,且應(yīng)考慮基質(zhì)吸力變化帶來(lái)的最不利影響。

(4)非飽和土隧道力學(xué)性態(tài)的演變,主要取決于土的基質(zhì)吸力變化,與變化的大小和衰減速度密切相關(guān)。

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[3] 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室.降雨誘發(fā)滑坡研究總報(bào)告[R].成都:成都理工大學(xué),2004.

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[8] 馮玉濤,肖盛燮.崩滑流地質(zhì)災(zāi)害鏈?zhǔn)綑C(jī)理及其優(yōu)化防治[J].災(zāi)害學(xué),2009,24(3):22-26.

[9] 中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)地面巖石工程專(zhuān)業(yè)委員會(huì),中國(guó)地質(zhì)學(xué)會(huì)工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)委員會(huì).中國(guó)典型滑坡[M].北京:科學(xué)出版社,1988.

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[11]李寧軍,夏永旭.基質(zhì)吸力對(duì)非飽和黃土隧道力學(xué)特性影響研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(2):49-51.