淺談水對巖土體的作用原理

劉冬壽

[摘要]在國內外已有研究成果的基礎上，從巖體結構，結構面發(fā)育程度、結構面性狀，結構面充填物等方面闡述了水對巖石強度的影響機理和地下水對地面沉降、邊坡穩(wěn)定影響的機理。

[關鍵詞]巖土體強度 沉降 滲透 穩(wěn)定

[中圖分類號] P641.4+3 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-8-431-1

1水對巖石強度的影響

（1）自然界中的巖石是一種存在著大量微觀裂隙等缺陷的非均質不連續(xù)體，由于這些裂隙的存在，在水壓力的作用下，水會滲透到巖石裂隙中成為孔隙自由水，水成為影響巖石力學性質的重要因素。巖體中褶皺、斷層、層理、節(jié)理等非連續(xù)面的存在，使得巖石成為一種非均勻性材料，內部強度差異顯著。巖石內部含有大量孔隙和微裂隙，當巖石中的含水狀態(tài)處于飽和時，飽水后巖石作為一種特殊多孔飽和的流體混合物，大量存在于巖層中。巖石在飽水狀態(tài)下，水流充滿孔隙和微裂隙，巖石的許多力學特征因此發(fā)生了改變。巖石內部的軟弱面成為主要的透水通道，而水對巖石活動產生了重大影響，同時影響到巖石強度。

（2）存在于巖石中的水的狀態(tài)一般主要有結合水和重力水，這兩種狀態(tài)的水對巖體的影響是是不同的。①結合水對巖石主要有連結作用、潤滑作用和水楔作用。連結作用：將礦物顆粒拉近、接緊，起連結作用。潤滑作用：可溶鹽溶解，膠體水解，使原有的連結變成水膠連結，導致礦物顆粒間連結力減弱，摩擦力減低，水起到潤滑劑的作用。水楔作用：當兩個礦物顆?？康煤芙?，有水分子補充到礦物表面時，礦物顆粒利用其表面吸著力將水分子拉到自己周圍，在兩個顆粒接觸處由于吸著力作用使水分子向兩個礦物顆粒之間的縫隙內擠入。②重力水對巖石力學性質的影響主要表現(xiàn)在孔隙水壓力作用和溶蝕、潛蝕作用。孔隙壓力作用：孔隙壓力，減小了顆粒之間的壓應力，從而降低了巖石的抗剪強度，使巖石的微裂隙端部處于受拉狀態(tài)從而破壞巖石的連結。溶蝕-潛蝕作用：巖石中滲透水在其流動過程中可將巖石中可溶物質溶解帶走，有時將巖石中小顆粒沖走，使巖石強度大為降低，變形加大。因此在修建受地下水影響的工程時，從設計到施工都要充分考慮水對巖土體的影響。

2水對巖石的膨脹性和崩解性的影響

（1）膨脹性：軟巖浸水后體積增大和相應的引起壓力增大的性質，用膨脹應力和膨脹率來表示。膨脹應力：巖石與水進行物理化學反應后，隨時間變化會產生體積增大的現(xiàn)象，這時，使試件體積保持不變所需要的壓力稱膨脹應力。膨脹率：巖石與水進行物理化學反應增大后的體積與原體積的比率。

（2）崩解性：軟巖浸水后發(fā)生解體的性質。用耐崩解指數(shù)表示：巖石試件在承受干燥和濕潤兩個標準循環(huán)后，巖樣對軟化和崩解表現(xiàn)出來的抵抗力。水對巖石的軟化作用巖石浸水飽和后強度降低的性質，稱為軟化性。巖石的軟化性一般用軟化系數(shù)來表示，就是巖石浸水飽和后強度和烘干后強度的比值，對于強度比較大的巖石，軟化系數(shù)會大一點，也就是水對強度較高的巖石的強度影響稍微小一點。對于強度較低的軟巖或極軟巖，軟化系數(shù)較小，也就是水對強度較低巖石的影響稍微大一些。

水對巖石的膨脹性和崩解性的影響在許多工程特別是隧道工程特別重要，在施工前應詳細了解，采取必要的措施盡量減少巖石膨脹性和崩解性對工程的影響。

3地下水對邊坡穩(wěn)定性影響

地下水對邊坡巖土體通常具有產生靜水壓力、動水壓力及降低巖土體的強度參數(shù)等方面的作用。靜水壓力是對孔隙水壓力、裂隙水壓力及浮托力等的總稱，它是巖土體孔隙、裂隙和空洞中的地下水靜力傳遞自重至巖土體上的力；動水壓力系指由于地下水的水力梯度使地下水在運動過程中施加于巖土體上的力?？紫端畨毫ψ饔糜趲r體結構面上，主要表現(xiàn)在以下三個方面： ①降低該面的正應力，減小摩阻力，進而降低崩滑體的抗滑力；②動水壓力沿邊坡臨空面產生的推力增加了下滑力；③孔隙水壓力的“水楔”作用，推動了裂隙的擴展過程，進而破壞巖體，使邊坡發(fā)生漸進性破壞。

當邊坡滑塌體后緣及其以上巖土體為強透水巖土體且泄水不暢時，孔隙水壓力因地下水上升而快速增加，這在邊坡變形破壞中起著十分重要的作用。具有豐富張裂隙的巖體邊坡，變形體后緣的拉張裂隙及前部鼓張裂隙，若裂隙水壓力增加明顯，則易誘發(fā)邊坡的破壞過程。并且，由于動水壓力的作用，邊坡中某些土體、巖體破碎帶和軟弱結構面中以及巖、土體接觸面上的某些顆粒會被滲透水流搬移，使巖土體產生滲透變形、強度降低而產生滲透破壞。邊坡巖性的差異和地質構造的各向異性，是地下水壓力空間變化的根本原因。由于巖體中巖體結構面分布不均，結構面滲透性能差異較大，對地下水壓力存在著顯著的控制作用。

4水庫誘發(fā)地震

水庫蓄水引起的水庫荷載作用、孔隙水壓力效應和庫水對庫基巖石的物理化學作用，都可能誘發(fā)地震。①水庫荷載既可以改變庫基巖體的應力狀態(tài)，又可以增加孔隙壓，改變原有的巖體斷裂摩擦力。②孔隙水壓力增加，使斷裂面上有效應力降低，以致斷裂面的剪切力強度低于當?shù)氐臉嬙鞈r，就導致地震。水具有滲透性和毛細作用，在含水孔隙中造成流體壓力，從而改變巖體的應力狀態(tài)。水庫蓄水后主要從兩個方面使庫基巖體孔隙水壓力增高，一是水體的壓力迫使庫水向外和向深部滲透，二是水庫載荷條件下，庫基彈性變形使巖體孔隙和裂隙被壓縮，從而改變孔隙水壓。③水庫蓄水以后，受重力和水壓的作用，庫水沿著巖石的孔隙、裂隙和其他軟弱結構面向深部和水庫四周滲透，從而改變巖體的強度，改造巖體的裂隙和孔隙的形狀，使巖體內部的應力也改變，從而誘發(fā)地震。

總之，水對巖土體的作用會改變巖土體原有形狀，我們在進行工程建設及工程設計時，要充分考慮到水對巖土體的作用。在無法避開水對巖土體的作用時，要采取有力措施，盡量減少水對巖土體的作用，優(yōu)化工程設計方案，是工程安全性進一步提高。

參考文獻

[1]陳向雷.《干燥及飽水狀態(tài)下巖石力學特性的試驗研究》（河南理工大學2011）.

[2]呂永高，曲淑英，崔淑梅.《飽和方法對巖石單軸飽和抗壓強度影響的實驗研究》（建筑科學2005.21）.

[3]許彥卿，張倬元，《巖體水力學導論》（西南大學出版社1995）.