探究影響黃土邊坡穩(wěn)定性的因素及其分析方法

呂義雄

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心甘肅總隊 甘肅 741000）

0 前言

黃土關(guān)鍵是于第四紀所形成的，其特性有垂直節(jié)理的發(fā)育、多孔以及具有濕陷性等。黃土在我國分布的面積比較廣，而且厚度也比較大，主要是分布在青藏高原的東部及黃土高原和中原大多數(shù)的地區(qū)，其面積大約為635280km2。從第四紀開始，地質(zhì)的環(huán)境逐漸脆弱，氣候與生態(tài)環(huán)境也變得愈發(fā)惡劣，而且水土流失的問題較為嚴重，促使黃土區(qū)域的地表形態(tài)呈現(xiàn)支離破碎及溝壑縱橫等狀況，這使得黃土地區(qū)頻繁出現(xiàn)泥石流和滑坡等自然性的災難。

1 影響黃土邊坡穩(wěn)定性的因素分析

1.1 外部的因素

1.1.1 動力作用

動力（爆破與地震）有可能會使得邊坡的應力發(fā)生瞬時改變，進而對邊坡穩(wěn)定性造成影響。于動力的作用下，黃土邊坡遭受動、靜載荷共同的作用。比如地震，因橫、縱波共同的作用導致巖體本來結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)改變與損壞。

1.1.2 地貌

黃土邊坡規(guī)模與形態(tài)等地貌方面的因素對邊坡穩(wěn)定性造成的影響極為明顯，若是邊坡規(guī)模及形態(tài)不利，在坡頂會出現(xiàn)張應力，并且使其產(chǎn)生張裂縫及坡腳有比較強的剪應力出現(xiàn)，從而在很大的程度上使得邊坡穩(wěn)定性有所下降。若黃土邊坡與地質(zhì)構(gòu)造的面組合不利，會使得邊坡的結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)失穩(wěn)的情況。

1.1.3 地下水

地下水在多個方面會對黃土邊坡的穩(wěn)定造成影響，比如地下水賦存、流量、補給與動態(tài)改變極滲流的條件等。靜水與動水的壓力及水沖刷與軟化的作用會對黃土邊坡穩(wěn)定性造成影響，其中靜水的壓力是關(guān)鍵的形式，地下水出現(xiàn)的浮力與水平力于滑移面上作用，進而影響到黃土邊坡穩(wěn)定性。地下水經(jīng)滲流而出現(xiàn)動水的壓力，并對邊坡的坡體作用使得邊坡滑動有所加快。黃土邊坡遭受水流沖刷，致使邊坡的上端支撐逐漸丟失，進而導致邊坡失穩(wěn)問題的出現(xiàn)。坡體不斷的遭受到水流方面的沖刷，最終導致巖土體的抗剪強度有所下降。

1.1.4氣候

地下水關(guān)鍵的補給源就是降雨。氣候的類型不相同，其降雨量存在差異，所以，不相同區(qū)域因降雨量存在差異，就算其它的條件一樣，邊坡穩(wěn)定性同樣會有所差異。暴雨與長時間降雨等，通常會使黃土邊坡出現(xiàn)邊坡沖刷和黃土陷穴，如果黃土陷穴存在于邊坡附近，黃土陷穴的塌方加速邊坡的失穩(wěn)。

1.2 內(nèi)部的因素

1.2.1 黃土構(gòu)成及結(jié)構(gòu)

對黃土邊坡穩(wěn)定性造成影響的一個關(guān)鍵因素就是黃土物質(zhì)構(gòu)成。一般黃土粘粒的含量較多，易溶且鹽含量較高的黃土容易出現(xiàn)剝落，比如古土壤層的含粘粒比較多，其在坡面后暴露，由于粘性較大，容易出現(xiàn)風化干縮的情況，導致土層的表面出現(xiàn)龜裂，于重力及雨水的作用極易出現(xiàn)脫落掉塊情況。此外，黃土礦物的成分對其應力與應變影響也很明顯，若含水量相同，則會隨著粘粒的含量增加，而黃土往塑性的破壞趨勢發(fā)展。黃土密實度、節(jié)理的發(fā)育度與孔隙特性、組合的關(guān)系及黃土斷裂的構(gòu)造等均會對邊坡穩(wěn)定性造成影響。

1.2.2 黃土的濕陷性

黃土其具有濕陷性，黃土的濕陷性會嚴重的影響到黃土邊坡的穩(wěn)定性，黃土受到一定的壓力作用，被水浸濕以后，結(jié)構(gòu)會快速的受到破壞而出現(xiàn)明顯附加的沉陷，這是黃土獨特地質(zhì)的一個性質(zhì)。黃土出現(xiàn)濕陷最為關(guān)鍵的一個原因就是具備顯著遇水連結(jié)減弱結(jié)構(gòu)趨向于緊密且對濕陷有利特殊的成分與結(jié)構(gòu)，黃土濕陷性分成自重與非自重的濕陷這兩個類型，自重濕陷是黃土在遇到水以后，于其自身自重的作用少二出現(xiàn)沉陷情況。非自重濕陷是黃土在浸水以后，于附加的荷載作用之下而出現(xiàn)附加的沉陷。

1.3 人為的因素

伴隨各類土建工程逐漸發(fā)展，這部分工程對黃土邊坡造成的影響不斷增多，黃土邊坡改造日漸增多，比如坡頂加載、對坡腳加以開挖等都會影響到邊坡穩(wěn)定。坡體表面的植物遭受嚴重損壞，坡面的保護性有所下降，長時間受到雨水的沖刷與滲入及地下的水位提升都會對黃土邊坡穩(wěn)定性造成嚴重影響。

2 黃土邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 定性分析

2.1.1 地質(zhì)分析法

按照黃土邊坡的地形地貌形態(tài)及地質(zhì)條件和邊坡變形的破壞等相關(guān)的規(guī)律，對黃土邊坡演變整個過程加以追溯，將邊坡穩(wěn)定性總的發(fā)展形勢與破壞的方式加以預測，進而評價出黃土邊坡穩(wěn)定性，對已出現(xiàn)過滑坡問題的黃土邊坡，對其可否轉(zhuǎn)化與復活加以判定。

2.1.2 圖解法

（1）使用相關(guān)偌謨圖與曲線對邊坡相關(guān)的參數(shù)間定量的關(guān)系加以表征，從而將黃土邊坡穩(wěn)定性的系數(shù)求算出來，或是已經(jīng)知道了穩(wěn)定的系數(shù)以及別的參數(shù)（坡角與坡高及c、r和結(jié)構(gòu)面的傾角），僅不知道一個時，將穩(wěn)定的坡角及極限的坡高求算出來。

（2）使用圖解將黃土邊坡變形破壞邊界的條件求出來，對軟弱的結(jié)構(gòu)面組合的關(guān)系與滑體形態(tài)及滑動的方向加以分析，對黃土邊坡穩(wěn)定的程度加以評價，給力學的計算創(chuàng)造出相關(guān)的條件。通常用到的是實體比例與赤平極射的投影方法。

2.1.3 黃土邊坡穩(wěn)定的專家系統(tǒng)

伴隨科技不斷進步，人類研究發(fā)明出了與黃土邊坡工程相關(guān)的數(shù)據(jù)庫，即對現(xiàn)有多個自然與人工邊坡的實例加以搜集的軟件，經(jīng)信息交流及工程類比等，使用人類專家知識與處理問題方式來對此領(lǐng)域問題加以解決，經(jīng)智能的計算機系統(tǒng)對人類專家水準加以模擬，從而處理分析所遇黃土邊坡穩(wěn)定方面的問題。

2.1.4 工程地質(zhì)類比方法

此方法是當前應用的較為廣泛定性分析的一個方法。其經(jīng)工程間加以類比，把已完成邊坡工程的研究經(jīng)驗應用至相似邊坡工程的穩(wěn)定分析當中。應用此法的時候，應確保方法嚴謹，全方位對現(xiàn)有邊坡加以調(diào)研，在類比的時候應對影響到斜坡的穩(wěn)定性因素加以思考，對比兩者間的不同與相似，經(jīng)分析掌握影響邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵因素及邊坡不同發(fā)展期的相似與不同，然后經(jīng)上述的分析來對邊坡穩(wěn)定性的情況與發(fā)展的趨勢加以研究和判斷。

2.2 定量評價

2.2.1 極限平衡方法

在工程當中運用的最廣泛的就是此法，此方法逐步發(fā)展成兩類不相同研究的領(lǐng)域。一類是經(jīng)確定臨界的滑裂面集邊坡滑裂面之上作用力靜力平衡來加以求解。另外一類是假設邊坡的土體單元都達至極限平衡的狀態(tài)，經(jīng)相關(guān)簡化的條件，使用特征線法對其應力場加以求解。

2.2.2 數(shù)值分析的方法

（1）有限元方法，此法對有限的應變與復雜地質(zhì)的條件及其開挖施工當中對邊坡穩(wěn)定造成的影響加以思考。此法不需要假定滑面的部位與形狀，把工程的巖體視作力學的介質(zhì)，用離散化方式把無限的問題轉(zhuǎn)變成有限問題，求出方程解且對研究的對象加以分析。

（2）邊界單元方法，此法是于有限單元法之后發(fā)展而來的一個方法，此法把微分的方程轉(zhuǎn)變成對邊界上所定義的積分方程加以研究，然后將其離散化成僅含著邊界結(jié)點未知量代數(shù)的方程，對此未知的量加以求解，從而把研究范圍內(nèi)的未知量算出來。

（3）離散元的方法（DEM），Cundall于1971年最早提出來了此方法，此法是使用中心差的分法對動態(tài)松弛加以解析求解，是一種顯式的解法，并不需求解大型的矩陣，計算也比較簡單，主要的特點就是允許各個離散的塊體發(fā)生轉(zhuǎn)動與平動以及分離，這對于邊界元與有限元方法所存在的小變形和介質(zhì)連續(xù)的制約缺陷有所彌補。

（4）限元強度折減方法，此方法是經(jīng)不斷對邊坡巖體的強度加以降低，促使其達至極限平衡的狀態(tài)，一直到巖體達到極限破壞的狀態(tài)，能直接獲取邊坡滑動面部位及邊坡強度的安全系數(shù)。

3 結(jié)束語

對邊坡的穩(wěn)定性造成影響的因素較為復雜，而且有時于實際的工作當中極難加以判斷，這就需在邊坡的失穩(wěn)因素方面強化勘察和分析且將關(guān)鍵的原因?qū)ふ液头治龀鰜?。與此同時，應按照實際的狀況應用合理邊坡的穩(wěn)定分析方法，給工程制定合理有效的舉措供以理論指導與依據(jù)。