概念
空隙水壓力簡稱空隙壓力,是指當岩土空隙被重力水飽和時,水對固體骨架產生一種正應力。空隙水壓力的矢量指向空隙壁面。在土體中稱孔隙水壓力或孔隙壓力。由於重力水服從靜水壓力分布規律,故空隙水壓力的大小是由水頭值決定的。
特點
研究表明,土力學中關於土體的有效應力原理完全適用於岩體。因此,地下某點的空隙水壓力 P為:
P=ρgh
在上式中, ρ為水的密度; g為重力加速度; h為水頭值,若為潛水,則為該點的地下水埋深。
在土體中的孔隙水壓力,一般是連續、均勻分布的。但在岩體中則不一樣,其分布的連續性和均勻性較差。空隙水壓力對岩土骨架起著浮托作用,削減通過骨架起作用的有效應力,其關係式為:
σ′=σ- P或 σ=σ′+ P
在式中, σ′、 σ分別為有效應力和總應力。
顯然,在飽和岩土體中,當總應力一定時,空隙水壓力的增減,勢必相應地減增有效應力,從而影響岩土體的變形和強度。這就是有效應力原理。
作為建築物地基的飽和土體,在建築物荷載作用下所承受和傳遞附加應力的規律,同樣遵循有效應力原理。由附加應力作用引起的超孔隙水壓力隨著土體的壓縮變形而逐漸消散,而有效應力逐漸增長。這一由超孔隙水壓力向有效應力轉移過程所需的時間,就是土體固結沉降達到最終穩定的時間。時間的長短取決於土層的滲透性和排水條件。
空隙水壓力對岩土體強度的影響,可以莫爾一庫侖破壞準則來描述:
τ =(σ-P)tgφ+c
在式中, τ 為抗剪強度; c、 φ分別為粘聚力和內摩擦角。
顯然,由於空隙水壓力的存在,削減了有效應力,以至使某個剪下面上的抗剪強度降低。這一影響可從莫爾強度包絡線圖上非常清楚地顯示出來。空隙水壓力對岩土體穩定性的負影響,存在於不少工程地質研究課題中。
對岩體變形破壞的影晌
根據上述公式分析表明,無論是哪一種類型的岩體,有效應力原理是普遍適用的,岩體的變形破壞取決於有效應力,因而岩體內空隙水壓力的變化必然對岩體的變形破壞產生影響。
引起岩體內空隙水壓力變化的原因,可有以下三個方面。
⑴地下水補給排泄條件的變化引起的岩體內空隙水壓力的變化,如特大降雨,洪水,持續乾旱、人工抽水、注水或水庫蓄水等,均能造成地下水位大幅度的變化,從而引起岩體內空隙水壓力的增減。
這類變化往往具有區域性特徵,所影響的範圍和深度都可以很大。例如水庫蓄水使地下水位抬升,根據卡布里耳壩的觀測資料證明,由於岩體中空隙水壓力增高,出現山體高度增高,兩側谷壁相互靠近的現象。而大面積的長期抽取地下水引起的地下水位的降低,會造成大範圍內的地面沉降。一些巨型的崩滑體的發生,常常也與這類變化有關。水庫蓄水和深井注水還可引起深部岩體破裂,造成水庫地震。
一些研究表明,上述因素所造成的水位變動與岩體內空隙水壓力變化之間總有一定的時差,且通常空隙水壓力的變化總是滯後於氣象、水文條件的改變。
⑵岩體受荷狀態的變化引起的岩體內空隙水壓力的變化
土力學中已指出,在加荷過程中,飽水的土體所承受的附加壓力P是由水和顆粒骨架分別承擔的。其中由水承受的壓力稱之為中性壓力 P。由顆粒骨架承受的那部分壓力稱之為有效壓力 P,這種由於附加壓力引起的中性壓力,它不同於由土體中靜水壓力造成的空隙水壓力 P,稱之為剩餘空隙水壓力或超空隙水壓力( excess pore pressure),表示為:
P=P+P或 P=P-P
超空隙水壓力的出現,顯然使土體的抗剪強度降低:
S=(σ-P)tanΦ+c
當 P=σ-P時,抗剪強度幾乎降為零,砂土類土和飽水敏感粘土可因此而發生液化。
超孔隙水壓力可由 P=P變化至 P=0,它的變化速率與加荷速度、土體的透水性能,排水或封閉條件以及土體的壓縮係數等有關,土力學中有關土體的滲透固結的理論同樣也適用於較軟弱破碎的岩體。
堅硬的裂隙岩體,由於透水性和排水條件均較土體為好,變形模量也遠較土體為高,因而緩慢的加荷過程很難在岩體內形成具有實際意義的超空隙水壓力。但是突發的規模較大的動荷載(如地震、人工爆破等),則可因裂隙中的水來不及消散而造成瞬時的較高的超空隙水壓力。因此,在分析地震或人工爆破對飽水岩體穩定性的影響時,必須考慮這一因素,尤其當裂隙中充有粘土等降低裂隙透水性能的物質時,這種影響更為明顯。
⑶岩體變形破裂引起的岩體內空隙水壓力的變化
岩體變形進入破裂階段(尤其是進入不穩定破裂階段)以後,破裂造成的擴容現象可引起空隙水壓力發生顯著變化。岩體所處環境不同,可表現為不同的變化機制。
①飽水封閉岩體在受力破壞過程中,擴容部位造成真空,使空隙水壓力迅速降低,甚至變為負值,產生所謂岩體強度的“膨脹強化”現象。擴容停止以後,空隙水壓力隨著四周地下水的緩慢流入而部分回升。
②非封閉的、水進出較為暢通的岩體,也可由於迅速加荷造成的破裂擴容速度超過四周地下水流入擴容區的速度,而引起與前者相似的“膨脹強化”現象。不過區別在於一旦擴容速度減緩或停止,空隙水壓力可迅速回升。
③當破裂擴容區與具有高水頭的地表水體(如水庫、湖泊等)直接連通,由於地表水迅速貫入,爾後又因出口排水不良而被堵塞,此時可產生“水擊”,在突然出現的破裂面中造成驚人的高水頭超空隙水壓力。
典型實例
四川省雲陽縣雞扒子滑坡是空隙水壓力誘發的典型實例。1982年7月中旬暴雨期間,寶塔老滑坡西側的天然排水溝被堵塞,大量地表水沿老滑坡後緣裂縫滲入滑體,空隙水壓力異常增高,老滑帶土飽和軟化,抗剪強度大大下降,致使該老滑坡西部復活形成雞扒子滑坡,於7月17日急速滑動。滑坡面積0.77 km ,體積約15×106 m ,前緣約1.8×106 m 土石滑人長江,使河床填高30餘米,形成長約700m的急流險灘,嚴重礙航。後來耗費巨資整治,才使險灘基本消除。
在混凝土重力壩壩基抗滑穩定課題中,空隙水壓力(一般稱揚壓力)更是一個影響壩基穩定性的重要參數。為了保持大壩的穩定,工程上採取灌漿帷幕和排水孔等措施削減揚壓力。