孔隙水压力升高对应力条件的影响

库水向外渗透，在渗流场中，水对岩土介质施加着两种作用力。一是渗压力，在一定条件下，它能将粒状颗粒带走，造成淘刷；二是作用在孔隙界面上的静水压力，称为孔隙水压力，它对岩土骨架产生的浮托效应，使所有位于潜水面以下的物体均减轻一个相当于该物体所排开的水体的重量。孔隙水压力，不仅在水流动的地方有，即使水是完全静止不动也都存在。

孔隙水压力

式中　γw——水的容重；

　　　h——研究点以上充水的高度，如果水是承压的，则h为该点的测压水头。

也就是说，某处的孔隙水压力大小，取决于该点以上岩土孔隙被水充满的高度或承压水头的高度。

孔隙水压力的产生，必将引起地基基质间有效应力的减小。因为在水充满孔隙的地方，由上覆地基和建筑物所加予的总负荷，是由基质骨架和孔隙中的水二者共同承担的。通常，由总负荷产生的总压力称为地基总压力（S）；由基质骨架承受的压力称为有效应力（σ）；由液体水承受的应力称为孔隙水压力（u）。三者之间的关系式为：

式（1-4）最初是为研究未固结的土壤力学问题所制定，但以后的研究表明，对于孔隙度即使小于1%的结晶岩石也完全适用［4］。

很明显，在地基总应力为一定的条件下，孔隙水压力增加，必将使有效应力减小。此外，由于孔隙水压力在各个方向上的作用强度都相等，因此它的增加，必将使应力场中三个有效主应力都同时减小一个相等的数值。正因为如此，使它能够对坝和岩体稳定构成威胁。

作用在坝基底面上的孔隙水压力，通称坝基扬压力。它减轻了坝的重量，减小了接触面上的摩擦阻力，因而降低了坝的抗滑稳定性。为抵消这一影响，通常需要增加坝的断面，加大坝的重量，因此对它的影响容易引起人们的重视。而对它给岩体稳定带来的影响却经常被忽视。

众所周知，在受力岩体内部，一般都存在着最大σ1、中间σ2、最小σ3三种主应力。它们互相垂直地作用在三个正交面（称为主平面）上，在此面上剪应力为零。一般将σ1—σ3称作差异应力。岩体的破坏，主要是由差异应力在某些面上引起的剪应力τ超过了该面上的抗剪强度导致的。假如σ1=σ2=σ3，即岩体中的应力状态处在“静水压力条件”下，那么，不论应力的绝对值有多大，也不会产生剪切破坏。

现在我们来分析包含有最大与最小主应力的情形（图1-2）。在与σ3轴成γ角的任意面上，其剪应力τ与正应力σ理论上应等于：

图1-2　σ1—σ3平面以及与σ3一轴呈γ夹角的任一斜面上由σ1和σ3引起的正应力σ和剪应力τ

图1-3　莫尔图解在垂直于σ1-σ3面、与σ3轴成角γ的所有平面上，应力（τ，σ）的简单图解

剪应力试图引起剪切运动，而正应力则制止这种运动。按照库仑破裂准则，剪切破坏将发生在下述条件下：

式中　τ、σ——作用于考察面上的剪应力与正应力；

　　　τ0——粘聚力；(www.xing528.com)

　　　φ——摩擦角；

　　　tgφ——摩擦系数。

对一定岩体来说，τ0与φ是常数。

如将上述关系绘在同一个直角坐标图上，即是莫尔图解。在τ～σ坐标系中，根据式（1-5）和式（1-6）所绘的点都落在了同一个圆上，这就是所谓的莫尔圆（图1-3）；用方程式（1-7）所绘的点为一条直线，即所谓的莫尔包络线或破裂包络线。这条直线τ～σ坐标间的范围分成稳定区与不稳定区两部分。如果一已知岩体应力状态之莫尔圆与包络线相切，则在γ'=45°+的面上将产生剪切破坏（图1-4）。

十分重要的是，已知岩体的莫尔圆之大小及位置并非是固定不变的。如果发生应力集中（σ1增加）或张拉（σ3减小），这两种情况都会使差异应力（σ1—σ3）增加，亦即莫尔圆的直径增大，直到它与包络线相切（图1-5），岩体产生破裂。如果差异应力保持不变，而最大主应力σ1与最小主应力σ3都减小一个相同的数值Δu，则莫尔圆的位置就要向左移动一个Δu距离，向不稳定区靠近，直至与包络线相碰（图1-6），同样能导致岩体破裂。恰巧，孔隙水压力的产生或增加，就有可能促成这后一情况的出现。

图1-4　莫尔圆与包络线相切在γ=γ'的平面上将产生剪切破坏

图1-5　由于应力集中（压缩）或张拉引起的破裂作用

情况Ⅰ：由于伸张，σ3变为产生破裂；情况Ⅱ：由于压缩，σ1变为产生破裂。σ1、σ3代表原有应力；σ1与σ3直线的中点代表“静水压力”状态

图1-6　其它条件不变，孔隙水压力增加引起莫尔圆向左移动，使稳定性降低

图1-6清楚地表明了孔隙水压力变化对原有应力条件的影响。从方程（1-4）中可直接得出，孔隙水压力的增加（+Δu），将使所有主应力都同时减小一个相等的数值Δu。这时，莫尔圆圆心点的横坐标将由原来的（σ1+σ3）/2转变为（σ1+σ3）/2-Δu（由图1-3导出），亦即原始莫尔圆的位置将向左侧朝着不稳定区移动一个Δu距离。不言而喻，如果Δu增大到对该基岩来说是临界值，就将使莫尔圆与包络线相碰，岩石被剪切破坏。

值得注意的是，在基岩已经受到巨大差异应力作用的条件下，如果在受剪应力的方向上又正好存在着软弱结构面或不连续面（层面、节理面、裂隙面等），致使其抗剪强度很低时，孔隙水压力的稍许增加，就可能引起剪切破坏。也就是说，当基岩的原始受力条件和结构条件都十分不利时，应当特别注意防止水压力的升高。

当地层的原始应力情况和结构情况都十分有利时，水压力的增加，一般只能使莫尔圆向不稳定区靠近一步，而不致引起破坏。但是，如果要使水压力极大地升高（我们将在下面讨论这种情况是可能出现的），也会带来某种问题。雷利等人（1972）曾在雷恩吉菜（Rangely）汕田做过试验表明，通过操作孔隙水压力，可以随意控制断层的滑动量。

现在人们已经了解到：孔隙水压力一定程度的增加，可以使原已停止活动的、越来越不适应的断层面重新活化。汉密尔顿与米汉（Hamilton and meehan，1971）曾经提到，在加利福尼亚鲍德温（Baldwin）山里，由于水注入到浅层储油层中，而引起了一条延伸到地表的断层运动，结果位于断层上的水库的防渗铺盖裂开了，水坝和管道也被破坏了［4］。

一个大水库的建成，可以一直影响到很深处的孔隙水压力，并可引起浅层地震（具有破坏作用的正是浅层地震）。有资料指出，由水库引起的诱发性地震已经发生过30多次，典型的例子有希腊的克瑞玛斯塔、印度的科伊纳、中国的新丰江、非洲的卡里吧、美国的胡佛和马拉松等水库［3］。

孔隙水压力的升高，意味着围限压力的减弱，基质间有效压力的降低，因此将会使那些原被压得很紧的岩缝及其中的充填物产生松弛，促成一些“软岩石”的软化或泥化。这些，都将使地层的孔隙度增大，透水性增强，压缩变形性提高，粘聚力和内摩擦系数降低。我国新安江右坝肩页岩后来变软和泥化，大概属于这种情况。

造成水压力升高的原因，除了水库渗水以外，地表上降雨，天然的或人为的水淹等等也都有可能形成。在全世界范围内，边坡滑塌和蠕动破坏经常发生，其中一个重要原因就有水压力的作用。经验表明，这些问题大多都是发生在大雨期间、大雨过后不久或水库长时期蓄水之后。

现在来说，假如水压力不是升高，而是降低，情况会是如何呢？显然，这时莫尔圆直径（差异应力）虽然仍保持不变，而其位置将向右移动，进一步进入稳定区；基质间的有效压力将增加，从而将给已经松弛的“软岩石”和岩缝以持续不断的补充压实作用，使地层的力学强度和阻水性能都相应提高。这样，原来只是勉强维持稳定的岩石将变得更加稳定，不再会发生剪切破坏。

孔隙水压力的降低，可用减少渗水和在地层中排水等措施来促成。在浅部地层中，因采矿大量排水和因生活需要大量采水，都可能会使水压力过分的降低。