工程地质学_第六章 岩质边坡.ppt

第六章 岩质边坡稳定性分析,6.1概述 6.2边坡岩体应力分布的特征 6.3边坡岩体变形破坏的类型及特征 6.4 影响边坡稳定性的因素 6.5岩质边坡稳定性的评价方法 6.6不稳定边坡的防治措施,6.1概述,在山区进行的各种工程建筑常常是在天然斜坡岩体上兴建，或是在兴建中需要开挖出高陡的边坡。 例如，依山傍水开凿运河渠道、穿山越岭修筑道路、桥梁、高峡建坝、深谷修库以及露天采矿等。 其中尤其是水利水电工程，为要多蓄水多发电就要选择在具有高陡斜坡的深山峡谷中筑坝建库。,边坡岩体中常存在有这样那样的软弱结构面。 它们在岩体重力和各种自然营力的长期作用下或人为的影响下，常常会发生变形破坏，使岩体突然崩倒或下滑，大量土石岩块涌向坡脚或河谷，冲垮道路、桥梁，掩埋厂矿房屋以及破坏施工现场，从而造成中断施工、延长工期、改变设计、增加投资等危害。 大规模的边坡破坏事故甚至可堵塞江河、中断航运、毁坏大坝、水电站，并危及下游人民生命财产的安全。,部分水电工程高边坡,岩质边坡按结构分类,一、边坡形成后应力状态的变化 (1)斜坡岩体的主应力迹线发生明显的偏转，总的特征为愈接近边坡，最大主应力愈接近平行于斜坡临空面；而最小主应力则愈与坡面近正交。 (2)在坡脚与河谷底部形成应力集中带。 (3)与主应力偏转相联系，最大剪应力迹线也发生偏转，呈凹向临空面的弧线。在最大、最小主应力差值最大的部位(一般在坡脚附近)，相应形成一个最大剪应力区，因而在这里容易发生剪切变形破坏 。 (4)在坡顶和坡面的靠近表面部位，由于垂直于河谷的水平应力显著减小，甚至可出现拉应力，因而可形成一个拉应力带。其范围随坡角和平行于河谷的水平应力的增加而增大。,6.2边坡岩体应力分布的特征,二、影响边坡岩体应力分布的主要因素 1.原始应力状态的影响 岩体中的原始应力对边坡应力分布有很大影响，尤其是垂直于河谷方向的水平构造应力的影响更为显著。 2.坡形的影响 （1）随着坡高的增加，坡内应力值也随着呈线性增大，但不改变应力等值线的图像。 （2）坡角变陡，拉应力的范围随之增大，切向应力值增高，坡脚附近最大剪应力值也随着加大。 （3）坡底宽度。 （4）边坡的平面形态对应力也有明显影响，凹形边坡，应力集中程度明显减弱。因此，凹形坡有利于坡体稳定，而凸形坡则相反。,3、岩体结构的影响 岩体结构特征对边坡应力分布的影响主要表现在因岩体的不均性和不连续性，使其沿软弱面的周边出现应力集中或应力阻滞现象。 (1)软弱面与坡体主压应力轴平行时，将在软弱面的端点部位或应力阻滞部位出现拉应力集中和剪应力集中，使之出现软弱面两侧的张裂和剪切破裂。 (2)软弱面与坡体主压应力垂直时，将发生平行于软弱面的拉应力或于端点部位出现垂直软弱面的压应力，这将有利于软弱面的压密或稳定。 (3)软弱面与坡体主压应力轴斜交时，沿软弱面主要为剪应力集中，并于端点部位或应力阻滞部位出现拉应力，致使斜坡极易沿结构面发生剪切滑动。 (4)在软弱面交汇处，应力受到阻滞，压应力和拉应力强烈集中，容易发生变形和破坏。在一定条件下，可逐步扩展为滑动面，使斜面破坏,6.3边坡岩体变形破坏的类型及特征,边坡变形破坏形式分类,岩土体运动方式分类示意图,一、松弛张裂 在边坡形成过程中，由于在河谷部位的岩体被冲刷侵蚀掉或人工开挖，使边坡岩体失去约束，应力重新调整分布，从而使岸坡岩体发生向临空面方向的回弹变形及产生近平行于边坡的拉张裂隙，一般称作边坡卸荷裂隙。,这种裂隙多呈层状向坡体内发育，形成松弛张裂带或称卸荷带，其宽度和深度均可达百米以上，它主要取决于河谷下切深度、地应力及岩体结构等。在河谷底部也可出现卸荷裂隙，形成大致平行于谷底的松弛张裂带，深也可达数十米。,二、蠕动变形 蠕动变形，是指边坡岩体主要在重力作用下向临空方向发生长期缓慢的塑性变形的现象，有表层蠕动和深层蠕动两种类型。 表层蠕动主要表现为边坡表部岩体发生弯曲变形，多是从下部未经变动的部分向上逐渐连续向临空方向弯曲，甚至倒转、破裂、倾倒。,表层蠕动多发生在陡倾层状岩层或陡倾结构面发育的岩体中，层面或结构面走向与斜坡面走向平行或交角很小。一般反坡向倾斜或倾角大于60者更易发生。 深层蠕动，是由于坚硬岩层组成的边坡底部存在较厚的软弱岩层时，由软弱岩层发生塑性流动而引起的长期缓慢的边坡蠕动变形。,三、崩塌 高陡的边坡岩体突然发生倾倒崩落，岩块翻滚撞击而下，堆积于坡脚的现象，称做崩塌。其规模大小悬殊，大规模的岩体崩塌也称山崩，其体积可达数千万甚至上亿立方米。小规模的崩塌称坠石，一般其体积仅数立方米或数十立方米。在坚硬岩体中发生的崩塌也称岩崩，而在土体中发生的则称土崩。此外，尚有坍方或塌方一词，这是泛指边坡的各种破坏现象，包括崩塌、滑坡以及其过渡类型塌滑等，是铁路和公路工程的常用语。 崩塌下来的岩块、碎石，大小混杂堆积于坡脚或山麓斜坡上，称为崩积物，有时形成倒锥体形的堆积称做岩堆，或倒石堆。 岩崩的形成机理，一般有下列三种。 (1)边坡被陡倾裂隙深切，在外力及自重力的作用下逐渐向坡外倾斜、弯曲，陡倾裂隙被拉开，岩体下部因弯曲而被拉裂、折断，进而倾倒崩塌。 (2)在坚硬岩层的下部存在有软弱岩层，当它发生塑性蠕变(塑性流动或剪切蠕变)时，则可导致上部岩层深陷、下滑、拉裂以至倾倒崩塌。 (3)下部有洞穴或采空，岩体沉陷、陷落，将边部岩体挤出，倾倒崩塌。,崩塌过程示意图,四、滑坡 边坡岩体主要在重力作用下沿贯通的剪切破坏面发生滑动破坏的现象，称为滑坡。 滑坡的危害还表现在不仅是将要发生的滑坡会给建筑物造成危害，而且表现在已经发生过的滑坡地段，对兴建水利水电工程也十分不利。 这是因为已发生过滑坡的地段，常常有再次发生的可能，而滑动过的岩体即滑坡体往往疏松破碎、杂乱无章，强度低、透水性强、稳定性差，无论是做为坝肩岩体、水库岸坡、隧洞围岩，还是做为道路路基和码头等都是不利的。,滑坡的形态及特征,滑坡特征示意图,1、滑坡的形态特征 (1)在均匀的坡面上出现环行滑坡陡壁，其上有轻微擦痕。坡面常成台阶状，局部地段会出现反坡地形，形成沟槽或封闭型洼地。 (2)在滑坡体上部常出现与滑坡壁平行的拉张裂隙，在滑体中、下部常出现与滑动方向平行的剪切裂隙，有时也可拌生羽状裂隙。 (3)在滑坡体的前部，常出现隆起的滑坡舌，在其顶部有与滑动方向垂直的鼓状张裂隙分布。当滑坡舌伸入江河中时，会使河岸变形，河道变窄。 (4)滑坡下部常有泉水或潮湿洼地分布，两侧常出现 “同源双沟”现象。 (5)有时滑坡体上有“醉汉林”或“马刀树”分布。,2、滑坡的分类,滑动面与岩层构造关系,始滑部位划分,3.滑动面的形成机制 (1)滑动面受最大剪应力面控制：在滑动破坏之前，坡体内没有既定的软弱面作为滑面。当剪应力超过岩体的强度极限时，就将大致沿着最大剪应力面发生剪切滑动，常成弧形并在斜坡的上缘附近转为陡倾的拉裂面。 (2)滑动面受已有软弱结构面控制：坡体中有软弱结构面或软弱夹层存在，并能构成有利于滑动的结构面(或几个面的组合面)产生滑动。因此软弱结构面的抗剪强度和产状起控制作用，而不决定于岩石本身的强度，岩质边坡的破坏绝大多数都是属于这种情况。 大多数滑坡在破坏之前都有一个蠕动变形阶段。在这个阶段，边坡岩体的变形主要表现为小量、缓慢、以较均匀的速度沉陷或滑移。此时坡体上可出现裂隙或上部被拉开。这一过程可持续数天以至数年以上。当应力积累超过滑面上的剪切极限强度之后，即发生急速下滑。,影响边坡稳定性的因素有内在因素与外在因素两个方面。 内在因素有组成边坡岩土体的性质、地质构造、岩体结构、地应力等。它们常常起着主要的控制作用。 外在因素有地表水和地下水的作用、地震、风化作用、人工挖掘、爆破以及工程荷载等。其中地表水和地下水是影响边坡稳定最重要、最活跃的外在因素，其他大多起着触发作用。 一、地貌条件的影响 深切峡谷地区，陡峭的岸坡是容易发生边坡变形和破坏的地形条件。通常，坡度越陡、坡高越大，对稳定越不利。崩塌现象均发生在坡度大于60的斜坡上。而滑坡现象虽在陡坡地形发育较多，但在较缓的边坡上也可发生，这主要决定于滑动面的性质。,6.4影响边坡稳定性的因素,二、地层岩性的影响 地层和岩性对边坡稳定性的影响很大，软硬相间，并有软化、泥化或易风化的夹层时，最易造成边坡失稳。地层岩性的不同，所形成的边坡变形破坏类型及能保持稳定的坡度也不同。 三、地质构造与岩体结构的影响 地质构造因素包括褶皱、断裂、区域新构造运动及地应力等，这些对岩质边坡的稳定也是主要因素之一。褶皱、断裂发育地区，常是岩层倾角大，甚至陡立，断层、节理纵横切割，构成岩体中的切割面和滑动面，形成有利于崩塌、滑动的条件，并直接控制着边坡破坏的形成和规模。 在新构造运动表现为强烈上升的地区，往往形成深切的沟谷地形，坡体内地应力较高，卸荷裂隙也常较发育，往往较广泛地发生着各种变形和破坏现象。这些新构造运动强烈的地区，也是地震活动强烈的地区。地震常是边坡失稳的触发因素。 结构面的各种特性(发育程度、规模大小、充填胶结、产状等)对岩体的稳定性有很大影响。对边坡而言，结构面的产状和岩体结构类型有更明显的影响。,四、地下水的作用 地下水对边坡稳定的影响关系极大，绝大多数滑坡都与地下水的活动有关。许多滑坡、崩塌均发生在降雨之后，就是因降水渗入岩土体后，产生不良影响所致。地下水的作用主要表现为： (1)使岩石软化或溶蚀。 (2)产生静水压力或动水压力。 (3)增加岩体重量。 (4)冻胀作用。 (5)浮托力。 五、其他因素的影响 风化作用、暴雨、水流冲刷坡脚，人工挖掘采空、振动等，都可能构成促使岩体失稳破坏的因素。,6.5岩质边坡稳定性的评价方法,一、极限平衡理论计算法 岩质边坡的稳定计算，主要是滑动破坏(即滑坡)的计算。目前大都仍是按照库仑定律或由此引伸的准则进行的。计算时将滑体视为均质刚性体，不考虑滑体本身的变形，然后对边界条件加以简化。 近年来，有限单元法等已逐渐在计算边坡稳定中应用，其优点是根据岩体的应力应变特征，并可考虑到岩体的非均质性和不连续性等特点，因而可以避免将滑体视为刚体而过于简化的缺点。,1.滑动面为一平面时的计算 2.滑动面为折线时的计算 （按推力计算法来计算其稳定性）,二、赤平极射投影法 1.赤平极射投影的原理 节理玫瑰图主要用于各种节理的统计分析。它能反映节理在岩体中的分布规律，但不能反映各种结构面相互组合交切的情况。因此，在生产实践中经常用赤平极射投影的作图方法，表示优势结构面或某些重要结构面(如各种软弱夹层、断层破碎带、层面及大型节理面等)的产状及其空间组合关系。所谓优势结构面并不等于任一实际存在的结构面，它是根据统计方法求得的假想结构面。 赤平极射投影，是利用一个球体作投影工具，通过球心做一赤道平面ESWN作为投影平面，将球面上的任一点、线、面，以下极或上极为发射点投影到赤平面上来，如赤平面上的M点即为球面上P点以下极为发射点的赤平极射投影。,结构面产状：NE30,SE 40,两结构面交线的赤平投影,稳定结构,不稳定结构,基本稳定结构,视为基本稳定结构,视为不稳定结构,滑动方向的分析,不稳定,不稳定,最稳定,稳定,较不稳定,三、工程地质类比法 工程地质类比法是在对已有的边坡破坏现象进行仔细的调查研究的基础上，了解其形成原因，影响因素，发展规律等。 然后再和需要进行稳定分析的边坡进行对比，从而得出稳定性的分析和评价。 这种方法也常用在人工开挖边坡的设计中。进行类比时，必须全面分析研究工程地质因素的相似性和差异性。同时要分清主要因素和次要因素。,6.6不稳定边坡的防治措施,一、防渗与排水 为了防止大气降水向岩体中渗透，一般是在滑坡体外围布置排水沟槽，以截断流至滑坡体上的水流。大的滑坡体尚应在其上布置一些排水沟，同时要整平坡面，防止有积水的坑洼，以利降水迅速排走。,坡内布设排水管,对已渗入滑坡体的水，原则上应尽快排除。通常是采用地下排水廊道，利用它可截住渗透的水流或将滑坡体中的积水排出滑坡体以外。,二、削坡、减重和反压 削坡是将陡倾的边坡上部的岩体挖除，一部分使边坡变缓，同时也可使滑体重量减轻，以达到稳定的目的。削减下来的土石，可填在坡脚，起反压作用，更有利于稳定。 三、修建支挡建筑 支挡建筑主要是在不稳定岩体的下部修建挡墙或支撑墙(或墩)，也是一种应用广泛而有效的办法。用混凝土、钢筋混凝土或砌石均可。支挡建筑物的基础要砌置在滑动面以下。若在挡墙后增加排水措施，效果更好。,某露天铜矿采坑边坡,台阶式开挖,坡顶刷方与坡底反压,支撑盲沟与挡土墙联合结构,(2) 支挡抗滑挡墙抗滑桩,挡 墙,四、锚固措施 有锚杆(或锚索)和混凝土锚固桩两种类型的措施，其原理都是提高岩体抗滑(或抗倾倒)能力。 预应力钢索或钢杆锚固不稳定岩体的办法，适用于加固岩体边坡和不稳定岩块。其做法是先在不稳定岩体上布置若干钻孔，打穿至滑动面以下的坚固稳定的岩层中，然后在孔中放人钢索或钢杆，将下端固定，上端拉紧。上端一般用混凝土墩、