（地质工程专业论文）芜铜高速公路上马村滑坡稳定性研究.pdf

论文题目：芜铜高速公路上马村滑坡稳定性研究 专业：地质t 程 硕士生：武素琴 ( 签名) 习垒竺 指导教师：张志沛( 签名) 摘要 滑坡的发生通常是多因素耦合作用的结果，其中水对于滑坡体的稳定性有着非常重 要的影响，滑坡前缘大面积临空面的形成是导致坡体失稳的另一重要因素。本文以上马 村滑坡为研究对象，通过详细研究该滑坡的自然地理环境、工程地质条件及人为影响因 素，综合分析认为地形地貌、地层岩性和地质构造是导致上马村滑坡的内在因素，降雨 是导致滑坡发生变形破坏的主要诱发因素，路堑开挖是导致滑坡滑动的另一重要诱发因 素。结合变形观测数据研究了降雨和人工开挖坡体前缘对滑坡体稳定性的影响机理，并 分析了多层滑体中上层滑体对下层滑体的作用方式。 通过对影响滑坡稳定性的敏感因素分析得出对该滑坡稳定性影响最大的因素是滑 带土的力学性质，尤其是内摩擦角对稳定性影响最大，合理选取了滑带土抗剪强度指标 ( 粘聚力c 和内摩擦角够) ，利用极限平衡法对该滑坡的浅层、中层滑体在不同工况下的 稳定性进行了计算。 通过f l a c 3 d 对该滑坡在饱水状态和坡体前缘开挖两种工况下的应力应变进行了模 拟，模拟结果表明：在开挖过程中，滑坡主要受压应力作用，滑面是应力集中区域，存 在滑体沿滑面滑动的危险，由于水的作用，较天然状态下滑体沿滑面移动下滑的趋势更 加明显，水平位移和垂直位移进一步增大，塑性区域进一步破坏形成破坏区。稳定性评 价结果与客观实际比较吻合。 关键词：滑坡；稳定性；控制因素；破坏机理；极限平衡法；f l a c 3 d 研究类型：应用技术研究 s u b j e c t：s t u d yo nt h es t a b i l i t yo fs h a n g m av i l l a g el a n d s l i d ei n w u h u m t o n g l i n gh i g h w a y s p e c i a l t y ：g e o l o g i c a le n g i n e e r i n g n a m e：w us u - q i n i n s t r u c t o r ：z h a n gz h i p e i a b s t r a c t ( s i g n a t u m ) 型坠垒么! ( s i g n a t u r e ) t h eo c c u r r e n c eo fl a n d s l i d e si su s u a l l yt h er e s u l to fc o u p l i n gf a c t o r s ，e s p e c i a l l yw a t e r h a sv e r yi m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fl a n d s l i d e s l a r g e s c a l eo v e r h e a ds u r f a c e i n v a d i n gi n t h ef r o n to ft h es l o p ei sa n o t h e rs i g n i f i c a n tf a c t o r t h i sp a p e rt a k e ss h a n g m a v i l l a g el a n d s l i d ea st h ev e s t i g a t e ds u b j e c t ，t h r o u g hs t u d i n gt h ee n v i r o n m e n to ft h i sl a n d s l i d e ， t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g yc o n d i t i o na n dm a i l m a d ef a c t o r s c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i ss h o wt h a t l a n d f o r ma n dp h y s i o g n o m y , f o r m a t i o nl i t h o l o g ya n dg e o l o g i c a ls t r u c t u r ea r ei n t r e n a lf a c t o r s w h i c hc a u s et h eo c c u r r e n c eo fs h a n g m av i l l a g el a n d s l i d e s ，r a i n f a l li st h ep r i m a r yi n d u c i n g f a c t o rw h i c hc a u s e st h ed i s t o r t i o na n dd e s t r o y st ot h el a n d s l i d ea n de x c a v a t e si nt h ef r o n to f t h el a n d s l i d ei st h ei m p o r t a n ti n d u c i n gf a c t o rw h i c hc a u s e st h eo u t b r e a ko ft h i sl a n d s l i d e s t u d yo nt h ee f f e c t i v em e c h a n i s mt ot h es t a b i l i t yo ft h es l o p ec a u s e db yr a i n f a l la n da r t i f i c i a l e x c a v a t i o no ft h es l o p e - f r o n t ，c o m b i n i n gt h eo b s e r v a t i o nd a t ao ft h ed i s t o r t i o n s i m u l t a n e o u s l y , a n a l y s i so nt h ea c t i n g m o d ec a u s e db yt h eu p p e rs l o p eb o d yt ot h el o w e r b o d ys l o p ei nt h el a y e r e ds l i p p e r yb o d yh a sb e e nm a d e t h r o u g ha n a l y s i so ft h es e n s i t i v ef a c t o r st ot h ea f f e c t i o no ft h el a n d s l i d es t a b i l i t y , i ti s o b t a i n e dt h a tt h em a x i m a li n f l u e n t i a lf a c t o ri st h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e si nt h es l i p p e r yb e l t e a r t h ，p a r t i c u l a r l yt h ei n t e r n a lf r i c t i o na n g l e t h i sp a p e rh a ss e l e c t e dt h es l i p p e r yb e l te a r t h s h e a r i n gs t r e n g t ht a r g e tr e a s o n a b l y ( c o h e s i v ef o r c eca n da n g l eo fi n t e r n a lf r i c t i o n9 ) ，a n d c a l c u l a t e dt h es t a b i l i t yo ft h es h a l l o ws l i d i n gb o d ya n dt h em i d d l es l i d i n gb o d yt ot h i s l a n d s l i p et h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm e t h o du n d e rd i f f e r e n to p e r a t i o n a lm o d e t h i sp a p e rh a ss i m u l a t e dt h es t r e s s - s t r a i nu n d e rt w ok i n d so fo p e r a t i n gm o d e s ，t h ew a t e r s a t u r a t e ds t a t ea n de x c a v a t i o no ft h ef r o n t - s l o p e b o d yt h r o u g hf l a c 3d t h es i m u l a t e dr e s u l t s h o w st h a t ：w h i l eb e i n ge x c a v a t e d ，t h el a n d s l i d em a i n l yu n d e r t a k e sc o m p r e s s i v es t r e s sa n dt h e s l i d i n gf a c ei st h ec o n c e n t r a t i o nr e g i o no ft h es t r e s s u n d e rt h i sc o n d i t i o nt h ed a n g e ro ft h e l a n d s l i d ei se x i s t e n t w i t hw a t e rf u n c t i o n ，t h et e n d e n c yt h a tt h el a n d s l o p es l i d e sa l o n gt h e s l i d i n gf a c ei sr e l a t i v e l ym o r eo b v i o u st h a nt h a tu n d e rt h en a t u r ec o n d i t i o na n d t h eh o r i z o n t a l a n dv e r t i c a ld i s p l a c e m e n ti n c r e a s ef u r t h e r a tt h es a m et i m et h ep l a s t i cr e g i o ni sd e s t r o y e d m n h e rs oa st of o r mt h ed e s t r u c t i o na r e a t h er e s u l t so fs t a b i l i t ye v a l u a t i o nc o i n c i d e sw i t ht h e o b j e c t i v er e a l i t ya c t u a l l y k e yw o r d ：l a n d s l i d e s t a b i l i t yc o n t r o l l i n gf a c t o r s d e f o r m a t i o na n df a i l u r e m e c h a n i s mf l a c 3 d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究- t 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：匆a 榴日期：内罗莎u 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适j l j 本声明。 学位论文作者张邪孝指导洲签名： 飞& 三；辛 叶“眦日 1 绪论 1 1 选题背景及研究意义 1 绪论 1 1 1 选题背景 滑坡为三大自然灾害( 地震、洪水和崩塌滑坡泥石流) 之一，在其发生时通常会导 致交通中断、江河堵塞、厂矿摧毁、村镇掩埋，人员伤亡等重大灾害的发生。而且由于 其分布广，发生频繁、产生条件复杂、作用因素众多，发生和发展机理的多样性、多变 性和复杂性使得预测困难、治理费用昂贵，因而是世界各国长期以来着力研究的主要工 程地质问题之一。 我国幅员辽阔，地形、地质和气候条件复杂多样，是世界上滑坡灾害较严重的国家 之一。受到滑坡灾害威胁和具有潜在滑坡威胁的地区约占全国陆地面积的1 5 - 1 4 。每 年，特别是的雨季都要发生若干滑坡，几乎遍及全国各省区，已知数量近百万处之多， 可构成灾害的就达数十万处，尤其在降雨集中时期的南方地区，滑坡灾害尤为突出。钟 立勋在中国重大地质灾害实例分析一文所列举的2 7 个中国重大地质灾害中有1 5 个 是由于暴雨引发的。中国典型滑坡一书中实录了9 0 多例滑坡，9 0 以上滑坡发生在 雨季。 表1 1 我国近十余年滑坡灾害实例 西安科技大学硕士学位论文 表1 1 仅列举了近几年内发生的几个与降雨有关的特大滑坡灾害。据中国环境地质 公报报道，仅2 0 0 6 年，全国共发生各类地质灾害1 0 2 8 0 4 起，造成人员伤亡1 2 2 7 人， 其中死亡6 6 3 人，失踪1 1 1 人，受伤4 5 3 人，造成直接经济损失4 3 2 亿元，其中滑坡灾 害8 8 5 2 3 起，占地质灾害的8 8 1 ，绝大多数都与降雨有关。由此可见，降雨尤其是暴 雨是滑坡活动最重要的触发因素。降雨触发滑坡发生广泛存在，既造成了大量的人员伤 亡与财产损失，同时又对经济建设和社会稳定产生常不良的影响。 此外，随着社会的发展，特别是近几十年来，人类的工程活动频率扩展和高等级公 路不断向山岭重丘区延伸，使滑坡危害影响的程度和规模也随之扩大，滑坡灾害日显严 重，因而滑坡灾害治理工作日益重要。 1 1 2 研究意义 由于滑坡本身的复杂性和我国在这方面的技术尚不成熟和完善，且对涉及滑坡稳定 性的许多问题尚未取得共识，因此，十分有必要对滑坡的稳定性进行系统而深人的研究， 分析影响滑坡稳定性的各种因素和滑坡的形成机理，客观准确地评价其稳定现状，从而 为滑坡灾害的治理提供依据。 本文研究的上马村滑坡是一个复杂的大型堆积层滑坡，主滑方向为n w 2 6 0 ，与路 线几乎垂直，滑坡区影响芜铜高速公路线路里程为k 2 8 + 0 1 8 - - 一k 2 8 十3 0 0 段，滑坡体纵 向长约3 5 0 m ，最大宽度达2 8 2 m 。滑体分为三层( 浅、中、深) ，浅层滑体的最大深度 8 m ，体积约1 8 x 1 0 4 m 3 ，中层滑体最大深度1 6 m 左右，体积约1 1 9 x 1 0 4 一，深层滑体最 大深度2 0 m 左右，体积约1 9 7 x 1 0 4 m 3 。由于芜铜高速公路路基从滑坡的中前部以路堑形 式通过，最大挖方深度为1 0 多米，使滑坡前缘形成大范围临空面，在经历几次强降雨 之后发生了严重的变形破坏，从而影响了芜湖至铜陵高速公路建设和以后的运营安全。 本题目以上马村滑坡的稳定性评价与治理项目为依托，针对该堆积层( 块碎石土、 角砾土和粘土) 滑坡在多次滑动后形成多层滑动面，并在强降雨情况下产生破坏的特征， 通过对影响滑坡稳定性的敏感因素、滑坡体运动方式和变形破坏机理的研究，分析计算 其稳定性。对该公路的安全运营有实际的应用意义，同时为今后类似的滑坡稳定性研究 提供有益的借鉴。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 人类对滑坡的系统研究始于2 0 世纪2 0 年代的瑞典，国内外学者从不同的学科出发， 作过不少研究，特别是地质学家和土力学家提出过不少假说和见解，但一般地说，大都 按静力学观点和理论，以滑坡的形成条件、营力因素、滑体结构、滑面尺寸等为依据， 对滑坡进行勘测和防治。但是这些都没有考虑到影响滑坡稳定性因素的在时间上的不确 2 1 绪论 定性，鉴于此类问题，考虑可以综合运用数值模拟方法、极限定性，如：滑动面粘聚力、 内摩擦角、岩土体容重、地下水的动态以及人类工程活动等，这些因素受客观条件和人 类认识自然能力的限制，取值具有不确定性，而且还存平衡法和非确定性方法( 概率分 析方法) 等，来实现对滑坡稳定性的定量评价。 我国滑坡稳定性的研究工作起步比较晚，是随着大规模经济建设的发展而逐步深入 的。 对于滑坡的研究工作经历了由经验到理论、由定性到定量、由单一评判到综合评判、 由传统理论方法到新理论、新技术的发展过程i lj 。滑坡特征及稳定分析研究可大致分为 两种：定性分析和定量分析研究。定性研究包括自然( 成因) 历史分析法、工程地质类比 法、数据库和专家系统、图解法( 诺膜图法和赤平投影图法) 、s m r ( 边坡岩体质量的最终 得分) 法等；定量研究包括极限平衡法、数值分析方法等，这些分析方法采用的都是确 定性的模型，没有考虑滑坡各影响因素的随机性和模糊性。为此，将概率论、模糊理论、 试验及数值分析等与前述的方相结合，产生了可靠性分析法、模糊分级评判法、物理模 拟法及现场监测分析法等众多方法。 其中，定量分析法中的极限平衡理论是最经典的稳定性分析方法，也是工程实践中 应用最早、目前使用最普遍的一种定量分析方法。它在摩尔一库仑强度准则基础之上， 通过分析在临近破坏状况下岩土体外力与内部强度所提供抗力之间的平衡，计算岩土体 在自身和外荷作用下的稳定性程度1 2 j 。具体方法是将滑动趋势范围内的边坡岩土体按某 种规则划分为一个个小条块，通过条块的平衡条件建立整个边坡的平衡方程，以此为基 础进行边坡分析。其根据边坡和滑面大小的关系，可用来分析边坡的局部和整体稳定性 问题。极限平衡分析方法较多，如：f e l l e n i u s 法、b i s h o p 法、j a u b u 法、m o r g e n s t e mp r i n c e 法、传递系数法、楔体极限平衡分析法等等，并开发出相应的软件，如：理正岩质边坡 稳定分析软件，同济暑光二维土质边坡稳定安全系数分析软件，加拿大g e o s l o p e 边 坡稳定性分析软件等【3 】。 对于这方面的研究主要有以下成果：袁丁、许强( 2 0 0 6 ) 采用极限平衡法对某滑坡 的局部不稳定斜面作出了评价【4 j 。廖方等( 2 0 0 6 ) 通过对滑坡的工程地质条件、变形特 征、影响因素及成因机制分析，在定性分析的基础上，选择代表性剖面，分多种工况条 件，利用极限平衡法对滑坡整体稳定性进行了定量计算【5 1 。徐青等( 2 0 0 5 ) 介绍了刚体 极限平衡法的基本原理，然后分析了剩余推力法存在的问题，进而提出了一种改进剩余 推力法【6 l o 由于极限平衡法假设滑体为刚性体，屈服仅发生于滑面及滑体内少量结构面上，不 能确定滑体内及滑面上的实际应力分布情况，也不能解决岩体本身的变形对应力分布及 稳定性的影响。因此，随着计算机技术的迅速发展和普及，以弹塑性理论为基础的数值 计算方法获得了长足进展。 3 西安科技大学硕士学位论文 数值计算法是一类应力、应变分析方法，如有限元法、差分法、边界元法，它是通 过求解滑坡体内部的应力、应变来分析给定断面的变形和稳定问题。数值法对土质边坡、 滑坡稳定性的分析评价，能更深入地了解坡体内应力、变形规律及其对稳定性的影响。 其中，最典型的就是有限单元法。有限单元法最早是在分析结构力学问题的基础上 发展起来的，但不久人们认识到它也适用于求解许多领域中的其他类型的问题。1 9 7 6 年，有限单元法开始应用于研究边坡稳定问题，随后又发展了边界元、无限元和离散元 以及近期出现的流行元( 石根华等，1 9 9 2 ) 等数值方法，为定量评价边坡稳定问题创造了 条件。它们具有理论分析、极限平衡等分析方法不能取代的优点。有限单元法作为数值 计算的最基本方法之一，它将岩土体看成变形体、可以有效的模拟材料的应力应变关系， 还可以处理各种复杂的边界条件以及材料的非均匀性和各向异性，对边坡的应力分布、 塑性区范围和位移等可进行有效的模拟，并可详细了解加固处理措施如锚索、抗滑桩等 措施的作用机理和局部应力状态，了解边坡的变形破坏机制，从而克服传统计算方法的 不足。目前有限单元法不仅已由线性发展到高度非线性和大变形问题，具有代表性的计 算软件为由美国i t a s c a 公司开发的f l a c ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) ( 快速 朗格拉日差分法) 。 随着数值分析方法的不断发展，出现了不同数值方法的相互耦合，如有限元、边界 元、离散元与块体元等的相互耦合，数值解和解析解的结合，以及非确定性的数值方法， 如随机有限元、模糊有限元、概率数值分析等方法。这些方法的耦合能够充分发挥各自 的特长，解决复杂的岩土工程问题。 近年来，随着计算机科学的发展，对于滑坡变形与破坏的数值模拟仿真有了很大的 进步，综合运用极限平衡法和数值模拟方法，来实现滑坡的稳定性分析和定量评价已经 成一种趋势【7 1 。 这方面的成果有：耿树勇、许成祥( 2 0 0 4 ) 应用极限平衡法，分析了太矶头1 号滑 坡的稳定性；应用有限元法，分析了该滑坡体的应力、位移和塑性区，提出了滑坡治理 的措施【引。黄显贵等( 2 0 0 6 ) 通过计算表明，有限元强度折减法与传统刚体极限平衡法 计算的稳定性系数很接近，这为滑坡稳定性评价提供了另一条途径1 9 j 。白秋生、何建 ( 2 0 0 6 ) 采用传递系数法和基于的强度折减f i a c 法，对库区某滑坡在库水位变动工况 下的稳定性进行了对比分析计算。结果表明，两种方法计算结论基本一致，但f i a c 法 能反映出滑坡体内的应力和应变变化规律。对工程治理实际具有更强指导意义l l o j 。詹军、 于清杨( 2 0 0 2 ) 对比了滑坡稳定性分析的极限平衡法、数值分析法、概率法。而后，介 绍了有限元法滑坡稳定性分析基本原理，并应用有限元法对中里滑坡进行了稳定性分 析，得出了中罩滑坡的主应力图和稳定系数，并将稳定系数与其他方法的结果进行了比 较，得出有限元法是一种可靠的分析方法，其结果可应用于后期治理设计i j 。毛新虎 ( 2 0 0 4 ) 以滑坡工程地质特征为基础，在分析斜坡变形破坏的形成机制及模式的前提下， 4 1 绪论 采用二维弹塑性有限元与刚体极限平衡法分别从两个方面分析和计算了该滑坡的稳定 状态，得出该滑坡存在较多的破坏区，处于不稳定到基本稳定状态，需要采取各种措施 进行治理。景锋等( 2 0 0 6 ) 对某水电站扩建工程的古滑坡体，结合有限元法和极限平衡 法的各自优点，对其变形破坏机理及稳定性进行了综合研究。 以此为基础，国内外一些学者针对降雨对滑坡稳定性影响展开了一定的研究工作， 并取得了些研究成果，如姚海林、陈守义等研究了降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性 的影响。对降雨强度、饱和渗透系数、降雨历时等影响膨胀土边坡稳定性的因素进行了 参数研究，得到了以下结论：降雨强度对边坡稳定性的影响程度取决于土本身的渗透性。 降雨强度小于土体的渗透性时，安全系数受其影响，当降雨强度大于土的渗透性时，降 雨强度对渗流场的影响不大。b p w r e na n da a y d i n ( 2 0 0 5 ) 研究了降雨引起滑坡和泥石流 的机理【l2 。俞伯汀等( 2 0 0 6 ) 用有限元方法对下山滑坡3 条剖面的深部和浅部滑面进行 数值模拟分析，应用蠕变模型对滑坡位移进行模拟，采用极限平衡法对滑坡在最高水位、 常水位、枯水位时的稳定性进行了定量评价，并使用滑坡监测资料进行验证。结果表明： ( 1 ) 滑坡处于蠕滑状态，( 2 ) 降雨及地下水是造成下山滑坡产生滑移的主要因素；( 3 ) 滑坡 治理中应以排水工程作为核心措施1 1 3 j 。杨文东( 2 0 0 6 ) 系统地分析了我国降雨型滑坡的 空间分布特点、时间分布特点和降雨型滑坡的类型。以湖北省降雨型滑坡为研究对象， 重点地研究了降雨型滑坡的时空分布特征和与之密切相关的降雨因子的时空分布规律， 揭示了降雨型滑坡与降雨因子的一些关系，分析了降雨引发滑坡的机理i l4 1 。彭文祥等 ( 2 0 0 6 ) 在研究小东江电站左岸边坡体工程地质条件及特征的基础上，对其滑坡成因进 行了分析，运用极限平衡法s t a b 程序和有限元软件a n s y s 对滑坡体的稳定性进行了 计算分析l l 川。罗先启等( 2 0 0 0 ) 根据诱发黄腊石滑坡的典型降雨过程给出了设计降雨过 程和入渗曲线。并对降雨条件下滑坡的非饱和非稳定渗流进行了分析i l 州。 综上所述，目前对于滑坡稳定性的研究，有的仅就降雨对滑坡稳定性影响进行了研 究，成果大多是对于降雨条件下滑坡机理的分析研究及相关影响因素对滑坡影响程度的 研究，虽然目前国内外学者在降雨型滑坡的渗流理论、渗流数值模拟分析、模型试验以 及滑坡与降雨的关系等研究方面取得了一定的成果，但还不够完善，还有许多需要深入 研究和改进的地方；有的只是就工程丌挖对滑坡稳定性的影响进行了研究。本文主要对 降雨和工程开挖两方面对滑坡体稳定性的影响进行了研究。 1 3 研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 芜铜高速公路上马村滑坡的后缘陡峭，滑坡中间部位有一级滑坡台地和基岩陡坎， 可分为前、后两级滑坡体。该古滑坡分为浅层、中层、深层( 潜在滑动) 三层滑面，滑体 5 西安科技大学硕士学位论文 物质主要为块碎石土、角砾土和粘土层夹块碎石构成滑坡堆积层，滑坡体前缘物质比较 杂乱，块碎石、孤石含量较高，块石直径多为1 3 m 。滑体中、后部物质成分比较均匀， 块碎石土、角砾土含量降低，块石直径多为2 0 , - 一3 0 c m ，粘土含量增多，滑床主要由微 风化凝灰质粉砂岩构成。由于芜铜高速公路路基从滑坡的中前部以路堑形式通过，最大 挖方深度为1 0 多米，使滑坡前缘形成大范围临空面，在经历几次强降雨之后滑坡体出 现大面积滑塌和沉陷。本文将针对这些情况分析降雨和开挖对滑坡稳定性的影响作用， 进而计算滑坡体的稳定性，并对降雨和开挖情况下的滑坡体变形破坏过程进行数值模 拟，该题目的主要研究内容有： 在公路施工前提下，影响滑坡稳定性即出现老滑坡再次复活的因素仍然很多，如 地形地貌、降雨、水文地质条件等，本文运用工程地质学的知识，依据该滑坡工程地质 条件，结合滑坡变形监测资料，对影响滑坡稳定性的敏感因素进行分析研究。 分析降雨引发滑坡变形破坏的机理和滑坡体前缘开挖引发坡体应力调整最终导 致滑坡变形破坏的机理。 分析滑带土的抗剪强度参数选取方法，确定合理的计算参数。 运用极限平衡法，对该滑坡在以下两种工况下的稳定性进行分析与研究： 工况1 ：天然状态+ 前缘开挖； 工况2 ：天然状态+ 前缘丌挖+ 降雨。 根据该滑坡的工程地质条件，建立岩体结构力学模型，应用有限元法( f l a c 3 d ) 模拟在以下两种工况下该滑坡的应力、应变。 工况1 ：天然状态+ 前缘开挖； 工况2 ：天然状态+ 前缘开挖+ 降雨。 6 1 绪论 1 3 2 技术路线 本论文采用的技术路线详见研究内容及技术路线框图( 图1 1 ) 收集滑坡阪地质资料收集滑坡变形监测资料 土 分析影响滑坡稳定性的因素 j r 分析滑坡变形破坏机理 j r 确定合理的计算参数 l 用极限平衡法用f l a c 3 d ) 进行数值模拟 i对滑坡的稳定性进行评价对滑坡的应力、应变特征进行研究 上 结论 图1 1 技术路线图 7 西安科技大学硕士学位论文 21 滑坡区自然地理环境 2 1 1 地理位置 2 滑坡区地质概况 本论文所研究的上马村滑坡位于芜湖( 张韩) 至铜陵( 朱村) 高速公路k 2 8 + 0 1 8 k 2 8 + 3 0 0 线路左侧，地处安徽省沿江丘陵区的繁昌县城关镇上马村境内( 详见图2 1 ) 。 幽2 】上马村滑坡交通位置示意幽 2 1 2 气象、水文 本区气候属亚热带湿润季风气候。光照充足，阿量充沛，四季分明，雨热同期，无 霜期长。年平均气温1 5 一i c c ，年中以1 月气温最低( 2 6 35 ) ，7 月气温最高 ( 2 70 - 2 9 0 。c ) ，极端最高气温为4 20 ，极端最低气温为1 20 。区内雨量充沛，多 年平均降雨量1 5 0 9 9 咖，降雨年际分配不均，最大年降雨量2 0 1 2l 砸，最小年降雨量 7 5 88 衄。年内降雨集中在4 9 月，降雨量占全年总降雨量的7 0 ，每年1 1 月至翌年 8 2 滑坡区地质概况 2 月降雨量最少，年平均降雪日1 0 1 2 天，年平均蒸发量1 6 1 5 7 衄，年平均无霜期2 4 8 天，平均相对湿度8 5 。区内冷暖气团交替频繁，气候多变，在季风环流异常情况下， 春季的低温、梅汛期的暴雨洪涝、伏秋季的干旱和台风等自然灾害常有出现，给公路建 设带来不利的影响。 2 0 0 5 年安徽省自北向南先后发生7 次降雨过程，其中有三次造成严重自然灾害。7 月4 1 0h ( 7 d ) 安徽省自北向南发生了一次明显的降雨过程，主要降雨带在淮河流域，该 地区普降大到暴雨，部分地区降了大暴雨，7 d 为每天都有日雨量超过l o o m m 的大暴雨发 生。7 d 累计降雨量：江淮之间中东部到沿江江南大部分地区降雨量在1 0 0 - - - 2 0 0 m m 。8 月 1 - 3 日受高空冷槽东移影响，安徽省的淮河流域普降大到暴雨。淮北的局部地区降了大 暴雨到特大暴雨。暴雨中心在蒙城县顺河集站3 2 0 m m 。8 月2 日2 ：0 0 起，安徽省淮北 大部普降大到暴雨，局部特大暴雨。2 ：0 0 - - 8 ：0 0 ，6 h 降雨量超过2 0 0 m m ，3 d 累计降雨 量沿淮淮北、江淮之间东部和大别山区的大部地区5 0 , - 一2 5 0 m m 。9 月受1 3 号台风“泰利” 影响，9 月l - - 4 日江淮之间大部分地区降大到暴雨，安庆、六安、巢湖市普降暴雨到特 大暴雨，主暴雨发生在9 月2 3 同，造成山体滑坡、山洪爆发和严重内涝。4 d 累计降 雨量江淮之间大部雨量在5 0 - - - 2 0 0 m m 。上马村滑坡在七、八月份的强降雨后出现了很 大变形。 2 2 工程地质概况 2 2 1 地形地貌 上马村滑坡位于长江南岸，属于低山丘陵地貌，海拔高度4 0 m - 1 3 0 m 之间，地势 由北至南呈台阶状起伏不平，滑坡后缘陡壁坡脚高程为1 2 0 m 左右，前缘高程仅为5 0 m ， 其相对高差达7 0 m 。滑坡区坡度较缓，多为1 5 0 - 2 0 0 之间，岗坳相间，坡体上发育有多 级台地，前缘舌形堆积物隆起，压覆于河流第四系冲积物之上，呈现出溪流冲洪积堆积与 滑坡堆积的复合地貌形态。滑坡区地形沿线路呈舒缓波状起伏，地表自然冲沟发育，滑 坡体前缘伸过线路呈垄状凸出，小溪被滑坡体迫向对岸形成回水湾。开挖高速公路路基 之前，该滑坡为稳定的古滑坡的地貌形态，缓坡地形明显，斜坡自然坡度约1 0 1 5 0 ， 残留的古滑坡台地明显存在，滑坡后部逐渐变陡接于基岩陡壁。 2 2 2 地层岩性 滑坡体及其周围分布的地层岩性主要为( 从上至下依次) 。 ( 1 ) 第四系堆积层( q 4 ) 崩坡积层( q 4 e l + d 1 ) ，块碎石土，浅黄色、灰白色，稍密中密，块碎石含量为6 0 9 西安科技大学硕士学位论文 - - 7 0 ，成分主要为中微风化凝灰质粉砂岩。主要分布于滑坡右侧和后缘。 滑坡堆积层( q 4 北1 ) a 角砾土，棕红色、浅黄色为主，局部夹少量黄绿色、狄黑色，稍湿潮湿，中 密密实，含有5 0 - - - 6 0 的砾石，夹有少量碎石，分布于滑坡中上部，层厚2 2 m 7 2 m 。 b 块碎石土，灰白色、浅灰色，稍湿潮湿，碎石含量6 0 7 0 ，碎石成分主 要为凝灰质粉砂岩。含有巨块石或孤石，直径一般为o 5 m l m ，最大可达3 m ，分布于 滑坡中上部，层厚2 5 m 7 o m 。 c 粘土，棕红色、紫红色、浅黄色为主，软塑，密实，含有1 0 左右的角砾及零 星碎石，分布于古滑坡中下部，层厚1 1 m , - - - , 4 9 m 。滑坡滑带主要依附于该层形成。 d 角砾土和块碎石土为浅、中层滑体的主要组成物质，浅、中层滑体滑带主要依 附于粘土层。 ( 2 ) 侏罗系上统中分村组地层( j 3 z ) ： 凝灰质粉砂岩，狄白色、浅灰色，细粒结构，块状构造，以微风化为主，岩石坚硬， 节理裂隙发育一般，见石英岩脉充填。分布于古滑坡底部( 即滑床) ，另在滑坡后部基岩 陡壁有出露，该路段的沿线路一带也有出露，近区岩层层理产状为8 0 2 6 8 0 。 2 2 3 水文地质特征 该滑坡区地形平缓，地表汇水面积较大，滑坡后缘基岩陡坡构成丰富的地下水补给 来源。调查期间滑坡体上未发现地下水露头，但是，开挖坡脚可见地下水渗出。 ( 1 ) 地下水类型 滑坡区大部分地下水主要赋存于滑坡堆积层和周边第四系松散堆积体的孔隙中，分 为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散孔隙水以潜水形式存在，根据钻探情况，滑体内 大部分地下水主要赋存于滑坡堆积层和周边第四系松散堆积体的孔隙中。基岩裂隙水主 要赋存于滑坡后部的凝灰质粉砂岩形成的陡壁中。 ( 2 ) 含水层 堆积层中的碎石土和角砾土为含水层，富水性和透水性较好；凝灰质粉砂岩为隔水 层，富水性和透水性均较差；粘土层为相对隔水层，亦为含水层，含水量较高，在第四 系松散堆积层的粘土层之上和岩石分界面附近形成稳定地下水流。 ( 3 ) 地下水补给 滑坡区的地下水的补给来源主要是大气降雨，补给区主要是滑坡后缘陡坡这一较大 范围的地质单元，地表汇水面积较大，地表水、地下水具备向下部滑体补给的条件。 ( 4 ) 地下水排泄 地表汇水一部分由地表排走，大部分则渗入滑坡体内形成松散孔隙水和基岩裂隙 1 0 2 滑坡区地质概况 水。松散孔隙水径流区与补给区基本一致，顺坡径流，在滑坡堆积体自口缘以渗水形式出 露地表或以地面小径流的彤式出现。径流流量不大，水流动态不稳定，大部分径流在旱 季易干涸。基岩裂隙水顺坡向径流排泄。由于滑坡后部地势较高，滑坡区中部、前缘比 较平缓，因而基岩裂隙水易于沿构造裂隙或张性结构而渗透到滑坡区内。 22 4 地质构造及地震 | 生2 2 区域地质及构造略图 本区地质构造体系有华夏系构造体系、淮阳山字型构造体系，此外，还有东西向及 南北向构造等( 见图2 2 ) 。工作区内主要褶皱构造为繁昌复式向斜，裙皱构造的构造线 与区域大断裂展布方向大体一致，受断裂构造控制明显，向斜开阔，多呈负地形。铜陵 繁昌s 型褶皱带压性构造形迹，总体走向n e 4 5 。，南北两端渐变为南西西北东东向， 由平行斜列的单个或复式背向斜相间的褶皱带和与其相伴生的断裂组成。 滑坡区内受繁昌复式向斜构造的影响，岩层中破碎带存在较多，其间所央的泥岩多 已破碎及泥化而形成较厚的粘土层，该粘土层中央有直径大小不等的破碎成块石状的凝 灰质粉砂岩，由此与表层的块碎石层一起构成滑坡堆秘层。从滑坡区周围调查可知凝伙 质粉砂岩层中节理裂隙发育一般，岩层产状变化不大。丰要为8 。z 6 8 。，外倾结构面主 要发育有以下两组：5 5 0 2 2 0 0 、8 5 。么7 5 。 根据中国地震动峰值加速度区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) 、中国地震动反应谱特征 周期区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ( 1 ：4 0 0 万，2 0 0 1 ) 等资料，该滑坡所在地地震动峰值加 速度为00 5 9 ，地震动反应谱特征周期为04 5 s 。所对应的地震基本烈度为度。 2 3 滑坡体基本特征 该滑坡地貌形态比较典型，呈舌状一簸箕状复合形态，滑坡周界比较清晰，属大型 西安科技大学硕士学位论文 堆积层滑坡，主滑方向为n w 2 6 。，与路线几乎垂直，拊坡区影响芜铜高速公路线路里 程为k 2 8 + 0 1 8 k 2 8 + 3 0 0 段( 见图2 3 ) 。 对滑坡特征现分述如下： 图2 3 上马村滑坡分布平面示意图 ( 1 ) 滑坡周界 该滑坡位于老滑体之上，滑坡周界比较清晰，滑坡左右两侧边界均由切割较浅的自 然冲沟构成，冲沟走向呈折线型并向上延伸至高程为8 5 1 0 0 m 的基岩陡坎及古滑坡残 留平台，其后两侧冲沟呈圈椅状形态包络于后部的基岩陡壁坡脚，由此构成以基岩陡坎 及古滑坡台地前缘为界的前、后两级滑坡体，滑坡体前缘伸过线路呈垄状凸出，小溪被 滑坡体迫向对岸形成回水湾，路基从滑坡的中前部以路堑形式通过，最大挖方深度为1 0 多米，使滑坡前缘形成大范围临空面。 ( 2 ) 滑坡规模 该滑坡属于大型滑坡，纵向长约3 5 0 m ，最大宽度达2 8 2 m 。滑体分为三层( 浅、中、 深) ，浅层滑体的最大深度8 m ，体积约1 8 1 0 4 m 3 ，中层滑体最大深度1 6 m 左右，体积 约1 1 9 x 1 0 4 一，深层( 潜在) 滑体晟大深度2 0 m 左右，体积约1 9 7 x l0 4 一，深层( 潜在) 滑体前缘至小溪边农田，后缘为基岩陡壁，详见图2 4 、表2 1 。 图2 4 上马村滑坡主要地质断面示意| 堇j 西安科技大学硕士学桩论文 表2 1 上马村滑坡攫模、要素一览表 篡。器盖蒜鬻麓耩褥凝瑟 震 藩鬈 1 0 42 6 582 8 x 1 0 42 2 x 1 0 4n w 7 1 6l o粘土簸箕 推移 熊z ，s 一m m ss 一粘十麟窘 熊m z s ：2 09 9 x 1 0 4m x i 0 4 n w 2 6 一，基岩蠡警驯式 ( 3 ) 滑面 根据滑坡勘察资料分析，该滑坡具有三层( 浅层、中层、深层( 潜在) ) 滑动面( 带) 浅层滑面最大深度8 m ，主滑段倾角1 0 。左右：中层滑面最大深度1 6 m ，主滑段倾角5 1 0 。左右；深层( 潜在) 滑而最大深度2 0 m 左右，丰滑段倾角6 1 1 。左右。该滑坡浅、 中层滑带主要由粘土层与表层块碎石层接触带形成，粘土层中不同深度处有滑动擦痕及 光滑镜面存在，深层( 潜在) 滑带主要沿基岩顶面形成，详见图2 4 、照片21 。 ( 4 ) 滑体物质 滑体物质主要为滑坡堆积层( 块碎石土、角砾和粘土1 ，滑坡前部物质比较杂乱块 碎石、孤石含量较高，块石直径多为l m 3 m 。滑坡中、后部块碎石、角砾含量降低， 块石直径多为2 0 3 0 e m 粘土含量增多，滑床主要由微风化凝扶质粉砂岩构成( 见照 片22 ) 。 照片2 i ：滑面物质照片2 2 ：滑体物质 ( 5 ) 变形破坏特征 滑坡变形破坏特征明显，在滑坡中上部有宽达4 5 m 左右，深达8 m 的张拉裂隙带 翻 一肆。-翮t、翻膝睡 自u 缘鼓胀裂隙发育，中自u 部k 2 8 + 2 2 2 + 2 5 8 段 ：右坍塌变形严重，挤压变形厉害，并 有大量地下水出露，浅层滑体剪u j l 3 局部已经形成，滑动排痕明显，佯见照片23 25 。 照片2 3 ：滑坡体后部 现多条拉裂缝照_ i t2 4 ：滑坡前缘剪山口 j 姒片25 ：滑坡1 j i 缘鼓胀裂缝2 6 ：滑坡剪出u 此外，滑坡体的西侧前缘还有一块小范幽的塌滑体，其依附的滑带主耍是表层块碎 石i ：与下伏粘土层的接触带下滑，滑带倾角为1 l o ，该塌滑体在线路左侧附近深度为7 m 右。这块滑体在两次强降雨后出现大面秘滑塌和沉陷，其滑动方向为n w 6 2 。 西安科技大学硕士学位论文 3 滑坡稳定性影响因素分析与变形破坏机理研究 3 1 上马村滑坡稳定性影响因素分析 所有滑坡的发生都是多个因素共同作用的结果，影响滑坡发生的客观因素很多，诸 如地形地貌、地层岩性、地质构造、大气降雨、地震及人类工程活动等，总体而言，可 以归纳为内在因素和外在因素两类。内在因素对滑坡体的变形破坏起着决定性作用，主 要有：地形地貌、地层岩性和地质构造；外在因素促使和加速滑坡体的变形破坏主要有： 大气降雨、地震和人类工程活动。 3 1 1 内在因素 滑坡区地势由北至南呈台阶状起伏不平，滑坡后缘陡壁坡脚海拔高程为1 2 0 m 左右， 前缘高程仅为5 0 m ，其相对高差达7 0 m 。滑坡区坡度较缓，多为1 5 0 - - - 2 0 0 之间，坡体上 微地貌单元发育，垄坡坳沟相间，坡体中部有大范围的凹坑，且植被覆盖率极高，这些 均为降雨大量入渗提供了良好的条件。 滑坡体及其周围分布的地层岩性主要第四系堆积层的角砾土、块碎石土和粘土及侏 罗系上统中分村组地层( j 3 z ) 凝灰质粉砂岩。其中角砾土、块碎石土为滑体的主要组成物 质，浅、中层滑体滑带主要依附于粘土层，深层( 潜在) 滑带主要沿基岩顶面形成。在 强降雨期间，由于碎石土的空隙度较大，为降雨入渗提供了很好的通道，而粘土层和凝 狄质粉砂岩层作为隔水层，使其上部的块、碎石土成为饱水层，并在粘土层之上形成稳 定的地下水流。这些均会使滑坡体的抗剪强度出现陡降，从而使坡体发生变形破坏。为 滑坡的变形破坏提供了物质条件。 滑坡区内受繁昌复式向斜构造的影响，岩层