（地质工程专业论文）顺层岩质边坡开挖过程模拟及稳定性分析.pdf

摘要 边坡岩体稳定问题是工程建设中非常普遍的问题。在边坡岩体稳 定分析中，要注意边坡岩体中软弱结构面的分布及其空间组合规律， 它们往往将边坡切割成可能失稳的块体或组合块体；同时要结合临空 面，确定岩体中的滑移面与切割面。在各类边坡工程中，顺层岩质边 坡工程是十分常见的，往往由于其顺坡向的层理结构及层间软弱夹层 的存在而成为边坡工程中的重点和难点。 本文从岩体结构力学的角度，阐述了岩体结构面的强度特性及其 力学效应，分析了影响岩质边坡稳定性的各种因素，总结了顺层岩质 边坡变形破坏的模式，介绍了岩质边坡稳定分析的不平衡推理传递法 和拉格朗日元法程序f l a c 的计算原理。结合具体实例，对某高速公 路顺层岩质边坡进行地质及岩体结构分析，找出岩体内的危险软弱结 构面，得出边坡可能沿结构面发生剪切滑移的结论。利用不平衡推力 传递系数法进行边坡稳定性设计计算，确定了抗滑桩支护方案。通过 对监测数据反分析，对边坡开挖过程稳定性进行分析评价。结合直剪 试验结果，得出地下水对软弱夹层的软化作用及其应变软化特性是造 成边坡失稳的主要原因的结论，指出在设计计算中对软弱夹层取残余 强度是合理的。建立地质力学模型，利用f l a c 软件进行数值模拟计 算，分析开挖过程中边坡的应力应变状态，指出边坡开挖过程中，快 速施工技术的必要性；并提出了预应力锚索补强方案，数值模拟证实 预应力锚索能有效控制边坡的变形，起到良好的加固效果。 关键字：软弱夹层，顺层岩质边坡，数值模拟，稳定性分析，开挖过 程 a bs t r a c t s t a b i l i t yo fr o c km a s si ns l o p ee n g i n e e r i n gi s ac a t h o l i ci s s u ei n p r a c t i c a lc o n s t r u c t i o n t h ed i s t r i b u t i o na n dd i m e n s i o n a lc o m b i n a t i o nr u l e o fw e a ki n t e r f a c e si nr o c km a s ss h o u l db ep a i dc l o s ea t t e n t i o ni ns t a b i l i t y a n a l y s i s ，b e c a u s es l o p e sa l w a y sb ec u ti n t op o t e n t i a lu n b a l a n c e dm a s so r c o m b i n e db l o c k sb yw e a ki n t e r f a c e s a tt h es a m et i m e ，t h es l i d es u r f a c e a n dc u ts u r f a c ec o u l db ef o u n do u ti n t e g r a t e df r e ef a c e b e d d i n gr o c k s l o p ei sv e r yc o m m o na n db e d d i n gs t r a t i f i c a t i o na n dw e a kp l a n em a k e i ta k e y p o i n ta n dd i f f i c u l t yi ns l o p ee n g i n e e r i n g i nt h es i g h to f r o c k m a s ss t r u c t u r a lm e c h a n i c s ，s t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c a n dm e c h a n i c a le f f e c to fs t r u c t u r a ls u r f a c eh a sb e e nd e s c r i b e d ；t h ef a c t o r s t h a ti n f l u e n c es t a b i l i t yo fr o c ks l o p ea l s ob ep r e s e n t e d i ts u m m a r i z e s d e f o r m a t i o na n dd a m a g ep a t t e m so fb e d d i n gr o c ks l o p e s t h e nt h e u n b a l a n c e dt h r u s tt r a n s m i s s i o nm e t h o da n dl a g r a n g ei n t e r p o l a t i o nm e t h o d u s e di nr o c ks l o p es t a b i l i t ya n a l y s i sa r ee x h i b i t e d ，a l s ot h ec a l c u l a t i o n p r i n c i p l eo f 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 e a ( f l a c ) w h i c hi s b a s e do nl a g r a n g ee l e m e n tm e t h o d t a k i n gas e g m e n to fb e d d i n gr o c k s l o p eo nh i g h w a ya sa no b je c t ，t h ed a n g e r o u sw e a ks t r u c t u r a ls u r f a c ei s f o u n da f t e re n g i n e e r i n gg e o l o g i c a la n ds t r u c t u r a la n a l y s i s i tc o m e st oa c o n c l u s i o nt h a tt h es l o p em a ys h e a rs l i p a l o n gt h es t r u c t u r a l s u r f a c e b a s e do nd e s i g n i n gc a l c u l a t i o nv i at h eu n b a l a n c e dt h r u s tt r a n s m i s s i o n m e t h o d ，a n t i s l i d ep i l ei sr e c o m m e n d e da sas u p p o r t t h e ns t a b i l i t y a n a l y s i sd u r i n ge x c a v a t i o ni sd o n eb yb a c k a n a l y s i sf r o mm o n i t o rd a t a c o m b i n i n g w i t hf r u i t so fs h e a r i n gt e s t ，t h eu n d e r g r o u n dw a t e r ss o f t e n i n g e f f e c ta n ds t r a i n s o f t e n i n gc h a r a c t e r i s t i co fw e a kp l a n ea r ep o i n t e do u tt o b et h em a i nt r i g g e r so fu n s t a b i l i t y , a n di ti sr e a s o n a b l et oa d o p tt h e r e s i d u a ls t r e n g t hi nd e s i g n i n gc a l c u l a t i o n b u i l d i n gg e o l o g y - m e c h a n i c a l m o d e l ，t h es t r e s sa n ds t r a i ns t a t ea n a l y s i sd u r i n ge x c a v a t i o nb e e nm a d eb y m e a n so fn u m e r i c a lm o d e l i n gv i af l a c i tt u r n so u tt h a t r a p i d c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sn e c e s s a r yi ns l o p ee x c a v a t i o np r o c e s s a sa f o l l o w e ds t r e n g t h e n i n gm e t h o d ，t h ep r e s t r e s s e da n c h o rp r o v e su s e f u li n i n c r e a s i n gs k i dr e s i s t a n c ea n dc o n t r o l l i n gd e f o r m a t i o no fs l o p et h r o u g h l i m o d e l i n g k e yw o r d s ：w e a kp l a n e ，b e d d i n gr o c ks p l o e ，n u m e r i c a lm o d e l i n g ， s t a b i l i t ya n a l y s i s ，e x c a v a t i o np r o c e s s i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：4 盈却眭一 日期：哔年上月丛日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 2 当壹醅 导师签名 硕士学位论文第一章绪论 1 1 边坡稳定性的研究意义 第一章绪论 “十五”期间，我国国民经济社会发展取得了巨大成就。同时，经济社会 发展与资源环境之间的矛盾日益突出，边坡稳定问题是最常见的工程地质问题之 一。 地面开挖是最常见的诱发滑坡的因素【1 1 。在铁路、交通、水利水电、矿山等 基本建设工程领域，均存在人为开挖各种各样的高陡边坡。而且，随着工程规模 的加大加深及场地的限制，经常需在复杂地质环境条件下【2 】，人为开挖各种各样 的高陡边坡。所有这些边坡工程的稳定状态，事关工程建设的成败与安全，会对 整个工程的可行性、安全性及经济性等起着重要的制约作用，并在很大程度上影 响着工程建设的投资及效益。边坡失稳产生的滑坡现象已变成同地震和火山相并 列的全球性三大地质灾害之一。滑坡的发生对我国的铁路、公路、水路运输以及 工矿、水利工程建筑等造成巨大损失和危害。我国每年由于各种滑坡造成的损失 达2 0 0 亿元【j 巧j 。 从1 9 9 8 年至2 0 0 0 年，公路建设投资由1 8 0 0 亿元发展为2 4 0 0 亿元，居于 全国各行业之首。据交通部规划，到2 0 1 0 年，我国公路总里程将达2 5 0 万公里， 其中高速公路总里程达5 万公里。公路建设对国民经济增长起到了巨大的推动作 用，但同时对生态环境也造成了一些负面的影响。高速公路每年产生数千至上万 的边坡，这些边坡的质量成为影响高速公路营运的主要因素。湖南省地处地质灾 害高发区，高速公路建设过程中( 如耒宜、怀新、常吉等) 和运营过程中( 如谭 邵高速等) 连年出现边坡失稳现象，规模大，分布广，给国家和人民的生命和财 产带来巨大损失【6 - 8 。 因此，边( 滑) 坡的研究与整治，被认为是减灾的重要课题。 1 2 岩质边坡稳定性研究概况 岩体力学发展初期，在研究岩体力学问题时，基本上采用了以材料力学和简 单的均质弹性理论为基础的土力学的原理和方法。土质边坡稳定性的计算分析方 硕士学位论文 第一章绪论 法被应用于岩质边坡的稳定性问题的研究。在这个时期，边坡稳定性的计算分析 方法以半经验半理论性质及假定滑动面具有某一固定位置和形状为其显著特点。 上世纪5 0 年代，我国许多工程地质工作者在滑坡研究中采用了苏联的地质 历史分析方法，但该方法偏重于定性描述和分析。在吸取了前阶段应用土力学原 理和方法于岩质边坡工程所产生的不良效果的基础上，加上有关数学、力学科学 的一定发展，人们普遍认识到系统开展岩石力学研究的重要性。这个阶段，主要 是以均质弹塑性理论和极限平衡理论的普遍应用，均质体光弹试验和模拟材料模 型试验的开展，以及室内小块岩石的物理力学试验大量进行为其主要特点。 上世纪6 0 年代，v a i o n t 滑坡及一些水电工程和露采矿山遇到的大型滑坡和 岩体失稳事件使工程地质学家们认识到，在边坡稳定性分析中，必须将地质分析 与力学机制分析紧密结合起来，从而形成了6 0 年代初期的刚体极限平衡法，以 及结构面的力学特性对岩体滑动的影响研究。1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元 研究边坡的稳定性问题，给定量评价边坡的稳定性创造条件，并使其逐步过渡到 数值方法，从而使边坡稳定性研究进入模式机制和作用过程研究成为可能，同时 以概率论为基础的可靠度方法也被引入边坡稳定性研究中。同一时期，我国在边 坡工程稳定性研究方面也取得了丰硕的成果，如岩体结构理论及相应的边坡岩体 稳定性分析的岩体工程地质力学方法等。 进入8 0 年代，由于计算技术的发展及岩体力学性质研究的进展，边坡破坏 模式机制的研究开始采用数值模拟( 或物理模拟) 手段，定量或半定量地再现边坡 变形破坏过程和内部机制作用过程，从整体上、理性上认识边坡变形破坏机制和 边坡稳定性的发展变化。同时，学科之间的相互渗透使许多与现代科学有关的一 系列理论方法，如系统论方法、模糊数学灰色理论、数量化理论及现代概率统计 等被引入边坡科学研究，从而大大促进了理论的更新和应用研究及决策水平的提 高【9 1 。 2 0 世纪9 0 年代，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现代岩土力学 和现代数学力学相结合，形成了所谓的现代边坡工程学。非线性科学的发展使人 们认识到，高边坡不仅是一个具有复杂结构的系统而且是一个不断通过与外界的 物质与能量的交换来实现自身发展演化的系统，从而找到了描述高边坡系统稳定 性演化强有力的工具，这就是非线性动力学理论。与此同时，我国岩石高边坡工 程实践也提升到了一个新的水平，一大批与大型工程建设和人民生活安居乐业息 息相关的边坡和滑坡治理工程的成功实施，使我国边坡工程地质工作从认识自然 向改造自然迈出了长远的一步。 目前岩质边坡稳定性研究方法较多，大致可分为两类，即定性分析方法和 定量分析方法。定性分析方法主要有工程类比法、图解法等。 2 硕十学位论文第一章绪论 工程类比法是根据拟建工程区的工程地质条件、岩体特性和动态观测资料， 结合具有类似条件的已建工程，开展资料的综合分析和对比，从而判断工程区 岩体的稳定性，取得相应的资料进行稳定分析。而图解法是在岩体结构及其特 性研究的基础上，考虑工程力作用方式，借助赤平投影、实体比例投影法或块 体坐标投影法进行图解分析，初步判断岩体的稳定性。定性分析方法主要是通 过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳 的力学机制等的分析，对己变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出 被评价边坡稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。其优点是能综合 考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出 评价。 定量分析法主要有极限平衡分析法，还有建立在塑性力学上、下限定理基 础上的极限分析法，以及根据有限元、边界元、离散元等理论基础编制软件而 进行的数值分析法。 极限平衡法从土体滑坡计算发展起来，在工程实践中用于评价土体边坡的 稳定性，常常假定滑动面为圆弧形，依此条件建立土体的作用力与土体强度之 比的平衡条件，进行边坡稳定性评价。例j t f i b i s h o p 法、j a n b u 法、m o r g e n s t e m p r i c e 法、s p e n g c e r 法，以及不平衡推力法等。s a r m a 博士于1 9 7 9 年在边坡和堤 坝稳定分析一文中提出对滑坡体进行斜分条的极限平衡分析法，即s 黜a 法。 s a r m a 法是极限平衡法的最新发展。这个方法受至l j h o e k 教授的推崇，之后在西方 国家逐渐普遍采用。近些年来，在我国露天矿边坡稳定性分析中也有广泛应用。 对于大部分土质边坡及软弱岩体边坡问题，变形边坡自身的变形、塑性变 形或流变变形较大，使变形体在后缘张开、前缘压缩隆起，滑动面也早已不再 是滑动i j 的形状，在这种情况下，基于刚体极限平衡假设下的分析法不再适用， 必须考虑采取适应于变形介质的方法，有限单元法就是其中之一。有限元法的 突出优点是适于处理非线性、非均质和复杂边界等问题，而土体应力变形分析 就恰恰存在这些困难问题，有限元方法的应用，能比较好的解决这些困难，在 处理边坡稳定分析中开辟了新的途径【i 们。有限元法就是用有限个单元体所构成 的离散化结构代替原来的连续体结构来分析土体的应力和变形，这些单元体只 在结点处有力的联系。 在这些分析方法中，考虑边坡岩体工程地质特征的程度和方式方法各不相 同。在定性分析方法中，主要考虑影响边坡稳定性的一些地质因素，如主控结 构面、深大裂缝、地下水、不利结构面的位置等。在定量分析中，应根据岩体 地质条件建立分析计算模型，如果所建模型较为粗糙，计算参数取值不合理， 稳定性分析结果则难以为设计人员所采纳。目前人们对分析计算模型的建立也 3 硕士学位论文第一章绪论 给予了足够重视，杨坤【l l 】等从岩体结构网络、三维可视化等角度探讨了岩体结 构建模。因此，要得到正确的稳定性分析结果，建立能正确描述边坡岩体工程 地质特征的分析计算模型是至关重要。为此，人们提出了边坡岩体的多种分类 方法，例如按岩性分有岩浆岩边坡、沉积岩边坡、变质岩边坡等；按岩体结构 分有块状结构边坡、层状结构边坡、碎裂状结构边坡和散体结构边坡等【1 2 】【1 3 】。 在建模中人们也考虑了岩体内的控制性结构面、节理裂隙、断层等地质特征。 边坡岩体地质结构与岩体结构有较大不刚1 4 】，坡体结构除了具有岩性和地 质构造特征外，还具有临空面的特性，这使得它直接受到自然营力的作用，而 造成坡面以下一定深度的岩体发生很大变化，例如风化、卸荷等。周德培、王 恭先等人提出坡体结构的概念，将坡体结构定义为坡面以下一定范围内的岩体， 对于工程边坡则是工程活动影响范围内岩体的地质结构面和岩石结构体以不同 形式的相互组合。坡体结构既具有边坡所在岩体的岩体结构特征，同时由于受 自然营力的作用和浅表层的地质演变又具有特殊的工程地质性质。过去人们在 利用坡体结构建立分析计算模型时，主要考虑其岩性和地质构造特征，对于直 接受自然营力作用而形成的临空特性研究不够。实践表明，边坡岩体由于经历 了地质上的浅表生改造和自然营力的作用，坡面以下一定深度范围内的岩体在 岩性特别是地质结构上与深层岩体结构已很不相同，即具有特殊的地质特征。 充分利用浅层岩体的特殊地质特征而建立的计算模型，能获得较为正确的稳定 性分析结果。 近年来人们在前面两种分析方法的基础上又引进了一些新的学科理论，逐渐 发展起来一些新的边坡稳定性分析方法。如神经网络算法、模糊测度理论、灰色 系统理论分析法、遗传进化算法等，即所谓的非确定性分析方法。神经网络算法 从模拟人脑的形象思维入手，具有非线性、并行性和强泛化性等特点。目前，用 于岩土体的神经网络主要是b p 网络，卢才金【i5 】等提出了一种改进的b p 网络，用 于岩土体边坡稳定的判别。模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原 则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或类别评价。灰色系 统理论认为，在决定事物的诸因素中若既有己知的，又有未知的或不确定的，它 们所在系统则称为灰色系统阴把系统中的一切信息量看作灰色量，采用特有的 方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理，确定边坡稳定性各 影响因素的影响程度，进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。另外还有地 质力学模型等物理模型方法和现场监测分析方法等【l 们。 目前的各种边坡稳定分析方法，在边坡稳定性分析和评价方面虽然适用于不 同介质，不同边坡的稳定分析和评价方法正在不断地发展和完善，但归根结底都 是因部分岩体达到强度极限形成滑裂面而破坏的计算方法。而岩体的破坏除了岩 4 硕士学位论文第一章绪论 块的材料破坏，即张破裂和剪破坏外，另外主要是沿结构面的张裂与滑动破坏。 顺层结构边坡的滑移弯曲破坏是一种常见的破坏类型。在这类破坏模式下，岩体 的破坏是以结构失稳为主，材料破坏居于次要地位。 对于顺层岩质边坡，虽然目前对其的失稳机理稳定性评价和预测已有一定的 研究，同时也对其做了一定量的物理模型试验及分析( 李桂荣【1 7 】、聂德新【”】、李 树森【1 9 】、任光明【2 0 】等) ，取得了一定的认识，但一般多以定性描述为主，而且对、 于不同的边坡，不同的水文地质条件，结果又不尽相同。在定量分析计算方面， 对于顺层滑坡，由于其破坏形式相对较为简单，已有了较多的研究，但分析中往 往忽略掉岩体所受的一些较为重要的作用力，特别是水和地应力的作用。 在陡倾角的天然顺层边坡上开挖路堑时，路堑边坡角的设计值往往与岩层倾 角一致；在缓倾角的天然顺层边坡上开挖路堑时，虽然会将岩层切断，但因层面 的抗剪强度能足以使被切断岩层保持稳定，而不需花费太大资金进行护坡；而在 中等倾角的天然顺层边坡上开挖路堑时，不可避免地将岩层切断，被切断岩层的 稳定状态主要取决于岩层倾角和层面的抗剪强度。许多学者对顺层边坡的变形特 征、破裂机制与破坏过程进行了大量研究，针对边坡不同结构，提出了边坡岩层 变形破坏过程模型【2 1 】【2 2 1 。对于倾角较大且与岩层倾角相同的顺层开挖边坡，提 出了岩层滑移弯曲拉裂的变形破坏失稳模型，并得到了实际现象证实；对于倾角 比岩层倾角大的，后缘完全被节理切断的顺层边坡，提出了刚体滑移破坏模型【2 3 1 。 而顺层岩质边坡的弯曲变形和溃屈破坏破坏模式的稳定性分析，国内外有很 多学者提出了一些解析方法( h o c k e 2 4 1 、g o o d m a n 2 5 1 、孙广忠2 6 1 、邓荣到2 7 1 、李云 鹏【2 2 】等) 。这些方法采用材料力学中的压杆稳定理论尖角突变理论或结构力学中 能量平衡法分析，通过一定的假定条件对顺层边坡的溃屈问题进行了研究，并分 析计算求出顺层边坡的临界坡长，从而进行顺层岩质边坡的稳定分析【27 】【2 引。这 些方法在一定程度上解决了工程问题，但是这些方法过于复杂不易于工程技术人 员掌握，适用性不强，而且分析计算过程中往往忽略了顺层岩质边坡所受的横向 力，实际上顺层岩质边坡所受的横向力是至关重要的。从受力状态来分析，顺层 边坡层面弯曲变形本质上是纵横弯曲问题。 另外人们在发展边坡稳定性分析理论与方法的同时，又开展了现场监测技术 方法监测结果分析方法等的研究，力图通过现场监测所获得的信息，如位移、位 移速度、应力声发射率、氡气a 脉冲频率、地下水等有关特征，来对边坡岩体稳 定性做出评价和预测，为加固处理设计提供服务，同时又能对加固措施的加固效 果进行检验，为施工的安全保护等提供信息。由于现场监测结果直观可靠，因而 利用监测结果对边坡过程的稳定性分析已成为目前边坡工程中稳定性评价极其 重要的一种方法。 5 硕士学位论文第一章绪论 岩质边坡稳定分析方法的研究已经取得了很大的成就，但存在的问题也不 少。现今所采用的边坡稳定分析方法，均没有达到真正圆满解决工程实际问题， 对岩体力学模型、结构力学效应、环境因素的力学效应、时间或流变问题、本构 关系、计算参数、测试技术、仿真方法都需作进一步深入的具体研究。同时由于 各种技术革新，数学力学及计算机技术的快速发展等，均向理论分析不断提出新 挑战。信息处理技术及电子计算机的应用，包括信息数据库、图像处理、岩体力 学作用模拟、监测数据处理、综合分析等，成为工程建设中边坡稳定分析的重要 方法。而以变形监测、观测反分析与岩体改造相结合的综合性理学工作，也将成 为岩质边坡稳定性研究的一个发展方向【2 6 1 。 1 3 本文研究主要内容和方法 顺层岩质边坡的失稳问题一直是工程地质学和岩石力学领域内极为瞩目和 亟待解决的问题之一。如何预测和监测事故、如何预防和抢救措施，以及如何采 取补充措施保证实现设计意图，是地质工程建设研究的一个课题。本文从岩体结 构和数值模拟分析，以及边坡工程监测结果分析，对工程建设过程中顺层岩质边 坡的稳定性进行分析，以期获得一些合理实用的结论，为顺层边坡稳定性分析及 治理措施的制订与实施提供一定的借鉴。 本文的主要研究内容如下： 1 阐述了软弱夹层的抗剪强度特性及其力学效应； 2 结合实例，在工程地质与岩体结构分析的基础上，对顺层岩质边坡进行 力学稳定性分析。 3 通过监测数据反分析，分析评价开挖过程中边坡的稳定性；结合室内试 验，对软弱夹层取值进行讨论。 4 对顺层岩质边坡开挖过程及支护结构进行数值模拟，评价支护结构的加 固效果； 6 硕士学位论文第二章顺层岩质边坡的稳定性 第二章顺层岩质边坡的稳定性 边坡的形成，使岩体内部原有应力状态发生变化，出现坡体应力重分布，主 应力方向发生改变，应力产生集中；应力状态在各种自然营力的作用及工程影响 下，随着斜坡演变而又不断变化，使边坡岩体发生不同形式的变形与破坏。 岩质边坡稳定性分析，在于阐明工程地段边坡是否可能产生危害性的变形和 破坏，论证其变形与破坏的形式、方向和规模，设计稳定而又经济合理的人工边 坡，或以维护并加大其稳定性而采取经济合理的工程措施，保证边坡在工程运用 期间不致发生危害性的变形与破坏。 2 1 岩质边坡稳定性影响因素 岩体是地质体，它经历过多次而反复的地质作用，经受过变形，遭受过破坏， 形成一定的岩石成分、一定的结构、赋存于一定的地质环境中，作为力学作用研 究对象时被定义为岩体【2 9 1 。岩体抵抗外力作用的能力称为岩体力学性质，这种能 力是由组成岩体的岩石、结构、赋存环境条件形成的。岩质边坡的稳定性取决于 边坡岩体的力学性质，而影响岩体力学性质的基本因素有如下四组： ( 1 ) 岩石力学性质； ( 2 ) 结构面力学性质； ( 3 ) 岩体结构力学效应； ( 4 ) 环境因素，特别是地下水和地应力的作用。 地下水是岩石力学特性形成的重要因素。岩体结构、结构面及地应力是影响 坚硬岩类力学特性的关键因素。岩性及地应力条件对结构面在岩体力学性质形成 上起着一定的控制作用，它可使岩体力学性质发生转化，这种转化一方面表现在 岩体联系性上的变化，另一方面变现在岩体破坏由脆性向柔性转化【3 0 1 。所以，在 研究岩质边坡稳定性上，首先必须对岩性、结构面、岩体结构、地应力、地下水 在形成岩体力学性质上的作用又深刻的了解。 2 1 1 地层岩性 岩石的力学性质，首先与其组成矿物类型相关。矿物成分决定了岩石的强度、 抗风化能力，以及与水作用的性质【3 l 】。岩石的胶结特征对岩石的力学性质的形成 7 硕士学位论文 第二章顺层岩质边坡的稳定性 也有很大的影响，从某种意义上来说，它的重要性比岩石组成成分还重要。联结 特征不仅影响其变形破坏机制，而且影响其强度。当联结强度大于矿物强度时， 联结物对岩石变形和破坏的影响居于次要地位，而岩石力学性质决定于矿物物理 力学性质。岩石结构分为原生结构和次生结构，构成岩石的各向异性，控制岩石 的强度。在颗粒间联结特征、矿物成分及微裂隙控制下，岩石力学性质具有强烈 的分散性。地层岩性的差异是影响边坡稳定的主要因素。不同岩层组成的边坡有 其常见的变形破坏形式【3 引。 2 1 2 结构面力学效应 岩体是由结构面和地质体两个基本单元组合而成的。所有岩体均含有层面、 节理、剪切带和断层之类的不连续面，岩体性质由不连续面上的滑动所控制【2 0 1 。 受力岩体中的结构面，在其变形、破坏过程中所起的作用大小，不仅与受力条件 有关，即结构面与工程的依存关系，而且很大程度上取决于结构面的自然特性， 因为它直接体现着岩体的物理、力学性质。为了分析单个岩块系统的稳定性，理 解将岩块分离开来的结构面的抗剪强度的控制因素是非常必要的。 结构面对岩体力学性质的影响简称为结构面力学效应，主要表现在结构面结 合及充填状况、结构面的形态及连续性、结构面的延展性及贯通性、结构面密度、 结构面产状等五个方面。 1 结构面结合及充填状态结构面的结核状况有胶结、开裂两种，它们所 呈现的力学效应大不相同。 结构面是闭合、干净无充填的或被后期岩脉所填充，岩块间表现为刚性接触。 其结构面的抗剪强度，取决于结构面的形态、起伏差、粗糙度以及两侧岩块的性 质。 结构面是闭合，但具有泥质或矿物薄膜，或者分布又地下水浸染所造成的不 连续铁质薄膜或锈斑等，结构面的抗剪强度，不仅取决于面的形态和两侧岩性， 而且与薄膜的矿物类型及其亲水性有很大关系【3 3 1 。 结构面是张开，或有少量不连续岩粉、岩屑所填充，或充水充气，前者抗剪 强度与几何形态，填充物多寡、颗粒级配和组成成分有关，后者则完全丧失其强 度。 结构面的充填是连续、有一定厚度的，其抗剪强度取决于起伏差和填充物厚 度、成分及其物理状态。当起伏差大于充填物厚度时，在剪切滑移中能起到抗滑 的作用；当填充物厚度大于起伏差时，结构面抗剪强度则取决于填充物的特性f 3 4 1 。 2 结构面形态力学效应结构面形态按其上下盘接触状况可分为两种类 型，一种是上下盘吻合接触，一种是上下盘不吻合接触。上下盘吻合接触的形态 8 硕上学位论文第二章顺层岩质边坡的稳定性 特征用起伏度来描述，上下盘不吻合接触的形态用粗糙度来描述。 通常表面粗糙度增加了剪切面的抗剪强度。国内外很多学者对这类结构面的 抗剪强度特性做过大量的研究工作，认为对不规则结构面抗剪强度的研究应建立 在结构面不规则突起的剪切作用下会产生剪胀作用( 爬坡效应) 这一认识的基础 上，这一观点与土力学中粗粒土在剪切作用下发生剪胀的观点相一致。 o p a t t o n ( 1 9 6 6 ) 通过试验论证了这种影响，在试验中含有所谓“锯齿面” 试样上进行剪切试验，如图2 1 。当沿倾斜面发生移动时，试样产生剪切位移， 导致试样的膨胀。“锯齿面”试样的抗剪强度可由2 1 式来表达： f = 盯。t a n ( c o b + f ) ( 2 - 1 ) 式中纸剪切面基本摩擦角； f 起伏角。 图2 ip a t t o n ( 1 9 6 6 ) 建议的双直线模型 上述方程对在较低法向应力作用下，沿斜面滑动产生剪切位移的条件下是 有效的。在较高的法向应力作用下，超过完整材料的强度是，锯齿将被破坏，所 得到的抗剪强度特性和完整材料强度联系更密切。 p a t t o n 法具有简单的优点，但它不能反映抗剪强度随法向应力增加是逐渐变 化而不是突然变化的规律。b a r t o n 与他的合作者( b a r t o n ，1 9 7 1 ，1 9 7 3 ，1 9 7 6 ； b a r t o na n db a n d i s ，1 9 8 2 ，1 9 9 0 ；b a r t o na n dc h o u b e y 【3 5 1 ，1 9 7 7 ) 研究了天然岩石 节理的特征后，提出了用于估计不规则、无填充结构面峰值强度的非线性经验公 式： f ：t a n l + 职c l d 丝1if = l + 职c l d 竺l l l lo n j ( 2 2 ) 式中职c 节理粗糙度系数。 j c s 节理壁抗压强度。 常见的结构面起伏形态一般可分为三种，如图2 2 ，各种形态结构面力学效 应是不同的。平直结构面在块体沿着它滑动时，块体运动方向与块体沿结构面移 9 硕上学位论文第二二章顺层岩质边坡的稳定性 动方向是一致的，结构面形态对其运动无阻抗作用。曲折、锯齿型和波形结构面 都属于起伏结构面，上覆岩体沿着它滑动时，块体总的运动方向与运动过程瞬时 运动方向不一致，即具有爬坡作用。爬坡作用具有增加结构面抵抗外力的能力【3 6 1 。 八八v 。 b ) 7 、，、八、 、 c ) 八“v v 八 h 一 图2 - 2 结构面几何形态示意图 ( a ) 平直的( b ) 破浪起伏的( c ) 曲折的 3 结构面延展性及贯通性力学效应 结构面的延展性可由一定方向上结 构面连续性或连续段长度表示。在一定长度范围内，开裂的结构面占的比例可用 连续性系数或连续性指数来描述。结构面延展性在岩体力学性能和力学作用方面 具有的效应，主要表现在对岩体力学作用机制的影响上。结构面连续性越大，岩 体强度降低愈大。从岩体力学角度来说，结构面延展性长度与岩体工程规模的相 对大小非常重要。 在一定尺寸工程岩体内，结构面贯通性可分为：非贯通性的主要是降低 岩体强度，使岩体变形加大。岩块含有非贯通性结构面时，在外力破坏作用下， 以破裂面追踪的方式破坏；半贯通性的当岩体内这种结构面延伸不长时，其 作用与含有半贯通性结构面效应相似；当结构面在岩体内延伸较长时，其作用与 贯通性结构面相似；贯通性的含有贯通性结构面的岩体力学性能和破坏机制主 要受结构面控制，此时，结构面产状起重要作用。 岩体内发育的结构面数量越多，即密度愈大，其强度愈低、变形越大。但不 是无限降低和增大。当岩体内发育的结构面多余一定数量后，则它对岩体强度和 变形的影响不继续增加，而是趋于一个稳定值，这种现象称为尺寸效应【3 刀。 4 结构面产状的力学效应岩体内结构面因产状不同，岩体力学性质具有 强烈的方向性和各向异性。结构面产状对岩体力学的作用表现在控制岩体破坏机 制和影响岩体变形和强度【3 8 1 。 5 软弱夹层的力学效应软弱夹层实质上是填充或间夹一定厚度的相对软 l o 硕士学位论文第二章顺层岩质边坡的稳定性 弱物质的结构面。软弱夹层的形成直接控制着顺层岩质边坡的发育演化阶段，软 弱夹层性质的演变也决定着边坡稳定性【3 9 1 。国内外发生事故或失事的许多工程， 大多数都和软弱夹层问题有关。了解软弱夹层的成因类型、分布规律、基本特性 和长期渗水条件下的演变趋势，才能在工程建设中采用有效的工程措施。 软弱夹层对结构面有显著的软化作用，它对结构面的软化程度与其成因、物 质成分及厚度密切相关。 ( 1 ) 软弱夹层的成因软弱夹层是地质劣势的产物，与成岩条件、构造作用 和地下水活动等密切相关。按其成因一般可分为三种类型：原生软弱夹层、次生 软弱夹层、构造软弱夹层。 原生软弱夹层指在成岩过程中，在坚硬岩层间所夹的粘粒含量高，胶结程度 较差、力学强度较低的软弱岩层，包括沉积、变质及火成岩类中，软硬相间或硬 层间夹软岩层。这些软弱夹层均具有其区域性，所以延展甚远，层位稳定，对于 一般工程来说都是贯通的。这类结构面的抗剪强度，不仅受软层上下层面的特性 所控制，同时与岩层软硬悬殊以及软弱夹层本身的特性相关m 】。比如，上下层面 曲折不平而且粗糙，或者层间结合力较强，往往可以看到滑移面产生于软层中， 实际上这种抗剪强度，包含了软岩层的抗剪强度。因此，不能忽视软岩层的演示 性质研究，包括成岩作用的程度、后期构造的影响、岩性岩相的变化、物质成分 及其水理特性等。特别应该注意在地下水作用下软化、崩解、膨胀和可能泥化的 趋势。 次生软弱夹层指原生软弱夹层、蚀变破碎带、次生矿物充填的节理等在风化、 地下水等营力作用下，产生泥及碎屑物质而形成的软弱夹层，又称风化夹层。这 类夹层多分布在浅表地层，往往受地形、水文地质条件、岩性及原生软弱夹层或 软弱发育情况所控制，常呈局部软化或泥化，粘粒含量及含水量均较高。 构造软弱夹层是岩体在构造应力作用下，沿软、硬岩层接触带或软岩内部， 发生层间剪切错动。由于构造变动的多期性，剪切错动带受到多次改造，形成大 量细颗粒物质，并产生很多裂隙，给地下水的渗透创造了条件，经地下水和物理 化学作用而形成了软弱夹层【4 l 】；断层破碎带、挤压破碎带及层间错动等，也属于 构造型软弱央层。 ( 2 ) 物质成分力学效应大量试验资料表明，夹层物质成分对结构面力学性 质有极大的影响，结构面抗剪强度随夹层内粘土含量增加而降低，随碎屑成分增 加、颗粒增大而增加。 破碎带一般由角砾、碎屑、岩粉以及泥化物质所组成，甚至可以包含透镜体 状的岩块集合体。无论破碎带两侧界面形态如何，其碎屑物质的总厚度，一般大 于两侧界面的起伏差，因此，结构面的抗剪强度取决于碎屑物质的强度。此强度 硕上学位论文第二章顺层岩质边坡的稳定性 不同于胶结良好的角砾岩和糜棱岩，仍然与泥质多寡、泥质条带在破碎带中分布 的情况及其成分有关；一般角砾、碎屑以及透镜体起着正面的作用，可以被挤紧 相互咬合，在滑移过程中还包含多出的局部咬断，从而提高抗剪强度。 ( 3 ) 夹层厚度力学效应结构面的强度随着软弱夹层增厚而迅速降低，当软 弱夹层厚度达到一定值后，结构面强度主要决定于软弱夹层的力学性质【4 2 】。例如 物质成分力学效应中所阐述的有关破碎带抗剪强度特性。软弱夹层厚度对结构面 力学性质的影响与软弱夹层的物质成分和物理性质密切相关。 ( 4 ) 起伏结构面充填度力学效应上面所述为平直结构夹软弱夹层厚度力学 效应。而起伏状软弱结构面力学性质还与充填软弱夹层的厚度有关，它受充填物 质的厚度和结构面起伏差之间的关系控制【4 ”。结构面充填度愈小，结构面的力学 强度愈高，反之，随着充填度的增加，其力学强度逐渐降低。 ( 5 ) 地下水的影响地下水对软弱夹层的影响主要在于次生泥化作用。构造 运动为地下水在软弱夹层中运动提供了有力的通道，又为水与软弱夹层中的粘土 相互作用创造了充水条件】。软弱夹层的泥化作用取决于其物质组成：即含有大 量的亲水粘土矿物和一定量无定形的游离氧化物所决定。比表面积愈大，粘土矿 物的亲水性、活动性愈强，在水的作用下泥化程度越高。如果粗颗粒含量越高， 地下水的泥化作用就显著降低，其力学强度则相应增古【4 引。 ( 6 ) 软弱夹层强度取值目前，关于软弱夹层抗剪强度的取值问题，主要是 采用夹层的快剪屈服强度，有的工程也采用长期强度或残余强度。大量试验研究 资料表明，长期强度、残余强度、动力强度均不低于现场快剪屈服强度，其值大 约都等于峰值强度乘以o 8 的折减系数。因此，在现场饱和固结快剪屈服强度或 者屈服值难以确定的情况下，采用峰值强度乘以o 8 的折减系数来处理是可行的 4 6 】 0 要合理选取夹层的抗剪强度特性，首先要分析泥化夹层的结构，矿物成分、 几何形态、夹层厚度和夹层性状随空间和时间的变化规律，同时要从工程地质条 件、试验条件、工程要求等综合考虑【4 丌。 2 1 3 岩体结构力学效应 岩体力学性质包括多因素的综合性能，概括起来包括：结构体力学性质、结 构面基本力学性质、结构面起伏状况、结构面密度、结构面贯通性、结构面延展 性、结构面产状、结构面组数。其中包括试验测值在内，如结构面力学性质及结 构面基本力学性质( 结构面结合状况、充填状况、粗糙度) 。其余因素试验测值 一般较难，大多是综合作用反映在岩体力学性质内，并与岩体结构类型相关，称 为岩体结构力学效应。除开试验测值内因素，其余因素可概括为三个法则：爬坡 1 2 硕士学位论文第二章顺层岩质边坡的稳定性 角效应法则、尺寸效应法则、各向异性法则。 1 爬坡角效应法则爬坡角效应法则由爬坡角力学效应、啃断条件、计算 结构面力学性质修正法组成。 2 尺寸效应法则大量试验资料表明，岩体力学性质随着试件尺寸增大而 减小，有的衰减大，有的衰减小，于岩体结构特征和破碎程度相关。岩体内发育 的结构面数量越多，即密度愈大，其强度愈低、变形越大。但不是无限降低和增 大。当岩体内发育的结构面多于一定数量后，则它对岩体强度和变形的影响不继 续增加，而是趋于一个稳定值，这种现象称为尺寸效应。 3 各向异性法则结构面的产状力学效应导致岩体具有各向异性。岩体抗 剪强度随着剪切面与结构面夹角而变化【4 8 1 。垂直结构面方向的抗剪强度接近于岩 石的抗剪强度，平行结构面方向的抗剪强度小，斜交结构面的抗剪强度介于二者 之间。 2 1 4 环境因素 主要是地应力( 环境应力) 及地下水效应。地应力和地下水都具有双重属性， 它们既是岩体的赋存环境，又是岩体的组成成分，同时又影响着岩体的力学性能。 大量岩体三轴试验结果表明，岩体的抗压强度随着围压增大而提高。对于赋 存于一定地应力环境中的岩体来说，地应力对岩体形成的围压越大，其承载力也 越大。同时，地应力还影响着岩体的变形破坏机制。许多在低围压下呈脆性破坏 的岩石在高围压下呈剪塑性变形。这种变形和破坏机制的变化表明，岩体赋存的 地应力条件不同，岩体的本构法则也不刚4 9 1 。 按存在方式，地下水可分为吸着水和重力水，它们对岩块力学性能的影响主 要有五种：联结作用、润滑作用、水楔作用、孔隙水作用、溶蚀及潜蚀作用。 2 2 顺层岩质边坡变形破坏模式 地质工程及自然界的岩体、山体破坏现象，概括起来主要有七种类型：沿软 弱结构面滑动：倾倒变形而引起滑坡；溃屈破坏；岩爆、剥离、劈裂；软弱夹层 挤出；洞间岩柱压破坏；破裂面追踪等。 在不同的荷载下，在不同岩体中，岩体的变形、破坏方式各不相同，但就其 形式而言，可归纳为：塑性变形、剪切破坏、张性破裂。例如高地应力地区所出 现的岩爆、剥离等现象，实际上就是一种张破裂。而边坡工程中坡体在剪