（岩土工程专业论文）万梁高速公路顺层岩石滑坡变形机理研究.pdf

北京交通大学同等学历硕上学位论文 摘要 重庆市万( 州1 梁( 平) 高速公路k 3 8 + 3 8 0 k 5 2 + 0 0 0 段位于单斜岩层 分布区，自开工以来，该路段共产生顺层岩石滑坡3 0 处。本文以万梁高 速公路为背景，通过对其地质条件的详细研究，阐述了顺层岩石滑坡与当 地的地质环境、工程地质条件以及岩性、地质构造的关系，应用岩石滑坡 地质力学调查分析方法对顺层岩石滑坡的变形特征进行了研究。 同时，以万梁路k 4 9 顺层岩石滑坡为原型，进行了大型地质力学模 型试验，研究顺层岩石滑坡在不同开挖条件及降雨条件下的变形特征，得 出顺层岩石滑坡具有渐进破坏性质的结论，其位移特点是上部牵引段以下 沉为主，中部主滑段以顺主滑面平移为主，很少裂缝，抗滑段受挤压以上 升和外移为丰。在抗滑段滑面贯通前，中上部位移量和位移速度大于抗滑 段，只有在整个滑面贯通整体滑移时，其滑动速度爿大体相同。 本文也对万梁路典型的顺层岩石滑坡大荒阳滑坡进行了数值计算分 析，并针对大黄田滑坡多级多层的滑动特征，通过数值分析研究了其在不 同开挖高度条件下滑坡的变形特征、应力及塑性区的变化情况，对滑坡的 变形机理进行了全面的研究。 关键词：顺层岩石滑坡、变形机理、岩石地质力学调查分析方法、模型试 验、数值分析、 北京交通人学同等学历硕十学位论文 a b s t r a c t t h es e c t i o nb e t w e e nk 3 8 + 3 8 0a n dk 5 2 + 0 0 0w h i c h1 i e si nt h ee x p r e s s h i g h w a yo fw a n l i a n g i nt h e c i t y o fc h o n g q i n g ，i sl o c a t e di nt h et h e d i s t r i b u t i o nr e g i o no fm o n o c l i n i cr o c ks t r a t u m s i n c et h i sp r o i e c tb e g a nt o c o n s t r u c t t h eb e d d i n gr o c kl a n d s l i d e sh a v ei n c r e a s e d3 0i na 1 1 t h e p a p e r , b a s i n go nt h ee x p r e s sh i g h w a yo fw a n - l i a n g s e t sf o r t ht h er e l a t i o n s h i p so f b e d d i n g r o c kl a n d s l i d e ，l o c a l g e o l o g ye n v i r o n m e n t ，e n g i n e e r i n gg e o l o g y c o n d i t i o n ，l i t h o k i g i c a n dg e o l o g yt e c t o n i c i na d d i t i o n i ta l s os t u d i e st h e d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r so fb e d d i n gr o c kl a n d s l i d e t h r o u g h r o c kl a n d s l i d e g e o l o g y m e c h a n i c s a n a l y s e a tt h es a m et i m e ，t h ea u t h o rh a sf i n i s h e dt h eg e o l o g ym e c h a n i c sm o d e l e x p e r i m e n t ，b a s i n g o nt h e p r o t o t y p e o ft h e b e d d i n g r o c kl a n d s l i d eo f w a n - l i a n ge x p r e s sh i g h w a yk 4 9 a n ds t u d i e dt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r so f b e d d i n gr o c kl a n d s l i d eo nt h ec o n d i t i o no fd i f i e r e n te x c a v a t i o na n dr a i n f a l l f i n a l l y , i t i sc o n c l u s i o nt h a t b e d d i n g r o c kl a n d s l i d e d a m a g e s w i t ht h e p r o g r e s s i v ec h a r a c t e r s ，i t sd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e ri s t h a tt h e u p p e rt r a c t i o n z o n em a i n l yi ss u b s i d e n c e m i d d l em a i ns l i d ez o n em a i n l yi ss l i d eu n d e rt h e m a i ns l i d es u r f a c e ，w i t h1 i t t l ec r a c k r e s i s t a n c e s e g m e n tm a i n l yi sa r i s ea n d e x t e m a lm o t i o n a n db e f o r et h es l i d es u r f a c e sc u t s t h r o u g h i nr e s i s t a n c e s e c t i o n t h ed i s p l a c e m e n ta n dd i s p l a c e m e n tv e l o c i t yw h i c hl i ei nt h em i d s ta n d u p p e rs e c t i o n i sl a r g e rt h a ni nt h er e s i s t a n c es e g m e n t w h e n t h ew h o l es l i d e s u r f a c eg o e st h r o u g h ，t h e i rs l i d es p e e di sa p p r o x i m a t e l yt h es a n l e w h a ti sm o r e ，t h i s p a d e r a l s os t u d i e sat y p i c a l b e d d i n gl a n d s l i d e d a h u a n g t i a nl m a d s l i d e b y t h e w a y o fn u m e r i c a l a n a l y s i s t h e a u t h o r c o m p r e h e n s i v e l ys t u d i e st h ed e f o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h el a n d s l i d e w h i c h i n c l u d et h ed e f o f i n a t i o na n ds t r e s sc h a r a c t e r s t h ea l t e r a t i o nc o n d i t i o no f p l a s t i cz o n ea tt h ed i f f e r e n te x c a v a t i o nh e i g h t k e yw o r d s ：b e d d i n g r o c kl a n d s l i d e ，d e f o r m a t i o nm e c h a n i s m ，a n a l y t i c a l m e t h o d so f g e o m e c h a n i c s ，m o d e le x p e r i m e n t ，n u m e r i c a la n a l y s i s 北京交通大学同等学历坝十学位论文 第一章绪论 1 1 滑坡研究的目的和意义 铁路、公路是国民经济的大动脉。为满足国民经济的发展需要，在2 1 世 纪初我匡j 迎来了交通工程建设的新高潮，这一高潮不仅仅是数量的增长，更 重要的是质量的提高。在地表及近地表复杂的岩土工程环境中修建交通工程， 滑坡是施工和运营期间常遇到的地质灾害。 滑坡常常中断交通、侵占河道、摧毁厂矿、掩埋村镇，造成重大危害， 而且分布面广、发生频繁、产生条件复杂，作用因素众多，发生和运动机理 的多样性、多变性和复杂性使得预测困难、治理费用昂贵。滑坡灾害不仅造 成巨大经济损失，而且有很大的社会和政治影响，因此愈来愈多的人认乇 到 防灾减灾也是促进国民经济的发展，也是解放和发展生产力。 公路工程作为一种线性工程，对地形、地质体的依附、利用和改造格外 强烈，特别是标准高，路面宽，填挖高度大的高速公路进入山区后，滑坡和 边坡的治理，已成为影响工程造价、制约路基工程稳定和安全的关键性因素， 如北京珠海高速公路粤北段为预防和治理滑坡及高边坡加匿l 增加投资近1 0 亿元，云南元江磨黑高速公路增加投资6 亿元，陕西省铜川黄陵高速公 路为治理3 0 处滑坡增加投资1 3 亿元，罩庆市万县梁平高速公路治理滑坡 和高边坡加固4 0 余处增加费用近2 亿元等。 滑坡病害的发生和发展机理越米越引起公路部门的重视。广东省、陕西 省、云南省、重庆市、四川省、西藏自治区交通厅等都针对各自区域特点对 滑坡病害立项进行系统研究，一些项目取得了较成功的经验并在各自区域内 推广应用。实践证实，只有认真研究滑坡共性及各区域地质条件的不同特征 和规律，综合运用工 旱地质比拟法、力学计算法和经验方法等，才能得到技 术可靠、经济合理的治理方案。 】 第一审绪论 据地质资料和施工现状，万梁高速公路自施工丌挖以来，产生了许多斜 坡病害，其主要有三种类型：顾层岩石滑坡、大型堆积层滑坡和近水平岩层 高边坡病害( 滑坡) 。对于顺层岩石滑坡，其分布范围广，仅从双河口至蓼叶 河( t 3 8 + 3 8 0 k 5 2 + 0 0 0 ) ，1 3 公罩长的范围内出现顺层岩石滑坡3 0 处。此 类高边坡病害的分布规律与当地的地质环境、工程地质条件以及岩性、地质 构造的关系，顺层岩石滑坡的破坏机理尚需深入研究。 1 2 滑坡研究的历史及现状 随着经济的发展，人类对自然环境的改造利用日益广泛。城市建设、铁 道、公路及水利椒纽的修建，露天开采矿产资源等，都迫切需要进行边坡工 程的研究和治理。边坡工程是岩土工程的个重要领域，涉及到工程数学、 力学、工程地质学等多个学科，其研究历史已达1 0 0 多年。边坡工程研究的 范围涉及所有人类工程活动所形成的各种人工边坡，其中包含工程引起的滑 坡及崩塌。 滑坡研究工作的发展状况大致经历了三个发展阶裂”： 1 2 1 萌芽阶段( 第二次世界大战以前) 虽然人类历史上对滑坡早有记载，但十九世纪以前仅限丁灾害记录。随 着人类对自然环境的改造利用日益广泛，滑坡灾害已直接妨碍人类的经济活 动，这使得西方国家开展了对滑坡的研究。在二十世纪前半期，随羞工程地 质学和土力学的形成和发展，滑坡研究逐渐进入萌芽阶段。 1 2 2 奠基阶段( 二十世纪五十年代七十年代) 二次大战后，随着世界经济的发展，采矿、水利、交通和建筑等工程的 大规模建设，所形成的矿山边坡、大坝坝肩和水库库岸、铁路和公路的路堑 边坡等其规模之大，条件之复杂是空前的，特别是1 9 5 9 年法国m a l l ) a s s e t 大坝左岸坝肩岩体的崩溃及1 9 6 3 年意大利v a j o n t 大坝上游左岸的库岸边坡 滑坡等，使人们清醒地认识到了坡体破坏的力学机理研究的不足一地质灾害 北京交通大学同等学历顺十学位论文 的发生不是一个单纯只用极限平衡理论就可以描述的过程。在我国经济建设 中，也出现了一系列大型滑坡，它们都难以用常规的静力学观点去认识。随 着岩石力学的发展，为这个问题的解决提供了理论基础，它帮助工程地质学 家认识到了岩体的“可变形性”、变形的“时效性”和岩体结构对这种变形乃 至最终破坏可能起到的控制作用，从而丌始了对地质灾害的形成演变进行“地 质过程机制分析”的时代，促进了边坡研究的系统和深入。 这期间，我国坡体岩体稳定性研究大致经历了三个阶段。在五十年代主 要是从研究铁路滑坡开始的，当时着重滑坡类型的划分，六十年代，丌展了 野外大型岩体力学试验，滑坡稳定性计算方法也有了很大进展。七十年代以 后，开始研究边坡变形破坏机制，在计算方法方面，不仅应用了极限平衡原 理，还应用了弹塑性力学理论，并且随着计算机的发展，广泛采用有限元法 来分析滑坡变形破坏条件及评价边坡稳定性，基本形成一套比较完整的地质 力学学术观点和方法。在研究滑坡稳定问题上，积累了比较丰富的实践经验。 这期间代表性的著作及理论成果有： 1 9 5 0 年美国土力学家太沙基( k t e r z a g h i ) 在滑坡机理一文中，对 滑坡产生的原因、过程、稳定性评价方法和一些工程实例作了较系统的阐述。 1 9 5 5 年英国人毕肖普( a w b is h o p ) 引入太沙基的孔隙水压力理论于刽 坡和滑坡稳定性计算，是土坡稳定性计算方法研究的一次突破性进展。 1 9 5 8 年美国公路局滑坡委员会出版了滑坡与工程实践一书，对滑坡 的原因、观测、调查及处理方法等进行了较为全面的阐述。 1 9 6 0 年日本高野秀夫所著的滑坡及其防治一书，总结了| 二：| 本的滑坡 防治经验。 1 9 6 4 年前苏联出版滑坡论文集，介绍高加索、黑海沿岸、克旱米皿和西 伯利亚等地滑坡防治和研究经验。 1 9 6 4 年英国土力学家斯开普顿( a w s k e m p t o n ) 于超固结的裂隙黏土滑 3 第一章绪论 坡研究中提出“残余强度”理论，在滑坡机理研究上是一大突破，为滑带土 强度指标的选择在理论上提供了依据。 1 9 6 5 年我国孙玉科、王思敬、孙广忠在“岩质边坡稳定生的工程地质研 究”中提出“岩体结构”理论的学术观点，并先后提出岩质边坡岩体结构分 类，边坡稳定性岩体结构分析，实体比例投影及在露天矿边坡应用等理论“3 。 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，从而使边坡稳老肚研究进 入模式机制和作用过程研究成为可能。同时随着大量规模巨大工程的丌展， 决策要求的提高，以概率论为基础的可靠度方法已引入边坡稳定性研究中。 1 9 6 9 年门本学者斋藤迪孝从金属蠕变理论出发提出崩塌性滑坡发生时问 的预报方法，在滑坡预报理论研究上是一次突破陛的进展。 1 9 7 0 年在举行国际地质大会期间，成立了国际工程地质协会( i a e g ) ，同 时成立了“滑坡及其他块体运动委员会”，它是世界上第个专门研究滑坡及 其防治的国际组织。国际岩石力学与工程学会、国际土力学与基础工程协会 均将边坡工程作为一个重要课题进行学术交流与探讨。 1 9 7 1 年，铁道部科学研究院西北研究所主编滑坡防治一书，对滑坡 的分类、性质、勘测方法、稳定性判断、推力计算和防治工程措施设计等作 了系统论述，反映了我国5 0 6 0 年代滑坡防治方面科研成果与实践经验。 1 9 7 2 年前苏联叶米里扬诺娃的滑坡作用的基本规律一书，提出了建 立“滑坡学”的概念，并对前苏联在滑坡地质方面的研究成果的进行了论述。 1 9 7 8 年美国出版滑坡分析与防治一书，是7 0 年代欧美国家在滑坡的 勘察设计、试验研究和治理技术方面的代表作。 以上分析理论、计算方法、勘察方法、设计理论为滑坡的研究奠定了坚 实的基础。 北京交通人学同等学历硕i ：学位论文 1 1 3 完善阶段( 二十世纪八十年代至今) 由于滑坡灾害成为世界陛的问题，各国学者在这期间进行了广泛的交流。 从国际范围看，7 0 年代的地球动力学计划，8 0 年代岩石圈计划，发展到9 0 年代的全球变化的地圈生物圈计划和从9 0 年代开始的“国际减灾1 0 年计划”， 表明从全球系统，特别是全球表层圈动态系统来考查与人类发展生活和经济 发展问题相关的环境与灾害问题已是总的趋势。1 9 9 3 年6 月联合国环境与发 展大会国际首脑会议在巴西罩约热内卢召开，更生动地说明不论是科学家， 而且是政府首脑和国家机构也已认识到保护环境，防治灾害和发展经济是关 系到人类前途和命运的大事。 进入八十年代后，随着现代地质学、数学力学、数理统计及现代计算机 技术的广泛应用，使对坡体从过去的定性分析评价体系上升到了模式机制分 析一定量评价预测体系的高度，并在一系列重大工程中获得了成功应用。数 值模拟技术有限单元法、边界单元法和离散单元法在岩土体坡体的分析中 得到了广泛应用。用于分析岩土介质的模型包括了线弹性、弹塑性、粘弹塑 性和粘塑性等。其次作为非线性科学支柱的耗散结构论，突变论和分形理论 已开始被引入工程地质中，使地质灾害分析手段与方法取得长足进步。 九十年代是系统工程地质学形成和发展时期，也是人们对复杂地质过程 和复杂灾害系统认识上的又一次质的飞跃时期。它有两个标志，一是从八十 年代末期开始，系统科学的思想被引入复杂地质过程和地质灾害的研究中， 人们从系统的结构上认识到，地质灾害的发生是一个复杂的地学系统内部各 子系统相互协调及其与外部系统相互作用的过程，从而从更深层次上分析地 质灾害的形成与发育规律，并逐渐认识了地质灾害的控制机制与可能的控制 途径，从而逐渐形成了“系统工程地质学”和“工程地质系统集成”等学术 思想。二是非线性科学被引入n t 地质灾害的研究中。人们借助于非线陛科 学，认识到了系统形成与演变的非线性特性，从而完成了从线性系统到非线 性系统的历史性转变。由此相继建立了一些初步描述崩塌及滑坡灾害非线线 第一章绪论 性行为的动力学方程，提出了一些基于突变理论、分形理论及非线性动力学 理论的预测模型。 这期间代表性的著作及理论成果有： 1 9 9 3 年，胡广韬教授提出“滑坡动力学”观点，阐明了许多新观点，从 而倡导并系统地论证了斜坡形成与演化过程中滑体的发育、滑移、解体、运 行、停滞、消l ，以及斜坡等出现的一系列动力学规律，推进了我国滑坡动 力学的研究。 2 0 0 1 年，徐邦栋教授编写了滑坡分析与防治，系统的论述总结了滑坡 的勘察设计、监测、试验及防治的各个方面。 2 0 0 4 年，王恭先、徐峻龄、刘光代、李传珠编著滑坡学与滑坡防治技 术，从滑坡与相关学科的关系，滑坡发生、发展与坡体有关地质条件进行了 深入研究，并系统的介绍了滑坡勘察、治理原则、工程措施、施工工艺，监 测、预报，代表了我国当前滑坡方面的研究水平。 滑坡从地质工程学科上说，它使地质与工程深层次系统地结合。由稳定 性评价和变形预测，发展到按钱学森综合集成理论，把工程的、地质的和力 学的不同来源的知识综合起来，储存成为描述工程地质力学作用的模型，分 析解决工程问题。地质工程也是工程地质由预测评价，发展进入到参与决策 和行动的新阶段。 1 3 顺层岩石滑坡的特征 顺层岩石滑坡就是岩体顺着与岩层层面平行的软弱夹层滑动的滑坡，是 最常见、最典型的沿软弱夹层滑动的滑坡， 1 3 1 软弱夹层的特征 顺层岩石滑坡的形成大都与软弱夹层有着不可分割的关系，我们必须首 先研究软弱夹层的特征。岩石在成岩过程中，尤其是在形成以后的地质历史 北京交通大学同等学历硕士学位论文 中，k 期经受地壳的内力地质作用和外力地质作用，使岩石发生变形、断裂 以及内部结构的改变，在岩体中形成各种结构面。岩体结构面的工程性质与 它的地质成因和力学性质密切相关，不同成因类型的结构面具有不同的特性 和力学性质，岩体中的软弱夹层即为种特殊的结构面。 在工程地质学中，把岩层含有一定厚度的软弱介质的结构面称为软弱夹 层。所谓软弱夹层，“软”体现了岩体的内在特性，即岩石硬度欠缺，而岩石 硬度本身就与软弱岩层的工程力学性质密切相关；“弱”体现了软弱岩层在应 用方面的能力，即对于承受外荷，它的承载能力和抗变形能力都较差。软弱 央层的产状与层状岩体的层理或岩体之间的接触面一致，故称夹层。软弱夹 层具有以下特征：原岩结构改变，形成泥质散状结构或泥质定向结构； 粘泥含量较原岩增多；含水量接近或超过塑限，干容重比原岩小；常 表现出一定的膨胀性，膨胀量和膨胀力的大小和粘土矿物的类型及有机质含 量有关；力学强度大为降低，压缩性增大，属中高压缩性；由于结 构松散，抗压强度降低，在渗透水流作用下，可能产生渗透变形。 1 3 2 顺层岩质滑坡的特点 顺层岩石滑坡的形成与岩性和坡体结构关系密切，多发生在层状结构岩 体中，尤其是岩体中含有软弱夹层的沉积岩中。顺层岩石滑坡从构造上讲， 则多出现在作用比较轻微或不太强烈的背斜或向斜翼部以及单斜构造地区。 如岩层倾角为1 0 。4 0 。，在岩层倾斜方向一侧有适当临空面( 包括人工开 挖和河流冲刷) 时，特别容易产刿页层岩质滑坡，如条件适宜，可连续成群 出现。 顺层岩石滑坡具有以下特征： ( 1 顺层岩石滑坡的周界严格受结构面控制。虽然易产生顺层岩石滑坡的 地区构造作用比较轻微，但在早期构造应力作用下岩层中的扭性节理还是普 遍发育的，顺层岩石滑坡的周界严格受控于这些结构面或这些结构面基础上 第一章绪论 形成的中小型断层，呈现出比较规则的折线状。 ( 2 m 顿层岩石滑坡的滑带均为先期存在于岩体中的层间错动面( 带) 。最易 产生顺层岩石滑坡的是沉积岩，沉积岩最突出的外貌特征是层理发育，每个 层面都可视为。个沉积问断，在沉积间断面上，由于古风化等原因而造成 些较软弱物质，或者由于岩相的变化而使得上下两层之间结合小够紧密，后 期岩体经受构造作用产生褶曲时，由于层间的差异性运动，便会在这些部位 发生相对错动，错动部位的软弱岩层或软弱物质遭到破坏揉皱、破碎、程 度不同的丧失原结构，继而再经受地下水作用，于是形成一个软弱的或相对 软弱的夹层，使上覆岩体易于沿其滑动。 ( 3 ) 由于岩体中存在多层软弱夹层，顺层岩石滑坡常有多层或多级滑动现 象。 ( 4 ) 大型的顺层岩石滑坡具有向斜构造特征，上陡下缓。如著名的意大利 瓦依昂滑坡是这类滑坡的典型实例。 1 4 顺层岩石滑坡研究存在的问题 虽然目前顺层滑坡研究己有了相当的水平，但从目前的国内外文献资料 看，也存在以下一些不容忽视的事实。 1 、由于地质体的复杂眭，顺层岩石滑坡的空间特征还难以较为客观地描述， 尽管人们应用现代统计数学对岩体结构进行分析，但模拟结果还无法与岩体 力学参数建立起较为客观的定量关系，也难以将此用于顺层岩石滑坡变形和 破坏的力学分析和数值模拟分析，以极限平衡法为代表的常规方法仍在国内 外被广泛地应用。 2 、因顺层岩石滑坡介质和所处地质环境及岩体力学环境的复杂性、演变 性，岩体力学参数的准确确定还难以做到，目前采用的各种测试分析方法获 得的结果还仅仅是统计意义上的均值或范围。 3 、失稳的滑坡研究多，未失稳的滑坡研究少。有关滑坡的加固措施的优 r 北京交通大学可等学历硕士学位论文 化研究就更少，病害滑坡的加固工程机理研究远落后于1 程实践。目前关于 加固工程机理研究多停留在定性的解释上，缺少可靠完整的理论与计算方 法。 4 、地f 水作用的定量评价。大多数学者傲根据部分试验资料或经验类比 法，采用强度衰减系数来反映岩体饱水后的强度降低。而试验结果仅反映了 地f 水对固相介质强度影响的一个方面，和真实情况之间有着较大的出入。 1 5 本文的研究内容及采用技术路线 滑坡机理是滑坡灾害预测、预防、预报和有效防治的理论基础，因此， 国内外学者和工程师在研究和防治时都不能不对滑坡的发生和运动规律进行 研究、分析和判断，判断正确者取得了成功，判断错误者造成了失败，致使 滑坡多次治理不能稳定，甚至造成了灾害。 滑坡机理是一定地质结构条件下的斜坡，在各种因素作用下从稳定状态 变化到失稳滑动，再达到稳定状态或永久稳定整个过程动态变化的物理力学 本质和规律。由于地质结构和作用因素的多样性和复杂性，决定了滑坡类型 和滑动机理的多样性和复杂性，不可能用一种机理概括所有类型的滑坡，尽 管在一定条件下它们有共同特性，如滑带土的应力应变特性和时间效应。 同时，滑坡也不是一个简单的力学过程，它有较复杂的物理化学作崩。凶此 力学分析必须以地质为基础，否则可能会得出错误的结论。此外，滑坡的发 生和发展演化是一个不断变化的过程，因此研究滑坡机理也应该作为一个过 程来研究，用动态的、发展的、变化的观点来研究。 岩石滑坡工程地质力学调查分析方法是多年来以山区铁路各种路基地质 病害产生的地质条件、机理和防治技术的研究成果，以及生产实践经验为基 础总结出来一套适用于各种山坡病害( 错落、滑坡和崩塌等) 的预测、预防 及相适应的治理措施的系统方法。本文以该方法为指导，研究万梁高速公路 顺层岩石滑坡产生的地质结构特征、变形破坏类型及机理。通过对滑坡的地 第章绪论 质条件、外部作用因素，滑坡的形成过程，变形破坏规律，稳定状态和发展 趋势进行深入研究，在试验、监测、地质类比的基础上，利用模型试验、数 值模拟坡体在开挖过程中的水平位移、应力、塑性区分布及坡体松弛范围， 确定顺层岩石滑坡的变形机理。 论文的研究思路及方法要点如下： l 、收集掌握万梁高速公路顺层岩石滑坡的地质资料，运用岩石滑坡工程 地质调查分析方法对其变形特征进行分析； 2 、分析顺层岩石滑坡的成因，找出内外界因素与滑坡发生的关系。 3 、应用大型地质力学模型试验，研究顺层岩石滑坡在开挖、降雨等不同 因素影响下的变形规律， 4 、利用数值分析，研究顺层岩石滑坡在开挖、降雨等条件下坡体水半位 移、应力、塑性区分布及滑坡失稳滑动的规律。 根据以上研究思路，将顺层岩质滑坡的研究内容和技术路线概括为图 卜l 所示的程序框图。 匡蔓嘛丽到 t 一一 1 i 质扮差1：鼍靓特：11 地层岩性1l 耄质特茬j 厂1 谭吾质哥藉百百万广 五习灞摹i 钉嚏! 錾耍圈 ，。，_l j 撷晨岩 靖蛙变形特征 _ = = 一 i _ 一：= 一 嫠：数值舟析l r _ 。= = = = 一 谭焉百i 孺k 趸丽 ，二j ：丁 世生土羔二刻 匾亘豆 固玉蔓妥旦囹互至嘲 圜1 1 研究主要内容及技术路线 北京交通人学同等学历硕士学位论文 第二章区域地质概况 2 1 自然地理概况 万梁高速公路起点位于重庆市万州区高峰镇长江公路大桥北引道止 点，路线自起点向疆行进，经张家湾、拱桥院子、过垭口后傍东口水库 至老关冲，以隧道穿越柱头山、小垭口后，沿磨滩河至三f 跨河折向西， 沿三正河右岸到达分水镇东侧水井湾，然后以隧道穿过铁峰山倒转背斜 轴部，经马王槽、孙家槽到安龙桥小垭口折向北西，穿越亭子垭山嘴后 沿黄泥塘背斜山北西侧山坡而下，在三所坟附近顺山坡折向西行，穿金 竹林山脊经蓼叶河、兴隆坝到达黄泥塘背斜山【i j 边浅丘地段，过跳蹬子、 松树坪、跨沙坝水库，穿3 1 8 公路经石门坎到达线路终点。线路终点位 于梁平县城南西侧约2 5 公里的白衣寺附近。线路全长6 7 2 公里( 见图 一1 ) 。 笙三!坚苎些垦塑堡 2 2 区域地质概况 2 2 1 地形地貌 本线位于四川盆地东北边缘的中低山丘陵区。区内山脉与槽谷的展 布受北北东北东向新华夏系褶皱构造的控制，背斜成山，向斜呈谷。 背斜山有铁蜂山，山岭海拔高程9 0 0 1 3 4 4 m ；向斜呈梁平坝子和丘陵宽 谷，海拔高程4 5 0 5 5 0 m 。段内主要河流有高滩河、普里河、汝溪河及 襄渡河，其河段弯曲，路线均走行于上述河流的上游，均属于长江支流 水系。 路线自起点青札磅至拱桥院子( k o k 5 + 5 0 0 ) ：属构造剥蚀低l u 匠 陵地貌，海拔高程3 0 0 5 3 0 m ，基岩一般裸露，局部沟谷地段有7 1 0 米的低液限粘土、粉土，富水常形成软弱地基。 拱桥院子至偏石板( k 5 + 5 0 0 k 1 7 + 3 8 0 ) ：属构造剥蚀中切台状低 ij j 区，地貌上形成台阶状斜坡，岭脊为平台，河谷呈“u ”形，宽2 0 8 0 m ，海拔高程4 5 0 7 0 0 m ；偏石板至偏岩子( k 1 7 + 3 8 0 k 2 1 + 2 0 0 ) ：属 低山峡谷斜坡区，高程4 0 0 6 0 0 m ，河谷深切、河谷呈“v ”字型，为低 山峡谷地貌，崖坡由于岩性差异，砂岩形成陡坡，泥岩则形成2 0 3 0 。 缓坡：偏岩予至白杨湾( k 2 1 + 2 0 0 k 3 4 + 4 0 0 ) ：属构造剥蚀丘陵宽谷 地貌，偏岩子到分水地势逐渐增高，高程约4 7 0 m ；白杨湾至双河口( k 3 4 + 4 0 0 k 3 8 + 3 8 0 ) ：低山峡谷区，分水至孙家槽问的黑炭沟、马王槽沟 谷深切，陡崖峭立，山谷相对高差3 0 0 6 0 0 m ，属构造剥蚀低山峡谷地 貌；双河口至蓼叶河( k 3 8 + 3 8 0 k 5 2 + 0 0 0 ) ：低j i 球 坡区，亭子垭高程 约9 0 0 m ；蓼叶河至白衣寺( k 5 2 + o o o k 6 7 + 5 0 0 ) ：丘陵宽谷区，属构 造剥蚀丘陵宽谷地貌，海拔4 5 0 5 5 0 m ；缪叶河以东地形起伏较大，地 势逐渐增高。 2 2 2 地层岩眭 j ! 塞茎望查兰旦量兰生堡主堂垡笙兰 沿线出露的均为中生代地层，背斜轴部三叠系中、上统雷口坡组， 须家河组地层最老，向两翼渐新，至向斜核部大面积出露侏罗系中统沙 溪庙组、上统遂宁组和蓬莱镇组地层；两系内各统组问地层为整合接触 或平行不整合接触。 ( 1 ) 须家河组( t 。) ：砂岩夹页岩、煤及硅质岩透镜体，分布于黑炭 沟及马王槽一带。 ( 2 ) 珍珠冲组( j ，。) ：砂岩央页岩、煤线或泥岩页岩央砂岩，分布于孙 家槽至两河口、白庙梁至长耳梁一带。、 ( 3 ) 自流井组( j 。：) ：页岩夹泥岩及灰岩，分布于孙家槽以西至龙井 湾及长耳梁一带。 ( 4 ) 新田沟组( 如) ：泥岩页岩夹砂岩，大面积山露于蓼叶河、茨竹槽 以东至龙井湾及长耳梁至白杨湾一带。 新田沟组( l x ) 连续沉积于自流井组之上，为灰、黄灰色中至厚层长石岩屑砂岩， 岩屑长石石英砂岩，岩屑石英砂岩及灰、深灰色页岩组成。局部地段顶 部为泥岩。砂、页岩常呈互层状态产出：一般是上部以砂岩为主，中部 砂、页岩互层，下部砂岩较页岩发育。下部砂岩往往具斜层理和交错层 理，局部具波痕构造；并夹介壳砂岩和介壳灰岩透镜体。 ( 5 ) 下沙溪庙组( j 。) ：泥岩与砂岩不等厚互层，分布于李家湾至白 杨湾、茶园冲、茨竹槽、蓼叶河至张家湾一带。 下沙溪庙组( j ：x s ) 连续沉积于新田沟组之上。大致可划分为上、下两个岩性段。 上部灰、灰绿色及灰紫色厚层细粒长石岩屑石英砂岩、长石砂岩及 紫红色泥岩、粉砂质泥岩组成。泥岩中普遍含钙质、钙质结核，局部砂 岩具交错层理。 笙= 主兰篁些堕塑堡 下部，以紫红色泥岩和粉砂质泥岩为主，夹灰、黄灰色中至厚层细 粒长石砂岩及长石石英砂岩。泥岩中含钙质及钙质结核，砂岩沿走向不 稳定，往往具增厚或尖灭现象，局部具斜交层理。 ( 6 ) e 沙溪庙组( j “) ：泥岩与砂岩不等厚互层，分布于青杠磅至拱桥 院子、分水至李家湾及茶园冲、张家湾至白衣寺一带。 上沙溪庙组( j 。s ) 连续沉积于下沙溪庙组之上，以一套紫红色泥岩、粉砂质泥岩为主， 央灰、灰绿色厚至巨厚层长石砂岩和长石石英砂岩；泥岩中普遍含钙质 和钙质结核，砂岩具斜交和交错层理，横向有增厚和尖灭现象。 据本组砂岩和泥岩之比，一般可分为三个岩性段。上段以砂岩为主， 泥岩次之；中段以泥岩为主，夹砂岩；下段则为砂、泥岩不等厚互层， 并以泥岩为主。 ( 7 ) 遂宁组( k ) ：泥岩夹砂岩，分布于拱桥院子至偏岩子。 遂宁组( j ：，s ) 连续沉积于上沙溪庙组之上。为一套浅水湖相泥岩及砂岩沉积，一 般厚3 7 0 4 5 0 米。区内岩相变化不大，可分为上、下两套岩性： 上部，紫红色，狄紫色薄至中厚层细粒岩屑长石砂岩，岩屑长石石 英砂岩及粉砂质泥岩组成：砂岩普遍含钙质及水云母碎片，具交错层理 及波痕构造；泥岩中含钙质结核。 下部，紫红色，砖红色泥岩，粉砂质泥岩及薄层粉砂岩为主。夹灰 紫色中厚层细粒岩屑长石石英砂岩；泥岩含钙质结核。砂岩具交错层理。 ( 8 ) 蓬莱镇组( j 。) ：砂岩与粉砂质泥岩、泥质砂岩不等厚互层分布于 柱山头及小垭口一带。 此外、沿线尚分布有第四系地层、梁平坝区有更新统湖积层( q 。) ： 丘间槽谷有全新统冲洪积层( q 。“1 ) ，山麓、斜坡分布有全新统坡、残积 北京交通大学i 耐等学历倾士学位论文 层( q 一”。) ；陡崖坡脚有崩积层( q 。“) ，第四系土层以黏土为主，次为粉 土、砂土、卵石土和碎、块石土。其中，梁平坝区有弱膨胀土分靠。 2 2 3 地质构造 测区内地质构造属新华夏系四川i 沉降带川东褶皱的北端，路线通过 的褶皱有梁平向斜、黄泥塘背斜、铁峰山背斜，万县向斜，其中黄泥塘 图2 - 2 万粱路构造纲要图 磊 鼙 皑 舞 螫 凶 艟 1 1 瓣 ! ! 塞銮望查兰塑董兰堕塑主堂些笙墨 背斜北东端与铁峰山背斜呈反“s ”鞍状相接。背斜狭窄，倾角高陡，两 翼不对称，南东翼倾角5 0 。8 7 。，并常有直立倒转；北西翼倾角1 0 。5 0 。；多构成顺层的直线形单面山坡。向斜宽阔平缓，层面倾角1 0 。2 0 。经区域地质测绘，在铁峰山背斜倒转翼( 南东翼) 路线里程 k 3 6 + 1 7 0 k 3 6 + 4 2 0 见两条逆断层，因而造成部分地层厚度变薄，断层 走向n 6 0 。7 5 。e ，倾向n w ，倾角大于4 5 。，断层破碎带影响宽度1 0 0 1 2 0 m 。其余地段仅见到由于区域地质构造影响而形成的局部小褶皱。 ( 1 ) 梁平向斜 位于明月峡背斜，假角山背斜与黄泥塘背斜，卧龙河背斜之间。于 万县狮子梁，余家场一带进入测区，向南西延至明月峡背斜及卧龙河背 斜之间的石堰 乡一带消失。区内长1 1 3 k m 。轴向北4 0 。5 0 。东，呈“s ”形弯曲。轴 部最新地层为遂宁组，两翼为上沙溪庙组。除卧龙河以西的一段狭窄， 两翼倾角较陡为3 0 。7 0 。外，其余均较开阔平缓，两翼基本对称，岩 层倾角为3 。1 5 。之间 ( 2 ) 黄泥塘背斜 位于粱平向斜及拔山寺向斜之间。由梁平县八角庙、团地坝一带进 入测区，向南西延至垫江县界牌场一带倾伏。南西端与卧龙河背斜斜列， 其间被高峰场小向斜隔开。北东端与铁峰山背斜呈反“s ”形弯曲的鞍状 相接，全长8 0 k m 。轴向n 4 2 。e 。北东端向东偏转，南西端向西偏转整个 轴线呈甲缓的“s ”形。轴部最老地层为嘉陵江组，在黄泥塘至太甲场一 段出露最厚达4 0 0 米，向南西逐渐倾伏，陆续由雷口坡组至自流井组组 成轴部。两翼为雷口坡组至下沙溪庙组，该背斜北东段较开阔，南西段 狭窄而呈尖棱状。两翼不对称，南东翼陡，倾角7 0 。8 0 。常直立倒转， 仅在北东段大堰塘芦家湾一带变缓为1 0 5 0 ，并伴随有次级小褶曲。 北东翼较缓，倾角1 5 。4 1 。，为线形尖棱至半箱状北斜。背斜中段发 17 第- 章区域地质概况 育一条走向逆断层 图2 - 3 黄泥塘背斜 ( 3 ) 铁峰山背斜 南西段至雷家坪。与黄泥塘背斜呈左旋鞍相接，轴向雷家坪经大垭 口至高阳镇为n 5 0 。6 0 。e ，到云安厂近东西向，往东至罗青淌，在中 i 叠系巴东组内消失。全长约1 1 4 公里。呈突向北北西的弧形，轴部地 层为中三叠系巴东组，两翼为侏罗系中、下统地层。 南西段：同黄泥塘背斜斜鞍相接部位，下侏罗系珍珠冲组内发育平 行主轴的轻缓小褶皱向黄泥塘背斜过度。大垭口、铁峰山一带，背斜轴 部巴东组内见多组平行主轴的次级褶皱。背斜北西翼缓，倾角一般8 。 3 0 。，有的达4 7 。，地貌为一大斜坡；南东翼陡，倾角一般4 5 。8 7 。 靠近核部大部直立倒转，岩层挠曲。并有小规模错动现象。 中段：铁峰山至云安厂，巴东组内发育一些断距较小的压性断裂， 断面倾向北西；讶多平行主轴的小褶皱，随高点的变化，呈不防调形态， ! ! 蔓奎望查兰旦兰兰些竺兰垒堡苎 有的褶皱强度接近主背斜。背斜总体呈南东翼陡，倾角3 1 。7 5 。，靠 近轴部倒转，北西翼略缓，倾角1 6 。6 3 。，背斜轴面倾向北西。在高 阳镇南。北翼上三叠系须家河组岩层产状陡立，因而，主背斜南东翼变 缓，其轴向扭转并倾向南东。 东段：云安厂以东，轴部巴东组内较多次级褶皱。背斜北西翼缓， 倾角2 0 。5 0 。南东翼倒转倾向北北西。轴面向北北西倾，至罗青淌 倾伏。巴东组内发育一系列狭窄的次级褶皱。 总之，铁峰山背斜为南东翼直立倒转，北两翼缓倾的斜歪狭长背斜。 ( 4 ) 万县向斜 由万县向斜、黄柏溪向斜、新场背斜及故陵向斜等褶皱组成。呈左 行雁行式排列。南西端在野鸡堡，往北东在齐耀山背斜北西翼扬起消失。 复式向斜内分布大片的中生代红色地层，内有三处低点：万县向斜的方 家岭万家山一带；黄柏溪向斜的黄柏溪以东带；故陵镇向斜玉皇观 新津口一带。而万县向斜和黄柏溪向斜的斜接部位，楠木园一带抬升为 整个向斜的最高部位。新场背斜的枢纽线在龙水一带降低，为东西走向 长4 公里，南北宽1 公里的鞍部，成为向龙水鞍部倾伏的两个鼻状构造， 整个复式向斜核部平缓开阔，而两翼靠近背斜则急剧变陡，北翼甚至倒 转，向斜形态为复式屉形向斜。 万县向斜：野鸡堡经万县至洞子，轴向n 3 0 。6 0 。e ，轴线长6 0 公罩，核部地层为遂宁组和蓬莱镇组，北西翼产状s s e 3 4 。8 5 。，南 东翼产状：n n w 1 4 。3 5 。 2 2 4 地震烈度 根据中国地震烈度区划图1 9 9 0 年版l ：4 0 0 万，沿线的地震基 本烈度小于度。据记载，测区地震，仅在东北曾发生过2 6 4 。3 级地 震，危害不大。 22 5 气象与水文地质特征 l g 望二里堕丝些堕塑些 当地属亚热带温暖湿润气候区，年平均气温为1 6 。1 7 。c ，| _ = 1 最 高气温为4 2 3 。，日最低气温一6 8 。c 。正常年降雨量为1 1 7 5 1 2 5 2 m m ， 日最大降雨量2 5 0 m m ，雨季多集中于5 9 月，占全年降雨量的7 0 。多 年年平均最大2 4 小时降水峰值1 8 2 6 2 2 7 2 m m ，静风频率3 9 ，当地的 相对湿度为8 0 ，多为东北风，风力一。极为1 6 2 1 级，最大风力口j 达 8 级。 区内地下水的分布、储量受地质构造及地形条件控制和岩性的影响， 差异明显。孔隙潜水主要储存于河流漫滩、阶地和平坝浅丘区的冲、洪、 湖积的砂、卵石层中，水量较丰富，主要有地表水流和大气降水补给。 摹岩裂隙水赋存于砂岩、泥岩节理裂隙和岩层风化带的孔隙裂隙中，各 岩组地层及构造部位的地下水含量差异甚大，厚层砂岩地下水较发育， 泥、页岩中地下水储存条件差，背斜两侧缓翼较陡翼地下水丰富，据沿 线泉井调查资料揭示，一般地下水露头泉点流量小于0 1 1 l s ，受岩性 及地质构造影响，如亭子垭西五通庙附近的砂岩中泉流量达5 o l s ，孙 家乡龙井湾与接触带夹层灰岩中的泉流量则达i o l s 。据沿线水样分析， 地下水化学类型为c c a 、c c a n a 、c - c l - c a 、c - c a m g 等型，总矿化度 小于0 3 9 l ，对混凝土无侵蚀性。 22 6 不良地质现象 万梁高速公路沿线地质条件比较复杂，各类不良地质现象广泛发育， 主要有顺层岩石滑坡、堆积层滑坡、崩塌、危岩、落石、溜坍等。不良 地质现象的特点：一是病害规模大，如张家坪滑坡，滑坡体积大于5 0 0 万立方米；二是病害类型多。 ( 1 ) 滑坡 沿线滑坡的形成受控于地质环境和人类工程活动，一般受卜列因素 影响：岩土性质、地质构造、岩土结构特征及组合关系、岩石风化破碎程 ，n 些塞奎望查兰堕量主堕婴主兰垡堡兰 度、水文和水文地质条件、不良地质、气象、地震、地应力、振动以及 人类活动等，一方面使剪切应力增大；另一方面使斜坡士体( 或其中之 软弱央层) 抗剪强度降低，或两者的结合。滑坡按组成滑体的物质特征， 可划分为黏性土滑坡、黄土滑坡、堆填土滑坡、堆积土滑坡、破碎岩石 滑坡、岩石滑坡：按诱发因素，则又口j 归并为自然滑坡和工程滑坡两大 类。 ( 2 ) 崩塌及危岩落石 崩塌及危岩落石主要发生在偏石板至偏岩子( k 1 7 + 3 8 0 k 2 1 + 2 0 0 ) 、 分水至孙家槽之间的马王槽、黑炭沟等硬质岩深切峡谷区，坡陡谷深， 自然坡度4 0 。8 0 。，受构造影响岩体破碎，节理裂隙发育且多为张性 节理，为崩塌的产生提供了物质基础。一旦受外界因素如边坡丌挖或暴 雨的影响，将失稳产生崩塌，势能转化为强大的动能，其冲击破坏作用 不可估量。 低山峡谷区出露以砂岩为主坚硬岩石，砂岩成分为中细粒岩屑长石、 石英砂岩。砂岩坚硬性脆，裂隙发育，是形成陡崖、崩塌落石的重要条 件。由于峡谷深切，砂岩张性卸荷节理亦较发育，其卸荷带深度较大， 对工程基础设置深度有一定影响。 由硬质岩构成的峡谷陡坡段局部存在危岩落石。在硬质岩边坡施工 过程中，如果采用大爆破使得结构遭受破坏并可能产生危岩落石，故 在边坡设计施工中必须引起重视。 22 7 区域稳定性评价 地质构造是影响工程地质条件的重要因素。线路位于四川盒地东北 边缘的