边坡工程课件.ppt

边坡工程,资源环境学院,第3节、斜坡变形破坏的基本类型,第2节、斜坡中的应力分布特征,第1节、概述,第5节、斜坡稳定性的工程地质评价方法,第4节、影响斜坡稳定性的因素,斜坡统指地表一切具有侧向临空面的地质体，包括天然斜坡和人工边坡。天然斜坡(简称斜坡）是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡（山体斜坡、河谷岸坡、海岸陡崖等）。人工边坡(简称边坡）是指经人工开挖或改造形成的斜坡（道路工程中的路堑、路堤边坡，房屋、桥梁工程的基坑边坡，露天矿山的边坡，水电工程中的运河渠道边坡，船闸、溢洪道边坡、饮水水洞进、出口边坡、土石坝边坡及坝肩边坡等）。,第1节概述,唐古拉山北的断坡滑塌（镜头向南，2001.3）,宁东盆中的断坡滑塌（镜头向南，2001.7）,江、河、湖、海岸坡,挖方：沟、渠、坑、池,露天矿,填方：堤、坝、路基、堆料,小浪底土石坝,山坡上方有崩落和滑动危险的巨石,地铁隧道坍塌（2007.3）,(1)通过勘察对斜坡的稳定性做出评价和预测；(2)为设计合理的工程边坡和制定有效的防治措施提供地质依据。,斜坡稳定性的工程地质分析意义：,2010年地质灾害类型构成图,岩体中应力的分布特征决定了斜坡变形破坏形式和机理，对斜坡为稳定性评价、预测预报及整治提供岩体力学依据。,第2节斜坡中的应力分布特征,原始应力状态：,在岩土体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖卸荷，在近边坡面一定范围内的岩土体中，发生应力重分布作用，使边坡岩土体处于重分布应力状态。边坡岩土体为适应重分布应力状态，将发生变形和破坏。因此，研究边坡岩土体重分布应力特征是进行稳定性分析的基础。,一、应力状态的变化,1、边坡面附近的主应力迹线发生偏转。最大主应力1与坡面近于平行，最小主应力3与坡面近于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。,2、坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常形成拉应力带。边坡愈陡，则此带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。,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。,4、坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力状态。,岩体初始应力的影响初始应力场、尤其水平剩余应力使坡体中主应力迹线的分布形式有所不同，明显改变了各应力值的大小；使应力分异现象加剧,尤其对坡脚应力集中带和坡面张力带的影响最大。,二、影响边坡应力分布的因素,2.坡形的影响,(1)坡高：不改变应力等值线图象，应力随坡高而增高。(2)坡角：坡角变化明显改变了应力分布图象。随坡角变陡，张力带的范围有所扩大，坡脚应力集中带最大剪应力值也随之增高。,(4)坡面形态：平面上的凹形坡，应力集中明显减缓。圆形和椭圆形边坡，坡脚最大剪应力仅为一般斜坡的1/2。当水平应力坡形于椭圆形矿坑长轴时，应力集中较缓和。,(3)坡底宽度：当W0.8H时，则保持为一常值（称为“残余坡角应力”）,(3)岩体性质岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡应力影响较大。这是由于泊松比的变化，可以使水平自重应力发生改变。,(4)结构面结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。,第3节边坡变形破坏的基本类型,边坡变形：指坡体只产生局部部位的位移和微破裂，岩块只出现微量的脚变化，没有显著的剪切位移或滚动，因而边坡不至引起整体失稳。边坡破坏：指坡体以一定的速度出现较大的位移，边坡岩体产生整体滑动、滚动或转动。二者在边坡变化过程中是相互密切联系的。边坡破坏前，边坡岩体总要经历一个从徐变到巨变的变形过程。常见的边坡变性破坏主要类型有：松弛张裂、蠕动变形、倾倒、崩坍和滑坡。,一、斜坡变形的基本类型,深层蠕动,表层蠕动,斜坡变形的基本类型,弯曲倾倒,松弛张裂,蠕动变形,松弛张裂是边坡的侧向应力削弱后，由于卸荷回弹而在斜坡上出现张裂的现象。随着河谷的进一步深切，卸荷裂隙向深部发展，还可以产生与坡面大角度相交或近于垂直的剪切裂隙，卸荷裂隙由坡面向深部有时呈多层发育，在边坡形成松弛张裂卸荷裂隙带。,1.松弛张裂,砂岩中的柱状节理（松弛张裂）,卸荷张裂,峡谷地区卸荷发育示意图,发育深度：河谷谷坡卸荷带的发育宽度和深度与边坡的岩性及岩体结构有关，此外还受边坡形态和原始应力状态控制，边坡愈高愈陡，水平残余构造应力愈大，则卸荷裂隙愈发育。在深切河谷和高水平残余构造应力区，谷坡的发育宽度及自地表向下的发育深度可达到数十米甚至上百米。形成机制：岩体初始应力释放后卸荷回弹。原因：人工开挖边坡、河流下切侵蚀、坡脚软弱层的蠕变、震动(地震或爆破)、边坡体压应力集中而产生压致拉裂等，均可引起边坡张裂变形。后果：岩体原有整体性受到破坏，强度降低，有利于水的渗入，逐渐发展为崩塌、滑坡等。,2.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。,表层蠕动变形示意图,斜坡深层蠕动示意图,3.倾倒,由陡倾片状岩石组成的斜坡，当走向与坡面平行时，在重力作用下发生向临空面方向同步弯曲的现象。机制：相当于悬臂梁在弯矩作用下所发生的弯曲。,多发生于由塑性的薄层岩层(如页岩、千枚岩、片岩等)或软硬相间岩层(如砂岩、页岩互层，页岩、灰岩互层等)组成的反坡向结构的边坡中。陡倾角顺层边坡或脆性岩层顺层边坡垂直于层面的节理发育、切割较深时，表层亦可能发生倾倒蠕动变形。岩层的倾倒是以弯曲、张裂、滑动和转动等形式出现，倾倒体与下伏完整岩体间可产生折裂或错动。,二、斜坡破坏的基本类型,斜坡破坏的基本类型,内在因素：组成边坡岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等；外在因素：水的作用、地震、岩石风化、工程荷载条件及人工开挖等。内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素则使边坡的下滑力增大，岩土体的强度降低而消弱岩土体的抗滑力，促进边坡变性破坏的发生和发展。,第4节影响滑坡稳定性的因素,2019/12/14,39,可编辑,1.岩土类型和性质的影响,地层岩性的差异是影响边坡稳定的主要因素。1）深成侵入岩、厚层坚硬沉积岩以及片麻岩、石英岩等构成的边坡，一般稳定性较高；2）喷出岩边坡，如：玄武岩、凝灰岩、安山岩等，其原生节理（柱状节理)发育时，容易形成直立坡而产生崩塌；3）含有粘土质页岩、泥岩、煤层、泥灰岩等夹层的沉积岩边坡，最易产生顺层滑动，或因深层蠕动而造成崩塌；4）千枚岩、板岩及片岩，软弱易风化，易出现蠕动现象；5）黄土具有垂直节理、疏松透水，浸水后容易崩解湿陷。,2.地质构造和岩体结构的影响,地质构造因素对边坡稳定性，特别是对岩质边坡稳定性的影响是十分明显。1）在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性较差，常出现巨大型滑坡及滑坡群；2）断层带岩石破碎、风化严重地区，往往又是地下水最丰富和活动的积极地区，易发生滑坡。,斜坡的变形破坏，多数是受岩土体中的软弱结构面控制，特别是岩质边坡。结构面的成因，性质、延展性及组合形式。（1）结构面的软弱性：表现在其抗剪强度较低，易于沿之滑动。例如泥质的、易泥化的软弱夹层、炭质页岩层，次生充填的食泥裂隙、具有膨胀性崩解性的岩层、断层破碎带以及平整光滑的断裂面等。（2）结构面的展布范围：结构面延展越广，贯穿性愈强，其危害性愈大。层理面、软弱夹层面、不整合面、断层面、大裂隙等贯穿性好。一般节理裂隙则连续性较差，若断若续，廷伸不广。（3）结构面的密集程度：裂隙密集、岩体破碎，再加上其它类型的结构面组合，岩体的抗滑能力很差，斜坡易破坏。,结构面及组合,结构面组合形式很多，形成不同的结构体。虽然很小，但却是滑坡体或崩塌体的缩影。分离体的大小主要受控于滑移面的范围，决定了下滑力与滑移面抗滑力的关系。,结构面和临空面的关系对稳定性的影响（1）平迭坡。即主要软弱结构面为水平的。这种斜坡一般比较稳定，如为厚层软硬相间则易形成崩塌破坏。若为薄层状岩石则其变形破坏与均质土相类似。当土坡下部存在软弱面时，沿软弱结构面构成滑坡面。,（2）顺向坡。即主要软弱结构面（软弱面、断层面，不整合面）的走向与斜坡面的走向平行或较接近，倾向一致的斜坡根据其倾角和坡角的相对大小可分为两种情况：,坡积、残积层与基岩不整合面的产状与斜坡基本一致，而且基岩表面常较湿润，有时有地下水，因而不整合面成为软弱结构面，沿此面经常发生颇层滑坡。,（3）逆向坡：主要软弱结构面的倾向与坡面倾向相反。一般是稳定的，有时有崩塌现象，而滑动的可能性较小。但是岩层反倾向裂隙有时也造成小规模的滑坡。,（4）斜交坡；主要软弱结构面走向与坡面走向成斜交关系。交角40度时，则较稳定。（5）横交坡：主要软弱结构面的走向与坡面走向交角近90度。这类斜坡的稳定性较好，很少发生大规模的滑坡。,3.水的作用的影响,地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，水的作用主要表现在：1）浮托力作用；2）静水压力；3）动水压力；4）软化或泥化作用5）溶蚀和潜蚀作用6）地表水的冲刷，掏空作用。,4.地震作用的影响,地震对边坡稳定性的影响较大。在地震的作用下，首先使边坡岩体的结构发生破坏或变化，出现新的结构面，或使原有结构面张裂、松弛，饱水砂层出现振动液化，地下水状态亦有较大的变化。在地震力的反复振动冲击下，边坡沿结构面发生位移变形，直至破坏。,5.工程荷载的影响,如拱坝坝肩承受的拱端推力；边坡坡肩附近修建大型水工建筑物引起的坡顶超载；压力隧洞内水压力传递给边坡的裂隙水压力；库水对库岸的浪击淘刷力；预应力锚固时所加的预应力等。由于工程的运行，也可能间接地影响边坡的稳定。,除上述因素外，坡脚人工开挖、爆破影响、岩体风化作用，引水渠道的修建，黄土湿陷等，均可引起边坡的变形与破坏。,第6节边坡稳定性的工程地质评价方法,边坡稳定性的工程地质评价方法：地质分析法（历史成因分析法）、力学计算法（包括极限平衡法、有限单元法和图解分析法）和工程地质类比法。,(1)对与工程建设有关的天然边坡或人工边坡的稳定性做出定性和定量评价；(2)为设计合理的人工边坡和边坡变性破坏的防治措施提供依据。,边坡稳定性的工程地质评价任务：,力学计算法,倾倒破坏,楔形体滑动,圆弧形滑动,单平面滑动,同向双平面滑动,多平面滑动,平面滑动,岩质边坡,土质边坡,无粘性土坡,粘性土坡,整体圆弧滑动法,条分法,极限平衡法,土质边坡稳定性评价与计算,一、无粘性土坡的稳定性分析,稳定状态,极限平衡状态,不稳定,稳定状态,由砂、砾石组成的土坡，颗粒间无凝聚力，只要坡面上颗粒能保持稳定，整个土坡便稳定，边坡失稳时，滑动面近似平面。,干的及水下的无粘性土土坡,单元体土重W,抗滑力为：,下滑力分力,垂向分力,K=1.0，即=时，为天然休止角,安全系数与土容重无关,与所选的微单元大小无关,坡内任一点或平行于坡的任一滑裂面上安全系数K都相等,下滑力矩：,抗滑力矩：,粘性土坡的稳定性（整体圆弧滑动法）,（,（,假设土坡沿圆弧面AD滑动，O点为圆弧的圆心，R为半径。滑动土体的自重W产生下滑力，而抗滑力来自滑弧面上的抗剪力，其值为土的抗剪强度f与滑弧面面积的乘积。下滑力和抗滑力分别对滑动面圆心O取力矩,粘性土坡的稳定性（条分法）,土条重力Wi,法向力Fni,滑动面ef,切向反力Fi,土条两侧法向力,Ei,Ei+1,土条两侧竖向剪切力,FQi,FQ(i+1),作用在土条i上的作用力有5个未知数，但只能建立3个平衡方程，故为静不定问题。,假定条块间的作用力大小相等，方向现方向相反，相互抵消。,计算土条自重：,将土条自重分解：,法向分力,切向分力,滑动面ef上土的抗剪强度,下滑力矩,抗滑力矩,整个土坡的安全系数,对于均质土坡，ci=c，,（1）查明边坡滑体的边界条件，以便确定滑体的体型。边坡变形破坏时的滑动面(或可能滑动面)、切割面和临空面的产状，形状及受力条件。这些面在边坡变形破坏时构成了边界，受边坡岩体的地质构造、岩体结构、边坡形态及地貌、地下水、地表水等因素控制。滑动面可以由层面、节理、裂隙、断层等有一定延展性的面组成，大部分是较缓的软弱面。切割面是指边坡岩体与其周围岩体分割开来的面，一般都为高角度的节理面和构造破裂面。临空面是指边坡的临空一侧；有的面虽未临空，但此面附近的岩体可能产生过量的压缩变形或靠近冲沟、河岸有可能被侵蚀掉，亦可构成临空面。,二、岩质边坡稳定性计算,同倾向单滑面型,同倾向双滑面型,同倾向多滑面型,不同倾向双滑面型和多滑面型,岩质边坡在地质条件复杂的情况下，往往有多组不同产状的结构面，因而滑动岩体的边界条件是很复杂的。其中滑动面的产状、组合形态及滑动面的性状对岩质边坡稳定性起决定性作用。,（2）滑体的受力条件分析。滑体所受的力：岩体自重、裂隙水静水压力、动力压力、因地震及人工爆破产生的振动力、库水压力、浮托力、工程荷-载及实测的地应力等。（3）选择边坡稳定计算中的计算参数，主要有：滑面的摩擦系数(f=tg)、粘聚力(C)、岩体重度、地下水位、高度及滑体几何形态参数等。选取滑动面的C、值，对计算成果的正确性十分重要，必须通过试验求得。对于尚未滑动过的滑带(潜在的滑动面)可取峰值强度；对古滑坡及多次滑动的滑体，则可取残余强度。在选取指标时，还应考虑工程蓄水运行后滑带物质软化，强度降低的可能性；也可以通过已有滑体的稳定分析，反算C、值。,滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行（约在20的范围内）滑动面必须在边坡面出露，即滑动面的倾角必须小于坡面的倾角滑动面的倾角必须大于该平面的摩擦角岩体中必须存在滑动阻力很小的分离