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喀斯特地区层状岩质边坡破坏机理及其 稳定性评价理论研究 摘要 层状岩体和喀斯特巧境是在贵州进行大型工程建设所面临的独特的工程地 质环境条件。西部大开发以来，随着贵州经济建设的飞速发展，许多大型工程建 设在贵州相继开展，高边坡的破坏也越来越成为贵州工程建设中经常遇到的问 题。因此，对喀斯特地区层状岩质边坡及破坏机理及其稳定性计算理论进行系统 的研究，已经成为贵州工程建设中需要迫切开展的工作。 本文在通过对大量公路边坡进行实际考察及对前人关于边坡方面研究成果 分析研究的基础上，对喀斯特地区层状岩质边坡进行了全面的类型划分，分析总 结了各类层状岩质边坡的主要变形机制与破坏模式，建立相应的判别依据，讨论 了层状岩质边坡的稳定性计算理论及其防护设计方法。 在通过对前入研究成果进行理论集成的基础上，本文主要具体做了以下几方 面的工作： ( 1 ) 以边坡结构参数( 边坡走向与岩层走向之间的夹角、边坡倾角、岩层 倾角及其倾向之间的关系) 为依据，考虑变形破坏模式的不同对层状岩质边坡进 行全面的类型划分。 ( 2 ) 分析总结了各类层状岩质边坡的变形机制与破坏模式，并通过数值模 拟软件f l a c 对其变形破坏模式进行理论化验证。 ( 3 ) 建立了各种破坏模式的判别依据公式； ( 4 ) 对层状岩质边坡的稳定性计算理论进行分析讨论，不仅讨论了平面滑 移面和圆弧滑移面两种常见的滑面破坏形式，还讨论了倾倒破坏和块体破坏的稳 定性计算方法。 ( 5 ) 针对喀斯特地区层状岩质边坡的破坏特点，讨论了种常用的边坡支 护方法，并初步建议了各种支护方式的设计理论与方法。 本文首次结合喀斯特环境对层状岩质边坡从破坏机理到支护设计进行了系 统全面的研究，对贵州地区的工程建设具有重大的指导意义。 关键 融层状岩质边坡；类型划分；破坏模式：稳定性计算：防护设计 f a i l u r em e c h a n i s ma n ds t a b i l i t ya p p r a i s a l t h e o r ys t u d yo nl a y e r e dr o c ks l o p i nk a r s tr e g i o n a b s t r a c t 1 n h eb e d d e dr o c km a s sa n dk a r s te n v i r o n m e n ta r eu n i q u ee n g i n e e r i n gg e o l o g y e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o ni nl a r g e - s c a l ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o no fg u i z h o n f r o m c h i n a sw e s t e r nd e v e l o p m e n tc a m p a i g n ，a l o n gw i t hg u i z h o ue c o n o m yd e v e l o p m e n t ， m a n yl a r g e s c a l ee n g l n e e r i n gc o n s t r u c t i o n sd e v e l o p so n ea f t e ra n o t h e ri ng u i z h o n t h eh i g hs i d es l o p ed e s t r u c t i o na l s om o r ea n dm o r eb e c o m e st h eq u e s t i o nw h i c hi n t h eg u i z h o ue n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o nm e e t sf r e q u e n t l y t h e r e f o r e ，c a r r i e do nt h e s y s t e mr e s o a r c ht ot h ek a r s ta r e ab e d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p ea n dt h ed e s t r u c t i o n m e c h a n i s ma n dt h es t a b l ec o m p u t a t i o nt h e o r y , a l r e a d yb e c o m et h ew o r kw h i c hn e e d e d t od e v e l o pu r g e n t l yi nt h eg u i z h o ue n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n 嗽a r t i c l eb a s eo nt h em a s s i v ea c t u a li n s p e c t i o ni nt h er o a ds i d es l o p ea n dt h e p r e d e c e s s o ri nt h es i d es l o p ea s p e c tr e s e a r c hr e s u l t sa n a l y s i sr e s e a r c h ，h a sc a r r i e do n t h ec o m p r e h e n s i v et y p ed i v i s i o nt ot h ek a r s ta r e ab e d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p e a n d a n a l y s i ss u m m a r i z e de a c hk i n do fb e d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p em a i nd i s t o r t i o n m e c h a n i s ma n dt h ed e s t r u c t i o np a t t e r n t h e ne s t a b l i s h e st l l ec o r r e s p o n d i n gd i s t i n c t i o n b a s i s ，i nt h ee n d ，d i s c u s s e dt h eb e d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p es t a b l ec o m p u t a t i o n t h e o r ya n dt h ep r o t e c t i o nd e s i g nm e t h o d b a s eo nt h et h e o r yi n t e g r a t ew i t ht h ep r e d e c e s s o rr e s e a r c hr e s u l t s ，t h i sa r t i c l e s p e c i f i c a l l yh a sm a i n l yd o n ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t sw o r k ： f i r s t l y s i d es l o p es t r u c t u r a lp a r a m e t e r ( a 1 1 9 l eb e t w e e ns i d es l o p et r e n da n dr o c k b e dt r e n d 、s i d es l o p ei n c l i n a t i o na n g l e 、t h er o c kb e d d e di n c l i n a t i o na n g l ea n dt e n d e n c y r e h t i o n s ) a st h eb a s i s ，c o n s i d e r e dt h ed i s t o r t i o nd e s t r u c t i o np a t t e md i f f e r e n t l y c a r r i e s o nt h ec o m p r e h e n s i v et y p ed i v i s i o nt ot h eb c d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p e s e c o n d l y a n a l y s i sa n ds u m m a r i z e de a c hk i n do fb e d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p e d i s t o r t i o nm e c h a n i s ma n dt h ed e s t r u c t i o np a t t e r n ，a n dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s o f t w a r ef l a ct ov e r i f yi t sd i s t o r t i o nd e s t r u c t i o np a t t e r n t h e o r i z e s t h i r d l y e s t a b h s h e se a c hk i n do fd e s t r u c t i o np a r e r nt h ec r i t e r i o nf o r m u l a f o u r t h ，a n a l y s i sa n dd i s o u s s i o nt h eb e d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p es t a b l e c o m p u t a t i o nt h e o r y ，n o to n l yd i s c u s s e dt h ep l a n es l i d i n gs u r f a c ea n dt h ec i r c u l a ra r c s l i d i n gs u r f a c et w ok i n do fc o m m o ns l i d i n gs u r f a c ed e s t r u c t i o nf o r m ，b u ta l s o d i s c u s s e dt h es t a b i l i t yc o m p u t a t i o n a lm e t h o dw h i c ht h eo v c n u r nd e s t r u c t i o na n dt h e b l o c kb o d yd e s t r o y e d f i f t h ，s u m m a r i z e dt h eb e d d e dr o c k sn a t u r es i d es l o p ep r o t e c t i o np r i n c i p l ea n d t h ep r o t e c t i v em g a s i l r e t h i sa r t i c l ef o r t h ef i r s tt i m ec o m b i n et h ek a r s te n v i r o n m e n tt ot h eb e d d e dr o c k s n a t u r es i d es l o p ef r o mt h ed e s t r o ym e c h a n i s mt ot h es u p p o r t sa n dp r o t e c t i o n sd e s i g n c o n d u c tt h es y s t e mc o m p r e h e n s i v er e s e a r c h ，h a dt h es i g n i f i c a n tg u i d i n gs e n s et ot h e g u i z h o ua r e ae n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n k e ) w o r d s ：l a y e r e dr o c ks l o p 、t 3 7 p cd i x 7 i s i o n td e s t r u c t i o np a t t e r n , 、s t a b i l i t ) r c a l c u l a t i o n 、p r o t e c t i o nd e s i g n m i l f l - l i t - 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的科研成果。对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 日期碑置一笸月彳 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权贵州大学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，- j - 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 越哗 月 筇9 8 页，共9 8 页 责州大掌司e 士研究生掌位论文 绪论 1 1 选题依据及研究意义 贵州位于我躅西南腹地，是云贵高原的一部分也称“贵州两原”。其她势西筒东 低，自中部往北、东、南三面下降，坡度较缓，是我国地势第二级阶梯东部边缘的一 部分1 1 】。在全省境内，地层发育齐全，自中元古宇至第四系均有出露【”。其中，中、晚 元古宙地层主要为陆源碎屑岩，次为火山岩及火山碎屑岩，少量碳酸盐岩，多属陆缘 活动类型沉积；寒武系除其下统下部有碎屑岩外，主要以碳酸盐岩占优势；而中古生 带至晚三叠世中期则以海相碳酸盐沉积占优势，晚三叠世晚期以后全为陆相碎屑沉积。 这些地层虽在岩性上有所差别，但整体均由沉积作用形成，有明显的岩层面，据其工 程地质性质，可整体划归为“层状结构类型岩体”，简称“层状岩体”。 另外，贵州处于世界喀斯特发育最复杂、类型最齐全、集中分布面积最大的东亚 喀斯特区域中心1 2 】，是我国碳酸盐岩分布面积最广、碳酸盐岩地层出露厚度最大、喀 斯特强烈发育的省区。贵州所处的低纬度、高海拔的湿润亚热带环境，也使其喀斯特 地貌表现为裸露型岩溶，从而形成了独特的地域环境、脆弱的生态环境，和喀斯特高 原峡谷环境地域类型。这些因素及人为破坏，均是导致我省滑坡、泥石流、崩塌灾害、 岩溶塌陷等不良地质灾害频频发生的原因1 3 】。1 9 9 2 年1 2 月2 日发生的贵阳市沙冲路滑 坡、2 0 0 3 年5 月1 l 发生的三穗滑坡，均是在层状岩体中发生的公路滑坡。 可以说，层状岩体和喀斯特环境是在贵州进行大型工程建设所面临的独特的地质 环境条件。工程建设中的人工开挖和爆破，常常导致层状岩质边坡的失稳【4 】；岩溶作 用，直接导致岩体质量的劣化和岩体强度的降低吼可见，在贵州大型工程建设中， 必须正视岩溶作用的影响，在合理确定岩体水文地质条件、合理选取岩体力学参数的 基础上【p 圳，对层状岩质边坡的工程地质特性、变形破坏机制、稳定性评价方法乃至 防护措施的研究给予足够重视。 因此，正视贵州高等级公路建设的特殊地质环境，以层状岩体工程地质特性的研 究为基础，以层状岩质边坡的“变形机制、破坏模式、稳定性分析方法、稳定性支护 设计”为内容，系统开展“贵州岩溶区层状岩坡防护设计系统研究”，不仅可深入探索 层状岩坡破坏机理，而且可进一步完善各类边坡稳定性评价、支护设计和生态防护等 方法。无疑，这对指导贵州高等级公路建设有着重要的理论意义，也可延用至全国范 围内相似工程地质条件下各类开挖路堑边坡稳定的正确评价和支护设计，因而具有极 其广阔的应用前景。 第l 页，共9 8 页 1 绪论 1 2 国内外研究现状 据工程地质学对岩体结构类型的划分方案，层状结构岩质边坡主要由沉积岩、某 些变质岩及沉积型的火山岩组成，其岩层层面常为控制边坡稳定的优势结构面，其力学 性质为不连续的各向异性1 1 “。层状岩体在平行和垂直于岩层面的方向上的抗拉强度和 抗剪强度是不同的，这种各向异性及其发育的多组裂隙是导致层状岩坡的研究较复杂 的直接原因l ”。8 。 罢状岩体在贵州及我国大部分地区分布较广泛，对这类边坡的研究也取得了大量 的研究成果，整体而言，层状岩质边坡被认为是岩体结构类型和破坏模式最简单、支 护措施最明确的一种最常见的边坡类型。以下是目前人们对这类边坡破坏模式、稳定 性分析方法的常规认识。 ( 1 ) 据边坡走向与岩层面走向之间的相对关系，可将层状岩质边坡划分为边坡走 向与岩层面走向垂直、斜交和平行三种情况。其中，边坡走向与岩层面走向垂直的 岩质边坡常被定义为垂向坡，一般认为，无论岩层层面倾向何方、倾角陡缓，对边坡 的稳定性基本无影响，此类边坡最稳定，一般不做稳定性支护；边坡走向与岩层面 走向斜交的岩质边坡，常定义为切向坡，认为其稳定性略次于垂向坡，较稳定；而 边坡走向与岩层面走向近平行的岩质边坡，则最易失稳，其稳定程度取决于边坡坡角 与岩层面倾角间的相对关系、岩层倾向、优势结构面出露位置、结构面抗剪强度等诸 多因素。 ( 2 ) 对边坡走向与岩层面走向近平行的层状岩质边坡而言，据边坡倾向与岩层面 倾向之间的相对关系，可进一步划分为顺向坡、反倾向坡两种类型。其中：顺向坡 指边坡倾向与岩层面倾向基本一致的边坡，其稳定性又取决于岩层倾角与坡角之间的 相互关系；对岩层倾角小于边坡坡角的边坡，多因人工开挖而沿岩层面向临空方向顺 层滑动，边坡稳定性较差【垌，目前已给出了这类边坡稳定性计算公式，并建议了稳定 性支护方案【1 7 】；对岩层倾角大于等于边坡坡角、或岩层倾角较缓的缓倾边坡，其稳定 性较好，一般不进行稳定性支护设计；反倾向坡则指边坡倾向与岩层面倾向相反的 边坡，岩层常倾向坡内。在岩层倾角较陡的情况下，常发生倾倒破坏【1 羽，目前一直沿 用著名学者e h o e k 于1 9 7 4 年提出的刚体平衡法计算边坡稳定性i 。 ( 3 ) 水平层状岩质边坡是独立于上述两种边坡分类方案的一种特殊边坡类型，其 岩层面水平或近水平( 一般岩层倾角小于1 0 。) 。对这类边坡，目前认为，无论其开 挖方向、即边坡走向和边坡坡角如何，边坡除零星崩塌外，均不会发生整体破坏。因 而在实际工程中，无须进行稳定性计算和稳定性支护设计；所采用的喷层支护方法， 常用来减缓边坡岩体的风化剥蚀和崩塌灾害【2 0 j 。+ 以上是目前人们对层状岩质边坡破坏模式、稳定性分析、支护设计方法的常规认 识。但在我国水利水电、铁路公路等行业的工程建设中，尤其是对层状边坡的研究过 第2 页共9 8 页 贵州大掌司e 士研究生掌位论文 程中，却得出了一些完全不同于上述常规理解的新认识、新突破。 ( 1 ) 缓倾和水平层状边坡的破坏：通常认为缓倾边坡( 坡角小于1 0 。的顺向边 坡或反倾向边坡) 和近水平边坡的整体稳定性较好，不易在坡体中切穿岩层形成滑动 面而导致边坡失稳。事实上，缓倾边坡或近水平边坡的整体稳定，不仅与研究对象的 工程地质特性有关，而且与边坡坡高有必然联系1 2 “。也即，高边坡的整体稳定性相对 要差1 2 2 1 。如1 9 9 9 年修建的成都南充高等级公路冯店段边坡失稳 铡；红水河南盘江 天生桥二级水电站两个坡高5 0 m 的缓倾高边坡沿软弱层面的错动，险些造成重大工程 事故1 2 4 1 ：金沙江向家坝水电站马步坎水平层状高边坡，其后缘拉裂并穿切岩县声生 近似的圆弧滑动破坏p i 。这些事例说明，缓倾或近水平层状边坡也有因边坡变形破坏 而失稳的可能性。目前，贵阳遵义高等级公路乌江北岸水平层状高边坡的后期喷一 锚支护，可能正是厶们已对这类边坡破坏情况有所认识的间接反映。 ( 2 ) 反倾向坡的变形破坏：通常认为反倾向坡中不易形成贯通面，较顺向坡更稳 定，因而对其稳定性的研究远不如顺倾向坡深入。但随着人类工程活动的日益频繁及 范围的扩大，在国内外在建的或拟建的水利水电及其他工程中，却出现了大量与反倾 向坡破坏有关的工程地质问题，并给工程设计、施工和运营均造成了较大危害。不仅 如此，天然反倾向边坡失稳破坏的事例也屡见不鲜，由其导致的崩滑过程具有突发性、 大规模、灾难性等特点。据统计，国内仅1 9 8 0 年以来，这类边坡失稳导致一次性伤亡 人数在数十人以上或直接经济损失在数百万元以上的灾难性事件就达十余起，如1 9 8 0 年的盐池河岩崩、1 9 8 2 年的洒勒山滑坡、1 9 8 5 年的巫溪滑坡、1 9 8 7 年的白沙滑坡、 1 9 8 9 年的溪口滑坡、1 9 9 2 年的昭通滑坡、1 9 9 4 年乌江鸡冠岭滑坡等。这不仅说明了 反倾向边坡稳定性问题在水利水电、矿山、铁路和公路开挖，以及城市环境灾害等方 面的广泛存在，而且成为我国公路交通等行业急需立项研究的关键工程地质问题。为 此，成都理工大学黄润秋教授曾结合大量反倾向岩坡失稳的工程实录，以边坡坡面与 岩层层面之间的相对关系、岩层倾角的大小为依据，系统研究了反倾向岩质边坡的变 形机制和破坏模式；并明确指出，反倾向坡除发生倾倒破坏外，常因层状岩体弯曲变 形，而在边坡后缘产生拉裂缝，并穿切岩层而产生圆弧状贯通面，从而导致边坡的整 体失稳。 ( 3 ) 切向坡和垂向坡的破坏：据目前已有研究成果，切向坡和垂向坡也有破坏的 可能，其破坏缘于层状岩体中的岩层面、节理、裂隙及开挖临空面等组成的块体失稳， 主要表现为岩块崩塌、滑动等破坏形式【2 7 四】。在中国矿业大学华安增教授、张子新教 授的新著一“层状非连续岩体稳定学叫删中，已发展了以块体理论确定层状岩体稳定 性的方法，尤其层状岩质边坡稳定性部分，以算例给出了切向坡、垂向坡的稳定性判 别方法。这些成果表明，那种认为切向坡和垂向坡较稳定的认识是片面的，对其无需 进行稳定性支护的方法也不科学。 不难发现，目前对层状边坡变形破坏机制的三点最新认识，是对已有常规认识的 第3 页，共9 8 页 1 绪论 挑战。层状岩质边坡的变形机制、破坏模式乃至其整体稳定性，除受到岩性、岩体结 构特征、结构面产状、与边坡坡面之间相对关系、软弱夹层性质、优势结构面在边坡 面上出露位置、优势结构面抗剪强度、边坡岩体水文地质条件等因素影响外1 3 1 删，还 受到边坡开挖方向、开挖方式的控制。无论边坡走向与岩层走向之间的关系如何，无 论岩层倾向何方，其倾角与坡角如何变化，只要边坡岩体具有可移动的临空面，边坡 就会以不同形式发生变化。其变形过程复杂，破坏模式多样，而与之对应的边坡稳定 性分析方法、支护措施，也必然发生相应变化【3 5 州。因而需以层状边坡的变形破坏机 制的研究为突破口，全面探索这类边坡的稳定性评价方法及支护设计手段”。4 ”。这也 正是该论文以“层状岩质边坡防护设计方法”为对象开展研究的选题依据。 1 3 研究思路与方法 本论文研究的总体技术路线可概括为：以“系统工程地质学”和“地质灾害过程 机制分析法”的学术思想为指导，在全面收集我国水利、水电、铁路、交通等行业已 有研究成果，并选择贵州大型工程典型层状岩坡开展研究的基础上，以边坡走向与岩 层走向之间的夹角大小、边坡坡角与岩层倾角的相互关系、结构面抗剪强度特性、软 弱夹层工程地质特性等为主要参数，全面划分层状岩质边坡的类型，合理确定其变形 破坏机制及边坡稳定性支护设计方法。 本论文总体技术路线框图如图1 - 1 所示。 i 层状岩坡类型划分l l i i资料收集及实例调查卜1 影响因素分析卜_ | 层状岩坡分类r 0 l 边篓塞垩璧堑! 型i i 及破坏警式研究 i。理论分析h数值模拟验证f- 0 边坡稳定性计算 理论研究 i 极限平衡法 i 数值计算方法j 块体理论方法1 i 1边坡支护设计方法研究 图1 - 1 论文总体技术路线框图 f i g 1 - 1t h eo v e r a l lf l o wp r o c e s sc h a r to f t h ed i s s e r t a t i o n 第4 页，共9 8 页 贵州大掣臼炙士研曼：生学位崔吁 其具体研究方法如下： ( 1 ) 层状岩质边坡类型划分：通过对现有相关研究成果的分析研究和大量工程实 例的现场调查，在合理确定边坡稳定性影响因素的基础上，结合可能产生的破坏模式， 以稳定性主控影响因素为依据合理划分层状岩质边坡的类型。 ( 2 ) 层状岩质边坡变形机制与破坏模式研究：通过对一般地区层状岩坡破坏机理 理论研究成果的分析研究，针对所划分的岩质边坡类型，合理确定层状岩质边坡的变 形机制和破坏模式，争取结合稳定性主控指标建立相应的判据公式。若时间允许，争 取在建立理想化模型的基础上，以数值模拟的手段初步验证破坏模式划分的台理性和 正确性。 ( 3 ) 层状岩质边坡稳定性评价理论研究：极限平衡法、数值计算方法及块体理论 是岩质边坡计算分析的三种基本方法。本论文将根据各类边坡主要可能变形与破坏模 式的不同应用不同的计算方法对各类层状岩质边坡进行稳定性分析理论研究。 ( 4 ) 层状岩质边坡支护设计方法研究：结合边坡类型划分方法和稳定性评价理论， 同时考虑工程开挖和支护工程造价，选择既满足边坡稳定性要求，又满足经济合理性 要求的最优支护设计方案。 1 。4 主要研究成果 本文在对大量边坡实例资料调查研究的基础上，通过对前人关于边坡理论研究成 果的反复分析比较后，吸收了其中适合于贵州喀斯特地区层状岩质边坡变形破坏特点 的理论成果，对其进行系统的归纳整理并结合自己的一些推演分析形成了一个关于贵 州喀斯特地区层状岩质边坡变形破坏机制及其防护理论的研究体系。其主要包括以下 几方面的研究成果： ( 1 ) 通过大量资料收集分析，系统的评述了人们关于层状岩质边坡破坏的常规认 识及常规认识的一些偏误。自1 9 世纪西方资本主义工业化后出现了许多人为诱发性重 大滑坡地质灾害以来，人们对边坡的变形破坏形成了许多常规性的认识，这些认识正 确反映了当时的生产条件下边坡破坏的情况。但随着现代工业化高度发展，特别是高 等级公路的修建，出现了越来越多的工程条件复杂高度很大的大型边坡，这类边坡常 处于及其复杂的地应力及地质环境当中，使原来的常规认识逐渐的不能对此类边坡作 出满意的解释。 ( 2 ) 结合层状岩质边坡的可能破坏模式，以边坡走向与岩层走向之间的夹角大小、 边坡坡角与岩层倾角的相互关系等为主要参数，全面划分层状岩质边坡的类型。研究 目的和研究侧重点不同，对边坡类型的划分也有所不同。单就层状岩质边坡而言，我 国水利、水电、交通等不同部门对其类型划分也不尽相同。即使从类型上承认了某类 边坡与其它类型边坡的区别，也常因其破坏可能性不大而忽略对其具体研究。本文主 第5 页，共9 8 页 11 1 8 论 要以层状岩质边坡的结构参数为依据其可能破坏模式的不同对其进行了全面的类型划 分。 ( 3 ) 分析研究层状岩质边坡破坏机理，合理确定各类层状岩坡的变形及破坏模式， 并对其进行了简单的数值模拟验证，最后建立了各类层状岩质边坡破坏的判别依据。 边坡结构形式极大程度上决定了边坡的变形机理及破坏模式。层状岩质边坡是结构形 式最为复杂的一类边坡，其变形破坏机制的研究也比较复杂，尤其是考虑多种影响因 素的情况下这一问题就变得更加复杂。本文主要考虑其结构形式建立对所划分的每一 和类型的边坡比较理想化的模型逆行了其罪有可能的破坏模式的机理分析并对每 种破坏模式建立了相应的判别依据。 ( 4 ) 分析讨论层状岩质边坡的稳定型评价理论方法及支护方法。边坡稳定性评价 方法大致可以分为确定性评价方法和非确定性评价方法两大类。本文主要讨论了与层 状岩质边坡变形破坏有关的确定性评价方法中的极限平衡法及新出现的块体理论方 法。并且对边坡的支护设计方法进行了一定的探讨。 第6 页，共9 8 页 责州大掌司e 士研究生掌位论文 2 层状岩质边坡类型划分 2 1 概述 在各释类型的岩质迂坡中层状岩厦边坡是分布最为广泛，同聍也破认为是绐托形 式最简单的一类边坡，因此研究的也比较多。类似其它岩土体边坡的破坏，层状岩体 的结构类型较大程度上决定了边坡的破坏形式。因此，对层状岩坡进行合理的结构类 型划分是正确分析其破坏机理的必要手段。 国内外许多学者及相关部门也对层状岩坡进行了类型划分。对岩体，目前较为流 行的分类方法是谷德振先生提出的，其基本类型是：整体块状结构、层状结构、碎裂 结构和散体结构四大类。在此基础上，我国水利水电工程地质勘察规范中，又将层状 岩体进一步分为整体层状结构、块层状结构、互层状结构和薄层状结构。对岩质边坡， 也作了类似的划分。将岩质边坡分为层状结构岩体边坡、块状结构岩体边坡、碎裂结 构岩体边坡和散体结构岩体边坡四大类，其中层状岩质边坡又可以分为层状同向、层 状反向、层状斜向三个亚类。孙广忠先生按边坡走向及倾角与岩层产状的关系将层状 岩坡分为水平层状边坡、切层边坡、顺层边坡和反倾向边坡四类。这些分类从不同角 度反映了层状岩坡的结构特征，具有一定的普遍适用性。但这些分类大多仅讨论了边 坡走向与岩层走向基本一致的情况，而对边坡走向与岩层走向具有一定夹角的情况却 甚少考虑。 本章将在目前现有的分类基础上，结合层状岩质边坡结构特征，考虑边坡走向与 岩层走向具有一定夹角的情况，对层状岩质边坡进行更进一步的全面类型划分，为本 文层状岩质边坡破坏机理分析及其稳定性计算理论的讨论工作垫定扎实的基础。 2 2 层状岩体的破坏机理 自然界的层状岩体按岩体的破碎程度可划分为破碎层状岩体和较完整的层状岩 体。破碎层状岩体是指岩体在总体上由一组或多组不连续面分割呈层状分布，而局部 部位由于构造应力等原因造成的不连续面将部分岩层分割成具有一定块度特征的岩 体。严格来讲，绝对层状岩体是不存在的，岩层或大或小都具有一定的块度特征。只 是较完整层状岩体的岩层在其中某两个方向上的尺寸远大于另一方向上的尺寸，而破 碎层状岩体从总体而言呈层状特征但局部呈一定的块度特征。在层状岩体的破坏中， 破碎层状岩体的破坏往往表现为块体的失稳破坏，但某些情况下也会表现出完整层状 第7 页，共9 8 页 2 角 状岩质边坟粪参 划分 岩体的破坏特征。 2 2 1 完整层状岩体的破坏 完整层状岩体的破坏形式错综复杂，除了主要与岩层结构面的产状有关外，软弱 面( 临空面) 的产状、地应力的分布、坡高、地下水、温度等因素也对其有较大影响。 但归纳起来完整层状岩体的破坏基本上可以分为两大类：剪切破坏和张拉破坏。 剪切破坏是最常见的破坏类型，它又可以分为三种破坏形式：贯穿岩层的切层 破坏，沿岩层面剪切滑移的剪切滑移破坏， 既切断岩层又沿结构面剪切滑移的复 合剪切破坏。 对于岩层较缓、岩层岩石强度比较低或存在大量微节理的层状岩体，比较容易产 生第一种破坏形式；第二种破坏形式沿结构面剪切滑移的重剪切破坏是层状岩体最常 发生的破坏形式，因此层状岩体首先要考虑发生顺层滑移的可能性；岩层较缓且弱面 以上岩层强度低而弱面以下强度较高的层状岩体比较有可能发生既切断岩层又沿结构 面滑移的复合剪切破坏。 张拉破坏常见于层状岩体的倾倒破坏或陡倾角岩层的反倾倒破坏。另外，高度较 大的近水平层状岩体的靠底层岩层下缘也可能在高压下导致压致拉裂。 酋切骥爱晤 暂切硅裴面 图2 - 1 贯穿岩层的剪切破坏图2 _ 2 沿结构面滑移的剪切破坏 刚圈a e a r f a l u r e 姆p e 叫啦m d t 3 9 2 - 2s h e a r f a i l u r e 蚵蜘a i 哪凼m n t j 妇础阻 图2 _ 3 复合剪切破坏 f g 2 3c 螂p o s i t es h 曲rf a i l u 弛 第8 页，共9 8 页 图2 _ 4 拉裂破坏 f i 昏2 4s 押e t c h - d r a wf a i l 硼t 州大掌习e 士研究生掌位论文 2 2 2 破碎层状岩体的破坏 破碎层状岩体的破坏要比完整层状岩体的破坏复杂的多，它除了可能发生完整层 状岩体的三种剪切破坏类型外，还常常发生以块体破坏为主的崩塌破坏。因此，对于 较破碎的层状岩体首先要进行地质勘查研究其有限块体的可动性，看其是否具有崩塌 破坏的可能性，若存在可动块体，则应在去处可动块体后再进行剪切破坏稳定性分析， 以判断可动块体的局部崩塌是否引起整体崩塌锻坏或整体剪滑破坏。实际工程中破碎 层状岩体的破坏往往是由局部的崩塌破坏引起整体的崩滑破坏使其交得比较复杂。 2 3 喀斯特环境对岩体强度的影响 天然岩体中存在着大量的连通或不连通的空隙，这些空隙为地下水的流动或存 蓄提供了有利的环境条件。无论是流动地下水的动力效应还是静态地下水的静水压力 作用以及腐蚀性地下水的岩溶作用，都促使着岩体的破坏。地下水对岩体稳定性的影 响主要表现在水力作用及水理作用两个方面。 2 3 1 地下水的水力作用 地下水对岩体的水力作用指地下水对岩体的物理力学作用，可以分为静水压力和 动水力作用。 对静水压力，可以用下式来计算 ppo+yh(2-1) 式中y 水为地下水容重 对动水压力，可以用下式来计算 f = ，0( 2 2 ) 式中，。为地下水容重：f 为迸、出水口水头梯度，可以用扛( | i f l 一_ 1 2 ) l 来计算， h 。、h 2 分别为进、出水口水头高度。 2 3 2 地下水的水理作用 地下水对岩体的水理作用指地下水对岩体的化学侵蚀作用，主要就是岩溶作用。 岩溶又称喀斯特( k s f s t ) 是指可溶性岩石( 如碳酸盐岩) 在大气圈、水圈、生物圈及 岩石圈的综合影响下所发生的溶解、沉积作用的过程及其产物的总称 4 4 1 。我国可溶性 岩层的分布面积约占全国总面积的三分之一，其中地表有碳酸盐岩的岩溶地区约9 0 7 万k m 2 ，约占国土面积的十分之一。 可溶性岩以碳酸盐岩为主，其溶蚀机理如下： 碳酸盐岩( c a c 0 3 ) 以极慢的速度在水中溶解，离解为钙离子和碳酸根离子。 第9 页，共9 8 页 2 层状岩质j 乏坡奥型划分 c a c 0 3 皂酹+ + c 0 3 2 一( 2 3 ) 产生的碳酸根离子可以与水反应，产生碳酸氢根离子和氢氧根离子 快 c 0 3 4 - h 2 0 芋未h c 0 3 一+ h o 一 ( 2 4 ) 碳酸氢根离子又与水可以较快的速度产生以下反应 炔 h c 0 3 一+ h 2 0 掌h 2 c 0 3 + h o 一( 2 5 ) ， 根据眺上反匣式任何酸所离解出来的h + 的加入都会导致反应式2 5 右侧h o - 自每浓g 矛剖、，促使2 5 式向右进行，使h 腐子浓发阿氐。h c 0 3 葛子浓度的降低打破2 4 式平衡，从而促使2 - 4 式向右进行，使c 0 3 2 - 离子的浓度减小，进而促使2 3 式向 右进行。这样导致碳酸盐岩缓慢溶解的持续进行。而大气中的c 0 2 溶解所离解出来的 h + 离子恰可以促使2 5 式的向右进行，这样导致碳酸盐岩不断溶解。当水中的c 0 2 与大气中的c 0 2 达到平衡时，溶解作用停止。这就是碳酸盐岩在水中溶解的基本原理。 值得指出的是，当地下水为封闭的静态水时，碳酸盐岩的溶解会逐渐达到平衡使 岩溶作用基本停止；但若岩体裂隙发育，为地下水的流动提供良好的流水路径时，水 流循环作用将会加剧岩溶的持续进行。 碳酸盐岩的溶解会极大影响整个岩体的整体承载能力。天然岩体在地应力等作用 下形成的大小裂隙为水侵入岩体提供了较好的通路。这些侵入岩体的水使可溶性岩体 溶解，形成大大小小的溶孔、溶洞、溶蚀裂隙等。这些溶孔，溶洞及溶蚀裂隙等，一 方面改变了原岩体的空间结构，使岩体的实际承载面积减小；另一方面，为入侵水的 存畜提供了更大的空间，使水力作用加强，减小了岩体的有效应力。”。 与其它岩体不同，层状岩体的岩层结构面为水的侵入及流通提供了天然的便利。 使本来就软弱的结构面的承载能力进一步降低。 2 4 层状岩质边坡影响因素研究 边坡的稳定性与岩坡所处的地质环境条件、构造环境条件、工程环境条件及气候 条件等有关。但归纳起来，影响层状岩坡稳定性的因素大致上有边坡结构特征； 地质构造；岩石类型及其分化程度；水文地质条件；绿化及人类活动等。 2 4 1 边坡结构特征 层状岩质边坡结构特征是影响边坡稳定性最主要的因素，包括边坡倾角大小、边 坡高度、岩层产状、边坡走向与岩层走向之间的夹角等。层状岩坡的结构类型决定了 其变形破坏的主要形式。一般来说，边坡倾角越大越不利于边坡的稳定，但坡角太小 又大大增加工程量不经济。边坡高度对边坡稳定性的影响也是显而易见的，坡高越大 第1 0 页，共9 8 页 贵州大掌硕士研究生掌位论文 越不利于边坡的稳定。岩层倾角与边坡稳定性的关系比较复杂，一般在岩性较好的情 况下，当岩层走向与边坡走向平行时，岩层容易产生沿岩层面的滑移或弯曲而引起边 坡失稳；当岩层走向与边坡走向斜交时，比较有利于边坡稳定。 2 4 2 地质构造 地质构造主要包括节理；断层；褶皱等。 ( 1 ) 节理 节理是各秘岩体中发育频度最高的一种地质构造特鄹是兰j 多组节理频繁交错噬 岩体往往被切割的支离破碎，岩体工程地质条件极差。当节理倾向与边坡倾向一致时， 若节理倾角较大，边坡岩体容易顺节理面崩塌或塌滑；若节理倾角较小，节理沿平剖 面延伸较长时，则极易产生大型地质灾害。当节理倾向与边坡倾向相反时，节理对边 坡稳定性的影响将大大降低。 ( 2 ) 断层 断层不但直接破坏了边坡的完整性使边坡稳定性降低，而且活断层或潜在活断层 具有一定的活动特性，可能发生持续不断的蠕滑或间断性的粘滑，直接影响着边坡的 稳定性。而且跨越断层的边坡支护及其困难，因而一般避免断层穿过边坡。 ( 3 ) 褶皱 在岩体发生褶皱或扭曲的部位，地壳应力相对集中，次级张节理和剪节理密集发 育，岩体较为破碎，边坡整体稳定性较差。位于褶皱翼部的边坡由于受到的应力相对 较弱，岩体的完整性好，故边坡的整体稳定性一般比较好。 2 4 3 岩石类型及其分化程度 不同类型岩石的力学性质和变形习性不同，对边坡整体稳定性的影响也是不同的。 一般来说，坚硬岩石可以构成高边坡，且整体稳定性较好，不易发生大规模滑坡灾害， 但当局部存在节理等结构面时易发生崩塌；而软弱岩石不易形成高边坡，即使能形成 高边坡，其稳定性也较差，滑坡灾害容易孕育和发生。边坡岩体不断与外界进行物质 与能量的交换，边坡岩石会遭受不同程度的风化，从而使原岩力学性质显著降低，构 成了边坡变形与失稳的又一因素。 2 4 4 水文地质条件 水文地质条件对边坡稳定性的影响主要表现为降水量、降雨强度、地下水入渗量、 地下水运动方式和地表水等。长历时的小降雨能有效的提高地下水入渗量，增加边坡 的负荷，促使边坡岩层进一步风化以及降低岩体的抗剪强度；而短历时的强降雨往往 是各类滑坡、泥石流和岩石崩塌发生的诱导因素。降雨后，雨水顺坡面松散的风化层 第1 1 页，共9 8 页 2m - 状岩质边城类重童- 分 迅速下渗到下伏基岩接触面附近，部分地下水继续下渗进入基岩层间裂隙中，容易弓 发边坡滑动【4 5 1 。 2 4 5 边坡植被及人类活动 边坡植被对边坡稳定性也有一定的影响。边坡植被好有利于边坡表面分化层土壤 的固定，能够有效的拟制破面泥石流的发生，有利于边坡的稳定。另外，人类活动对 边坡的稳定性影响也是直观的，许多边坡的失稳都是由于人类工程活动打破了边坡原 有的平衡丽导致【蚓。 2 5 层状岩坡类型划分 2 5 1 边坡类型划分指导思想 层状岩坡的类型划分根据研究目的不同，划分方案也不尽相同。如前所述，对层 状岩质边坡稳定性影响最大的边坡结构参数为组成边坡的岩层的倾角口大小、边坡的 坡角少大小及岩层与边坡走向之间的夹角一大小( 亦即边坡的开挖方向) 。层状岩质边 坡的主要破坏形式主要是由这三个边坡结构参数所决定的。 本节将根据对层状岩坡破坏类型有决定性影响的边坡结构特征参数，在前人层状 岩坡类型划分的基础上，对层状岩坡类型进行重新划分。其指导思想是分别考虑岩层 走向与边坡走向平行、斜交、垂直三种情况及边坡倾角与岩层倾角关系的组合情况， 分析各种情况下其可能的破坏模式，全面划分层状岩质边坡类型。 2 5 2 分类方案 依据破坏模式的不同，层状岩坡大致可划分为以下几种类型：水平层状坡； 顺向坡( 缓倾层状坡、顺层坡、陡倾层状坡) ；切向坡；垂向坡；反倾坡。具体 划分见表2 - 1 。 张倬元先生在工程地质分析原理一书【1 1 l 中对于水平坡和顺向坡，有较为详尽 的论述。他以软弱面的残余摩擦角和基本摩擦角为参数，对不考虑岩层走向与边坡走 向夹角的层状岩坡进行了类型划分，是一种能够反映出不同破坏模式的划分方案。对 水平坡和顺向坡的划分，我们借鉴张先生的划分方法。将岩层倾角小于软弱面残余摩 擦角的边坡定义为水平坡，岩层倾角大于软弱面残余摩擦角的边坡定义为顺向坡。在 顺向坡中，岩层倾角较缓处于软弱面的残余摩擦角与基本摩擦角之间的边坡，其变形 模式是以沿弱面滑移为主，定义为缓倾坡；岩层倾角大于弱面基本摩擦角时，边坡的 存在形式只有两种情况。一是边坡倾角与岩层倾角相同，即顺岩层刷坡；二是边坡倾 角大于岩层倾角。这两种边坡外形特征不同，其主要的变形破坏模式也有所区别。前 第1 2 页，共9 8 页 责州大掌硕士研舅：生学位论文 者我们定义为顺层坡，后者定义为陡倾坡。 表2 - 1 层状岩坡类型划分及其主要破坏模式表 t a b 2 - 1l a y e r e dr o c ks l o p ec l a s s i f i c a t i o na n di t sm a j o rf a i l u r em o d e 类型特征主要的变形机制可能破坏模式 平推式滑坡；转动型 水平坡口( + ，滑移一压致拉裂 滑坡( 弧面破坏) ： 缓倾层 边坡与岩层倾向相同， 状坡 鼬。n p8 滑移一拉裂顺层滑坡( 平面破坏)