（构造地质学专业论文）公路路堑风化岩体边坡稳定性分析及加固方案研究.pdf

abs t r act t h i s t h e s i s h a s a p p l i e d t h e a n a l y s i s m e t h o d o f s t r e s s - s t r a i n i n t h e s t r u c t u r a l g e o l o g y , d i s c u s s e d r o c k ma s s s l o p e s t a b i l i ty i n d e t a i l s . t h e f o r c e me c h a n i s m o f f a i l u r e s i s a n a l y z e d o n r o c k ma s s s l o p e , b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e e x c a v a t i o n s t r a i n a n d t h e f a c t o r s . t h e p a p e r c o n c l u d e d o n t h e t h e o r y a n d me t h o d o f r o c k ma s s s l o p e s t a b i l i t y , i n t r o d u c e d t h e c o l u mn me t h o d , t h e s a r ma me t h o d a n d t h e t h r e e d i me n s i o n a l l i mi t e q u il i b r i u m me t h o d t h a t t h e y a r e a v a i l a b l e t o n o t o n ly s o i l s l o p e b u t a l s o r o c k m a s s s l o p e . i n t h i s p a p e r , t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s a r e c a l c u l a t e d b y c l a n g u a g e w h i c h i s d e s i g n e d b y a u t h o r , t h e c o l u mn me t h o d i s o f t e n a p p l i e d i n e n g i n e e r in g p r a c t i c e . t h e p a p e r d i s c u s s e d o n w e a t h e r r o c k ma s s s l o p e w h i c h l o c a t e d i n t h e s e v e n t h c o n t r a c t m o u n t a i n 8 , 9 b e t w e e n t h e h ig h w a y o f b e ij i n g a n d z h u h a i , r e s e a r c h e d i t s c h a r a c t e r s , s t r e n g t h , a n d t h e d e t e r mi n a t i o n o f g e o t e c h n i c a l p a r a me t e r s , c a l c u l a t e d s a f e c o h e s i o n . t h e c a l c u l a t e d r e s u l t s i n d i c a t e d t h e w e a t h e r r o c k ma s s s l o p e mu s t b e t r e a t e d , s o t h e s l o p e s u s t a i n s i t s s t a b i l i t y . t h e p a r a m e t e r s e n s i t i v i t y i s a n a l y z e d , s o me u s e f u l c o n c l u s i o n s a r e p r e s e n t e d . t h e s t r u c t u r e a n d me c h a n i s m o f p r e s t r e s s e d a n c h o r c a b l e s a r e d i s c u s s e d , a n d t h e f a c t o r s a f f e c t i n g p r e s t r e s s e d a n c h o r s a r e p u t f o r w a r d i n t h i s p a p e r , t h e p e r f o r ma n c e o f p r e s t r e s s e d a n c h o r a g e i s a l s o d i s c u s s e d . t h e n , p o s s i b l e a p p e a r e d p r o b l e ms a r e d i s c u s s e d i n t h e c o u r s e o f a n c h o r h o l e s , t w o d r i l l i n g h o l e m e t h o d s a r e p r e s e n t e d , s o t h o s e m e t h o d s a r e h e l p f u l t o t h e s t a b i l i ty o f h o l e s wa ll i n t h e c o u r s e o f a n c h o r c o n s t r u c t i o n a n d a r e a l s o us e f ul t o t h e a n c h o r c o n s t r u c t i o n r a t i o n a l l y a n d f a s t . k e y w o r d s : w e a t h e r i n g r o c k ma s s s l o p e s t a b i l i t y a n a l y s i s s e n s i t iv i ty a n a l y s i s p r e s t r e s s e d a n c h o r c a b l e s 中南大学硕士堂位论文 第一童络论 1 . 绪论 1 . 1前言 我国国民经济的还速发展，极大地促进了交通基础设施的兴建，尤其是高速 公路的修建，需在岩体中挖掘的大型边坡日益增多，该类边坡由于地质成因千变 万化，岩体结构及其力学性质比较复杂，一旦发生边坡失稳，无论对交通还是对 社会的危害是极大的。因此，在交通工程建设中，对天然边坡和人工开挖边坡的 稳定性及可能破坏的原因、形式及发生发展规律等进行工程地质研究，对边坡的 加固方案进行研究都是十分重要的，只有这样，才能保证交通工程的安全施工及 正常运营。 1 . 2国内外关于岩质边坡工程研究的现状 一、关于岩体边坡稳定性分析研究的现状 国内外对岩质边坡工程的研究都是建立在岩土工程学科的发展及岩石力学学 科的不断完善的基础之上的。早期，人们把岩体当做一种不连续体，用孤立的岩 块的力学效应代替岩体的力学效应，直接运用经典力学知识解决岩体工程问题。 从五十年代开始，随着岩体力学的发展，特别是1 9 5 9 年，法国的马尔帕塞大坝左 坝肩岩体软弱面滑动造成溃坝事件，1 9 6 3 年，意大利瓦扬坝上游左岸山体滑坡， 击起2 5 0 m 高浪涌过坝顶，死亡人数3 0 0 0 人，这些惨痛的教训唤起了人们对岩体力 学研究的高度重视。1 9 7 4 年米勒 ( l . m u l l e r )发表了 岩体力学文集代表了这 一阶段的研究方法、 方向、和基本结果。此外e . h o e k 和j . b r a y 也对岩石边坡做了 大量的研究。 在我国，7 0 年代中后期岩体力学才进入一个崭新的发展时期。以谷德振为代 表的一批工程地质工作者参加了对岩体力学的研究， 他们认为， 岩体不是一块岩石 所能代表的，它是地质体的一部分，在一定的地质环境中，岩体中的断、节理、 等不连续面，以及为它们所切断成的岩石块体，组成了一定的岩体结构，并提出 了 “ 岩体结构控制论”的思想。 岩体力学以地质力学为基础，重视调查研究、现场测试， 运用力学分析和数 值计算方法，开展工程岩体稳定性和区域岩体稳定性的研究，为岩体边坡稳定性 中南大学硕士学位论文 第一童结论 分析奠定了坚实的基础。岩体失稳现象的产生，是岩体受力后出现压缩变形、剪 切位移和膨胀破裂的结果。岩体的结构不同，其力学特性有较大差别，破坏的形 式不尽相同，根本原因在于岩体往往是由具有不同 变形特性岩石组合而成. 边坡 开挖后岩体结构面，受多种因素的制约，显得错综复杂，很难采用某一种方法能 够对边坡稳定性进行定量分析。因此，在工程界，岩体边坡稳定性分析的方法有 很多种，它们分别适用于不同的地质环境及工程条件。按定性或定值可划分为定 性的分析万法和定值的分析方法，定性的分析方法包括有:工程地质类比法、岩 体结构分析方法;定量的分析万法包括有:极限平衡法、有限单元法等。 近年来，又出现了以概率论为基础的概率分析方法及以模糊数学为基础的模 糊测度分析方法。 户概率分 析 法;2 1 1 边坡稳定性的概率分析是将边坡稳定问题视为一随机过程，把影响稳定性的 各种因素 ( 如岩体构造、抗5 ! 强度及边坡尺寸、地下水位等)均视为随机变至. 通过调查、 试验及分析求得各变量的函数分布， 并确定出边坡稳定状态的概率值。 概率分析需要有大量的试验测试数据 ( 包括岩土强度数据)来确定变量的分布， 并常需借助于电子计算机进行分析，因此受到一定条件的限制。 边坡破坏概率有以下几种方式表达， 下面是其中的一种。 安全储备小于零的概率边坡的抗滑力r 和下滑力s 之差为边坡的安全储备 s m ，即:s m =r -s 假定r 和s 服从正态分布，则s m 亦服从正态分布，可求出安全储备s m 的正态分 布表达式。当s m 0 时破坏发生，破坏概率p f 为: 。 i i n x v 、 厂 厂 二 二一 w i 又 a s e a 夕 式中:u 5 一 6s y - 为安全储备平均值; 为安全储备标准差: w ( * ) 为正态偏差的累计概率函数， 可通过查表求得。 这样边坡的稳定概率p : 为: p s = 1 一p 2 )模糊测度法“ 该方法首先认为岩土边坡稳定问题受多种客观因素的综合影响，如用以描述 岩土物理力学性的内聚力c ，内摩擦角， ， 工程爆破导致的 地震效应及边坡岩土体 地下水等多种因素。因而，边坡稳定程度本身构成了 一复杂的非清晰的系统 蔑大学硕- -t 位论文 第一章绪论 模蝴系统。该方法采用模糊数学并非寻求实际上无法获得的 “ 精确值”而在于获 得满足边坡工程实际要求的“ 满意值” 。 因此: 模糊系统可表示成下面的多元函数 形式: 凡= f ( h , a ， j , r ,。 ， c ， ， ， e , u ，0 ，、 ) 式中:f : 一 一为边坡实际稳定系数值; f l 一 一 为边坡高度值; 。 为总体边坡角: j一 一为 岩体内部节理裂隙影响系数: 叹一 户为边坡内部岩体结构影响系数; 。 一 为边坡岩体地下水影响系数; c- = 为 边坡岩土介质的内聚力; .一 一 h 岩土介质的内摩擦角。 由上式可见，f. 是诸因素影响的函数，而且均难以粘确获得，故将边坡稳定 程度视为一模糊系统。通过运用模糊理论方法，求出f 边坡实际稳定系数值，从 而可获得对边坡稳定的满意程度。 总之，对岩体边坡稳定性分析要因地制宜，采用多种方法进行综合分析和计 算，才能得出较为理想的结果。 二、关于岩体边坡加固的研究 岩体边坡的破坏，主要是由于强度不足或变形过大造成的，假如用人工的方 法来提高岩体强度或限制其变形，将有助于改善岩体的稳定状况。边坡失稳是水 利、铁路、公路、海港等工程建设及矿山开采中遇到的共同问题。因此，加强对 边坡稳定性的研究、勘测、预报和防治已成为一门专门的学科，它涉及到水文地 质、工程地质、岩石力学、地质力学、弹性力学、数学、水文学等科学。同时与 人类活动、经济发展等社会科学有关，是各门学科的交叉运用，随着各门科学的 发展而发展。 对于各种边坡，一般采用的整治措施 ( 功 开挖如果边坡是局部的， 规模不大， 深度也不厚， 则可考虑开挖处理， 将不稳定的岩土体加以挖除，以求彻底解除这个隐患。 ( 2 ) 削坡、 减载和压脚如果边坡体较大较厚， 不能全部挖除，也可通过坡 顶卸载和适当的坡脚回填工程来提高其稳定性。因为一般边坡体顶部的重量起不 利的作用，因它产生的下滑力超过所能提供的抗滑力。因此，可将滑坡体顶部的 岩体或土体加以挖除而堆放在坡脚，以增加其稳定性。 ( 3 ) 阻水和排水许多边坡在正常情况下尚可稳定， 但在暴雨或水库蓄水后， 由于水文地质条件的变化，受力情况有所改变，滑面上的抗剪强度有所削弱，容 一 3 p r x f li il jc 一 一 一 一 一 一 一 一 一 易产生滑坡。 而滑体重度的增加即增加了下滑力。因此， 排截地表水和地下水常 为防治滑坡的一种有效措施。 ( 4 )支挡、加固建筑物在边坡体坡脚或表面修建一些支挡加固建筑物， 可以提高滑体的抗滑力。 ( 5 ) 植被树木对防治浅层滑动有利。虽然不能阻止坡体沿深层滑动面滑 动，但植被也会降低地表水对斜坡的渗透从而有助于 滑坡的稳定。除此之外， 树 木在生长过程中还有两个作用，使表层干燥和通过树根的网络固结坡面。 当上述措施不足以完全治理好滑坡时，则需进行人工加固， 以阻止坡体滑 动。常用的人工加固 方法主要有抗滑桩和预应力锚索等。 ( 7 )抗滑桩它是一种被动加固措施，本身并不能主动提供抗滑推力，亦 不能增加不连续面本身的抗滑力。共作用原理:当滑动体下滑时，抗滑桩将产生 被动推力，阻止滑动体的下滑，而抗滑桩承受的推力将通过桩基传到滑动面以下 的基岩或土中。 ( 8 ) 预应力锚索它是一种主动加固措施，其本身在加固完成后，不管滑动 体是否下滑，均事先施加一个抗滑推力，从而起到提高 边坡稳定性的作用。 预应力锚索正是为这种目的而设置的，它经由钻孔穿过软弱岩层中，然后在 另一自由端张拉，从而对岩面施加压力。大型预应力锚索最早应用于水工建筑物 的加固工程，国外是从大坝的加固或加高开始的。此后才逐步应用于边坡和地下 洞室的加固等各方面。早在1 9 1 1 年美国首先用锚杆支护矿山巷道，1 9 3 4 年阿尔及 利亚的舍尔法坝高工程使用了预应力锚索;我国在6 0 年代开始应用预应力锚固技 术，到8 0 年代己在水电、铁路、交通等多个领域中得到应用。它以独特的效应、 简便的工艺、广泛的用途、经济的造价而取得了良 好的效果。 1 . 3本课题研究的内容及意义 本课题将结合国家重点建设项目“ 京珠南高速公路”对广韶段某风化岩体高 边坡进行研究分析， 这类边坡是该段的主要工程地质问 题，大多数边坡位于强、 全风化花岗 岩中，因 此研究该边坡对于设计和施工在实际应用和理论上都是很有 意义的。 本文研究边坡的内容包括如下: 1 .边坡的工程水文地质 情况; z .风化岩体边坡的特点， 如岩性特征、 强度特征以及对边坡稳定性所产生的景 细 句 ; 3 .边坡稳定性计算的参数选择; 4 . 边坡稳定性的 计算方法; -4- 尸 南大学硕士学位论文 第一章结论 .预 应力锚索加固的基本特征及风化岩体中成孔工艺的研究。 仁 人研究生期间工作量统计: 在研究生期间， 本人为论文的完成做了 大量的室内和室外工作。参加工程项 目 四项，野外工作5 个月。 为完成论文在京珠南高速公路广韶段第十七标段项目 部收集资料。该标段总 氏 4 公里， 边坡总长达1 0 0 余米， 高5 0 余米。 在边坡1 0 0 0 平方米的范围内作了工程地 贡 调查，作工程地质剖面1 条，测节理面产状2 5 组。直接快剪试验数据9 组，饱和 央 剪试验数据1 9 组，岩石试验数据8 组。收集工程地质剖面3 条，钻孔柱状图盆 粉。 为编写计算程序，参加了北京安图公司长沙市工程勘察地理信息系统项目组， 开 发了基于mi c r o s t a t i o n 平台下的边坡稳定性评价专家系统的类c 语 言程序。用于 计 算边坡的稳定性。 其次，本人还参加了江西铜业公司永平铜矿4 , 5 # 污水库基础防渗工程，作 为 技术人员 进行现场技术负责工作。 指导完成钻孔注浆1 0 0 余个;在深 m 市政工程 总公司杭州绕城公路五合同项目 部作为技术人员，进行现 场技术负责工作:桩基 荷 载试验1 次，混凝土试块抗压、抗拉9 0 余组，负责了试验柱设计。在 “ 9) 湖南矿 物岩石地球化学论丛” _ 七 发表论文: 土钉墙内部破坏机理及其稳定性计算; 在“ 湖 南灾害地质理论与实践”上发表论文:预应力 锚索在加固风化岩体边坡中的应用 等5 篇论文。 千南大学硕二学位论文 f二章岩休边坡的基t特征 2 .岩体边坡的基本特征 在交通工程建设中所遇到的边坡可分为天然边坡和人 工边坡两种类型。天然 边坡绝大多数是由于地壳运动或水流、冰川的侵蚀下切形成的。人 工边坡则是开 挖形成的。边坡开挖前存在于岩石中的应力，称为天然应力或地应力。岩体中天 然应力的大小对边坡的稳定性有着重要的影响。当随着下切和深挖，岩体中的应 力在不断的调整变化，改变其方向和数值大小，产生应力释放或应力集中。边坡 岩体中的应力对边坡的变形与破坏影响极大，所以了解应力分布特征对认识边坡 的变形和破坏机制是十分重要的。 2 . 1岩体边坡应力状态的变化 一、天然应力状态 ( 一) 天然应力的组成 岩体中天然应力的起源，目前还不十分清楚， 一般包括 自 重应力、 温度应力、 构造应力和流体应力等。在地壳表层，常以前两种应力为主， 1 ) 自 重应力在地表近于水平的情况下，重力场在岩体内任一点上形成相 当于上覆岩层重量的垂直应力 。 、 . ，即: q . = 劝( 2 一1 ) v , = q , = i 劝( 2 一 ? ) v 、 x 、 z - ，. 式中: a i垂直、水平方向的应力 久 侧压力系 数; 丫 岩石的平均容重; h 该点深度。 0 ) 构造应力地壳运动在岩体内构造力， 称为构造力。 构造应力是复杂的， 其主要特征是具有很强的方向性。 ( 二) 岩体天然应力分布的规律 岩体中 天然应力的分布状态是复杂的，目 前还难以准确地说明其内 在的规律 性。但从国内外大量岩体应力测量的结果，可以大致得出以下一些结论。 1 ) 岩体中 具有三向不等的空间应力场19 1实 测结果说明， 岩体中 三向 应力 中南大学硕士学位论文r.二童 岩体边坡的琴2t特征 经常是不等的， 其中垂直应力通常是最小主应力。 ， ，也可以是。 ， 或。 : 。 两个主 应力也并不一定水平，其倾角多在1 0 -2 0 ,最大不超过3 0 % 2 )水 平 应力 与 垂 直应 力 的 关 系 g . 赫 盖 特 ( h e r g e t ) 分 析了 6 3 个 地 应 力 测 量资 料 表明 n ; ， 大部 分 地区的 垂 直应力 均大于自 重 所 造成 应力， 而 水 平应力。 h 与 垂应力。 、 的比值介于0 . 5 -5 . 5 之间，大部分为。 . 9 -1 . 2 之间。 ( 三) 影响地应力分布的因素 岩性、地质构造和地形等因素，对岩体的天然应力状态有明显的影响。一般 强度大、弹性模量高的岩体，能积累较大的应力且不易释放。而塑性岩体则不能 积蓄较大的应力。而地质构造决定了地应力的类型、大小和方向。 二、边坡应力状态的变化 由于边坡岩体通常是由非均质的各向异性不连续介质组成，原始地应力也各 不相同，因而边坡上的应力分布和变化是极其复杂的。现在只考虑自 重力并假定 边坡岩体为均质连续弹性介质，并根据光弹试验及有限元计算结果来说明边坡应 力的变化特征毗 在边坡形成过程中，由于上部岩体被侵蚀或开挖而形成卸荷作用，岩体中自 重应力分布随之发生了变化: 1 ) 边坡周围的主应力迹线发生明显的偏转，总的特征为愈接近边坡，原来 为铅直方向的最大主应力 ( 。 1 ) ，愈接近平行于边坡的临空面;而原来为水平方 向的最小主应力 ( a 3 ) ，则愈与坡面近正交 ( 图2 -1 ) 。 在水平构造应力较大的地 区，最大主应力的方向也会发生同样的偏转。 ( 口) 边坡角3 0 0 图 2 一 1 边坡角7 5 。 边坡应力迹线示意图 2 ) 在坡脚处会形成应力集中带。随着开挖加深，坡脚附近的最大主应力显 著提高;边坡愈陡，应力集中也愈大。 3 ) 在最大主应力与最小主应力差值最大的部位，相应形成一个最大剪应力 区，因而在这时容易形成剪切破坏，与主应力迹线偏转相联系，最大剪应力迹线 由原来的直线变为近似圆弧线，弧的凹面朝着临空方向 ( 图2 -2 中的虚线) 。 , 币大学硕士学位论文 箕二童 岩体边坡的基m特征 图2 -2 边坡中报大哟应力迈线与主应力迹线示意图 4 ) 在坡脚和坡面的y ;= 11._ 近表而部位，由于水平应力显著降低，1 1x 小主应力可 能成为拉应力。因而形成一个拉应力带，见图2 -3 中的阴 1 部分。其范围随着坡 角 仁 。)的增加而增大，a 一 与水平构造应力 ( 。) 有密切关系、 仁) 6 1 夔 胜 图2 -3斜坡张力带分布示意图 由于拉应力的出现，可进而导致产生与坡面平行的拉张破裂面，即卸荷裂隙 或变形。而一旦出现变形或破坏，应力即获得释放，形成一应力降低带。而高应 力带随之向深部转移，在平行于边坡的稍深部形成新的应力集中带。 2 . 2影响边坡应力分布的主要因素 、原始应力状态的影响 岩体中的原始应力对边坡应力分布有很大影响，尤其是垂直于坡面走向的水 中库大学硕士学位论文第二童岩体边坡的 蓦水特征 平构造应力的影响更为显著，图2 -3 表示它对张力带分布的影响，它还改变主应 力迹线的分布形式和应力值的大小，且对坡脚应力集中带和拉应带的影响最大。 据试验和计算，当无侧向水平构造应力时，在坡脚区切向应力的最大值约相当于 原始水平应加勺 三 倍: - : ， 而当水平构 造应力为 3 v h 时， 切向 应力 可达7 - 9 倍的丫 h ， 坡 脚处的 最大 剪应力也 将随水 平应力的 增加而 成倍 增加 1= 1 。 所以 ， 当 边 坡岩 体中存在较高的水平剩余应力时，边坡更容易遭受变形和破坏。 二、坡形的影响 边坡的几何形态对坡内岩体应力有显著影响。随着坡高的增加，坡内应力值 也随着呈线性增加， 但不改变应力等值线图。 坡角变陡， 拉应力的范围随之增大， 切向应力值增高，坡脚附近最大剪应力位也随着加大 图2 -4 ) . 坡底宽度v 1 对坡脚应力状态的影响见图2 - 4 。当w0 . 8 h 1付，则保持一常值。因此，在边坡开挖较 陡时，特别是当有垂直于坡面走向的水平剩余应力时，坡脚处可形成极高的应力 9 : 中带。 只创祖杖.盆翻 卜 声 产 1尸 尸尸 . 尹户一 一 . . 口 ， ， ， ， / 洲 产 口创沪 产 少曰 尸 一 沪 口 洲 尸 脚 尸 汤声 ， 二.; t _ 火 i 于 i 1 i一 l l 1 飞 1 月 ，长创权从，盆侧 城 角 (.) 一 0 . 9 吸犷 坑 胜 宜 ( 甲 图2 -4 边坡最大剪应力与坡角和坡底的关系曲线 三、岩体结构的影响 岩体结构特征对边坡应力分布的影响是很大的，也是很复杂的。主要表现在 岩体的不均一性和不连续性，使其沿软弱的周边出现应力集中或应力阻滞现象。 在坚硬的岩层中，应力沿软弱面的集中程度较高。在软硬两种岩层的界面上，沿 硬岩一侧的应力值较高。应力集中的特点与软弱结构面的产状及主压应力的方向 密切相关，如图2 -5 所示。 1 ) 软弱面与坡体主应力轴平行时，将在软弱面的端点部位或应力阻滞部位 宁w 大学硕士学位论文 筑二童岩体; t 坡的基本特征 出现拉应力集中和剪应力集中，使之出现向软弱面两侧的张裂和剪切破裂 ( 图2 一5 a ) . 2 ) 软弱面与坡体主压应力轴垂直时，将发生平行于软弱面的拉应力或于端 点部位出现垂直于软弱面的压应力， 这将有利于软弱面的压密或稳定( 图2 -5 b l 3 ) 软弱面与坡体主压应力轴斜交时，沿软弱面主要为剪应力集中，并于端 点部位或应力阻滞部份出现拉应力，致使边坡极易沿结构面发生剪切滑动 ( 图2 一5 c ) . 4 ) 在软弱面交汇处，应力受到阻滞，压应力和拉应力强烈集中，容易发生 变形和破坏。在一定条件下，可逐步扩展为滑动面，使边坡破坏 ( 图2 一5 d ) . 丈c) ( d) 图2 -5 边坡内结构面应力分布示意图 2 . 3影响边坡稳定性的因素 影响边坡稳定性的因素可分为内在的和外在的。内在因素是指岩体赋存的地 质环境和地质条件所固有的。如岩性、岩体结构、构造应力、地下水活动等。外 在因素是指施加在边坡岩体工程上的外在条件。如荷载条件、爆破震动、施工技 术、地表雨水等。 i )岩性 边坡的岩体性质主要是受岩石的矿物成分和各种岩石的组合所控制。例如块 状结晶岩体，未风化前强度一般较高，坚硬完整，如不存在有滑移的结构面，可 以形成较陡的边坡;而松散或软弱岩体，其强度本来就很低，在外力作用下，则 易产生对边坡稳定不利的变形或顺软弱结构面滑移导致边坡破坏。 2 )岩体结构 岩体结构包括结构体和结构面。岩体的变形主要是受结构面的控制，尤其是 结构面与结构面的组合形式，结构面与边坡方位之间的关系，对边坡稳定的影响 中南大学硕士学位论文 第二章 岩体边坡的基s特征 至关重要。结构面的组合是十分复杂的。对于结构面的产状、数量、空间分布、 延伸情况及表面性质等等，必须进行详细调查，具体分析，研究结构面的特征及 发育规律，而后结合水文地质条件和边坡的万位进行力学分析，才能对边坡稳定 起控制作用的结构面作出正确判断。 3 )构造应力 构造应力是指由于地质构造运动的作用，引起地壳岩体变形或破坏之后残存 的应力。 构造应力在某些地区可能比岩体自重应力大得多， 其作用方向近似水平， 而且在岩体中的分布也不是均匀的。在强烈的构造应力场区域开挖边坡，往往由 于卸载使岩体中的构造应力不均匀地释放，从而导致边坡岩体向临空面发生回弹 变形和膨胀，进一步扩大原有的裂面或产生新的裂面。因而降低了岩体强度;在 边坡处，则因应力高度集中，甚至会造成边坡失稳的突破口。 对构造应力场的研究，既重视现今存在的局部构造应力场和区域构造应力场 的万向与边坡的相互关系，以及构造结构面的特征及其力学机制:更要研究地壳 构造运动发生的时间和构造运动过程中的序次和级别，从三度空间研究构造形迹 的 空 间 分 布 规 律;so , 4 )水的作用 许多工程实例说明，边坡的失稳往往是由于水文地质条件的改变而发生的。 例如，地表降水是导致边坡突然滑动及崩塌的直接原因。水对边坡的破坏，主要 是水对滑裂面的润滑作用、裂隙中水的楔入作用、岩体的物理、化学和力学的作 用。在岩体边坡中，大多数情况水的这些作用是通过裂隙水的形式表现出来的。 在一定的条件下，岩石矿物吸收或失去水分子，将发生水化或脱水的作用，引起 矿物体积膨胀或收缩，促使岩体松散、破碎甚至改变其化学成分:当水的化学作 用与气温改变的物理作用同时发生时，又将使岩体风化并向深部发展和扩散，改 变岩石的物理力学性质，严重影响边坡的稳定性。 5 )震动作用 爆破震动对边坡稳定性的影响是明显的。主要的表现是震动作用使边坡岩体 的结构发生破坏或变化，导致岩体松散破碎，这种动荷载的作用是导致边坡失稳 的重要因素，震动作用可由自 然地震力及人工爆破动力所造成， 但其使岩体变形 破碎的结果是类似的。破坏作用的大小是与震动的加速度、岩性和结构及岩体的 含水条件有关。 地震的惯性力和动土压力的大小、方向对岩体边坡的影响分析， 可参考建筑抗震设计资料、水工设计手册等。 中w - 大学硕士学位论文3 9 : - f岩休边坡的$t特征 2 . 4边坡破坏的地质模型 典型边坡地质模型的建立对边坡的分类及稳定性评价是非常有益的，因为边 坡地质模型是反映影响边坡稳定状态的各种地质因素的综合体现，而边坡的变形 破坏方式集中反映了地质模型的主要特点。因此，在工程实践中可以根据边坡的 变形破坏的形式，预报边坡变形的发展趋势及可能的破坏方式。无疑，典型边坡 地质模型的建立对边坡的分类及稳定性评价具有重要的指导意义。但另一方面， 边坡的破坏发生都具有复杂的条件，每个边坡又有其特点，不能完全一一比较 典型边坡地质模型很难概括全面， 这就要求我们不但能从地质基础上，而且要求 从边坡形态、边坡的变形破坏方式等综合各方而情况对其作出分类。 多年来，许多学者对边坡变形破坏的发生和发展，从不同角度或观点进行了 研究，提出了各种边坡破坏的分类标准和破坏类型，推动了边坡稳定研究的不断 深入。但是大多数分类主要是从边坡破坏的儿何形态和运动形式为依据考虑的， 至今还没有统一的、更切合实际的分类标准，许多学者仍在努力探索。 e . h o e k 和 j . w. b r a y 总结了 边 坡破 坏的四 种 基本 类型: 即 圆 弧 形 滑动 破 坏、 平面 滑 动破 坏、 楔体 滑 动破 坏和 倾倒 破 坏t) 该分 类是 建 立在 许多 假设 条 件 基 砒 之 上的， 因而在实际运用当中 有其局限 性。 我国 学者孙玉科峰 人根据工 程实践的 经 验认为， 岩体边坡的破坏， 多半是沿着岩体中的结构面发生的。 边坡破坏与结构面 的分布和组合，以及影响边坡稳定的因素紧密相关，必须综合考虑。因此提出以 岩体结构为基础的岩体边坡破坏 地质模型”的概念。将岩体按其结构特征划分 为四种基本类型，相应的也有四种破坏形式: 1 )块状结构类型块状破坏 该类型破坏一般发生在中厚层沉积岩、岩浆岩或块状变质岩当中，结构以3 级为主，主要结构面有2 -3 组，间距一般5 0 -1 0 0 厘米;切断岩体多呈长方柱体、 立方体、菱形体或多角柱体;在无软弱结构面存在时可视为连续介质，而有明显 结构面及软弱破碎带时， 则当作非连续介 质， 岩体强度在6 0 m p a 。 边坡坡角一般 在7 0 -8 0 稳定程度较好，岩体的变形破坏取决于软弱结构面的发育特征及其在 空间的分布规律。 2 )层状结构类型层状破坏 该类型破坏一般发生在沉积岩、某些变质及沉积型火山岩中，尤其是页岩和 片岩当中，岩层厚3 0. 5 0 厘米， 岩性单一或多层、 夹层。 主要是一组结构面发育， 而且多为层面、原生软弱夹层及层间错动面:结构与岩性组合都不均匀，一般为 中w大兰硕士学位论文第_童岩体边坡的基工特征 不连续各向异性介质，岩块抗压强度在2 0 3 0 m p a 左右，应注意软弱结构层面的 抗剪强度及其在空间的分布。该类边坡滑动主要发生在层面，对水平层状结构的 边坡，岩体的稳定性较好，倾斜层状结构的边坡则视其与坡向的关系确定。反坡 向倾斜岩层对稳定有利顺坡向则易形成顺层面滑动。 3 )碎裂结构类型碎裂破坏 该类型破坏发生于构造强烈地区的各种岩体当中，在遭受强烈构造作用下产 生变形和破裂以后，岩组呈破碎状，结构面发育，复杂多样，密度大，万位多， 可达4 -5 组，有断层面、层间错动面、节理、劈理等各级结构面，相互穿插，彼 此切i ii因其结构面大多由碎屑泥质物组成，故岩体强度低，常具塑性，结构而 的强度也低，摩擦系数仅为0 . 2 -0 . 4 左右。该类边坡稳定性较差，常会产生追踪 碎裂破坏。 4 )散体结构类型散体破坏 该类型常见于区域大断层破碎带，大型岩浆岩佼入接触破碎带以及强风化的 软弱物质所组成，结构面高度密集，岩体呈松散状，结构面细小; 岩体强度很低， 抗压强度仅为几百至几十千帕。岩性具有明显的塑性或流变特征。由于边坡受岩 体整体强度和特性所制约，类似土体的边坡破坏，有连续的国弧滑动面、整体汾 动面。 由上述可见，地质模型的概念有着较为广泛的含义。它考虑了工程地质岩组 的特征，边坡岩体的结构特征，岩体的应力条件， 边坡破坏的形态，水文地质条 件以 及变形破坏的时间效应等因素。因此，地质模型既注意到边坡破坏的几何形 态和运动形式，也考虑了边坡岩体破坏的成因及其发生和发展过程。当然，由于 地质体的组合是千差万别的，导致边坡破坏的各种原因所起的作用也各不相同， 这就必须结合具体情况进行分析， 合理地运用地质模型概念， 研究边坡的稳定性。 2 . 5边坡破坏的力学机制 边坡的破坏最终应归结于岩体本身破坏，这就涉及到岩体的力学特性，它虽 然一般不直接决定岩石边坡的稳定性，但它是影响岩石边坡稳定性的重要因素之 一。所以，研究边坡破坏的力学机制就是要研究岩体的力学特性。 一、岩体的变形特征 岩体的变形通常包括结构面变形和结构体变形两部分，实测的岩体应力一应 变曲 线，是上述两种变形迭加的结果 ( 图2 -6 ) 0 中南大学硕士学位论文 第二童岩体边玻的基zzt ,!, 征 岩体的应力一应变曲线一般可分为四个阶段， 如图2 -7 中的以 段曲 线呈凹状 缓坡，这是由于节理压密闭合造成的:a b 段是结构面压密后弹性变形阶段;b c 段呈曲线形，它表明岩体产生塑性变形或开始破裂;c 点的应力值就是岩体的极 限强度。过c 点后曲线开始下降，表明岩体进入全面破坏阶段。 结构面变形 结构体变形 二者迭加 本 ( )o l 图2 - g 岩休的变形成分图2 -7 岩体的应力一应变曲 线 由于岩体结构类型不同，实际的岩体应力一应变曲线也不同。如完整结构岩 体的应力一应变曲线，其特点是弹性阶段明显，压密阶段没有或不显著:块断或 块状碎裂结构岩体的变形曲线具有明显的上述四个阶段;碎块状碎裂结构和散体 结构的岩体，其变形曲线中弹性阶段很短，塑性阶段很长，岩体破坏后应力下降 不明显。 变形模量或弹性模量是表征岩体变形的最重要的参数。就大多数岩体而言， 一般构筑物对岩体所产生的荷载远达不到岩体的极限强度值。因此设计人员所关 心的主要是岩体的变形特性。由于岩体中发育有各种结构面，所以岩体变形的弹 塑性特征较岩石更为显著。岩体在反复荷载作用下，对应于每一级压力的变形， 均有弹性变形。 。 和残余变形“ p 两部分。则弹性模量 e 牙 q 变形模量e 分别为: ( 式2 -3 ) e 二 一 竺 扁 行 尹 + 。 ( 式2 -4 ) 一般坚硬完整岩体的变形模量高，软弱破碎岩体则低。另外，用静力法测得 的坚硬完整岩体的弹性模量e 和变形模量e 数值较接近。 而软弱破碎岩体， 因其残 余变形大，所以e 汗 口 e 二者往往相差很大。 二、岩体的流变特征 物体在外部条件不变的情况下， 应力或变形随时间而变化的性质称为流变性。 中天大学硕士学位论文第二量岩体边坡的基z特征 流变性有蠕变和松弛两种表现形式。蠕变是指在应力一定的条件下，变形随时间 的持续而逐渐增长的现象。松弛是指在变形保持一定时，应力随时间的增长而逐 渐减小的现象。试验和工程实践证明，岩体具有流变性，特别是蠕变现象。很多 构筑物的失事，往往不是因为荷载过高，而是在应力较低的情况下岩体即发生了 蠕变。 在工程实践中，由软弱岩石组成的岩体，软弱夹层和碎裂岩体变形的时间效 应明显。一般岩体的典型蠕变曲线可分为三个阶段 ( 图2 -8 ) 0 第一阶段 ( o a )段，称为初始蠕变阶段，其特点是变形速度逐渐减小，至a 点达到最小值。 第二阶段 ( a b ) 段， 称平缓蛛变阶段， 其变形缓慢平稳， 变形速率保持常量， 一 直持续到b 点。 第三阶段 ( b c ) 段， 称加速蛛变阶段。 其特点是变形速率加快直至岩体破坏、 研究表明，岩体的蠕变有两种悄况。当恒定的应力位较小时，只出现第一或第二 ， “ ! . 州 口平二里 翻 口 招望 犷毛 ib i - 二三三襄弃三之兰 一一一 一一育户一一一 一 - - - . 苦 口 j 。 ， 夕 图2 -8 不同应力条件下岩体的蠕变曲线 阶段的蠕变，并不引起岩体的破坏。当应力等于或超过某一数值时 ( 如图2 -8 中 的6) 才出现加速蠕变阶段而导致岩体破坏。 通常把出现蠕变破坏的最低应力值， 称为长期强度。 岩体的长期强度取决于岩石及结构面的性质，含水量等因素。根据原位剪切 强度试验资料，软弱岩体和泥化夹层的长期剪切强度 沃)与短期剪切强度 ( f o ) 的比值，约为0 . 8 ，大体上相当于快剪试验的屈服值与峰值强度的比值。 三、岩质边坡破坏力学机制 岩质边坡破坏方式、破坏机制与受力条件及岩体的结构特征有关。一般当岩 体结构不同时， 其破坏方式也不同。 从岩体破坏的角度来说， 主要有u脆性破裂、 ，1 5- 中南大学s-学位论文第-贡岩休边坡的基蕊特征 块体滑移; 2 ) 层状弯折: 3 ) 追踪破裂: 4 ) 塑性流动等几种类型。所以正确判断 岩体破坏失稳的型式，是进行岩质边坡稳定性分析的基础。 岩质边坡的剪切破坏大致有三种情况:其一是沿着软弱结构面的剪切破坏， 此时软弱结构面的抗剪强度代表了岩体的抗剪强度;其二是受结构面控制的剪切 破坏，破裂面追踪结构面的不利组合面发育，岩体强度取决于结构面和结构体两 个面:最后是因整个边坡岩体的抗剪强度不高而发生的破坏。 通 过 剪 应力 一 剪 位 移曲 线的 分 析 t t 岩 体 的 剪 切 破 坏 有 脆 性 破 坏 和塑 性 破 坏 两 种类型。 1 . 脆性破坏型坚硬完整岩付 、 多属此种类型， 其剪应力一剪位移曲线的主要特征 是岩体在剪切破坏前位移较小，破坏后有明显的应力降，变形曲线可分为三个阶 段 ( 图2 一9 ) 第一阶段应力应变呈线性关系终 止于1 ，该点的强度称为比例极限强 i t i 第二阶段是由于剪应力增加的结 果，此时岩体部分出现微裂隙，位移 曲线开始向横轴弯曲，该阶段终止于 点2 。 与2 点对应的应力称为屈服极限。 第三阶段位移速率明显增加，当 剪应力达到峰值点3 后，试件全部剪 断， 应力骤然下降直至4 后才趋于一个 定值。 3 点的应力称为破坏极限或峰值 强度。4 点以后的应力值称残余强度。 2 . 塑性破坏半坚硬或软弱破碎岩体 ! / z 冲 o 3， / ) . 1 / 么 ， s 图2 一9 岩体两种典型剪应力一剪位移曲线 一脆性破坏一塑性破坏 多属此种类型，其剪应力一剪位移曲线的主要特征是在峰值破坏前剪位移较大 晕峰值后剪应力基本保持不变，试件以一定的位移速率沿剪切面滑移。 中蔗大学硕二学位论文箕三童岩休迄坡稳定性分1 ;- 理论及万云 3 .岩体边坡稳定性分析理论及方法 3 . 1概述 岩体稳定是相对的概念，即在一定的时间内，在一定的工程力作用下，岩体 不产生破坏性剪切 滑动、塑性变形或张裂。岩质边坡稳定性的计算或分析至今尚 无系统的、成熟的理论或计算方法，处于探讨和有v , 深化的阶段。在工程界，岩 石边坡稳定性分析的方法有很多种， 它们分别适用于不同的地质环境及工程条件 按定性或定值可划分为定性的分析万法和定值的分析方法，定性的分析力法包括 有: 工程地质类比法、 岩付 结构分析方法;定显的分析方法包括有: 极限平衡法、 有限单元法等。 孙玉科日 等人认为对一个完整边坡稳定性的评价应包括以下三个主要步骤: ( 1 ) 在工程地质测绘的基础上， 应用地质力学的方法研究区域稳定性及其构造应 力，进而研究边坡岩体结构特征，判断边坡破坏变形的形式及推断边坡的坡角: ( 2 ) 正确应用岩体力学的基本理论， 研究边坡岩体受力条件， 根据受力条件和岩 体变形破坏的形式，考虑岩体的物理力学试验问题及其计算参数的选择，进行稳 定性计算:( 3 )在稳定性计算的基础上，从地质成因、岩体结构特征等方面研究 边坡变形的发生和发展的趋势，着重研究工程地质因素随时间变化对边坡稳定系 数的影响，以达到边坡变形预报的目的。 一、工程地质类比法 工程地质类比法实际上是一种经验方法，在边坡设计前对其工程水文地质条 件、 岩体特点等进行综合调查， 根据工程的需求 如边坡高度及施工条件等) ，并 参照当地己建设的边坡状况，选定边坡参数值。该方法使用较为方便，一般工程 可采用， 但田于灵活性很大， 在很大程度上因人的经验而难免有选用不当的情况。 因此，在工程应用上，也只能作为参考。 就岩层结构面与路堑边坡面两者之间的走问关系，有逆向坡、 横向 坡与顺向 坡之分，如图3 一1 所示。一般条件下，逆向坡时，有利于路堑边坡的稳定;顺向 坡时，边坡稳定性较差。逆向坡和顺向 坡时的路堑边坡稳定性，还应结合其