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第五章斜坡工程 工程地质学基础 1 5 2斜坡岩体应力分布特征 5 2 1斜坡中应力状态的变化 1 由于应力的重分布 斜坡周围主应力迹线发生明显偏转 无论是在重力场条件下 还是在以水平应力为主的构造应力场条件下 其总的特征表现为愈靠近临空面 最大主应力愈接近平行于临空面 最小主应力则与之近于正交 2 2 由于应力分异的结果 在临空面附近造成应力集中带 但坡脚区和坡线 斜坡面与坡顶面的交线 区情况有所不同 坡脚附近最大主应力 相当于临空面的切向应力 显著增高 且愈近表面愈高 图5 2下 最小主应力 相当于径向应力 显著降低 于表面处降为零 甚至转为拉应力 因而 这一带是斜坡中应力差或最大剪应力最高的部位 形成一最大剪应力增高带 通常是斜坡中最容易发生变形和破坏的部位 往往因此而产生与坡面或坡底面平行的压致拉裂面 3 图5 2用有限元解出的位移迹线图 上 和主应力迹线图 下 a 重力场条件 N 0 33 b 以水平应力为主的构造应力场条件下 N 3 4 坡缘附近 在一定条件下 按面的径向应力和按顶面的切向应力可转为拉应力 形成一张力带 图5 3 因此 坡肩附近最易拉裂破坏 斜坡坡度愈陡 则此带范围愈明显 3 坡面处由于径向压力实际等于零 所以实际上处于单向应力状态 不考虑斜坡走向方向 2时 向内渐变为两向或三向 考虑 2时 状态 4 与主应力迹线偏转相联系 坡体内最大剪应力迹线由原先的直线变为近似圆弧线 弧的下凹面朝着临空方向 5 5 2 2影响斜坡应力分布的因素5 2 2 1岩体初始应力的影响岩体的原始应力状态对坡脚应力集中带和张力带的影响最大 不仅加剧斜坡应力的集中程度 也加剧应力分异现象 水平应力越大 影响越大 5 2 2 2坡形的影响在坡脚区 根据图5 5可见 坡底的切向应力最大值约相当于原始水平应力的三倍左右 当有侧向水平应力时 该值成倍增高 如当 L 3 gh时 该值可达7 10 gh 与 L 0的情况相比 相差十分悬殊 6 图5 5斜坡张力带分布状况及其与水平构造应力 L 坡角 关系示意图 据Stacey 1970 坡角最大剪应力与坡脚和坡底宽 W 关系图解 据Stacey 1970 7 5 2 2 3斜坡岩体性质和结构特征的影响岩土体的的变形模量对坡体的应力分布并无影响泊松比对坡体的应力有一定程度影响结构面对坡体应力分布的影响十分显著 8 5 3斜坡浅表改造现象以斜坡岩体为代表的处在地壳浅表圈层部位的岩体 在地貌形成演化过程中 其表生改造过程与地貌形成演化过程密切联系的 实质上是一个卸荷过程 可称为浅表生改造 表生改造 地壳浅表圈层由于岩体卸荷回弹和在自身重力场条件及外界影响因素的作用下而发生变形破坏浅生改造 地壳浅表圈层中因区域性卸荷引起岩土体应力场的变化和应变能的释放而形成的变形的破坏过程 9 卸荷作用在斜坡形成过程中引起临空面附近岩体内应力应变场重新分布局部应力集中卸荷引起的变形应力分异破裂面差异回弹破裂面见图5 7斜坡经改造后的应力场应力降低区 卸荷 风化带应力增高区 紧密挤压原岩应力区 10 5 4斜坡破坏基本类型斜坡破坏的分类 国内外已有许多不同的方案 近年来 国际工程地质协会 IAEG 滑坡委员会建议 D M Cruden 1989 采用瓦思斯的滑坡分类 D Varnes 1978 作为国际标准方案 分类综合考虑了斜坡的物质组成和运动方式 按物质组成分为岩质和土质斜坡 按运动方式划分为崩落 塌 faIls 倾倒 topples 滑动 落 slides 侧向扩离 1ateralspreads 和流动 flows 等5种基本类型 还可组合成多种复合类型 如崩塌 碎屑流 滑坡 泥石流等 11 鉴于以上原因 可将崩落 塌 falls 滑落 坡 s1iding 和 侧向 扩离 1ateralspreading 作为三种基本破坏方式 图9 7 也是斜坡失稳的基本方式 就岩体破坏机制而言 参见图3 2 崩塌以拉断破坏为主 滑坡以剪切破坏为主 扩离则主要是由塑性流动破坏所致 分类 按演化过程 拉裂 蠕滑 和弯曲倾倒等按破坏形式 崩塌 滑坡等大规模的斜坡变形破坏都是上述一种或多种的组合 12 崩塌 滑坡 13 5 4 1斜坡变形5 4 1 1拉裂斜坡岩土体在局部拉应力集中的部位和张力带内 形成的张裂隙变形型式称为拉裂常见部位 高都斜坡坡肩多与坡面近于平行 尤其易沿坡体中陡倾构造节理发育 空间特点 上宽下窄 坡面向坡里逐渐减少 14 5 4 1 2蠕滑斜坡岩土体沿局部滑移面向临方向的缓慢剪切变形称为蠕滑蠕滑的的三种形式 受最大剪应力面控制的剪切蠕滑 常见于 均质岩土体受软弱结构面控制的滑移受控于 节理 断层软弱夹层等受软弱基座控制的蠕滑 塑流常见于 侵蚀河谷和挖方地段 不是沿统一的结构面 而是受控于整个软弱基座层 15 软弱基座倾向坡内的陡崖变形过程 1 卸荷回弹陡立裂缝的形成 a 在陡崖形成过程中 由于应力分异形成由坡缘拉应力带向纵深扩展的一系列陡立拉裂缝 2 前缘塑流 拉裂变形 b c 软弱基座被切露 改变了其原有的封闭状态 并在上覆岩层的强大压力作用下而被压结和向临空方向挤出 使上覆岩体 产生自坡面向内其值递减的不均匀沉陷 因而造成上覆硬岩被拉裂 或使原已形成的拉裂缝得以进一步扩展 拉裂缝首先出露于陡崖坡缘附近 自上而下地扩展 被拉裂缝分割出来的板粱或岩柱 可因基座软岩挤出的进一步发展而倾倒崩落 3 深部塑流一拉裂变形 d f 随基座软层塑流的发展 拉裂缝出现部位由坡缘向后侧推移 某些高陡斜坡中 这种拉裂缝发育深度可达200m以上 被分割的高大岩柱或板梁 其根部可因此而被剪裂或压碎 使变形向蠕滑 拉裂方式转化 一旦后缘拉裂面转而闭合 则预示进入潜在滑移面贯通阶段 变形将发展为崩滑或滑塌 16 5 4 1 3弯曲 倾倒主要发育在陡立或陡倾内层状体 极陡坡中 主要发生在斜坡前缘 陡倾的板状岩体在自重弯矩作用下 于前缘开始向临空方向作悬臂梁弯曲 并逐渐向坡内发展 弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂 弯曲体后缘出现拉裂缝 形成平行于定向的反坡台阶和槽沟 板梁弯曲剧烈部位往往产生横切扳梁的折裂 17 此类变形的特点 岩层向临空方向弯曲 与原有层面成20 50度夹角弯曲倾倒的层度自斜坡表面向深处逐渐减小深度可达40m下部岩层多被折断 张裂隙发育岩层层间位移明显 18 硬而厚的板粱 其变形的发展可划分为如图所示各阶段 1 卸荷回弹陡倾面拉裂阶段 2 板梁弯曲 拉裂面向深部扩展并向坡后推移阶段 如果坡度很陡 此阶段大多伴有坡缘 坡面局部崩落 3 板梁根部折裂 压碎阶段 岩块转动 倾倒 导致崩塌 19 5 4 2斜坡破坏5 4 2 1崩塌斜坡被陡倾的破裂面分割而成的岩土体 脱离母体并以垂直位移为主 以翻滚 跳跃 坠落方式而堆积于坡脚 这种现象和过程称为崩塌 根据崩塌物土崩根据规模山崩岩崩坠石5 4 3 1崩塌的形成条件和影响因素崩塌一般发生在厚层坚硬岩体中 灰岩 砂岩石英岩等厚层应脆性岩石形成的高陡斜坡岩石裂隙对崩塌的形成影响很大地形的影响 坡度大于45度 尤其是大于60度的陡坡 20 气候影响 干旱气候 冬季冻结区强烈的地震可引起大规模崩塌 21 5 4 3 2崩塌的运动学特点5 4 3 3崩塌分类倾倒式崩塌 滑移式崩塌 鼓胀式崩塌 拉裂式崩塌 错断式崩塌五类 西南交通大学的分法 滑移式崩塌 倾倒式崩塌 和滑移 倾倒式崩塌 22 5 4 2 2滑坡斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面 带 产生以水平运动为主的现象 称为滑坡 滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致 滑坡的特征 通常是较深层度破坏 滑移面深入到坡体内部以致坡脚一下质点水平位移大于铅直位移有滑移面存在滑移速度较慢 多具整体性 23 5 4 4 1滑坡形态要素 24 25 26 5 4 4 2滑坡识别方法滑坡识别的主要三种方法 利用遥感信息和航空影响资料进行地面地质测绘勘探试验方法 27 5 4 4 3滑动面 带 研究滑动面的一般特征 滑动面形成厚度不大的摩擦破碎带破碎带的磨碎细粒有定向排列趋势 可见磨光面及擦痕 滑带土语上下层岩土的粒度成分和颜色有所不同 其含水量也比上下岩层高 往往呈软塑性滑动面位置确定方法 根据作图估计滑面位置根据位置观测资料推求滑面位置根据钻孔资料判断滑面位置根据坑探工程查明滑面位置根据物探资料判断滑面位置 28 5 4 4 4滑坡的分类物质组成分类 岩质滑坡岩石滑坡碎石岩滑坡土质滑坡堆积土滑坡黄土滑坡粘质土滑坡堆填土滑坡结构分类 层状结构滑坡 块状结构滑坡 块裂状结构滑坡 规模分类 浅层滑坡 小于6米 中层滑坡 6 20米 厚层滑坡 20 50米 巨厚层滑坡 大于50米 29 按体积分类 小型 中型 大型 特大型 巨型滑坡按破坏机制及特征 力学机制牵引式 后退式 推移式 前进式 变形机制蠕滑 拉裂滑移 压致拉裂弯曲 拉裂塑流 拉裂滑移 弯曲 30 国际工程地质协会 IAEG 滑坡委员会建议 D M Cruden 1989 采用瓦思斯的滑坡分类 D Varnes 1978 作为国际标准方案 分类综合考虑了斜坡的物质组成和运动方式 按运动方式划分为崩落 塌 faIls 倾倒 topples 滑动 落 slides 侧向扩离 1ateralspreads 和流动 flows 等5种基本类型 还可组合成多种复合类型 如崩塌 碎屑流 滑坡 泥石流等 还有按滑坡时代 现代滑坡 老滑坡 古滑坡 埋藏滑坡和其他的分类 31 5 5斜坡稳定性影响因素斜坡之所以能发展为最终破坏 又总是和一定的内外应力对斜坡的改造作用相联系的 这些作用对斜坡稳定性造成的影响有的是可逆的 有的是不可逆的 它们主要通过以下几方面来改变斜坡的稳定性 1 改变斜坡的外形 实际上是改变了斜按的临空状况及应力场 属于这方面的作用包括流水 海 湖 包括人工湖泊 的蚀淤 泥石流的侵蚀刨蚀和堆填以及人工开挖 堆放等 2 改变斜坡岩体的结构特征和力学性质 32 即降低斜坡的抗变形 抗破坏能力 属于这方面的作用包括风化作用 冻融作用和地下水的作用等不可逆因素 水的浸湿软化作用等可逆因素 3 改变斜坡岩体的应力状况 属于这方面的作用包括地下水动水压力和空 孔 隙水压力的作用 区域构造应力场的变化 地震力 人工爆破震动力以及开挖斜坡 工程荷载等 这些动力如果已使斜坡造成变形或破坏 其影响则为不可逆的 否则为可逆的 在影响某一斜坡稳定性的诸多因素中 往往可以确定其中起关健性作用的主导因素 33 5 5 1岩土类型与性质斜坡岩土类型和性质是决定斜坡抗滑能力 稳定性的根本原因 一般来说 岩石中泥质成分越高 其斜坡抵抗变形能力越低岩性还控制着斜坡变形破坏的形式 如 坚硬岩类 崩塌破坏黄土 垂直节理 崩塌沉积岩中软弱夹层 滑坡 34 5 5 2岩体结构和地质构造岩质斜坡的变形破坏多数是受岩体中软弱结构面控制 软弱结构面的成因 性质 延展性 密度以及不同结构面对组合关系十分重要 软弱结构面与斜坡临空面关系 平叠顺向坡逆向坡斜交坡横交坡 35 5 5 3地表水与地下水软化作用 使岩土的强度降低 当岩层或其中软弱夹层有亲水性强 易溶矿物时 侵水后易发生崩塌 泥化 溶解等作用 会使其抗剪强度降低冲刷作用 使河岸变高变陡 使坡脚和滑动面临空 为滑坡提供的条件 静水压力作用 1 当斜坡被水淹没时 作用在斜坡上的静水压力 如水库库岸斜坡的稳定性分析 2 岩质斜坡中的张裂隙充水以后 水柱对斜坡的静水压力 易对滑体产生侧向推力 是暴雨或连续降雨时崩塌和滑坡产生的原因之一 3 作用于滑坡底部的静水压力 斜坡上部为不透水岩体 其下部将受到静水压力 当水位下落时滑体结构面上的静水压力 易导致其不稳定 36 5 5 3 4动水压力作用动水压力又称为渗透压力 当地下水从斜坡岩土体总渗流排出时 水压力梯度作用 就会对斜坡产生动水压力 其方向一般指向斜坡临空面 对斜坡稳定性不利 5 5 3 5浮托力作用处于水下的透水斜坡将承受付托力的作用 坡体的有效重量减轻 抗滑力降低 斜坡稳定性降低5 5 4地震5 5 5人类活动 37 斜坡稳定性评价5 6 1定性评价5 6 1 1成因历史分析法通过研究影响斜坡稳定的各种因素的相互关系 从而对它的演化阶段和稳定状况作出宏观分析 主要包括三个研究方面 区域地质背景研究 通过研究地质背景情况 并研究斜坡变形破坏特征 建立斜坡破坏和地质背景的关系 分析促使斜坡演变得主导因素与触发因素 尤其是气象 水文 地震与斜坡变形破坏的关系 评价和预测斜坡所处的演化阶段和发展趋势 可能的破坏方式 38 5 6 1 2工程地质类比法类比法是将所研究的斜坡或拟设计的人工边坡与已经研究过的斜坡或人工边坡进行类比 评价其稳定性及其可能的变形破坏方式 确定坡角和坡高要全面分析斜坡结构特征 所处的工程地质条件 影响斜坡稳定性的主导因素 斜坡的发展阶段 只有相似度较高才能进行类比我国铁道 矿山 水电部门已有不少类比实例如图5 3土质边坡允许坡度值5 4黄土边坡允许坡度值5 6剧强风化与强烈破碎岩石斜坡坡度建议值 39 5 6 2定量评价常用的斜坡定性定量评价方法有刚体极限平衡法 有限单元法和破坏概率法5 6 2 1刚体极限平衡法极限平衡法的基本前提和假设条件 只考虑破坏面的极限平衡状态 不考虑滑体岩土体的变形和破坏破坏面的强度由粘聚力和摩擦角控制 其破坏遵循库仑判据滑体中的应力以正应力和剪应力的方式集中作用于滑面上将斜坡破坏额外难题简化为平面问题处理 40 刚体极限平衡法是一种理论 包括瑞典条分法 毕肖普条分法 简布条分法等 这里只讲剩余推力法滑坡推力E的定义是总的下滑力 T 与总的抗滑力 R 之间的差值 E T R E 0无推力E 0有推力E 0时为极限平衡状态设滑面为折线形 根据起伏情况进行条分 自后缘向前缘各条块与水平面的夹角依次为 1 2 3 n a n 只考虑滑体重力作用 则第n块的滑动力为 41 42 5 6 2 2有限单元法将坡体离散成单元组合体 假定各单元体为均匀 连续 各向同性的完全弹性体 由节点连接所有单元 由节点的函数来求得单元的应力应变 从而分析斜坡的变形 破坏机制并对其作出稳定性评价5 6 2 3概率分析法采用刚体极限平衡理论的斜坡稳定性分析方法 要引入稳定性系数的概念 稳定性系数就是各种参数的一个函数 K f c l 而实际中岩土的物理力学属性是离散的 许多参数是某种分布的随机变量 43 例如 某斜坡的平面剪切破坏发生在结构面倾向指向坡外 结构面倾角大于摩擦角而小于斜坡坡角的斜坡岩体中 见图5 40 对确定稳定性系数K的各参数进行多次随机抽样 可获得某一坡角情况下的斜坡稳定系数的概率图Pf P K 1 该斜坡的稳定性概率R 1 Pf 44 5 6 3 1斜坡破坏的空间预测5 6 3 1斜坡变形破坏的空间预测依据预测范围的大小大致划分为 区域性预测 以一个大的区域为研究对象 进行斜坡危险区和危险等级划分 划分为相对危险区 相对稳定区和稳定区地区性预测 以一个地区或某一特定的小区域为研究对象 确定变形破坏可能发生的斜坡段及类型场地预测 以特定的建筑场地为研究对象 预测场地内斜坡变形破坏的具体位置 类型 规模 运动距离等 45 斜坡变形破坏空间预测的途径和方法单因子叠加法 把每一影响斜坡稳定性的因素按其中斜坡变形破坏中的作用大小分为一定等级 在每一因子内部又划分若干级 然后把这些因子的等级全部以不同颜色或符号表示在一张图上综合指标法 把所有因子在斜坡变形破坏中的作用数值化 通过这些量值的多元统计分析计算 确定各因素与斜坡变形破坏的关系及其重要程度 46 5 6 3 2斜坡变形破坏的时间预测按照研究对象 范围 目的的不同 滑坡时间预测分为 区域性的中长期预报 是对于某一预定区域较长时间内的趋势性研究 预测可能会大量发生斜坡破坏的年份 场地性的短期预报 是对某一场地或某个具体斜坡能否发生破坏 以及破坏的确切时间预先判定斜坡破坏预报的方法主要有两类 根据宏观征兆预报 如地形变 地表微破裂 地物标志的移动冒出混泉以及动物行为的异常等 47 根据观测资料预报 整理分析研究斜坡变形或者位移观测的基础上 作出斜坡蠕变曲线 然后根据曲线的加速蠕滑阶段的某些特征值 采用一些经验公式进行计算 来得出斜坡可能发生破坏的时间 如日本学者斋藤提出 在加速蠕变阶段 各时刻的应变速率与该时刻距破坏时刻的时间成反比 48 5 7斜坡地质灾害防治防治原则应以防为主 及时治理 并应根据工程的重要性制订具体整治方案 防治原则有以下几点 以查清工程地质条件和了解影响斜坡稳定性的因素为基础 整治前必须查清斜坡变形破坏的规模和边界条件按工程的重要性采取不同的防治措施 49 以防为主就是要尽量做到防患于未然 所谓防主要包括几方面内容 第一 要正确地选择建筑场地 合理地制订人工边坡的布置和开挖方案 例如在高地皮力区开拍人工边按时 应注意合理布置边坟方向 尽可能使边坡走向大致与地区最大主应力方向一致 露天采矿宜采用椭圆形矿坑 其长轴应平行于最大主应力方向 对于那些稳定性极差 而治理又难度高 耗资大的斜坡地段 例如 有可能发生或再次活动的大型滑坡区 崩塌区 应以绕避为宜 50 第二 查清可能导致天然斜坡或人工边坡稳定性下降的因素 事前采取必要措施消除或改变这些因素 并力图变不利因素为有利国亲 以保持斜坡的稳定性 甚至向提高稳定性的方向发展 及时处理就是要针对斜坡已出现的变形破坏的具体状况 及时采取必要的增强稳定性的措施 当斜坡变形迹象已十分明显或已进入加速短变阶段时 仅采取消除或改变主导因素的措施已不足以制止破坏发生 在这种情况下 必须及时采取降低斜坡下滑力 增强斜坡抗滑能力的有效措施 迅速改善斜坡的稳定性 51 第三 考虑工程的重要性是制订整治方案必须遵循的经济原则 对于那些威胁到重大永久性工程安全的斜坡变形和破坏 应采取较全面的 严密的整治措施 以保证斜坡具有较高的安全系数 对于一般性工程或临时性工程 则可采取较简易的防治措施 52 5 7 2防治措施根据上述防治原则 措施可归纳为以下几个方面 一类是针对导致斜坡外形改变的因素而采取的措施 主要是保证斜坡不受地表水的冲刷或海 湖 水库水波浪的冲蚀 如修筑导流堤 顺坝或丁坝 水下防波堤 破浪堤 等 另一类措施是针对改变斜坡岩体强度和应力状态的因素采取的 为了防止易风化的岩石表层由于风化而产生剥落可以在边坡筑成之后用灰浆抹面 或在坡面上用浆砌片石筑一层护墙 在护墙脚处一定要设排水措施 排除坡内积水 53 为了防止坠石 可在坡面上铺设钢丝网 或增设阻挡落石的铁链拦栅 对于胀缩性较强的土质斜坡 可在边坡面上种植草皮 使坡面土层保持一定的湿度 防止坡面开裂 减小降水沿裂缝渗入的可能性 避免土层性能恶化而发生土爬或滑坡 具体的防治工程措施分为四类 改变边坡几何形态 排水 设置支挡结构物 斜坡内部加固 54 5 7 2 1改变边坡的几何形态降低下滑力主要通过刷方减载 在刷方时必须正确设计刷方断面遵循 砍头压脚 的原则 特别注意不要在滑移 弯曲变形体隆起部位刷方 否则可能加速深部变形的发展 5 7 2 2排水包括将地表水引出滑动区外的地表排水和降低地下水位的地下排水 调整坡面水流 排除斜坡内的地下水 截断进入坡内的地下水流 对于防止坡体软比 消除渗透变形作用 降低空隙水压力和动水压力 都是极为有效的 这些措施在滑坡区和可能产生滑坡的地区尤为重要 55 为了不让外围地表水进入滑坡区 可沿滑坡边界修筑天沟 下图 沟壁应不透水 否则反而起到向斜坡内输水的作用 在滑坡区内 为了减少降雨渗入 可在坡面修筑排水沟 在岩质斜坡中还可采用灰浆沟缝等措施 排除滑坡区地表和地下水的措施 56 排除地下水的措施很多 应根据斜坡地质结构特征和水文地质条件加以选择 通常在土质斜坡内修筑支撑盲沟能收到良好效果 截断地下水流对于防止深层滑动或治理较