第八章-斜坡变形破坏工程地质研究.ppt

第五章斜坡变形破坏工程地质研究 第一节概述第二节斜坡中的应力第三节斜坡运动的基本形式第四节崩塌第五节滑坡第六节影响滑坡稳定性的因素第七节斜坡稳定性评价方法第八节滑坡防治 第一节概述 斜坡是地表一切具有侧向临空面的地质体 是一类广泛的地貌类型 斜坡变形破坏又称斜坡运动 是一种动力地质现象 是指地表斜坡岩土体在自重应力和其它外力作用下所产生的向坡外的缓慢或快速运动斜坡变形破坏是地质发展演化的重要过程 天然斜坡 沟谷岸坡 山坡人工边坡 露采边坡 基坑边坡 岩坡土坡 斜坡基本要素 1 坡面 2 坡肩 3 坡脚 4 坡体 5 坡高H 6 坡角 7 坡顶面 8 坡顶面 滑坡 崩塌是我国最主要的地质灾害类型 大规模的工程活动不断诱发和加剧灾难性滑坡的发生地质灾害中滑坡灾害仅次于地震发育情况 特大型崩塌51处 滑坡140处 泥石流149处较大型崩塌2984处以上 滑坡2212处以上 泥石流2277处以上 一 斜坡中的应力 1 斜坡周围主应力迹线发生明显偏转 愈接近临空面 最大主应力 1愈接近平行于临空面 3与之正交 向坡内逐渐恢复到原始状态 原始应力状态 重分布应力的特点 第二节斜坡中的应力 2 在临空面附近造成应力集中 但在坡脚区和坡顶及坡肩附近情况有所不同 1 坡脚附近最大主应力显著增高 且愈近表面愈高 最小主应力显著降低 于表面处降为零 甚至转化为拉应力 这一带是坡体中应力差或最大剪应力最高的部位 形成最大剪应力增高带 往往产生与坡面或坡底面平行的压致拉裂面 2 在坡顶面和坡面的某些部位 坡面的径向应力和坡顶面的切向力可转化为拉应力 形成张力带 易形成与坡面平行的拉裂面 3 与主应力迹线偏转相联系 坡体内最大剪应力迹线由原来的直线变成近似圆弧线 弧的下凹方向朝着临空方向 4 坡面处由于侧向压力趋于零 实际上处于两向受力状态 而向坡内逐渐变为三向受力状态 二 影响斜坡应力分布的因素1 岩体初始应力的影响 水平剩余应力的大小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张力带的影响最大 1 坡高 坡高不改变应力等值线图象 但应力值随坡高 而线性 2 坡形的影响 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 当水平应力平行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 斜坡岩土体特性和结构特征的影响 岩土体的变形模量对均质坡体的应力分布无明显影响 泊松比 可改变主应力和剪应力的分布 引起张力带变化 随着 坡面和坡顶的张力带逐渐扩展 而在坡底则反之 张力带收缩 结构面的产状 性质的差别 使斜坡中的应力分布出现了不均匀性与不连续性 在不连续面或软弱面的周边形成应力集中带或发生应力阻滞现象 1 1 一 斜坡的变形 deformation 1 实质斜坡受到侵蚀卸荷作用和开挖卸荷等作用所产生的应力释放效应 而引起的斜坡表层岩土体的弹塑性回弹和蠕变位移 第三节斜坡运动的基本形式 2 类型 1 拉裂 斜坡岩土体在局部拉应力集中部位和张力带内形成的张裂隙变形型式 a 斜坡形成过程中 在坡面和坡顶形成的张力带中拉应力集中形成拉张裂缝 空间特点 上宽下窄 以至尖灭 由坡面向坡内逐渐减少 2 蠕滑 斜坡岩土体在自重应力为主的坡体应力长期作用下 向临空面方向的缓慢而持续的变形 a 表层蠕滑 斜坡浅层岩土体在重力的长期作用下 向临空面方向缓慢变形构成一个剪变带 其位移由坡面向坡内逐渐降低直至消失 b 深层蠕滑 主要发育在斜坡下部或坡体内部 c 因蠕滑形成局部应力集中产生拉裂 按其形成机制特点可分为两种 软弱基座蠕滑 侵蚀河谷 挖方地段 两种深层蠕滑的区别 不是沿一个统一的滑动面 受软弱基座控制 有统一滑动面 受软弱结构面控制 坡体蠕滑 受软弱结构面控制 变形强弱取决于结构面的特性与产状 3 弯曲倾倒 由陡坡或直立板状岩体组成的斜坡 当岩层走向与坡面走向大致相同时 在自重的长期作用下 由前缘开始向临空方向弯曲 折裂 并逐渐向坡内发展的变形 称为 陡坡 60 缓慢的不连续变形多数导致崩塌 少数导致滑坡 二 斜坡的破坏1 崩塌陡坡上的岩土体所产生的以下落运动为主 移动 滚动 跳跃 的破坏现象 土崩 岩崩 2 滑坡斜坡岩土体依附于内在的或潜在的软弱结构面 在外力作用下 失去原来的平衡状态 产生了以水平运动为主的滑动现象 3 两者的区别 运动方式 破坏形式 地形条件 是否脱离母体 存在滑动面 规模 速度 学习要点 崩塌产生的条件1 地层岩性条件厚层状硬脆性岩体2 岩体结构条件节理裂隙 二组或二组以上陡倾节理 3 地形条件地形切割强烈 高差大4 外力条件风化作用 静水压力 震动 第四节崩塌 第五节滑坡 滑坡体 滑动面 滑坡周界 滑床 滑坡后壁 滑坡洼地 滑坡台阶 滑坡前缘 滑坡舌 滑坡鼓丘 剪出口 滑坡裂缝 主滑线 3 滑坡周界 4 滑床 第五节滑坡 5 滑坡壁 6 滑坡洼地 湖 7 滑坡台阶 8 滑坡前缘 滑坡舌 剪出口 滑坡鼓丘 10 主滑线 9 滑坡裂缝 滑坡体在滑动过程中各部位受力性质和移动速度不同 受力不均匀而产生的力学性质不同的各种裂缝 拉张裂缝 剪切裂缝 鼓张裂隙 羽状裂隙 1 蠕动挤压阶段 准备阶段 蠕滑阶段 二 滑坡运动的阶段性产生 发展 演化 消亡 2 滑动阶段 3 剧滑阶段 4 稳定阶段 周期性的活动特点 三 滑坡的识别1 意义 2 识别方法 航片解译 地面调查 勘探面 线 点 1 地形地貌方面滑坡形态特征 地貌不协调或反常等阶地 夷平面高程对比 圈椅状地貌双沟同源 3 滑坡识别标志 2 地质结构方面滑体上产生小型褶曲和断裂现象滑体结构松散 破碎 3 水文地质方面结构破碎 透水性增高 地下水径流条件改变 滑体表面出现积水洼地或湿地 泉的出现 4 植被方面马刀树 醉汉林 5 滑动面的鉴别 勘探 钻探 变形监测 钻孔倾斜仪 四 滑坡的分类 1 按滑坡的动力学特征分类 巴甫洛夫 1903 a 推动式滑坡 b 牵引式滑坡 c 混合式滑坡 d 平移式滑坡 2 按滑动面与层面的关系分类 1 无层滑坡 均质 无明显层理的岩土体 2 顺层滑坡 原生 次生的软弱夹层存在 上部松散堆积物与下部基岩接触带 3 切层滑坡 多发生在岩层近于水平的平迭坡 构造面控制 3 按滑坡体规模大小分类 1 小型滑坡 体积小于10 104m3 2 中型滑坡 体积介于10 104 100 104m3 3 大型滑坡 体积介于100 104 1000 104m3 4 特大型滑坡 体积大于1000 104m34 按滑动面深度分类 1 浅层滑坡 50m 5 按岩土体类型分类 岩土类型及性质地震地质构造降雨 融雪 水库蓄水地形人工开挖 植被风化作用 内在因素 外部因素 一 内在因素1 岩土类型及性质 决定抗滑力的根本因素坡形相同的情况下 坚硬岩石斜坡 半坚硬岩石 松散土坡沉积岩 层理 软弱夹层岩浆岩 原生节理发育 与岩石强度和风化作用有关变质岩 由于矿物成分的差异导致工程地质性质的差异 第六节影响滑坡稳定性的因素 滑坡往往集中在某些特定的岩层中 易滑岩组如 西北的黄土分布地区 成都平原地区的成都粘土层 四川盆地的红层地区 砂 泥岩互层 青海 甘肃地区的第三系地层 半成岩的砂 泥岩 川西北 陕南和甘南浅变质岩地区 主要是千枚岩分布地区 对于同一种成因类型的岩层 组成岩石的矿物成分及胶结物不同 其稳定性不同 硅质胶结 钙质胶结 泥质胶结 2 地质结构 岩体结构及地质构造 结构面 结构面的产状 力学性质 规模沉积岩地区 特大型的滑坡主要与层面构造有关在褶皱的两翼部位 结构面往往形成上陡下缓的勺形沿着大的构造断裂带 滑坡往往呈带状分布 按结构面的产状与临空面的关系 可分为 3 地形地貌 斜坡坡度越大 切割深度越深 斜坡稳定性越差 1 平迭坡 主要软弱结构面为水平的 2 逆向坡 主要软弱结构面的倾向与坡面的倾向相反 3 顺向坡 主要软弱结构面的倾向与坡面的倾向一致 时 稳定性最差 极易发生顺层滑坡 时 稳定性较好 4 斜交坡 主要软弱结构面与坡面成斜交关系 其交角越小 稳定性就越差 5 横交坡 主要软弱结构面的走向与坡面走向近于垂直 稳定性较好 很少发生大规模的滑坡 二 外部因素 1 地震 震中周围烈度七度区产生附加应力 2 降水 三种效应 1 水平推力 侧向水压力 2 浮托力 减小滑动面上的有效应力 3 软化效应 降低岩土体的抗剪强度 3 水库蓄水 河流岸坡 动水压力 冲刷 掏空作用 鄂西黄龙滩水库 第七节斜坡稳定性评价 定性评价成因历史分析法 自然历史分析法 工程地质类比法赤平投影图解分析法定量评价刚体极限平衡法数值模拟计算法 有限元 边界元 离散元等 概率分析法预测预报 区域地质背景 分析影响因素 预测发展趋势1 从地质构造方面分析结构面的位置 性质 连通情况 结构面与临空面的关系 斜坡可能破坏的类型 规模等 一 历史成因分析法 2 从地形地貌方面分析地形地貌特征 斜坡稳定性状态或滑坡的不同发育阶段滑坡的微地貌调查 稳定性判断的定量数值 如滑动距离 垂直位移高度和多级滑动面等 3 从作用在斜坡上的外力方面分析 将所要研究的斜坡或拟设计的边坡与已研究过的斜坡或边坡进行类比 斜 边 坡类型的类比破坏类型的类比规范中的一些经验数据 土质边坡允许坡度值黄土边坡允许坡度值碎石边坡允许坡度值剧强风化与强烈破碎岩石斜坡坡度建议值 二 工程地质类比法 三 赤平投影图解法 单一软弱结构面的斜坡 一 逆向坡 一般是稳定的 二 顺向坡 b 弱面在坡面上临空 不稳定 c 稳定性较好 三 斜交坡 视软弱面与坡面倾向间的夹角 大小而定d 40 比较稳定 e 40 不太稳定 N W cos 正压力 R Wcos tg 摩擦力 c AF W sin 下滑力 当F R时 即W sin Wcos tg tg tg 时 滑块处于不稳定状态 摩擦锥圆法 沿斜坡法线方向N方向 以块体重心点O为顶点 作一个锥顶角为2 的圆锥体 圆锥体的高为W cos 正压力 底面半径为Wcos tg 摩擦力 这样的锥体称为摩擦锥 当重力矢量W落在锥体外面时 滑体将发生向下的运动 否则 处于稳定状态 刚体极限平衡法 假设前提 只考虑破坏面上的极限破坏状态 而不考虑岩土体的变形 即视岩土体为刚体 破坏面上的强度由C 值决定 遵循强度判据 滑体中的压力以正压力和剪应力的形式集中作用于滑面上 均视为集中力 三维问题简化为二维 平面 问题来求解 稳定性系数 安全系数 在岩土体稳定性评价中 由于边界条件 荷载条件 岩土体强度等难以精确确定 通常在设计上考虑上述因素及建筑物重要性而综合确定一经验值 Kc 1 一 土质斜坡稳定性计算1 无粘性土坡2 粘性土坡圆弧法 条分法 瑞典条分法 Bishop法 Janbu法 二 岩质斜坡稳定性计算1 平面滑动 单平面 同向双平面 多平面2 楔形体滑动 折线形滑面的滑动情况 根据滑面纵剖面的起伏情况 取单位宽度考虑 把滑体划分成若干块段 1 2 n 不考虑滑块两侧的摩擦力和滑体自身挤压力 传递系数法 剩余推力法 不平衡推力法 第i条块的受力情况分析 自重Wi 水平地震力KcWi 侧水压力PWi 上一条块的剩余下滑力Ei 1 本条的剩余下滑力Ei的反力 扬压力Ui 法向反力Ni 切向反力Ti 1 基本荷载 仅考虑重力 当滑体中存在有地下水时 需要考虑边界上的水压力 编程迭代过程 岩土工程勘察规范 中的公式 概率分析法的表达式为 f 1 f 式中 Pf f 分别为破坏概率和目标破坏概率 而稳定的概率则为 f确定稳定性系数K的各种计算参数需要进行许多次随机抽样 才能获得K值的概率分布图 2 破坏概率计算法 预测预报的基本内容 位置 规模 类型 运动速度 运动距离 发生时间 区域性滑坡预测 以一个大的区域为依据对象 确定滑坡可能发生的区段范围 地段性滑坡预测 以一个地段滑坡调查资料为依据 确定将来可能发生滑坡的大致位置 可能的类型等 场地性滑坡预测 针对某一特定场址 预测滑坡可能发生的确切位置 范围大小 运动速度及类型 滑坡长期预报 对未来滑坡运动的趋势作判断 以确定滑坡活动的可能年份 滑坡短期预报 对滑坡活动的可能季节或月份作出预测 滑坡临滑预报 对滑坡将要暴发的具体日期 乃至时分作出预报 滑坡空间预测 空间预测 主要是通过滑坡条件分析 确定出对滑坡作用有利的因素组合 根据这些有利因素组合来预测区域上某斜坡段将来产生滑坡的可能性 圈定出可能产生滑坡变形的范围 空间预测的理论基础 工程地质类比法 类似的工程地质环境可能发生类似的滑坡 迄今见于报道的预测方法可归纳为 统计学方法 敏感性制图法 信息量法以及各种经验方法 各种方法的共同之处 充分考虑各种地质环境因素的叠加作用来评价某特定地质环境中产生滑坡的可能性 以期在研究区圈出相对不安全的 危险区段 预测结果一般都采用预测分区图的形式来表达 只是预测评价过程中所采用的叠加方式不同而已 三 滑坡时间预报 岩土体蠕变 流变 理论 第1蠕变阶段 减速蠕变阶段减速发展 斜率逐渐减小 第2蠕变阶段 稳定蠕变阶段等速发展 斜率大体不变 第3蠕变阶段 加速蠕变阶段CD段 变形迅速增大 但岩土体尚未破坏DE段 岩土体变形速率剧增 岩土体很快破坏 斋滕预报经验公式 例 某滑坡位移曲线上t1 t2 t3所对应的日期为 t1 1963年1月20日t2 1963年1月26日t3 1963年1月30日 则 t2 t1 6天t3 t1 10天 tr t1 18天tr 1963年2月7日 滑坡预报方法 目前主要集中在 1 滑坡变形前兆的现象预报法 2 位移 时间曲线变化趋势判断法 3 斋滕法和改进的斋滕法 4 统计数学模型回归模型 灰色理论模型 泊松旋回模型 生物生长模型梯度正弦模型 灾变理论模型 灰色 灾变耦合模型 5 黄金分割法 6 非线性动力学模型预报法 7 降雨量参数预报法 8 声发射参数预报法 9 多参数预报法 一 原则对于正在活动的滑坡 一般的工程布置应避开滑坡 尤其是一些大型滑坡或滑坡群所在地段应是工程避开的地方 当必须进行处理时 首先要查明滑坡发生的原因 了解当