第五章边坡稳定性工程地质分析

中国矿业大学工程地质学基础,第五章边坡稳定性工程地质分析主讲：董青红教授,第五章边坡稳定性工程地质分析,1.边坡概念2.边坡变形破坏的类型和机制3.影响边坡稳定性的因素4.边坡稳定性评价,第一节边坡概念,一.边坡概念1.边坡是指地壳表层一切具有侧向临空面的地质体.,2.分类:可以分为自然边坡:如:山坡,海岸,河湖岸等;人工边坡:如:路堑,矿坑,人工开挖基坑等;,边坡实况边坡滑移破坏,第一节边坡概念,第一节边坡概念,二.边坡特征1.边坡在内外营力作用下,不断的改变坡高和坡角,使内力分布随之而变化;2.自然斜坡破坏是山区重要的工程动力地质作用;3.人工边坡在水电,铁路,采矿等工程重造成巨大损失;4.边坡是一类环境地质灾害;,第一节边坡概念,三.边坡中应力分布,第一节边坡概念,1.斜坡中的应力分布状态(1)斜坡形成前，天然状态下岩土体内处于原始应力状态，自重应力,构造应力;主应力方向为铅直,水平状态;(2)形成斜坡后,侧向临空面产生卸荷回弹,引起主应力重新分布,集中;研究方法：数值模拟(有限单元)，光弹试验，模型试验(3)应力重分布分析:a.斜坡面附近的主应力轨迹明显发生偏转;b.最大主应力平行于坡面,而最小主应力则垂直于坡面,在坡面附近产生应力集中带，坡脚和坡肩应力集中明显;c.主应力发生偏转,坡体内的最大剪应力也发生变化,由直线状-凹向坡面的圆弧状;d.坡面处于二向应力状态,坡面处的径向应力实际为0;,第一节边坡概念,第一节边坡概念,2.影响斜坡应力分布的因素,第一节边坡概念,2.影响斜坡应力分布的因素(1)岩体初始应力状态的影响,主要是水平构造应力;(2)坡形的影响,如坡高和坡角等,W/H，坡面形态的凹凸;(3)岩土体的性质和结构,泊松比,结构面等，蠕动变形特性;,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,一.斜坡变形的类型1.拉裂:在局部拉应力和张力带内,形成张裂隙的变形形式2.蠕滑:岩土体沿局部剪切面向临控方向的缓慢剪切滑移.若贯通,则演变成滑坡.一般发生在坡体内.3.弯折倾倒:由陡倾板状岩石组成的斜坡,当走向与坡面平行时,在重力作用下所发生的向临空方向同步弯曲的现象.,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,二.斜坡破坏类型1.崩塌(1)特点:突然脱离母体,发生在高陡边坡的坡肩部位,质点位移SySx,在垂直方向运动为主;其无依附面,飞跃而下,规律复杂,爆发突然。(2)分类:从规模上,由坠石,山崩等;从物质成分上,由土崩,岩崩;(3)产生的机制：是由于动力学平衡条件被打破;,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,2.滑坡(1)特点:沿剪切面滑移,形成滑移面,有依附面存在;质点位移,SxSy;速度慢,规模大;具有整体性,破坏严重;斜坡破坏形式中分布最广，危害最严重的一种(2)机制:下滑力抗滑力,安全系数K45度;(4)风化作用:在风化营力作用下,裂隙加深;(5)地震:地震作用下,裂隙水作用;,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,3.运动特征质点位移,SxSy,在垂直方向运动为主,突然脱离母体;在悬崖处符合自由落体运动规律;其运动形式主要为跳跃和滚动,规律复杂,爆发突然,其动能形式:I-转动惯量,w-角速度;,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,四.滑坡1.形态要素其主要组成为滑坡体,滑坡床,滑动面(带),滑坡周界,滑坡壁,滑坡台阶,滑坡舌,滑坡裂隙等;,此外,还有一些滑坡标志:封闭洼地,滑坡鼓丘,滑坡泉,马刀树,醉汉林等.,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,2.识别滑坡识别是研究滑坡的最基础的工作。正在活动的滑坡形态要素清晰容易识别；老滑坡则因后期改造强烈难于识别。=找滑坡要素及特征实际滑坡调查：遥感信息、地面地质测绘、勘探试验其中航片上识别滑坡形态要素；地面地质测绘搜集滑动的证据勘探了解滑坡体的结构、岩石破碎程度、地下水位、滑动面（带）的位置。3.滑坡活动的阶段性总体上是动态变化的，往往具有周期性。每个周期的运动学特征可以概括为四个阶段：（1）蠕滑阶段变形阶段，斜坡内不连续剪切破坏面出现，持续时间长（2）滑动阶段滑动面贯通，前方出现剪出口，移动速率增大（3）剧滑阶段滑动速率迅速增大（4）稳定阶段滑动速率降低或停止,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,4.分类（1）按滑动面与岩层层面的关系分:均质滑坡,顺层滑坡,切层滑坡等（2）按滑坡始滑动部位分：推动式滑坡、牵引式滑坡、混合式滑坡、平移式滑坡（3）按岩土类型分类：基岩滑坡和土体滑坡,五.斜坡破坏后的运动特征（1）崩(坠)落块石的运动特征其运动方式随接受块石斜坡的坡度、坡形和性能不同而不同。研究表明(只有在坡度小于某一临界值(约27。)时，崩落体才停积于崖脚：随坡度增大，可分别表现为滑动、滚动、跳跃和自由崩落等方式，大部或全部被搬运至坡脚。（2）运动状态的“流体”化一定条件下，滑坡体或崩塌休可在继续运动过程中转化为“流体”状态，称“流体”化。主要表现为碎屑流、泥流或土爬、泥石(洪)流和浊流等。,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,碎屑流和泥流或土爬系指由滑坡体或崩塌体自身转化而成的流体。前者是一种高速散体状流体，后者则是一种速度不太大的塑性粘滞流。泥石(洪)流按其定义应属一种洪流。它总是与暴雨或山洪相联系，是在有足够酌外部水流(或降雨)参与下形成的一种高密度“流体”。我国1981、1982四川暴雨滑坡发生期间，有不少这样的实例。浊流)系指水下的高密度流或异重流，见于水下滑坡。滑入水中的滑坡或崩塌体，也可部分转化为浊流。,第二节斜坡变形破坏的类型和机制,泥石型,水石型,泥流型,坡面型泥石流,沟谷型泥石流,第三节影响滑坡稳定性的因素,一.影响因素分析主要可以分为三类:影响斜坡岩土体强度岩性、风化等影响斜坡的形状河流冲刷、人工开挖等影响斜坡内的应力状态堆载，爆破、地震、水压力等根据影响程度划分为二类：主导因素：岩土类型性质、地质构造和岩体结构、风化作用、地下水活动触发因素：地震、洪水、暴雨、堆载、人工爆破等。,第三节影响滑坡稳定性的因素,二.岩土体类型,性质坚硬岩土抗变形能力强，斜坡稳定粘性类土,黄土类土中发育较多,形成易滑组合;软弱地层常发生滑坡三.岩体结构和构造平叠坡顺向坡逆向坡横交坡斜交坡四.地形地貌主要发育在山地环境中;,第三节影响滑坡稳定性的因素,五.地下水作用主要考虑冲刷,软化,静水压力、动水压力、浮托力;六.地震地震主要产生山崩和滑坡;七.人类因素主要是人类工程经济活动,顺向层状体斜坡水动力学基本模型左：包气带季节变动带水动力型：（a）（b）间歇裂隙充水承压型（阴影曲线代表空隙水压力分布状况），（c）间歇下渗潜水型，（d）间歇潜水型；右：层间含水层水动力型:（a）弱循环承压型，（b）、（c）强循环承压型,第四节边坡稳定性评价,一.意义实行边坡稳定性评价,是为研究应力平衡,并提出有力的防治措施.二.自然历史分析法1.进行区域地质背景研究;2.分析促使斜坡变形破坏的主导因素和触发因素;3.预测斜坡所处的演化阶段和发展趋势,以及可能产生的破坏形式;,第四节边坡稳定性评价,三.力学计算法(解析计算和数值模拟)(一)对于土质斜坡稳定系数Fs=抗滑力/下滑力1）对无粘性土：2）对粘性土:(二）对单一结构面(三）对折线形结构面求取安全系数，判别稳定性(四）数值模拟,第四节边坡稳定性评价,(一)对于土质斜坡1)无粘性土土坡稳定性（1）干的及水下的无粘性土土坡（2）渗流作用下的无粘性土土坡2)粘性土土坡稳定性分析（1）瑞典圆弧法（2）瑞典条分法,1）无粘性土土坡稳定性（1）干的及水下的无粘性土土坡无粘性土的土坡稳定系数,渗透力,J产生的下滑力和法向力分别为,（2）渗流作用下的无粘性土土坡,hh1h2AAL,总渗透力,wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1-h2）A=whA,总渗透力（Seepageforce）,wh1A=wh2A+JJ=wh1A-wh2A=w（h1-h2）A=whA单位体积的渗透力j=J/AL=whA/AL=wI,j渗透力，KN/m3；I水力坡度；w水的重度，KN/m3渗透力为体积力,分析：1.当渗流顺坡时=,与干土相比降低1/2,分析：2.渗流方向水平时,与干坡相比降低了一半多,2）粘性土土坡稳定性分析,（1）瑞典圆弧法(Swedishcirclemethod)基本假定:均质粘性土坡滑动时,滑动面近似为圆弧形状,假定滑动面以上的土体为刚体,假定属于平面应变问题,原理:将滑动土体分成若干竖直土条,求各土条对滑动圆心的抗滑力矩和滑动力矩,各取其总和,计算安全系数。,简便法（Fellenius）,（2）瑞典条分法(Swedishslicemethod),（2）瑞典条分法(Swedishslicemethod),毕肖普法（Bishop）：假定土条间的作用力相等,第四节边坡稳定性评价,四.图解法1.图表计算法安全系数K=f(,H,.)2.图解分析法图解分析法以赤平投影为基础,通过对斜坡体结构面的大量调查统计,掌握了优势软弱结构面的产状特征,据以分析它们对斜坡稳定性的影响.五.类比法将所需要研究与设计的斜坡与已经研究与设计过的斜坡进行对比,解释和评介其斜坡稳定性,以确定坡高和坡角;通过类比,比较其相似性和差异性,必须全面了解和分析研究工程地质条件和影响斜坡稳定性的各项因素.六.实验法通过工程地质力学实验,进行斜坡稳定性评介.模拟其相似材料,几何形状,边界条件