第6章-边坡稳定性的工程地质研究

第六章边坡稳定性的工程地质研究,概述,边坡包括自然边坡和人工边坡两种类型。自然边坡：在自然地质作用下形成的山体斜坡、河谷岸坡、海岸陡崖等；人工边坡：人类工程活动形成的规模不同、陡缓不等的斜坡，例如道路工程中的工程中的路堑、路堤边坡，房屋、桥梁工程的基坑边坡，露天矿山的边坡，水电工程中的运河渠道边坡，船闸、溢洪道边坡、引水洞进、出口边坡、土石坝边坡及坝肩边坡等。,(1)通过勘察对边坡的稳定性做出评价和预测；(2)为设计合理的工程边坡和制定有效的防治措施提供地质依据。,边坡稳定性的工程地质分析意义：,概述,广西凤山山体崩塌,第一节边坡变性破坏的基本类型,边坡变形：指坡体只产生局部部位的位移和微破裂，岩块只出现微量的脚变化，没有显著的剪切位移或滚动，因而边坡不至引起整体失稳。边坡破坏：指坡体以一定的速度出现较大的位移，边坡岩体产生整体滑动、滚动或转动。二者在边坡变化过程中是相互密切联系的。边坡破坏前，边坡岩体总要经历一个从徐变到巨变的变形过程。常见的边坡变性破坏主要类型有：松弛张裂、蠕动、崩坍、倾倒、溃屈和滑坡。,松弛张裂是边坡的侧向应力削弱后，由于卸荷回弹而在斜坡上出现张裂的现象。随着河谷的进一步深切，则卸荷裂隙向深部发展，还可以产生与坡面大角度相交或近于垂直的剪切裂隙，卸荷裂隙由坡面向深部有时呈多层发育，在边坡形成松弛张裂卸荷裂隙带。,一、松弛张裂,第一节边坡变性破坏的基本类型,峡谷地区卸荷发育示意图,砂岩中的柱状节理（松弛张裂）,卸荷张裂,二、蠕动变形,蠕动变形，是指边坡岩体主要在重力作用下向临空方向发生长期缓慢的塑性变形的现象，有表层蠕动和深层蠕动两种类型。表层蠕动主要表现为边坡表部岩体发生弯曲变形，多是从下部未经变动的部分向上逐渐连续向临空方向弯曲，甚至倒转、破裂、倾倒。在塑性岩石较强的岩层中,如页岩、千枚岩、板岩、片岩等，表现为连续的弯曲变形。在脆性的岩层中，如砂岩、石英岩等，在弯曲过程中被拉断，层间错动，但层序不乱。当变形增大，发生坠落或倾倒破坏。表层蠕动多发生在陡倾层状岩层或陡倾结构面发育的岩体中，层面或结构面走向与斜坡面走向平行或交角很小。一般反坡向倾斜或倾角大于60者更易发生。,表层蠕动变形示意图,深层蠕动，是由于坚硬岩层组成的边坡底部存在较厚的软弱岩层时，由软弱岩层发生塑性流动而引起的长期缓慢的边坡蠕动变形。发生深层蠕动的软弱夹层常是泥化页岩、粘土岩、泥灰岩、凝灰岩及煤系地层等，上部脆性岩层多为石灰岩、白云岩、砂岩、玄武岩、流纹岩等。,第一节边坡变性破坏的基本类型,表层和深层蠕动是缓慢长期持续变形，但没有发生整体的、大范围和崩塌和滑坡。所以属于变形类型或处于变形阶段。但进一步发展，可导致边坡发生急剧的整体破坏，即滑坡或崩塌。,三、崩塌,1、定义：崩塌指在陡峭地段，边坡上部的岩体受陡倾裂隙切割，在重力作用下，突然以高速脱离母岩翻滚堕落的急剧变性破坏现象。2、类型：规模巨大的山区崩塌，称为山崩；小型崩塌，成为坠石。3、堆积体：崩塌以自由坠落为其主要运动形式，岩块在斜坡上翻滚滑动并相互摩擦破碎后堆积于坡脚，形成岩堆或崩积体。4、地貌：岩堆（倒石堆，倒石锥）,第一节边坡变性破坏的基本类型,盐池河崩塌,岩崩的形成机理,岩崩的形成机理，一般有下列三种。(1)边坡被陡倾裂隙深切，在外力及自重力的作用下逐渐向坡外倾斜、弯曲，陡倾裂隙被拉开，岩体下部因弯曲而被拉裂、折断，进而倾倒崩塌。(2)在坚硬岩层的下部存在有软弱岩层，当它发生塑性蠕变(塑性流动或剪切蠕变)时，则可导致上部岩层深陷、下滑、拉裂以至倾倒崩塌。(3)下部有洞穴或采空，岩体沉陷、陷落，将边部岩体挤出，倾倒崩塌。,坠石（风化后）,崩塌过程示意图,两种情况下的崩塌,崩落实例,滑坡是指边坡一部分岩体以一定加速度沿某一滑动面发生剪切滑动的现象。滑动面可以是受剪应力最大的贯通性剪切破坏面或带，也可以是岩体中已有的软弱结构面。按滑动面的形态，可划分为圆弧形滑面和平面两种类型。,四、滑坡,第一节边坡变性与破坏的类型,1.滑坡的形态及特征,滑坡特征示意图,2003年7月13日三峡库区沙镇溪发生千将坪滑坡，致使24人失踪。,滑坡壁,滑坡周界,2、滑坡分类,2、滑坡分类,（1）根据滑动面与岩层构造之间的关系分为：顺层滑坡。滑坡体沿岩层的层面或不整合面滑动。特别是大型滑坡和滑坡群集地区，常是沿软弱岩层或其层面滑动。如：瓦依昂水库滑坡、新滩滑坡。切层滑坡。沿节理、断层或其他与层面相切的软弱结构面滑动。常发生在节理裂隙发育、产状平缓或与斜坡呈反倾的岩层中，滑动面是折线或弧线。均质滑坡。在均质，无明显层理的岩体或土体中滑动。滑动面受最大剪应力控制，多呈圆弧形。,按滑动面与岩层构造关系及始滑部位划分的滑坡类型,（2）根据滑动的力学性质分为：推移式滑坡。上部失稳，推下部。多与上部增加荷载有关。牵引式滑坡。下部失稳，上部失去支撑下滑。多因坡脚遭受冲刷、挖掘破坏而引起。平移式滑坡。始滑部位是许多点，同时局部滑动，然后逐渐连接形成统一的滑动面。,2、滑坡分类,3、滑坡判断的标志,滑坡形成以后，常在地表形成地形地貌、岩性及岩土结构、水文地质条件等各种局部异常现象，根据这些异常现象即可判断滑坡体的存在与否。,1、地形地貌及地物标志；2、岩土结构特征；3、水文地质标志；4、滑坡边界及滑坡床标志。,滑坡体上的树木歪斜,像醉汉一样,东倒西歪,显示滑坡已滑动解体,树木茂密，形成大片马刀树，表示浅层滑移明显,内在因素：组成边坡岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等；外在因素：水的作用、地震、岩石风化、工程荷载条件及人工开挖等。内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素则使边坡的下滑力增大，岩土体的强度降低而消弱岩土体的抗滑力，促进边坡变性破坏的发生和发展。,4、影响滑坡稳定性的因素,（1）岩土类型和性质的影响,4、影响滑坡稳定性的因素,地层岩性的差异是影响边坡稳定的主要因素。1）深成侵入岩、厚层坚硬沉积岩以及片麻岩、石英岩等构成的边坡，一般稳定性较高；2）喷出岩边坡，如：玄武岩、凝灰岩、安山岩、火山角砾岩等，其原生节理（尤其是柱状节理)发育时，容易形成直立坡而产生崩塌；3）含有粘土质页岩、泥岩、煤层、泥灰岩、石膏等夹层的沉积岩边坡，最易产生顺层滑动，或因深层蠕动而造成崩塌；4）千枚岩、板岩及片岩，软弱易风化，容易出现蠕动现象；5）黄土具有垂直节理、疏松透水，浸水后容易崩解湿陷。6）崩积物、残坡积物。容易沿下伏基岩的接触面产生滑动。,（2）地质构造和岩体结构的影响,4、影响滑坡稳定性的因素,地质构造因素对边坡稳定性，特别是岩质边坡稳定性的影响是十分明显。1）在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性较差，常出现巨大型滑坡及滑坡群；2）断层、节理裂隙发育特征和岩体结构对边坡稳定的影响也是十分明显的，极易发生滑坡；3）岩层或结构面的产状对边坡稳定有很大的影响。,只有一组结构面顺向坡：a.结构面倾角（）坡角（），比较稳定。,图6-23顺向坡,只有一组结构面逆向坡：是稳定，一般不会形成滑坡。在切层的结构面发育时，才有可能形成折线破裂滑动面或崩塌破坏。,图6-23逆向坡,只有一组结构面斜交坡：交角越小，对边坡稳定的影响越明显。当交角小于40时，稳定性较好；当近于90直交时，横向坡，对稳定最有利。,有二组结构面有两组或更多的软弱结构面时，互相切割，形成各种各样的滑移体。若一组结构面产状陡倾，起切割作用，平缓构成滑动面；若二组结构面都陡倾，由另一组顺坡向产状平缓的结构面构成滑动面。,（3）水的作用的影响,4、影响滑坡稳定性的因素,地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，水的作用主要表现在：处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用；而不透水的边坡，坡面将承受静水压力，充水的张开裂隙也将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗流，将对边坡体产生动水压力；水对边坡岩土体还产生软化或泥化作用，使岩土体的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用；,（4）地震作用的影响,4、影响滑坡稳定性的因素,地震对边坡稳定性的影响较大。在地震的作用下，首先使边坡岩体的结构发生破坏或变化，出现新的结构面，或使原有结构面张裂、松弛，饱水砂层出现振动液化，地下水状态亦有较大的变化。在地震力的反复振动冲击下，边坡沿结构面发生位移变形，直至破坏。,（5）工程荷载的影响,如拱坝坝肩承受的拱端推力；边坡坡肩附近修建大型水工建筑物引起的坡顶超载；压力隧洞内水压力传递给边坡的裂隙水压力；库水对库岸的浪击淘刷力；预应力锚固时所加的预应力等。由于工程的运行，也可能间接地影响边坡的稳定。除上述因素外，坡脚人工开挖、爆破影响、岩体风化作用，引水渠道的修建，黄土湿陷等，均可引起边坡的变形与破坏。,第二节边坡稳定性的评价方法,边坡稳定性的工程地质评价方法可概括为地质分析法（历史成因分析法）、力学计算法（包括极限平衡法、有限单元法和图解分析法）和工程地质类比法。,(1)对与工程建设有关的天然边坡或人工边坡的稳定性做出定性和定量评价；(2)为设计合理的人工边坡和边坡变性破坏的防治措施提供依据。,边坡稳定性的工程地质评价任务：,第二节边坡稳定性的评价方法,边坡稳定分析前应具备资料：地形和地貌特征；地层岩性和岩土体结构特征；断层、裂隙和软弱层的分布、产状、充填物质以及结构面的组合与连通率；边坡岩体风化、卸荷深度；各类岩土和潜在滑动面的物理力学参数以及岩体应力；岩土体变形监测和地下水观测资料；坡脚淹没、地表水位变幅和坡体透水与排水资料；降雨历时、降雨强度和冻融资料；地震基本烈度和动参数；边坡施工开挖方式、开挖程序、爆破方法、边坡外荷载、坡脚采空和开挖坡的高度和坡度等。,第二节边坡稳定性的评价方法,一、地质分析法,地质分析法是根据边坡的地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势和边坡变形破坏方式，对边坡的稳定性作出定性评价。对发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。大致包括以下内容：1）根据边坡的地貌形态演变预测和评价边坡的稳定性；2）根据地层岩性、地质构造等地质条件分析边坡变性破坏的形式；3）根据边坡变形体的外形和内部变形迹象判断边坡的演变阶段；4）根据周期性规律判定促进边坡演变的主导因素；5）边坡稳定性的区域性评价。,第二节边坡稳定性的评价方法,二、常规力学法计算,土质边坡以极限平衡理论为基础计算土坡的稳定性，常见的方法有瑞典条分法、毕肖普法、泰勒摩擦圆法等，这些方法计算土坡的稳定性，假定边坡破坏时的滑面形态为圆弧形（圆柱面形），通过试算或根据经验找出最危险滑动圆弧的中心。边坡的稳定关系数K的定义为：沿圆弧形滑面的抗滑力和滑动力对滑弧圆心的力矩之比。,第二节边坡稳定性的工程地质评价方法,岩质边坡首先弄清楚边坡滑体的边界条件（滑动面、切割面、临空面）；而后根据结构面的产状及组合情况，把边坡岩体的滑动破坏划分为：同倾向单滑面型、同倾向双滑面型和多滑面型、不同倾向双滑面型和多滑面型；根据不同的滑动破坏类型进行分析，前三类可采用极限平衡理论按平面问题分析，后两者被滑动面切割成形状复杂的楔形，需要配合赤平投影法和实体比例投影法，按空间课题分析或采用块体矢量分析法。风化破碎的裂隙岩体可按圆弧形滑动面，与土坡稳定分析相同。,二、常规力学法计算,极限平衡法、数值计算法、破坏概率法,1.极限平衡计算方法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。,二、常规力学法计算,1、极限平衡理论计算法,（一）滑动面为一平面时的计算抗滑力：Gcostg+cL；下滑力：Gsin安全系数：G=hLcos/2代入上式：未考虑水压力,边坡稳定计算剖面图,（二）滑动面为折线时的计算,滑动面为折线的滑坡剖面图,1、极限平衡理论计算法,滑动面为折线的滑坡剖面图,1、极限平衡理论计算法,滑动面为折线的滑坡剖面图,E2=KG2sin2-G2cos2tg2-c2L2+E11cos(1-2)-E11cos(1-2)tg2,1、极限平衡理论计算法,按上述步骤依次算到最后一步，若Em0，斜坡稳定；若Em0，斜坡不稳定。此时斜坡需要一个Em的推力保持稳定。在各段计算中，如果En出现负值，则不再向下一段传递，即计算下一段为0，因为岩体不能传递拉力，这样处理也是安全。,1、极限平衡理论计算法,（三）边坡稳定计算中，c的确定对尚未滑动过的滑面，可取峰值强度；对已滑动过的滑体，则应采取残余强度或原状试样滑面重作剪切试验。具体如下：1.采用原状样滑面重合剪切的抗剪试验指标。2.采用残余抗剪强度试验指标。按照常规的剪切试验将试样剪断后，在原剪切面上再进行重复的多次剪切试验。多次剪切试验以后，粘聚力降低很多，在46次后稳定；内摩擦角变化不大。,1、极限平衡理论计算法,2、赤平极射投影法,（一）赤平极射投影的原理利用一个球体作为投影工具，球心赤道面作为投影面，将球面上的任一点、线、面，以下极（上极）作为投影点，投影到持平面上（1）点的投影,（2）线的投影OM线段的长度随夹角的大小变化：=0，OM=OW=90，OM=0,2、赤平极射投影法,（3）面的投影NS的方向代表走向MO的方向代表倾向OM的长度反应倾角。,2、赤平极射投影法,（二）赤道极射投影的制图方法及阅读已知一结构面的走向为NE40，倾向SE，倾角40。同理，已知一结构面的投影图，则判读其走向，倾向，倾角。,吴氏投影网,2、赤平极射投影法,A,C,A,C,A,C,（1）软弱面与斜坡面走向相同、倾向相反时，斜坡投影弧位于软弱面投影弧的对侧，属稳定结构。（2）软弱面与斜坡面走向相同、倾向相同时，且，斜坡投影弧位于软弱面投影弧之外，属基本稳结构。（4）软弱面与斜坡面走向相交、当交角40时，可视作基本稳定结构；当交角40时，可按软弱面与斜坡平行的情况考虑。,2、赤平极射投影法,（三）用赤平投影法分析边坡稳定性（二组结构面）（1）岩体滑动方向的分析。先做出两组软弱面的赤平面投影图，标出它们的倾向线和软弱面的交线。a.若交线在两倾向线之间，则交线为滑动方向，两组软弱面都是滑动面。,2、赤平极射投影法,b.若交线在两个倾向之外，AO是滑动线，沿软弱面J1的倾向线滑动，J2仅起切割作用。c.若交线与一根倾向线重合，重合是滑动方向（BO），J1的倾向与交线的交角较大，J1面倾角较陡，起切割面作用，J2是滑动面。,2、赤平极射投影法,（三）用赤平投影法分析边坡稳定性（二组结构面）（2）滑动的可能性分析a.最稳定条件两组软弱面交点在边坡投影弧的另一侧，软弱面的组合交线倾向坡里。b.稳定条件软弱面交点与坡面在同一侧，但在开挖面投影弧内侧。,2、赤平极射投影法,（2）滑动的可能性分析c.较不稳定条件软弱面交点落在天然边坡投影弧外侧，说明软弱面较边坡平缓，但在坡顶面上无出露点。如无陡倾裂隙切割，则尚比较稳定；如有，则不稳定。,2、赤平极射投影法,（2）滑动的可能性分析d.较不稳定条件软弱面交点落于人工开挖边坡及天然边坡投影弧之间。若在坡顶面出露点C距开挖坡面较远，软弱面在开挖边坡上不出露插于坡角以下，有利于稳定。e.不稳定条件软弱面交点落于两个边坡投影弧之间，而且交线在开挖坡面和顶面都有出露（C及C）。,2、赤平极射投影法,三、工程类比法,对已有边坡破坏现象进行仔细的调查基础上，了解其形成原因、影响因素，发展规律等。与需进行稳定性分析边坡对比，得出稳定性分析和评价。,第三节防治边坡变形破坏的工程措施,防治目标：是减灾、防灾、保护环。防治原则：以防为主，治理为辅。应该把防灾贯穿到工程建设的各个环节，在工程规划选址、设计、施工各阶段均应注重防灾减灾。例如灾害预测及危险性评估正体现了这一原则。,一、崩塌防治,主动防护技术：锚固、支撑、封填、灌浆、勾缝、排水、清除等增强其稳定性、消除其失稳下落的可能性。被动防护技术：可分为刚性和柔性防护两种。刚性系统包括拦石墙、拦石堤、拦石栏栅、棚洞等；柔性防护包括拦石网、导石网、棚架等。防治危岩落石失稳后造成危害。主被动联合防护技术。,主动防治技术刚性系统,被动防治技术柔性系统,万州太白岩危岩带拦石网,拦石网分级设置,主动防护支撑加固,主动防护支撑加固,主动防护支撑加固,防治指的是预防与治理两方面：滑坡预防：指的是滑坡灾害没有产生以前，人们已经了解其存在的危险性和危害性，并采取相应的措施加以防范，使滑坡损失降至最小程度。预防是以勘察分析、预测预报、动态监测为基础，同时提出有效的预防措施及相应的设计施工工作。滑坡治理：指的是对潜在不稳定体采取有针对性的工程措施，确保其稳定，从根本上消除隐患。治理是一项工程，它包括对灾害体的勘察、评价，提出经济合理的工程措施，并付之实施。,1防预措施：（1）绕避：改线（2）防渗与排水：地表排水：排水沟、坡面防渗地下排水：盲沟、排水洞、排水孔（3）拦截：拦石墙（4）监测预警,二、滑坡防治措施：（1）