04斜坡工程

第五章斜坡工程5.1概述5.2斜坡中的应力分布特征5.3斜坡浅表生改造现象5.4斜坡变形破坏基本类型5.7斜坡地质灾害防治5.5斜坡稳定性影响因素5.6斜坡稳定性评价第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程第五章斜坡工程坡底面坡面坡肩坡坡顶面坡体坡高（H）坡角（β）脚斜坡（广义）：是地表广泛分布的一种地貌形式，指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体。斜坡基本形态要素：坡体、坡高、坡角和坡面、坡顶面、坡肩、坡脚、坡底面等。5.1概述第五章斜坡工程天然斜坡：是指赋存在一定地质环境中受各种地质营力作用而演化的自然产物，未经人工改造，如沟谷岸坡、山坡、海岸、河岸等。长江宜都段发生河岸崩滑2008年4月6日第五章斜坡工程人工边坡：是指由于某种工程活动而开挖或改造形状的斜坡，如路堑、露天矿坑、渠道边坡、基坑边坡、山区建筑边坡等。第五章斜坡工程人工边坡：是指由于某种工程活动而开挖或改造形状的斜坡，如路堑、露天矿坑、渠道边坡、基坑边坡、山区建筑边坡等。第五章斜坡工程人工边坡：是指由于某种工程活动而开挖或改造形状的斜坡，如路堑、露天矿坑、渠道边坡、基坑边坡、山区建筑边坡等。第五章斜坡工程人工边坡：是指由于某种工程活动而开挖或改造形状的斜坡，如路堑、露天矿坑、渠道边坡、基坑边坡、山区建筑边坡等。2009年3月19日13时许，青海省西宁市商业巷南市场改造工程一建筑工地发生基坑边坡坍塌事故，8名施工人员遇难第五章斜坡工程应力：物体由于外因（受力等）而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置回复到变形前的位置。应力会随着外力的增加而增长，对于某一种材料，应力的增长是有限度的，超过这一限度，材料就要破坏。对某种材料来说，应力可能达到的这个限度称为该种材料的极限应力。极限应力值要通过材料的力学试验来测定。将测定的极限应力作适当降低（安全系数），规定出材料能安全工作的应力最大值，这就是许用应力。第五章斜坡工程“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（临空面）的缓慢或快速运动。变形破坏的过程：斜坡在内、外地质营力作用下，形态要素（坡形）发生变化，改变坡体内应力分布状态，岩土体不能适应此应力状态时，就发生斜坡的变形破坏现象。斜坡变形破坏的实质是：由斜坡体岩土体内应力与其强度（抗剪）这一对矛盾的发展演化所决定的。人工边坡变形破坏主要是由于土木、水利、交通、矿山等基本工程建设中的地面和地下开挖造成的事故和灾害。第五章斜坡工程5.2斜坡中的应力分布特征——决定斜坡变形的破坏形式和机制H135.2.1斜坡中应力状态的变化原始应力状态：最大剪应力与最大最小主应力呈45°夹角：σ2（στ）铅直应力为最大主应力：σ1水平应力为最小主应力：σ3变形破坏过程中，侧向临空面的产生，坡面附近的岩土体发生卸荷回弹，引起应力重分布和应力分异、应力集中等效应。根据弹性力学和光测弹性试验，得出斜坡未发生变形破坏之前的应力状态，主要有4个特征：第五章斜坡工程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σ1与之平行，最小主应力σ3与之近乎正交，向坡内逐渐恢复到初始状态。2）应力分异产生应力集中带：坡面尤其是坡脚，最大主应力（表现为切向应力）显著提高，最小主应力（表现为径向应力）显著降低，甚至为负值。由于应力差异大，于是形成了最大剪应力增高带，易发生剪切破坏。在坡肩附近，在一定条件下坡面的径向应力和坡顶的切向应力可转化为拉应力（应力值为负值），形成一个张力带。因此，坡肩附近最易拉裂破坏。斜坡坡度余陡，则此带范围愈明显。1第五章斜坡工程4）由于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。这也正是均质岩土体中斜坡破坏面常呈圆弧状的原因。3）坡面处由于侧向压力趋于零，实际上处于二向受力状态，而向坡内逐渐变为三向受力状态。第五章斜坡工程5.2.2影响斜坡应力分布的因素1）初试应力状态（水平构造应力σL）水平构造应力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坡肩张力带的影响最大。第五章斜坡工程2）坡形①坡高：不改变应力等值线图象，但应力值随坡高↑而线性↑。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（见上图）。第五章斜坡工程2）坡形③坡底宽度：当W0.8H时，坡脚的剪应力随着Ｗ/Ｈ值的减小而增大。当W0.8H时，则保持为一常值（称为“残余坡角应力”）.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。第五章斜坡工程3）岩土体性质和结构特征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增大，坡面和坡顶的张力带逐渐扩展，而在坡底则反之，增大，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滞。第五章斜坡工程3）岩土体性质和结构特征土的变形模量是通过现场载荷试验求得的压缩性指标，即在部分侧限条件下，其应力增量与相应的应变增量的比值。能较真实地反映天然土层的变形特性。其缺点是载荷试验设备笨重、历时长和花钱多，且深层土的载荷试验在技术上极为困难，故常常需要根据压缩模量的资料来估算土的变形模量。横向应变与纵向应变之比值称为泊松比，也叫横向变性系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。第五章斜坡工程5.3斜坡浅表生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是密切相联系的，实质上是一个卸荷过程，即可称之为“浅表生改造”。可细分为表生改造和浅生改造两类：“表生构造”：地表浅层圈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的变形破坏。“浅生改造”：在地貌近期改造和演化的过程中，地表浅层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变形的破裂过程。第五章斜坡工程5.3.1斜坡浅表生结构面发育特点1）应力分异破裂（结构）面这是斜坡形成过程中因应力分异所造成的一类变形破裂结构面。它与岩体在拉应力、压应力和剪应力条件下的变形破裂面是相当的。按应力分异后的受力状况和破裂机制可分为拉裂面（图5-7中1）、压致拉裂面（图5-7中2~3）和剪裂面（图5-7中4）三类。第五章斜坡工程2）差异回弹破裂（结构）面这是斜坡形成过程中因差异回弹所造成的一类变形破裂结构面。也可按破裂机制分为拉裂面和剪裂面（图5-7中5-7）。其中，拉裂面是大体平行临空面的卸荷拉破裂面（图5-7中8），它与应力分异型的压致拉裂面（图5-7中2、3）往往是相互联系或共生的；差异回弹剪裂面可有多种表现形式，如平缓层状体斜坡中沿平缓软弱结构面产生的差异回弹剪裂面（图5-7中5、6），陡倾坡内层状体斜坡差异回弹造成的剪裂面（图5-7中7）等。第五章斜坡工程5.3.2斜坡浅表生改造带应力场特征平硐平硐A1A2应力降低区BA2A1应力增高区原始应力区σ=驼峰式应力分布区σ0σσσσ00σC第五章斜坡工程如上图，高地应力峡谷区，最大主应力与峡谷走向近于正交，岸坡的应力场特征由坡面向深部呈现如下应力重分异变化：——应力降低带A1（相当于卸荷、风化）——应力增高带A2（弱风化岩体，紧密挤压）——应力波动带B（早期浅生改造带，应力值随深部裂隙缝带的距离而波动）——应力平稳带C（与原始应力场相当）。在河谷底部产生明显的高应力包现象，即在河谷底的浅部应力降低区以下，出现一个由于谷底应力集中所导致的局部地应力高度集中范围。第五章斜坡工程5.4斜坡变形破坏基本类型“斜坡的变形”：斜坡应力状态的变化，使原有的平衡被打破，局部应力集中超过了该部位岩体的容许强度，引起局部剪切错动、拉裂并出现小位移，但还没有造成整体性的破坏，这就是斜坡的变形。“斜坡的破坏”：当斜坡变形进一步发展，破裂面不断扩大并互相贯通，使斜坡岩土体的一部分分离开来，发生较大位移，这就是斜坡的破坏。斜坡变形是斜坡破坏的准备，而斜坡破坏则是斜坡变形的结果。第五章斜坡工程5.4.1斜坡变形1）拉裂定义:斜坡岩土体在局部拉应力集中部位和张力带内，形成的张裂隙变形形式。坚硬岩土体组成的高陡斜坡坡肩部位最常见，多与坡面近于平行。特点：上宽下窄，直至尖灭。第五章斜坡工程随着河谷的深切，卸荷裂隙逐渐向深部发展，从而引起裂隙顶部的累计变形越来越大。在块状岩层地区(例如花岗岩区)，有时卸荷裂隙呈多层状发育，而在斜坡坡面及坡脚处形成卸荷带。卸荷带向坡体内的发育宽度与斜坡岩性和岩体有关，此外还受边坡状态和初始应力状态的控制。斜坡愈高愈陡，水平地应力愈大，裂隙愈发育；有时卸荷带发育宽达100m，自地表向下的发育深度可达100m以上。卸荷回弹或岩体初始应力(地应力)释放产生拉裂当斜坡的侧应力削弱后，由于卸荷回弹或水平地应力释放而形成张裂面，通常称为卸荷裂隙。第五章斜坡工程因蠕滑形成局部应力集中产生拉裂在斜坡坡体中存在有软弱结构面时，斜坡常沿该面有蠕滑趋势。在平行于坡面的最大主应力σ1作用下，沿缓倾角软弱面两侧产生张开裂隙(左图)。这样逐步向上发展，就会慢慢形成由平缓的软弱面与陡倾的张裂面组成的阶梯状变形裂面(右图)。第五章斜坡工程危害：斜坡岩土体的拉裂，使其原有的整体性和连续性受到破坏，强度降低；为雨水、地下水的渗入、运移提供了通道，使坡体进一步松弛，拉裂面逐渐扩展与其它结构面形成贯通性破裂面，使斜坡产生各种不同形式的破坏。拉裂本身虽仅是一种变形，但却为斜坡破坏创造了条件。大规模的斜坡破坏无不与拉裂面的发育有关。第五章斜坡工程2）蠕滑定义：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。①受最大剪应力面（或迹线）控制的剪切蠕滑（均质岩土体）实线-主应力迹线虚线-最大剪应力迹线第五章斜坡工程岩体中常含有各种软弱结构面，如节理、断层、软弱夹层等。当这些结构面近水平或倾向坡外时，斜坡蠕动变形常易沿之发生。这类变形其进程取决于该结构面的产状与特征。当局部地段上覆坡体的下滑力达到或超过该面的实际抗滑阻力时，即出现一系列小的剪裂，逐步产生缓慢蠕动。②受软弱结构面控制的滑移（断层中的夹层）第五章斜坡工程②受软弱结构面控制的滑移（断层中的夹层）葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑剖面图1-基岩面线；2-第一年基坑开挖线；3-第二年基坑开挖线；4-原地面线；14、17、28、29、35为大口径钻孔编号；212、214、215、218为软弱夹层编号第五章斜坡工程如长江葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑即属此类。葛洲坝工程坝基岩层为白垩系下统红色河流相碎屑岩，岩层产状近于水平，夹有多层粘土岩类软弱夹层。水轮机机窝开挖后形成高40～50m的基坑边坡，由于出观临空面水平地应力释放及卸荷回弹，使岩体松弛变形，沿各临空面的软弱夹层发生向基坑的蠕滑位移；开始位移较快，随着时间的延续，应力逐渐释放，位移趋于停止。一般来说这种卸荷型的蠕动总是十分缓慢的，是一种减速蠕变。第五章斜坡工程③受软弱基座控制的蠕滑-塑流由于斜坡基座具有较厚的软弱岩层，在上覆岩体的作用下，基座软岩受压，承载力不够，发生塑性变形，向临空方向或减压方向流动和挤出，引起斜坡的变形。基座软岩的挤出在侵蚀河谷和挖方地段最为常见。与前述蠕动形式不同的是，蠕滑和塑流不是沿一个统一的滑面，而是受整个软弱基座层控制。软岩基座通常为厚层粘土岩、泥灰岩、炭质页岩及煤系地层等；而斜坡则往往由坚硬厚层且裂隙发育的岩层构成，坡高而陡。如厚层砂岩、灰岩、玄武岩、流纹岩等组成的斜坡最易发生这类变形。第五章斜坡工程阿尔及尔由软