8斜坡变形破坏工程地质研究xin

第八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分布特征第三节斜坡变形破坏的类型第四节崩塌第五节滑坡第六节影响斜坡稳定性的因素第七节斜坡稳定性评价方法第八节斜坡的预测预报第九节斜坡变形破坏的防治山体滑坡峨眉山山体滑坡正在抢修中国重庆市武隆县发生山体滑坡性地质灾害的现场。此次滑坡产生土石方二万余立方米，由于山体中发生风化，加上大量雨水浸泡，诱发了山体一侧突然发生滑坡灾害。延安宝塔面临滑坡威胁建成后的坡间挡土墙垮塌的重力式挡墙垮塌的护坡挡墙失稳的立交桥加筋土挡土墙第一节概述斜坡：指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体。可分为自然斜坡和人工边坡两种。自然斜坡：在一定地质环境中，在各种地质营力作用下形成和演化的自然历史过程的产物，如山坡、海岸、河岸等。人工边坡：由于人类某种工程经济目的而开挖的，往往在自然斜坡基础上形成，其特点是具有较规则的集合形态。如：路堑、露天矿坑边帮、运河（渠道）边坡等。斜坡要素：坡高、坡体、坡角、坡面、坡脚、坡顶面、坡底面等各项要素。斜坡的变形破坏斜坡在各种内、外地质营力作用下，不断地改变着坡高和坡角，使坡体内应力分布发生变化。当组成坡体的岩土体强度不能适应此应力分布时，就产生了斜坡的变形破坏作用。尤其是大规模的工程建设，使自然斜坡发生急剧变化，斜坡的稳定程度也变化极大，往往酿成灾害。斜坡的变形破坏，实质上是由斜坡岩土体内应力与其强度这一对矛盾的发展演化所决定的。自然斜坡的变形破坏，是山区主要的工程动力地质作用。自然斜坡由于人类工程、经济活动而产生的斜坡破坏往往是灾难性的。人工边坡变形破坏，见诸于报道的主要是水利水电工程边坡、铁路路堑和露天采坑边帮的失稳。斜坡岩(土)体稳定性的工程地质分折涉及两个方面的任务。一方面要对斜坡的稳定性作出评价和预测；另一方面要为设计合理的人工边坡以及制定有效整治措施提供依据。崩塌、滑坡名称发生日期方量（104m3）运动速度最大运动距离（m）死亡人数斜坡类型①诱发因素盐池河崩塌（湖北）1980.6.310034m/s（最大值）400284平缓层状，软弱基座地下采矿铁西滑坡（四川，成昆线）1981.7.82204m/h(平均值）70中倾外层状体，老滑体局部复活地面采石渡口灰岩矿山滑坡（四川，攀枝花）1981.6.104165.5m/min（平均值）220中倾外层状体斜坡地面采石四川盆地西部暴雨滑坡1981.7月，9月数百个，单个滑坡方量大多小于100万m35m/s±100±约10人多种类型层状体斜坡暴雨（数十年一遇，暴雨强度＞200mm/d）鸡扒子滑坡（四川，长江云阳）1982.7.2415003－10m/min150－200变角倾外层状体斜坡，老滑坡局部复活暴雨洒勒山滑坡－碎屑流（甘肃）1983.3.73000－400032m/s（最大值）900237平缓层状体斜坡新滩滑坡（湖北，长江新滩）1985.6.12300010m/s80老滑坡复活马家坝滑坡（湖北，姊归）1986.7.162400中速数十米缓倾外层状体斜坡，老滑坡复活暴雨西宁滑坡－碎屑流（四川，巫溪）1988.1.1070018－50m/s80026倾内层状体斜坡，软弱基底溪口滑坡－碎屑流（四川，华蓥山）1989.7.102020－30m/s1500221倾内层状体斜坡暴雨昭通滑坡－碎屑流（云南，金沙江支流）1991.9.231500－200075m/s（平均）4500216倾外层状斜坡暴雨我国80年代重大崩、滑灾害事件第二节斜坡中的应力分布特征斜坡中的应力分布特征决定了斜坡变形破坏的形式和机制，对斜坡稳定性评价和合理防治措施也有一定意义。所以首先要研究斜坡形成后坡体中应力分布的特征。斜坡中应力状态的变化天然岩土体中应力分布是比较复杂的，除普遍存在的自重应力外，有时还有构造应力、热应力、地下水应力等。一般认为：当仅存在自重应力的情况下．未形成斜坡前岩土体中的主应力（初始应力）是呈铅直与水平状态的，即铅直应力为最大主应力，水平应力为最小主应力，此时岩土体内的最大剪应力与最大、最小主应力多呈45°交角。在斜坡形成过程中，由于侧向临空面的产生，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。根据弹性力学有限单元分析和光测弹性试验，均可确定坡体在尚未发生明显变形或破坏之前的应力状态。图8－2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）(1)无论什么样的天然应力场．斜坡面附近的主应力迹线均明显偏转，表现为愈接近坡面，最大主应力愈与之平行，而最小主应力与之近乎正交，向坡体内逐渐恢复初始状态。(2)由于应力分异结果，在坡面附近产生应力集中带。不同部位应力状态是不同的。在坡脚附近，最大主应力（表现为切向应力）显著增高，而最小主应力（表现为径向应力）显著降低，甚至可能为负值。由于应力差大，于是形成了最大剪应力增高带，最易发生剪切破坏。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）．形成一张力带。当斜坡愈陡则此带范围愈大。因此坡肩附近最易拉裂破坏。（3）由于主应力偏转，坡体内的最大剪应力迹线也发生变化．由原来的直线变为凹向坡面的圆弧状。（4）坡面处的径向应力实际为零，所以坡面处处于二向应力状态。二、影响斜坡应力分布的因素1、岩体初始应力分布的因素2、坡形的影响3、岩土体性质和结构的影响1、岩体初始应力分布的影响主要指的是水平构造应力存在的影响。水平构造应力能使斜坡应力集中和分异现象加剧，它对斜坡坡肩附近张力带的发展影响尤为明显。水平构造应力值越大，则影响越大。在新构造运动强烈的地区，岩体中常存在较大的水平构造应力，对斜坡稳定性的影响是不容忽视的。2、坡形的影响坡高：不改变坡体中应力等值线的图形，但坡高越大，应力值越大。坡角：坡角大小可以改变斜坡中应力分布的图象，坡脚附近的剪应力带和坡肩附近的张应力带，其范围和量值随着坡角增大而增大，也就是说，陡峻的斜坡更易发生变形破坏。坡底宽度：坡底宽度的影响可以用W/H值来表征。随着W/H值的减小，坡脚的剪应力增大。实际资料表明，当W≥0.8H时，这种影响就减弱，以至不发生变化了。所以W/H值很小的高山峡谷地带，坡脚剪应力集中现象是非常明显的，尤其当水平构造应力较大时，由于水平挤压力的作用，坡脚附近应力集中带极强，更易发生斜坡变形破坏。斜坡平面形态：可分为平直形、内凹形和外凸形等。一般说，内凹形斜坡由于其两侧的支撑作用，应力条件较好，即坡脚的剪应力较小，所以露天采坑的平面形态大多是椭圆形的，且其长轴尽量平行于最大水平地应力方向。3、岩土体性质和结构的影响（1）弹性模量：对均质坡体应力分布影响不大。（2）泊松比：一定程度上影响坡体应力分（3）结构面：对坡体应力分布的影响明显，因为结构面的存在使坡体中应力分布出现不连续现象，在这些面的周边成为应力集中带或发生应力阻滞现象。第三节斜坡变形破坏的类型斜坡的变形与破坏，可以说是斜坡发展演化过程中两个不同的阶段，变形属量变阶段，而破坏则是质变阶段，它们是一个累进破坏过程。变形以坡体中未出现贯通性破坏为特点，破坏是在坡体中已形成贯通性破坏面，并由此以一定速度发生位移为标志。这个过程对天然斜坡来说时间往往较长，而对人工边坡来说时间则较短暂。一、斜坡变形斜坡变形按其机制可分为拉裂、蠕滑和弯折倾倒。1、拉裂拉裂：在斜坡岩土体内拉应力集中部位或张力带内，形成的张裂隙变形型式称拉裂。发生部位：这种现象在由坚硬岩土体组成的高陡斜坡坡肩部位最常见，往往与坡面近乎平行，尤其当岩体中陡倾构造节理较发育时，拉裂将沿之发生、发展。空间分布特点：上宽下窄、以至尖灭，由坡面向坡里逐渐减少。卸荷裂隙：因岩体初始应力释放而发生的卸荷回弹所致的拉裂为卸荷裂隙。拉裂的危害性：岩土体完整性遭到破坏，为风化营力深入到坡体内部以及地表水、雨水下渗提供了通道，对斜坡稳定极为不利。2、蠕滑：蠕滑：斜坡岩土体沿局部滑移面向临空面方向的缓慢剪切变形。发生部位：在均质岩土体中一般受最大剪应力迹线控制；当存在软弱结构面时，往往受缓倾坡外的弱面控制；深层蠕滑：当斜坡基座由很厚的软弱岩土体组成时，则坡体可能向临空面方向塑流挤出，称为深层蠕滑。滑坡：当坡体内各局部剪切面（蠕滑面）贯通，且与坡顶拉裂隙也贯通时，即演变为滑坡。蠕滑往往不易被人们察觉，因为它不像拉裂变形那样暴露于地表，一般均产生于坡体内。所以要加强监测，并采取措施控制蠕滑，使之不向滑坡方向演化。3、弯折倾倒弯折倾倒：由陡倾板（片）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面方向同步弯曲的现象。特征：弯折角约20°-50°，弯折倾倒程度由地面向深处逐渐减小，一般不会低于坡脚高程；下部岩层往往折断，张裂隙发育，但层序不乱，而岩层层面间位移明显；沿层面产生反坡向陡坎。发展过程：如图8-7机制：相当于悬臂梁在弯矩作用下所发生的弯曲。二、斜坡破坏斜坡破坏型式：崩塌和滑坡。崩塌滑坡概念斜坡岩土体被陡倾的拉裂面破坏分割，突然脱离母体而快速位移、翻滚、跳跃和坠落下来，堆于崖下。斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象。规模大的如山崩，小规模如坠石很大，达数亿至数十亿立方米特征发生在高陡斜坡的坡肩部位；质点位移矢量铅直方向较水平方向要大得多；崩塌发生时无依附面；往往突然发生，运动快速。是较深层次的破坏，滑移面深入到坡体内部以至坡脚以下；质点位移矢量水平方向大于铅直方向；有依附面存在；滑移速度往往较慢，且具有“整体性”。崩塌滑坡第四节崩塌崩塌是斜坡破坏的一种型式。它对房屋、道路等建筑物常带来威胁，酿成人身安全事故。尤其对交通线路的危害最严重，我国宝成、成昆、襄渝铁路和川藏公路沿线崩塌灾害常影响线路的正常运营。因此，对崩塌的形成和运动学特征需很好地进行研究。崩塌一、崩塌的形成条件1、岩性条件2、构造条件3、地形条件4、风化作用的影响5、其他触发因素1、岩性条件：崩塌一般发生在厚层坚硬脆性岩体中。组成这类岩体的岩石有砂岩、灰岩、石英岩、花岗岩等。这类岩体能形成高陡的斜坡，斜坡前缘由于应力重分布和卸荷等原因，产生长而深的张裂缝，并与其他结构面组合，逐渐形成连续贯通的分离面，在触发因素作用下发生崩塌。此外，近于水平状产出的软硬相间岩层组成的陡坡，由于软弱岩层风化剥蚀形成凹龛或蠕变，也会形成局部崩塌。2、构造条件：构造节理和成岩节理对崩塌的形成影响很大。硬脆性岩体中往往发育有二组或二组以上的陡倾节理，其中与坡面平行的一组节理常演化为拉张裂缝。当节理密度较小，但延展性、穿切性较好时，常能形成较大体积的崩塌体。此外，大规模的崩塌经常发生在新构造运动强烈、地震频发的高山区。3、地形条件：崩塌一般发生在高陡斜坡的前缘。发生崩塌的地面坡度往往大于45°，尤其是大于60°的陡坡。地形切割越强烈、高差越大，形成崩塌的可能性越大，并且破坏也越严重。4、风化作用的影响：对崩塌形成有一定影响，因为风化作用能使斜坡前缘各种成因的裂隙加深加宽，对崩塌的发生起催化作用。此外，干旱、半干旱气候区，由于物理风化强烈，导致岩石机械破碎而发生崩塌，高寒山区的冰劈作用也有利于崩塌的形成。5、其他触发因素：短时的裂隙水压力，地震或爆破震动等触发因素，尤其是强烈的地震，常可引起大规模崩塌，造成严重灾祸。软硬岩层互层，软岩风化引起崩塌节理与崩塌的关系崩塌前的甑子岩崩塌时的甑子岩危岩体长江三峡链子崖危岩体崩塌体堰塞湖溢洪道堰塞湖二、崩塌的运动学特征崩塌运动学特征的研究，对进一步研究它的破坏力和防治对策有一定意义。崩塌的运动学参数是必不可少的数据，这里主要讨论两个问题，即崩塌块体的破坏力（能量）有多大？崩落有多远？崩塌运动特点：质点位移中垂直分量大大超过其水平分量，而且崩塌体完全与母体脱离。1、速度大小在悬崖峭壁情况下，块体位移服从自由落体运动规律，即gHv2当坡角小于90°且为单斜坡，其运动速度为KctggHv12若式中则,2,1gKctgHv若斜