岩石高边坡学习总结

岩石高边坡学习总结岩石高边坡在我国的分布相当广泛，不论是自然滑坡、崩塌以及泥石流等地质灾害，还是人类工程活动引起的不稳定边坡灾害，都对经济建设和人民生命财产造成巨大损失。在水电站工程、铁道工程、公路工程等建设中，经常需要开挖高边坡。不同部门岩石工程高边坡类型及特点建议高边坡定义一般高边坡高度范围边坡及边坡工程特点水电系统100m人工：100-700m自然：100-1000m边坡高度大，地质结构及环境条件复杂，工程对边坡质量要求高，常需要保证永久稳定。矿山系统100m100-500m边坡高度大，地质结构较复杂,工程对边坡质量有一定要求,但通常考虑极限设计.铁道系统50人工：50-150m自然：100-300m边坡高度一般较大，地质结构及环境条件复杂，对边坡质量要求高，但通常要求线路快速通过。公路系统30m人工：30-80m自然：30-150m边坡高度一般较小,地质结构及环境条件相对简单,对边坡质量要求较高。城建系统15m人工：15-50m自然：15-100边坡高度小,地质结构及环境条件相对简单,对边坡质量要求高。一、岩石高边坡变破坏机理岩石高边坡变形破坏机理，是岩石高边坡稳定性评价的重要理论基础，同时，也是高边坡变形与稳定性控制的重要依据。根据黄润秋《中国岩石高边坡及其分析》，岩石高边坡的变形破坏机理可分为以下几类：（1）滑移-拉裂-剪断三段式机理所谓边坡变形-破坏的滑移-拉裂-剪断三段式模式是指边坡的变形破坏具有分三段发育的特征，即下部沿近水平或缓倾坡外（内）结构面蠕滑、后缘拉裂、中部锁段剪断，是一种受坡脚近水平结构面控制边坡的经典变形-破坏模式，也是我国大型高速滑坡发生的一类主要机理模式。可能的地质结构：（1）坡体主体由相对均质的脆性岩体或半成岩体构成，但坡脚发育近水平或缓倾坡外的结构面；（2）以坚硬岩体为主体，但夹有相对较薄的软弱夹层构成的互层状边坡。这类边坡的变形破坏的阶段性过程：（1）边坡形成过程中，由于坡体整体的卸荷回弹变形，从而驱动边坡沿坡脚的缓倾结构面发生回弹错动性质的表生改造，并在坡顶形成拉张应力区，出现后缘拉裂。（2）表生改造完成后，坡体在自重应力的长期持续作用和驱动下，沿缓倾角结构面发生持续的蠕滑变形，并导致坡体后缘拉裂的向下扩展，从而形成前缘的蠕滑段和后缘的拉裂段。随着蠕滑段和拉裂段的发展，它们之间的完整岩体就构成了边坡变形的“锁固段”。（3）当后缘拉裂加深到某一深度时，“锁固段”的应力积累将使这部分岩体进入累进性破坏阶段，并最终剪断锁固段岩体，发生突发的脆性破坏。（2）阶梯状蠕滑-拉裂机理阶梯状蠕滑-拉裂通常见于受平行边坡陡、缓两组结构面控制的高边坡中，是一种与平面滑动相近的变形破坏模式。在这种情形下，缓裂通常构成蠕滑段，陡裂构成拉裂段，蠕滑面整体呈陡-缓相接的阶梯形或台阶状。工程实践表明，这种变形破坏模式通常出现在坚硬块状岩体或厚层岩体构成的边坡中，其变形的发生往往具有从上至下的特点，沿倾向坡外的中-缓倾角结构面蠕滑，并通过陡裂逐级向下传递变形，形成阶梯状蠕滑-拉裂形式，当阶梯状蠕滑面的平均倾角与结构面的残余摩擦角接近时，特别有利于这种变形的发生。边坡变形破坏机理可概括为：沿缓倾角结构面的剪切蠕滑变形通过陡倾段的拉张变形逐级向下传递，从而形成一具有阶梯状蠕滑面形态的高边坡蠕滑-拉裂变形体。（3）倾倒变形倾倒变形通常是指走向与坡面近于平行的陡倾层状岩体发生的向坡外的弯曲变形。这里的压缩-倾倒则主要指的是：具有下伏软弱基座的高陡边坡，下部软层在上覆岩体的长期压缩作用下，产生非均匀的压缩变形（坡面最大，向坡内逐渐减小），从而致使坡体遭受倾覆力矩的作用，导致坡体整体向外倾倒，并在坡体后缘形成具有很大贯穿深度的后缘拉裂或沿坡体内倾向坡外的结构面发生剪胀错动-拉裂。进一步，这种变形模式根据边坡内部结构的不同，相应的变形表现形式不同可分为两种类型，即压缩-倾倒-拉裂型和压缩-倾倒-剪胀错动型。①压缩-倾倒-拉裂型其典型的特征是边坡岩体整体性较好，压缩-倾倒变形发生后，边坡整体倾倒，从而在后缘沿平行边坡的结构面拉裂，形成统一的后缘深部拉裂缝。当软层缓倾向坡外时，后缘拉裂与软层之间可能形成“锁固段”，这时边坡变形破坏的进一步发展可能转为前述的三段式模式，其破坏的结果形成高速滑坡；当软弱基座近水平或倾向坡内时，后缘拉裂的扩展可能直达软层，形成高边坡危岩体，边坡具有整体倾倒破坏的可能。②压缩-倾倒-错动剪胀型其典型的特征是反倾坡内的层状岩体边坡发育有一组走向与坡面平行、倾向坡外的结构面，压缩-倾倒变形发生后，边坡整体倾倒的同时，带动坡体内的这组结构面产生剪胀变形，表现为向坡外的拉张和顺结构面的错动，形成一种特殊的变形结构。由于这组结构面在边坡内通常表现为有限长度或被层间的软层所夹持或限制，因此，这种变形结构在边坡内通常不形成贯通的面或显著的后缘拉裂面，而是表现为分散的“卸荷裂隙”形式，其发育深度取决于边坡的倾倒变形程度。（4）高应力-强卸荷深部破裂机理边坡具有深部卸荷，并伴随深部张裂的现象，即除了边坡浅表部发育的正常卸荷带（一般0~60m）外，在坡体的深部（一般水平距岸坡-200m深度）还发育有深部的卸荷带，表现为典型的深部张裂。深部张裂带的发育具有多种复杂的机理，但作为强裂卸荷原因而引发的这种深部卸荷及其所伴随的深部张裂现象有以下三个强烈的背景：一是高地应力（现实边坡内部的水平或近水平应力通常在15Mpa以上，河谷下切释放前应该更高），这种高地应力是驱动边坡发生强烈回弹变形的内在动力；二是边坡深部存在有利于应力释放的结构面（平行或与边坡小角度斜交的近直立或倾坡外的断层或长大裂隙），这是深部卸荷和张裂带形成的边坡结构基础；三是河流的快速下切，这是导致边坡内在应力快速释放的外部条件。二、岩石边坡的失稳模式岩石边坡由众多结构面切割而成，因此呈现多种失稳模式，岩土工程界通常根据其破坏面类型将其失稳模式划分为一下几种：（1）平面破坏在实际岩石边坡中平面破坏是比较少见的，原因是平面破坏所需要的全部几何条件在一个实际边坡中仅是偶尔存在的，且主要是在在沉积岩、变质岩中沿层面发生的。发生的几何条件：滑动面的走向必须与坡面平行或接近坡面（与在20°范围内）；破坏面的倾角必须小于坡面的倾角；破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角；岩体中必须存在对于滑动仅有很小阻力的解离面。（2）圆弧形破坏通常在碎裂和散体结构的岩体中发生的，类似土质滑坡的破坏类型。（3）楔体破坏楔体破坏是岩石边坡中最常见的破坏模式。形成楔体应有两组或多组结构面，Hoek将典型的楔体破坏分为两种情况：贯穿式的平面不连续面；一套密集结构面形成的楔体。根据现场揭露的结构面确定楔体的几何形状是楔体破坏分析中的一个难点。（4）倾倒破坏当岩体中存在一组倒倾的陡倾角结构面，其走向与边坡的走向近乎一致时，由这组结构面切割形成的岩柱又可能发生弯曲，整个边坡出现倾倒破坏现象。Goodman和Bray又将其进一步划分为三种类型：．弯曲式倾倒-非常发育的陡倾斜不连续面所分割的连续岩柱向前弯曲；岩块式倾倒-坚硬的单个岩柱被大间距的正交节理切割；岩块弯曲复合式倾倒。三、岩石边坡的稳定性分析方法（1）极限平衡理论1.Sarma法Sarma法是分析岩石边坡中平面和圆弧面破坏的常用方法。这是基于斜条分的极限平衡法，Sarma提出了临界加速度的概念。Donald和Chen对Sarma法从理论背景到解题方法方面做出了一系列的改进，同时将Sarma法纳入塑性力学上限定理的理论框架中。（2）楔体稳定分析的极限平衡法对楔体破坏主要采用Hoek和Bray介绍的对楔体稳定分析的简化方法，该方法中一重要假定是，构成楔体的两个底滑面上的剪力均平行于该两平面的交线。潘家铮对这一假定提出了质疑，并提出了“潘家铮最大最小原理”。（3）Goodman-Bray法Goodman-Bray法是常用的进行边坡倾倒稳定分析的方法。设某一边坡被反倾的结构面切割成n块宽度为l的矩形条块，对任一条块，作用其上的力将使该条块处于：①稳定；②倾倒破坏；③滑动破坏状态。滑坡体分为稳定区、倾倒区、滑动区三部分。并对条块的几何边界条件作进一步简化使其满足变形协调条件。从上到下依次对各条块进行静力平衡分析。由于Goodman-Bray法的局限性，中国水利水电科学研究院对其数学模型作了适当改进，主要是在安全系数的定义和确定方法；破坏模式的确定；计入节理岩体连通率三个方面。（2）岩体结构控制理论岩质边坡结构十分复杂，其稳定性取决于边坡的各类结构面的特征。孙广忠提出了“岩体结构控制论”，将赤平投影法和实体比例投影法应用于边坡工程。石根华提出了“关键块体理论”，南京大学等提出了岩坡优势面控制论，认为岩坡的变形破坏受岩坡内的优势面所控制。(3)分形理论分形理论主要研究自然界中一些具有相似但没有特征长度的图形或现象，其研究方法是通过确定图形或现象的分维数，以揭示该现象或图形的内在本质和规律。谢和平做出了重要的突破，周维垣、张公瑞将分形技术引入岩体网络生成，孙钧等提出了分形块体力学。研究表明，边坡岩体结构常呈不规则分形体态，可以用分维来表征，利用分维可以定量地描述断层、层理、节理、泥化夹层等宏观结构面的形态特征、分布、产状及粗糙度等。同样，岩体的微观结构面或破坏面也呈不规则的分形状态，这种不规则反应了岩体破坏时的能量耗散及微观结构效应，也可用分维来表示。分维数是岩体变形破坏的某一统计特征量，分维数可以充当岩体变形破坏变量的角色进行岩体的强度和稳定性演化过程的分析。(4)3S理论3S系统是指地理信息系统(GIS-GeographyInformationSystem)、遥感系统(RS-RemoteSensingsystem)和全球卫星定位系统(GPSGlobalPositioningSystem)。三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。从1997年开始，崔政权、何满潮着手建立“三峡库区边坡稳态3S实时工程分析系统”。(5)数值分析方法应用数值方法具有下列独特的优点：1．由于边坡具有复杂的边界条件和地质环境，如岩土体的非均匀性、非连续性，造成边坡工程问题的非线性等特性，这些问题要采用弹塑性理论和极限平衡分析解决，数值分析可以方便地处理上述问题；2．数值方法可以得到边坡的应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟边坡变形破坏过程：3．数值方法适用于分析边坡工程的分步开挖，边坡岩土体与加固结构的相互作用，地下水渗流，爆破和地震等因素对边坡稳定性的影响；4．数值分析能根据岩土体的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域，分析边坡的累进性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。常用的数值分析方法有：有限元法、离散元法和快速拉格朗日法等。①有限元法：边坡稳定性分中的有限元法是将所研究的区域划分为有限小区域即单元。单元与单元之间仅在指定点处相连在离散化的模型上对单元逐个地进行分析再将各单元组合到一起进行整体分析然后结合要求计算位移(或应力)边界条件按结构分析中的位移法(或力法)求解各节点处的位移进而求出各结点的应力应变及所研究区域屈服区边坡稳定性分析时结合岩体结构特征对每一滑动面给出其在每一单元内的长度倾角粘聚力内摩擦角及边坡饱和时每一单元内的水位值利用有限元分析结果由每一单元的主应力计算出滑面每一单元的剪应力及正应力再用摩尔一库仑破坏理论确定整个滑面的稳定系数。有限元方法的应用能比较好地解决岩体应力变形分析中的非线性、非均质和复杂边界条件等困难。②离散单元法：其基本原理是假定岩体由刚性块体组合而成，以单个刚性块体的运动方程为基础建立描述整体运动状态的联立方程，求解后便可以得到块体的运动参量。这种方法适合于碎裂介质边坡，且容易考虑不同时刻的块体受力条件，也适合于随时间变化的动态荷载输入，一般来说边坡变形都具有大变形和非线性特征，在进行边坡的变形与破坏机制研究时最有效的研究方法之一当属离散单元法。③快速拉格朗日法(FLAC)法：FLAC法较好的吸取了其他数值方法的优点并克服其缺点而形成的一种新数值计算方法，其基本原理类同于离散单元法，但它却能像