1斜坡应力场的基本特征

1一、斜坡应力场的基本特征斜坡成坡过程中，临空面周围的岩体发生卸荷回弹（图9-2上），引起应力重分布和应力集中等效应（图9-2下）。据有限元研究，斜坡成坡后，岩体的应力状态较以前发生了以下几个主要方面的变化：（１）由于应力的重分布，斜坡周围主应力迹线发生明显偏转。无论是在重力场条件下，还是在以水平应力为主的构造应力场条件下，其总的特征表现为愈靠近临空面，最大主应力愈接近于平行临空面，最小主应力则与之近于正交（图9-2下）。（２）由于应力分异的结果，在临空面附近造成应力集中带。但坡脚区和坡缘(斜坡面与坡顶面的交线)区情况有所不同。具体体现在：坡脚附近最大主应力（相当于临空面的切向应力）显著增高，且愈近表面愈高（图9-2下）；最小主应力（相当于径向应力）显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。（３）与主应力迹线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线由原先的直线变为近似圆弧线，弧的下凹面朝着临空方向。（４）坡面处由于径向压力实际等于零，所以实际上处于单向应力状态(不考虑斜坡走向方向的σ2时)，向内渐变为两向或三向(考虑σ2时)状态。２影响斜坡岩体应力分布的主要因素（１）原始应力状态的影响：岩体的原始应力状态中，水平剩余应力的大小对坡体应力状态的影响尤为显著。它不但使主应力迹线的分布形式有所不同(图9－22下)，而且明显地改变了各应力值的大小，尤其对坡脚应力集中带和张力带的影响最大。在坡脚区，根据图9－2可见，坡底的切向应力最大值约相当于原始水平应力的三倍左右。当有侧向水平应力时，该值成倍增高，如当σL＝3ρgh时，该值可达7－10ρgh，与σL=0的情况相比，相差十分悬殊。（２）坡形的影响：研究表明，坡高并不改变应力等值线图像，但坡内各处的应力值，均随坡高增高而线性增大。坡角明显改变应力分布状况。随坡角变陡，坡面附近张力带范围也随之扩大和增强（图9-3），成坡过程中，位移矢量离面趋势也变得更加明显（图9-2上）；坡脚应力集中带最大剪应力值也随之增高（图9-4）。圆形和椭圆形矿坑边坡，坡脚最大剪力仅只有一般斜坡的二分之一左右。（３）斜坡岩体特征和结构特征的影响：研究表明，岩体的弹性模量对均质坡的应力分布并无明显影响。岩体的泊松比(μ)可以改变σx、τxy的大小，但是当斜坡中侧向剩余应力很高时，这种影响也就被掩盖了。可见，均质坡中，岩体材料性质对应力分布的影响是很微弱的。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。斜坡的变形与破坏，实质上是由斜坡岩土体内应力与其强度这一对矛3盾的发展演化所决定的。由于斜坡变形破坏，给人类和工程建设带来的危害在国内外不乏其例。在我国由于特殊的自然地理和地质条件所制约，斜坡地质灾害分布广泛，活动强烈，危害严重。自然斜坡的变形破坏，是山区主要的工程动力地质作用。我国广大的西南、西北地区这一作用尤为突出，灾害频发，而且近10余年来有进一步加重的趋势。如：1982年7月，四川省云阳县鸡扒子滑坡，使长江严重阻航；1983年3月，甘肃省东乡县洒勒山滑坡，摧毁了4个村庄，人畜伤亡惨重；1985年6月．湖北省姊归县新滩滑坡，使新滩古镇毁于一旦，并影响长江航道；1987年8月，四川省巫溪县城岩崩，造成了严重的生命财产损失；1989年7月，四川省华金山普降暴雨，遭致崩滑1800余处．而其中的马鞍山岩崩物质被洪水冲下，使溪口镇6个厂矿和3个村蒙难。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。如1963年10月9日所发生的意大利瓦依昂水库左岸大滑坡，是由于水库蓄水造成潜在滑动面上空隙水压力增大，而导致业已发生蠕动的左岸山体突然下滑，体积达（2．7—3．0）X108m3激起250m高的巨大涌浪，高150m的洪波溢过坝顶冲向下游，约有3000人丧生，该水库也失去效用。又如1980年6月，我国湖北省远安县盐池河磷矿岩崩酿成的惨案，则是由于坡脚部位开拓水平采矿巷道，使坡体的应力状态发生急剧变化．而导致坡肩部位产生多条拉裂缝所致。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、4铁路路堑和露天采坑边帮的失稳。如抚顺煤矿和大冶铁矿露天采坑，都曾发生过失稳事故．对生产和生命财产造成一定的损失。由于斜坡变形破坏对人类工程、经济活动和生命财产的危害较大，所以它是工程地质学研究的主要课题之一．也是环境地质学和灾害地质学研究的重要内容。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。所以首先要了解斜坡形成后坡体中应力分布的特征。一、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450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。其总的特征可概括为4个方面（图8－2）．即：（1）无论什么样的天然应力场．斜坡面附近的主应力迹线均5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（图8－3）。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（图8－4）。（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。水平构造应力量值愈大测影响愈大（图8－5）。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、坡角、坡底宽度和斜坡平面形态等．对斜坡应力分布均6有一定影响。坡高不改变坡体中应力等值线的图形．但坡高愈大，应力量值愈大。坡角大小可以改变斜坡中应力分布的图像。坡脚附近的剪应力集中带和坡肩附近的张力带．其范围和量值是随着坡角增大而增大的。也就是说，陡峻的斜坡更易发生变形破坏。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（图8－6）。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。一般地说，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岩土体的弹性模量对均质坡体应力分布无多大影响，但泊松比一定程度上可影响坡体应力分布。结构面对坡体应力分布的影响十分明显，这是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．这种情况在坚硬岩体斜坡中尤为明显。结构面的产状、性质及组合关系不同，对斜坡稳定性的影响是不同的。在上述诸因素影响下，坡体应力分布是相当复杂的。对一个具7体的斜坡来说，必须进行认真的分析研究。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。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、蠕滑和弯折倾倒三种型式。1．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。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，它往往与坡面近乎平行（见图8－3），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。拉裂的空间分布特点是：上宽下窄，以至尖灭；由坡面向坡里逐渐减少。拉裂还有因岩体初始应力释放而发生的卸荷回弹所致，这种拉裂通常称为卸荷裂隙。拉裂的危害性是：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。它们对斜坡稳定均是不利的。2．蠕滑斜坡岩土体沿局部滑移面向临空方向的缓慢剪切变形称蠕滑。8蠕滑发生的部位，在均质岩士体中一般受最大剪应力迹线（见图8－4）控制，而当存在软弱结构面时，往往受缓倾坡外的软弱面所控制。当斜坡基座由很厚的软弱岩土体组成时，则坡体可能向临空方向塑流挤出，称之为深层蠕滑。当坡体内各局部剪切面（蠕滑面）贯通．且与坡顶拉裂缝也贯通时，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方弯折倾倒。特征是：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；沿岩层面产生反坡向陡坎。其发展过程如图8－7所而这种斜坡变形现象在天然斜坡或人工边坡均可见到。弯折倾倒的机制，相当于悬臂梁在弯矩作用下所发生的弯曲。弯折倾倒发展下去，可形成崩塌、滑坡。二、斜坡破坏斜坡破坏的型式主要为崩塌和滑坡。1．崩塌斜坡岩上体被陡倾的拉裂面破坏分割，突然脱离母体而快速位9移，翻滚、跳跃和坠落下来，堆于崖下，即为崩塌。按崩塌的规模，可分为山崩和坠石。按物质成分，又可将崩塌分为岩崩和土崩。崩塌的特征是：一般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；往往是突然发生的，运动快速。2．滑坡斜坡岩上体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象．称为滑坡。滑坡的机制是某一滑移面L剪应力超过了该面的抗剪强度所致。滑坡的规模有的可以很大，达数亿至数十亿立方米。滑坡的特征是：通常是较深层的破坏，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（即滑移面）存在；滑移速度往往较慢，且具有“整体性”。滑坡是斜坡破坏型式中，分布最广、危害最为严重的一种。世界上不少国家和地区深受滑坡灾害之苦，如欧洲阿尔卑斯山区、高加索山区，南美洲安第斯山区，日本、美国和我国等。并且，它经常与地震区伴生。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。10一、崩塌的形成条件1．崩塌一般发生在厚层坚硬脆性岩体中。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，产生长而深的拉张裂缝，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（图8－8）。组成这类岩体的岩石有砂岩、灰岩、石英岩、花岗岩等。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四龛或蠕变，也会形成局部崩塌（图8－9）。2.构造节理和成岩节理对崩塌的形成影响很大