斜坡巖(土)體穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析

1、斜坡巖（土）體穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析1 基本要領(lǐng)及研究意義斜坡或邊坡在形成過程中，其內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)也將發(fā)生變化，引起應(yīng)力重分布應(yīng)力集中斜坡變形、破壞危及安全。斜坡變形、破形或多樣：崩、滑為主要、劇烈的形式。斜巖土體穩(wěn)定工程地質(zhì)分析的重要任務(wù)是：* 斜坡穩(wěn)定性評價和預(yù)測* 設(shè)計合理的邊坡及制定有泖的斜坡整治措施2 斜坡巖體應(yīng)力分布特征2.1 斜坡應(yīng)場的基本特征斜坡形成后引起斜坡臨空面周圍卸荷回彈，在坡面附近造成應(yīng)力重分布，其特點如下：（1）最大重應(yīng)力近于平行臨空面，最小重應(yīng)力近于與坡面正交。（2）坡腳剪應(yīng)力集中形成剪應(yīng)力增高帶，坡頂附近出現(xiàn)拉應(yīng)力。（3）最大剪應(yīng)力跡殘由原來的直線變?yōu)榻茍A弧線，并

2、凹向臨空面（4）坡面的實際徑向壓力為零。遠(yuǎn)離斜坡面的巖體內(nèi)，地應(yīng)力逐漸恢復(fù)狀態(tài)。2.2 影響斜坡巖體應(yīng)力分布的重要因素a. 原始應(yīng)力狀態(tài)b. 坡形c. 巖體特征和結(jié)構(gòu)特征對均質(zhì)體而言，巖體彈模，泊松比對斜坡應(yīng)力分布影響不大。對斜坡應(yīng)力分布影響最大的是巖體結(jié)構(gòu)特征，斜坡附近的結(jié)構(gòu)面往往是應(yīng)力集中的部位。易于變形或破壞。3 斜坡的變形與破壞斜坡破壞：系指斜坡巖體內(nèi)已形成貫通性的破壞面從而使分割的巖體整體破壞。在此之前的斜坡演進過程稱為變形。變形破壞繼續(xù)運動3.1 斜坡變形的主要方式a. 卸荷回彈使原有結(jié)構(gòu)松馳產(chǎn)生殘余應(yīng)力形成卸荷帶：斜坡經(jīng)卸荷回彈松馳，殘余應(yīng)力形成一系列的表生結(jié)構(gòu)面，包含回彈松馳和

3、表生結(jié)構(gòu)面的巖帶稱為卸荷帶。b. 蠕變斜坡應(yīng)力長期作用下發(fā)生的一種緩慢而持續(xù)的變形，包括坡體內(nèi)的局部破裂和產(chǎn)生的表生結(jié)構(gòu)面。3.2 斜坡破壞的基本類型斜坡破壞分類方案很多，按破壞物質(zhì)的運動方式分崩塌和滑坡。包括撒落、落石（墜落）、巖崩、山崩等多種形式。規(guī)模大小不一。脫離母體的巖體在重力作用下自由下落，這一過程叫崩塌。a. 崩塌的發(fā)生條件坡形。高陡山坡，一般55以上。巖性。堅硬巖體，抗風(fēng)化能力較強，巖體中有規(guī)模大，間隔大的節(jié)理發(fā)育。軟硬相間巖體易形風(fēng)化凹醋，上覆堅硬巖體易崩塌。坡體結(jié)構(gòu)。即巖層產(chǎn)狀與坡面的關(guān)系，反向坡一般易形成陡坡，利于崩塌產(chǎn)生。地質(zhì)構(gòu)造。節(jié)理、斷裂對斜坡巖體分割、易于形成分離巖

4、體，形成崩塌。b. 崩落體的繼續(xù)運動運動軌跡根據(jù)跳躍的運動軌跡，可以設(shè)計欄網(wǎng)位置及欄網(wǎng)高度。當(dāng)條件合適時，崩塌體可形成碎屑流（氣墊效應(yīng)）。a. 滑坡要素斜坡的部分巖體沿貫通的剪切破壞面（或帶）以一定的加速度下滑，這一過程叫滑坡。 滑坡的組成部分（要素）為：b. 滑坡的分類有許多分類方案。按滑坡物分：覆蓋層滑坡基巖滑坡特殊滑坡融凍、陷落按滑坡體厚度：淺層 6m以內(nèi)中層 620m深層 2030m超深層 30m接規(guī)模：小型 30萬m3以內(nèi)中型 3萬50萬m3大型 50萬300萬m3巨型 300萬m3按形成年代：新滑坡滑坡按力學(xué)條件：牽引式、推移式c. 斜坡變形、破壞的地質(zhì)力學(xué)模式主要根據(jù)斜坡變形破壞

5、的力學(xué)機制，其變形、破壞可概括為五種地質(zhì)力學(xué)模型，即：蠕滑（滑移）拉裂式滑移壓致拉裂式彎曲拉裂式塑流拉裂式滑移彎曲式稱為斜坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式，它表達(dá)了斜坡巖（土）體結(jié)構(gòu)類型之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示了斜坡發(fā)展變化的內(nèi)在力學(xué)機制，并在很大程度上確定了斜坡最終破壞的可能方式與特征，達(dá)到系統(tǒng)評價預(yù)測斜坡穩(wěn)定性的目的。4 斜坡變形破壞機制與演化一、蠕滑拉裂形成條件：中等坡度的均質(zhì)斜坡，（似均質(zhì)斜坡）碎裂巖中也可能發(fā)生此種類型的變形和破壞。變形發(fā)展過程：自坡面向斜坡內(nèi)，由重力作用形成一剪切蠕變帶，其中坡面位移最大，向深度逐漸遞減。至位移逆減為零的位置，剪應(yīng)力高度集中，此位置即為潛在滑移面位置。當(dāng)剪應(yīng)力集

6、中達(dá)到巖體的拉剪強度時，該面剪切破壞形成滑面。在剪切蠕變形帶發(fā)展過程中，坡頂出現(xiàn)自上而下擴展地拉裂縫。演變過程（以反傾斜坡為例）a. 表層蠕滑巖（土）體向坡下蠕變，后緣拉應(yīng)力產(chǎn)生。b. 巖緣拉裂通常形成反坡臺坎，由于后緣拉應(yīng)力釋放，潛在剪切面上的剪應(yīng)力集中程度加大。此外，外營力進入后緣拉裂縫，使斜坡條件進一步惡化，更加促進剪切面的變形。c. 潛在剪切面剪切擾動。隨剪切變形進一步發(fā)展，中部剪切帶擾動擴容，變形體下半部隆起，隨變形體沿剪切攏動帶轉(zhuǎn)動滑移，上部下沉，后緣拉裂縫閉合，巖體進入累進性破壞階段，一旦剪切面被剪切貫通，滑坡發(fā)生。這種類型的滑坡可按瑞典圓弧法計算其穩(wěn)定系數(shù)。二、滑移壓致拉裂形成

7、條件：中等陡的平緩層狀斜坡，坡體內(nèi)有水平向殘余應(yīng)力。演變過程：a. 卸荷回彈階段，坡體內(nèi)殘余應(yīng)力開始釋放，巖層沿緩傾結(jié)構(gòu)面緩回彈滑移，坡面形成齒狀剪出。巖層內(nèi)領(lǐng)固段或錯 段附近因拉應(yīng)力集中而產(chǎn)生自下而上擴展的拉裂隙。b. 壓致拉裂面自下布上擴展階段在大致平行坡面的重壓應(yīng)力作用下，拉裂隙端部被壓致拉裂，裂紋擴展方向逐漸趨向于主壓應(yīng)力方面一致。這種壓致拉裂縫向上擴展，直至達(dá)到地面，并伴有向坡面方向的轉(zhuǎn)動。c. 滑移面貫通階段隨拉裂面的逐漸貫通，巖體轉(zhuǎn)動，變形進入 破壞階段。陡傾的階狀裂面成為剪應(yīng)力集中帶，陡緩轉(zhuǎn)角處的嵌合體被逐個剪斷、壓碎、并伴有擴容，待陡傾裂面與平緩滑移面構(gòu)成貫通性滑面時，滑坡發(fā)

8、生。d. 起動判據(jù)根據(jù)三維應(yīng)力狀態(tài)下含軟弱結(jié)構(gòu)面強度計算公式： ？為與結(jié)構(gòu)面的夾角。為結(jié)構(gòu)面內(nèi)磨擦角。e. 嵌合帶剪斷壓碎判據(jù)參照hock的修正格里菲斯準(zhǔn)則 進行判斷三、滑移拉裂形成條件：層狀、塊狀、巖體、斜坡中有一潛在傾向坡外滑移面，且有效臨空。變形過程，巖體在重力作用下沿已有滑移面向臨空方向滑移，后部拉裂?；履芊裥纬桑Q于滑面產(chǎn)狀及后緣分隔條件。當(dāng)后緣分割條件成熟時，滑面的內(nèi)磨擦角小于斜坡角 ，則滑坡發(fā)生。四、滑移彎曲形成條件：具有中一陡傾外的層狀巖體或藻層狀巖體斜坡，順層斜坡，滑移面未有效臨空?；鎯A角大于滑移面傾角。變形過程：層狀巖體在自重作用下沿外傾結(jié)構(gòu)面蠕變下滑，由于下部滑移面

9、未臨空，造成坡腳附近順層板梁縱向受壓，在一定條件下彎曲隆起進而發(fā)展成滑坡。演變過程：a. 輕微隆起階段。近坡腳部位巖層在縱向壓力下順層彎曲，局部出現(xiàn)壓碎，坡面輕微隆起，巖體松動。b. 強烈彎曲、隆起階段彎曲顯著增強，強烈彎曲段出現(xiàn)剖面x型節(jié)理，部分巖體垮塌、充填虛脫部位。彎曲部位巖體擴容，地面顯著隆起，巖體松動。剖面x節(jié)理中的一組逐漸形成滑移切出面。c. 切出面貫通階段，切出面與滑移面貫通形成整體滑面，滑移巖體沿切出回彈射拋出，形成滑坡。某些椅狀層面也能形成這類滑坡。起動判據(jù)K = Ler/L 實際長度Lcr = 臨界長度式中： 各符號意義見書（P331）當(dāng)K1時，有屈曲可能。五、彎曲拉裂形成

10、條件：陡立或陡傾內(nèi)層狀斜坡，坡度中陡坡。變形過程：斜坡前緣，陡傾的斜坡巖體在重力作用下向臨空方向作懸臂梁彎曲，單梁的彎曲逐漸向深部發(fā)展。前部懸臂梁彎曲后為后部懸臂梁彎曲提供了空間，這種彎曲逐漸向斜坡后緣逐個懸臂梁地傳遞，導(dǎo)致斜坡巖體整體彎曲。演化過程：a. 卸荷回彈陡傾拉裂階段。b. 板梁彎曲，拉裂面向深部擴展并向坡后緣推移，板梁之間反向錯動。c. 板梁根部折裂、壓碎，折裂面逐漸貫通，巖塊轉(zhuǎn)動、傾倒。當(dāng)折裂面貫通后，斜坡變形巖體將轉(zhuǎn)化為蠕滑拉裂型滑動破壞。彎曲拉裂彎曲判據(jù)根據(jù)重自應(yīng)力h為彎折斷高度，t為平行板梁表面裂隙間距。六、塑流拉裂形成變形條件：軟弱基座斜坡，上覆厚層堅硬巖層。變形過程：下

11、伏軟弱基度在上覆巖層重壓下產(chǎn)生塑性變形，并向臨空方向流動而形成塑性擠出。軟巖塑流擠出又導(dǎo)致上覆巖層拉裂。演化過程：a. 卸荷回彈，陡出裂縫形成。由于應(yīng)力分異，形成由坡緣拉應(yīng)力帶向縱深擴展的一系裂陡立拉裂縫。b. 前緣塑流拉裂變形隨軟弱基座被切出，遭受重壓的原封閉的軟基向切出的臨空方向擠出，進而導(dǎo)致且覆巖層不均勻沉陷和拉裂。拉裂的巖柱倒塌。c. 深部塑流拉裂隨陡坡坡緣破壞，變形向坡緣后部推移。被分割的高大巖柱或板梁其根部可能因此被剪裂或壓碎，便變形向蠕滑拉裂轉(zhuǎn)化。上述斜坡P變形模式可以形成空間組合，也可形成變形模式的轉(zhuǎn)化。5 斜坡變形破壞與內(nèi)外營力的關(guān)系斜坡是一個開放系統(tǒng)，它與外界有能量的交換，

12、外營對斜坡穩(wěn)定性的影響主要通過三方面來實現(xiàn)。第一，改變斜坡的外形改變斜坡的應(yīng)力場。第二，改變斜坡的巖體結(jié)構(gòu)特征使斜坡的強度降低。第三，改變巖體的應(yīng)力狀況。6.1 地表水一、河流地質(zhì)作用許多斜坡都流水地質(zhì)作用形成的，而新構(gòu)造運動對河流的地質(zhì)作用有很大的關(guān)系。少年期河流，以下切作用為主，由于處于河谷形成的初期，岸坡卸荷作用劇烈，應(yīng)力分異顯著，河岸斜坡變形劇裂但規(guī)模一般不大。數(shù)量大、規(guī)模小。中年期河流，以側(cè)蝕作用為主，下切減緩。這一階段以時間效應(yīng)特征的大型破壞為主要特征。數(shù)量少，規(guī)模大。老年期河流，沖淤近于平衡，河谷總體形態(tài)變化不大，以老滑坡復(fù)活為主。b. 河流演化史分析河谷的中、淤關(guān)系：沖刷期，岸

13、坡失穩(wěn)可能性增大。淤積期，岸坡穩(wěn)定性增高。波浪6.2 地下水地下水對斜坡穩(wěn)定性的影響主要表現(xiàn)在四個方面：形成靜水壓力地下水流動形成滲透壓力（代替法）改變潛在滑面的力學(xué)性質(zhì)（降低）形成空隙水壓力，降低斜坡的抗滑力6.3 氣候主要是降雨，其余是風(fēng)化、凍融等。降雨總量與斜坡失穩(wěn)有一定關(guān)系，但最主要的是降雨強度和持續(xù)時間。降雨對斜坡的穩(wěn)定性影響具有周期性作用。6.4 植被有利、有弊防止水土流失有利6.5 地震破壞斜坡巖體結(jié)構(gòu)條件誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害、斜坡失穩(wěn)6.6 人為因素開挖、不合理排水等。7 斜坡穩(wěn)定性評價與預(yù)測評價和預(yù)測：穩(wěn)定性和演化趨勢、設(shè)計邊坡提供科學(xué)依據(jù)方法：過程機制分析法（演變歷史分析法）、理論

14、計算分析法、工程地質(zhì)類比法。7.1 過程機制分析法分析方法實質(zhì)：應(yīng)用前述斜坡變形、破壞的基本規(guī)律，通過追溯斜坡演變的全過程，對斜坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀、發(fā)展總趨勢和區(qū)域性特征做出評價和預(yù)測.一、根據(jù)階段性規(guī)律預(yù)測斜坡所處演化階段和發(fā)展趨勢步驟：a. 確定斜坡可能的變形形式和破壞方式根據(jù)斜坡外形，坡體結(jié)構(gòu)、斜坡環(huán)境條件，并應(yīng)用赤平投影的方法，即可確定斜坡可能的變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式及其變形破壞機制，以及主控條件。b. 根據(jù)斜坡的變形階段判定斜坡的變形跡象變形跡象：分析其形成機制，參照前述的斜坡變形破壞的地質(zhì)力學(xué)模式及各演化階段特征，確定斜坡所處的演化階段。轉(zhuǎn)化標(biāo)志：如蠕滑拉裂型斜坡變形、后緣拉裂縫曲拉開轉(zhuǎn)

15、為閉合，即可認(rèn)為是大滑動的前兆。c. 演化全過程的再現(xiàn)模擬采用物理模擬或數(shù)值模擬方法，再現(xiàn)斜坡變形破壞全過程，驗證前述分析的可靠性，并對照斜坡變形實際情況，以此作為斜坡變形破壞演化趨勢的預(yù)測依據(jù)。二、根據(jù)周期性規(guī)律判定促進斜坡演變的主導(dǎo)因素各種影響因素是有周期的，根據(jù)周期分析，可以判定影響斜坡變形、破壞的主導(dǎo)因素為預(yù)測、預(yù)報和滑坡治理提供依據(jù)。（周期：地殼升降、降雨、地震、河流侵淤等）三、根據(jù)區(qū)域性規(guī)律、闡明斜坡穩(wěn)定性分區(qū)特征依據(jù)：工程地質(zhì)條件相似，則斜坡演變規(guī)律相似。非相同也！依據(jù)共性：判定斜坡變形破壞的規(guī)律性的區(qū)域分布特點。分區(qū)依據(jù)、規(guī)劃依據(jù)根據(jù)個性：判定斜坡變形、破壞的不同特點。防治依據(jù)

16、內(nèi)外動力因素作用分析由外動力因素a. 地區(qū)近斯的升降特征特別注意河谷下切期，是斜坡變形破壞的活躍期。是斜坡變形、破壞的活躍期。b. 地區(qū)構(gòu)造最大主應(yīng)力方面及其變化最大主應(yīng)力場及其變化與河谷的關(guān)系，大凡與河谷正交的應(yīng)力場部位，往往是斜坡變形、破壞較強的部位。c. 活斷層斷面特征及活動方式這是判斷局部應(yīng)力集中的方法，也是判斷巖體完整性及其變形、破裂機制的重要途徑。7.2 理論計算分析法已在巖、土、力學(xué)、彈、塑性力學(xué)中介紹了理論分析方法。這里要注意的是對原型的分析。只有對地質(zhì)原型及春演化趨勢進行深入分析，以此建立理論分析的模型（地質(zhì)模型、物理模型、力學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型等），才能獲得合乎實際的理論分析結(jié)

17、果。一、破壞概率分析法斜坡穩(wěn)定性計算中所采用的參數(shù)，大多數(shù)是隨機變量，因此，采用均值所做的確定性分析，往往不能客觀的反映斜坡變形、破壞的實際情況。由此，斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)，實際也是一個隨機變量。a. 強度參數(shù)的隨機分布計算參數(shù)的分布類型是多種多樣的。對于某個研究對象，例入巖體的C、值，已經(jīng)說明某分布具有正態(tài)分布的特征，其概率密度：c值： x0式中的a和分別為隨機變量的數(shù)學(xué)期望和方差，根據(jù)最大似然估計。即：我們可以用實際樣本的均值和均方差來做估計其概率密度中的數(shù)學(xué)期望和方差。實際操作中，樣本數(shù)量最小值不得少于6個。b.蒙脫卡洛模擬通過上述估計，我們獲得了巖體強度參數(shù)概率密度，要計算穩(wěn)定系數(shù)K值的概

18、率分布，強度參數(shù)取值便是主要的技術(shù)手段，一般采用蒙脫卡洛方法來抽樣計算樣本，即采均勻分布的方法伴隨機數(shù)，每一個隨機數(shù)對應(yīng)一組計算參數(shù)，即對應(yīng)一個穩(wěn)定系數(shù)K值的抽樣。如此多次抽樣、多次計算，可以獲得一組K=（Ki）（i=1n）。c. 破壞概率計算對應(yīng)于每一組隨機變量的抽樣，可以獲得一個K值的計算值：K = f ( x1 x2 對于n組抽樣，則：K = ( Ki Kn 則破壞概率可用n組抽樣中K1的頻率來估計。Pf=N(K1 / N同時，可以獲得關(guān)于N個x值概率分布的數(shù)學(xué)期望和方差的估計，并評價上述估計的質(zhì)量。二、因素敏感性分析根據(jù)影響斜坡穩(wěn)定的各種影響因素的分析，可以獲得對穩(wěn)定性影響最敏感的因素，從而為防治措施的制定提供理論依據(jù)。三、斜坡失穩(wěn)時間預(yù)報目前，滑坡的中長期預(yù)報比較令人滿意，區(qū)域危險性預(yù)報也有較好效果，但對于某一具體的滑坡，其臨滑預(yù)報仍是難點。滑坡失穩(wěn)預(yù)報可根據(jù)現(xiàn)象預(yù)報（前兆），也可根據(jù)位移進行預(yù)報，而且是目前采用最廣泛的預(yù)報方法。日本齋藤根據(jù)大量實踐，得出均勻土坡發(fā)展為滑坡的時間與蠕變速率間的關(guān)系為：lgtr=2.33-0.916lg0.59tr與在對數(shù)坐標(biāo)中是線性關(guān)系?；缕茐臅r間可根據(jù)加速蠕變階段的位移