第五章_斜坡变形破坏工程地质研究

第五章斜坡变形破坏工程地质研究提要•概述•斜坡应力分布特征•斜坡变形破坏的基本形式•滑坡•崩塌•影响斜坡稳定性的因素•斜坡稳定性评价•滑坡预测预报•滑坡防治第一节概述斜坡——指地表一切具有侧向空面的地质坡体，是一类广泛的地貌类型。斜坡变形破坏是地质发展演化的重要过程。天然斜坡：沟谷岸坡、山坡人工边坡：露采边坡、基坑边坡类型岩坡土坡按高度H高坡中坡低坡岩坡M15m土坡H10m岩坡8mH5m土坡5mH10m岩坡H8m土坡H5m斜坡的基本要素：(1)坡面AC(2)坡肩A(3)坡顶AB(4)坡脚C(5)坡高H(6)坡角(7)坡体MMHABC按坡角大小陡坡=300中坡150=300缓坡150坡面形态：内凹型，外凸型，直线型，复合型1963年10月夜间发生在意大利北部山区的Vajont水库，被公认为是世界上最严重的滑坡灾害。该水库库容10亿立方米，坝高267米，是当时世界上最高的双曲拱坝。工程实例水库蓄水造成水库岸坡地下水位的相应抬高，地质环境发生了急剧变化，2.6亿立方米的石灰岩山体以20M/S以上的速度滑入水库。最大涌浪高度250M，越过坝顶高度达150M，库水迅猛泻向下游。洪水摧毁了下游数公里以内的5个村庄，2600人在梦中死亡。该水库也因滑坡填入而报废。第二节斜坡应力分布特征原始应力状态：H1H31－＝＝H131.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1愈接近平行于临空面,3与之正交,向坡内逐渐恢复到原始状态。一、重分布应力的特点：2.在坡脚及坡肩附近形成应力集中区(1)坡脚附近最大主应力显著增高,且愈近表面愈高;最小主应力显著降低。这一带是坡体中应力差或最大剪应力最高的部位，形成最大剪应力增高带，往往产生与坡面或坡底面平行的压裂面。1(2)在坡顶面和坡面的某些部位,坡面的径向应力和坡顶面的切向力可转化为拉应力,形成张力带,易形成与坡面平行的拉裂面。3.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。4.坡面处由于侧向压力趋于零,实际上处于两向受力状态,而向坡内逐渐变为三向受力状态。二影响斜坡应力分布的因素1.岩体初始应力的影响初始应力场、尤其水平剩余应力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面张力带的影响最大。2.坡形的影响(1)坡高：不改变应力等值线图象，应力随坡高而增高。(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。(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。当水平应力坡形于椭圆形矿坑长轴时，应力集中较缓和。(3)坡底宽度：当W0.8H时,坡脚最大剪应力随底宽增大而急剧减小。当W0.8H时，则保持为一常值（称为“残余坡角应力”）3.斜坡岩土体特性和结构特征的影响:11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增高，坡面和坡顶的张力带逐渐扩展；而在坡底则反之，增高，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或发生应力阻滞。第三节斜坡变形破坏的基本形式一、斜坡变形斜坡受到侵蚀卸荷作用和开挖卸荷等作用所产生的应力释放效应，而引起的斜坡表层岩土体的弹塑性回弹和蠕变位移。形式：(1)卸荷回弹卸荷、初始应力释放侧应力减弱产生张裂面(2)拉裂斜坡形成过程中，在坡面和坡顶形成的张力带中拉应力集中形成拉张裂缝。(3)蠕滑斜坡岩土体在自重应力为主的长期作用下,向临空面方向的缓慢而持续的变形。A.表层蠕滑：斜坡浅层岩土体在重力的长期作用下，向临空面方向缓慢变形构成一个剪变带，其位移由坡面向坡内逐渐降低直至消失。B.深层蠕滑：主要发育在斜坡下部或坡体内部。按其形成机制特点可分为两种：①软弱基座蠕滑②坡体蠕滑（受软弱结构面控制）(3)弯曲倾倒：由陡坡或直立板状岩体组成的斜坡,当岩层走向与坡面走向大致相同时，在自重的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的变形，称为弯曲倾倒。二、斜坡破坏崩塌滑坡表层流动落石1.崩塌陡坡上的岩土体产生以下落运动为主（移动、滚动、跳跃）的破坏现象。（土崩、岩崩）。2.滑坡斜坡岩土体依附于内在的或潜在的贯通结构面，在外力作用下，失去原来的平衡状态，产生了以水平运动为主的滑动现象。3.两者的区别：①运动方式②破坏形式③是否脱离母体，存在滑动面④规模、速度变形破坏地质模型：——崩塌：——第四节滑坡一、滑坡的基本要素滑动带：滑坡体与滑坡床之间的分界面。形态可分为圆弧状、平面状和阶梯状等（下页图）。滑坡床：滑坡体之下未经过滑动的岩土体。滑坡体：与母体脱离经过滑动的部分岩体。滑坡周界：滑坡体与周围未变位岩土体在平面上的分界线。滑坡壁：滑坡体后缘由于滑动作用所形成的母岩陡壁，其坡角多为35-80度，平面上多呈圈椅状。滑坡壁上常见铅直方向的擦痕。滑坡台阶：滑坡体下滑时各部分运动速度不同而形成的错台。滑坡舌：滑坡体前部伸出如舌状的部位。常伸入沟谷、河流。最前端滑坡面出露地表的部位，称滑坡剪出口。滑坡洼地（湖)主滑线滑坡裂隙：滑坡体在滑动过程中各部位受力性质和大小不同，在各部位产生不同力学性质的裂隙。•拉张裂隙：位于滑体后部、滑床后壁，弧形分布，与滑动方向垂直；•剪切裂隙：羽状分布于滑坡体中前部的两侧，，因滑坡体与滑坡床之间的相对位移的力偶作用形成，与滑动方向斜交；•鼓张裂隙：分布滑体前缘，由于滑体后部的推挤鼓起而成，与滑动方向垂直；•扇形裂隙：位于滑体舌部，因前部岩土体向两侧扩散产生，放射状呈扇形分布。圈椅状地貌双沟同源二、滑坡的识别1、识别方法：航片解译、地面调查、勘探面线点2、识别标志(1)地形地貌方面滑坡形态特征、地貌不协调或反常等(2)变形破裂方面:滑体上产生小型褶曲和断裂现象滑体结构松散、破碎(3)水文地质方面结构破碎→透水性增高→地下水径流条件改变→滑体表面出现积水洼地或湿地，泉的出现(4)植被方面马刀树、醉汉林(5)滑动面的鉴别及研究勘探：钻探变形监测：钻孔倾斜仪三滑坡分类1按岩土体类型分类土体滑坡岩石滑坡（1）粘性土滑坡（2）黄土滑坡（3）堆填土滑坡（4）堆积土滑坡（5）破碎石滑坡（6）完整岩石滑坡滑坡2.按滑坡的动力学特征分类（巴甫洛夫，1903）(a)推动式滑坡(b)牵引式滑坡(c)混合式滑坡(d)平移式滑坡3按滑动面与层面的关系分类(1)无层滑坡：均质、无层理的岩土体(2)顺层滑坡：原生、次生的软弱夹层，上部松散堆积物与下部基岩接触带(3)切层滑坡：多发生在岩层近于水平的平迭坡，构造面控制5.按滑动面深度分类(1)浅层滑坡(6m)(2)中层滑坡(6-20m)(3)厚层滑坡(20-50m)(4)巨厚层滑坡(50m)6.按滑坡时代划分（1）今滑坡（全新世末至今）（2）新滑坡（Q43)（3）老滑坡(Q42-1)（4）古滑坡(Q4-Q1)（5）始滑坡（第三系）第五节崩塌一、崩塌的类型及形成条件：崩塌一般发生在厚层坚硬岩体中。灰岩、砂岩、石英岩等厚层硬脆性岩石常能形成高陡的斜坡，其前缘常由于卸荷裂隙的发育而形成陡而深的张裂缝，并与其它结构而组合，逐渐发展而形成连续贯通的分离面，在触发因素俺用下发生崩塌。此外，由缓倾角软硬相间岩层组合的陡坡，由于软弱岩层被风化剥蚀而形成凹龛，使上部的坚硬岩层失去依托，故也常发生局部崩塌。1滑移式崩塌岩质边坡,裂隙发育的岩体，节理及层面控制，倾坡处节理起主控作用。依附面倾角一般30-650左，顺坡走向上呈现不规则的锲形体，剪出点可在坡脚，也可坡体的任何地方，往往为滑移式，一般先楼不会太大，为累进性。常见类型主要有：岩质边坡,软夹层结构，坚硬块状体。因脚下软层等掏空而成悬臂式拉断。破坏方式，可能为拉断下坠，也可能稍后部拉断，部分依托软面而翻转下坠，常见于河谷岸坡以及脚下开采条件。采矿2悬臂拉断式崩塌ab岩坡A为薄层软弱夹层长期蠕变弯曲折断，形成崩塌，受高陡坡形、软弱层控制，发展慢。B为柱状块体，底脚压裂，在水荷载作用下，引起翻转。3倾倒式崩塌土坡,为风化破碎带或第四系堆积层，坡段比较陡，松散层产生蠕动变形，形成雨季饱水等，产生累进式破坏。4滑移式崩塌土坡,下面层被掏空或变形破坏，上部失去支持而产生向下坍塌。5座落式崩塌崩塌的破坏方式若不依附某一面崩塌时,总是下坠或坐落;若依附某一面崩塌时，具有滑移或翻转特性.后者通常用如下的方法作出判断:一个置于斜面上的岩块，它的高度为h和底边长为b，并且假定阻止岩块向下运动的力只是由于摩擦作用而产生的，也即是c=O。代表岩块重力W的矢量落于底边b之内时，如果斜面倾角大于摩擦角，岩块将产生滑动；但是，如果岩块高而细，重力矢量W可能落在底边b外，此时岩块将倾倒，也即绕其最低的接触边棱而旋转。图5.6置于斜面上块体的几何要素WsinΨWcosΨWΨΦbh图5.7斜面上块体发生滑动及倾倒的条件对这个单一的岩块而言，滑动与倾倒的条件如图5.7所示。图中的四个区段为：区段l：ψφ以及b／htgψ，岩块是稳定的，不滑动也不倾倒。区段2：ψφ以及b／htgψ，岩块将滑动，但不倾倒。区段3：ψφ以及b／htgψ，岩块将倾倒，但不滑动。区段4：ψφ以及b／htgψ，岩块能够同时滑动和倾倒。通过以上分析，可看出即将崩落的块体相当于斜面上的岩块，同时由于其在变形-破坏的演变过程中沿斜面总有一定的剪切位移，所以可视其凝聚力已丧失。那么根据岩块的运动条件，可将崩塌分为：滑移式崩塌、倾倒式崩塌和滑移倾倒混合式崩塌(也可简称为混合式崩塌)三种类型。归纳崩塌的形成条件（1）地质条件一个陡坡，尤其是大于600的坡，坡高几米到几百米。大型自然崩塌多见于江河峡谷陡峻地段，以岩石大型崩塌居多，或者人工路堑、矿山等边坡。一般坡度大于400～500时，对于裂隙发育的岩体，尤其发育高倾角裂隙时，在裂隙下部有软层配合下，易产生较大崩塌。（2）崩塌的诱发条件1.高陡坡，重力作用，引起拉裂变形，导致崩塌。2.坡脚开挖，掏空，坡脚软岩压裂，因此失去支撑作用。3.长时间降水，产生水压力或震动等。4.冻胀后解冻，使土体饱水段强度降低，或产生涨缩现象。二崩塌运动学特点1运动规律崩塌的运动规律特别复杂，根据抛石试验及现象研究，崩塌落石在不同坡度上，其总体服从的运动规律。如图5.7。滚－滑滚坠－跳跳－滚坠跳－滚－滑－停图5.7块石运动示意图（1）缓坡段（00α≤270～310）：只在初速V0时可以运动，减速运动形式，若石块高处滚下，可转为滚动－滑动－停止。否则不运动。（2）较陡坡段（270～310α≤400）：当具有V0时，运动形式同(1)；无V0时，可不运动，而无V0也运动时，运动形式同(3)。（3）陡坡段（400α≤600）：无V0也可运动，加速运动。运动形式随坡形及块石形状有关，多是滚动，也可为滑动。有较大的冲击力。（4）陡峻段（600α≤900）：无V0也可运动，自由坠落，有很大的冲击力。抛石试验：对不规则石块，当α﹤400时，按照下式运动：跳跃－滚动－滑动－停止。其运动形式十分复杂，常非纯某种运动，真正的崩塌常以跳跃、滚动居多.而陡峻坡则以坠落形式。通常某种条件确定某种运动形式。1.滑动抗滑：cosWfNfT①物体运动因摩擦而损失能量，由T引起为：sinTHPH②物体故能量为：gVVWPHWH2)(202③由公式①、②、③得)1(22ctgfgHVVg为重力加速度；H为石块崩落高度；f为摩擦系数；0V为运动初速度ΨΦFTWMV0H2）纯滚动)222220raagHVV为物体的惯性半径及球体半径有关的参数，表达式为222raa，一般圈数32，球75，环形21g为重力加速度；H为石块崩落高度；0V为运动初速度。示意图如