斜坡稳定性及其评价方法

工程地质学读书报告题目：斜坡稳定性及其评价方法学号：20111002833班级：01211姓名：李海亮指导老师：熊承仁斜坡稳定性及其评价方法斜坡是地壳表面所有拥有侧向临空的地质体。在各种内外营力的作用下，其坡角坡高不断变化，从而坡体中的作用位置也随之改变，若形成坡体的岩土体不适应这种应力分布时，就造成了坡体的变形破坏。斜坡稳定性与人类生产生活及生命财产息息相关，因此，对斜坡稳定性的研究及评价有利于预防地质灾害的发生，及避免生命财产的损失。一斜坡稳定性及其影响因素影响斜坡稳定性的因素复杂多样，有自然的和人为的，其中主要是斜坡岩土类型和性质﹑岩体结构和地质构造﹑风化﹑水的作用﹑地震和人类工程活动等。各种因素主要从三方面影响着斜坡的稳定。第一方面影响斜坡岩土体的强度，如岩性﹑岩体结构﹑风化和水对岩土的软化作用等。第二方面影响着斜坡的形状，如河流冲刷﹑地形和人工开挖斜坡﹑填土等。第三方面影响着斜坡的内应力状态，如地震﹑地下水压力﹑堆载和人工爆破等。他们的负影响表现在增大下滑力而降低抗滑力，促使斜坡向不稳定方向转化。上述诸因素中，岩土的类型性质﹑岩土体结构是最主要的因素，其他因素通过它才能起作用。根据各因素对斜坡稳定性的影响程度，可将它分为两大类：一类为内部因素，是长期起作用的因素，有岩土的类型和性质﹑地质构造和岩体结构﹑风化作用﹑地下水活动等；另一类为外部因素，是临时起作用的因素，有地震﹑洪水﹑暴雨﹑堆载﹑人工爆破等。下面分述各主要因素。1﹑岩土类型和性质岩土类型和性质是影响斜坡稳定性的根本因素。在坡高和坡角相同时，显然岩土体越坚硬，抗变形能力越强，则斜坡的稳定性越好，反之稳定性越差。同时，岩体的节理﹑断层及软弱夹层的存在会减弱其稳定性。2﹑岩体结构面的性质岩质斜坡的变形破坏多数是受岩体中结构面的控制。所以结构面的成因、性质、岩性特征、密度以及不同方向结构面的组合关系等是非常重要的。按结构面的产状与临空面的关系，可分为：(1)平迭坡：主要软弱结构面是水平的。这种斜坡一般比较稳定，但厚层软弱相间的岩层会形成崩塌破坏，厚层软弱岩会发生滑坡。(2)逆向坡：主要软弱结构面的倾向与坡面的倾向相反。这种斜坡是最稳定的，有时有崩塌发生，而滑坡的可能性很小。(3)顺向坡：主要软弱结构面的倾向与坡面的倾向一致。其稳定性与倾角和坡角的相对大小有关。当坡角β〉弱面倾角α时，斜坡稳定性最差，极易发生顺层滑坡。当αβ时，稳定性较好，但还有其他结构面的存在，特别是向坡外缓倾的结构面组合，还可能发生滑坡。(4)斜交坡：主要软弱结构面与坡面成斜交关系。其交角越小，稳定性就越差。(5)横交坡：主要软弱结构面的走向与坡面走向近于垂直，稳定性较好，很少发生大规模的滑坡。3﹑地形地貌条件斜坡坡度越大、越高，斜坡稳定性越差。从区域地形地貌条件看，斜坡变形破坏主要集中发育于山地环境中，尤其在河谷强烈切割的峡谷地带。4﹑水的作用水不仅是流动体的组成部分，也是流动体的搬运介质，水对岩土体的浸泡使之成为流塑状态，减小与地面坡角的摩擦力，对斜坡稳定产生显著影响，主要包括软化作用﹑冲刷作用﹑静水压力﹑动水压力和浮托作用等。（1）软化作用水的软化作用指由于水的活动使岩土体强度降低的作用。当岩体或其中的软弱夹层亲水性较强，有易溶于水的矿物存在时，浸水后的岩石和岩体结构遭到破坏，发生崩解泥化现象，使之抗剪强度降低，影响斜坡的稳定性。（2）冲刷作用河谷岸坡因水流冲刷而使斜坡变高﹑变陡，不利于斜坡的稳定性。冲刷还可使坡角和滑动面临空，易导致滑动。水流冲刷也常是岸坡崩塌的原因。此外，大坝下游在高速水流冲刷下形成冲刷坑，其发展的结果会使冲刷边坡不断崩落，以威胁大坝安全。（3）静水压力作用于斜坡上的静水压力主要有三种情况，其一是当斜坡被水淹没时作用在坡面上的静水压力；其二是岩质斜坡张裂隙充水时的静水压力；其三是作用于滑体底部滑动面的静水压力。当斜坡被水淹没，而斜坡的表部相对不透水时，坡面上就承受一定的静水压力。由于该静水压力指向坡面且与其正交，所以对斜坡稳定有利。岩质斜坡的张裂隙，如果因降雨或地下水活动使裂隙充水，则裂隙将承受静水压力的作用。该静水压力公式为：gLHPw21w式中：H为裂隙水的水头；L为充水裂隙的长度；ρw为水的密度；g为重力加速度。如果斜坡上部为相对不透水的岩土体，则当河水位上涨或水库蓄水时，地下水位上升，斜坡内不透水岩体底部将受到静水压力的作用，削减该结构面上的有效应力，从而降低了抗滑力，不利于斜坡的稳定性。显然，地下水位越高，对斜坡稳定越不利。（4）动水压力如果斜坡岩土体是透水的，地下水在其中渗流时由于水力梯度作用，就会对斜坡产生动水压力，其方向与渗流方向一致，指向临空面，因而对斜坡稳定是不利的。在河谷带当洪水过后河水位迅速下降时，岸坡内可产生较大的动水压力，往往使之失稳。同样，当库水位急剧下降时，库岸也会由于很大的动水压力而致失稳。此外，地下水的潜蚀作用，会削弱甚至破坏土体的结构连结，对斜坡稳定性也是有影响的（5）浮托力处于水下的透水斜坡，将承受浮托力的作用，使坡体有效重量减轻，对斜坡稳定不利。一些由松散堆积物组成库岸的水库，当蓄水时岸坡发生变形破坏，原因之一就是浮托力的作用。5﹑地震地震对斜坡稳定性影响较大。强烈地震时由于水平地震力的作用，常引起山崩﹑滑坡等斜坡破坏现象。地震对斜坡稳定性的影响，是因为水平地震力使法向压力削减和下滑力增强，促使斜坡易于滑动，此外，强烈地震的振动，使地震带附近岩土体结构松动，也给斜坡稳定带来潜在威胁。二斜坡稳定性的评价方法斜坡稳定性评价在工程地质工作中是一个非常重要的课题。其目的是，合理设计人工边坡，使之既稳定又安全，又不浪费开挖工作量；评定﹑核算与工程有关的天然斜坡稳定性现状及受工程影响后的稳定性状况；对已建成的人工边坡检查其稳定性状况；为整治斜坡提供设计依据。斜坡稳定性评价方法有很多，常用的有：自然历史分析法﹑力学计算法﹑图解法和工程地质类比法。1﹑自然历史分析法这种方法主要通过研究斜坡形成的地质历史和所处的自然地理及地质环境﹑斜坡的地貌和地质结构﹑发展演化阶段及变形破坏形迹，来分析主要的和次要的影响因素，从而对斜坡稳定性做出初步评价。自然历史分析法主要包括三方面的研究内容：（1）区域地质背景的研究，即在区域地质背景下分析斜坡的成因、斜坡结构、结构面的位置、性质、连通情况；结构面与临空面的关系；斜坡可能破坏的类型、规模等。（2）分析促使斜坡演变的主导因素，即分析区域气候、地震、库水等影响因素或因素组合对斜坡稳定性的影响。（3）预测斜坡所处的演化阶段和发展趋势。2﹑力学计算法力学计算法主要适用于滑坡类破坏形式，是一种定量评价的方法。常用的是刚体极限平移法。采用这种方法的前提是：只考虑破坏面上的极限平衡状态，而不考虑岩土体的变形，即视岩土体为刚体；破坏面上的强度由凝聚力和摩擦力（C﹑φ值）控制，即遵循库伦定律；滑体中的应力，以正应力和剪应力的方式，集中作用于滑面上；④以平面课题来处理。（一）土质斜坡稳定性计算土质斜坡可分为无粘性土斜坡和粘性土斜坡，对这两种斜坡的稳定性计算方法是不同的。1﹑无粘性土斜坡干燥条件下，设坡角为β，坡面上土体自重为W，则W可分解为平行坡面的力T和垂直坡面的力N。其计算公式为：cossinWNWTT为切向力；由法向力N引起的抗滑力为粒间的摩擦力tgφ(φ为内摩擦角)。则沙土坡的稳定性系数K为：tgtgTNKtg2﹑粘性土斜坡粘性土斜坡稳定性计算最常用的方法是圆弧法。这种方法假定滑动面的空间形状为一圆柱面，在剖面上则为一圆弧。下面介绍目前国内外广泛采用的瑞典条分法。如图：一简单均质土坡，取一假定滑弧圆心为O，半径为R和滑弧AC。将滑动土体沿铅直方向分成若干土条。取第i条分析，不考虑土条间的作用力，则第i条作用在滑弧面上的力有：（1）由土条自重Wi在滑弧上引起的切向力为（2）由土条自重Wi在滑弧上引起的法向力所产生的抗滑力为：（3）滑动面上的凝聚力产生的抗滑力为：若斜坡滑动时，各土条围绕圆心O旋转，则斜坡的稳定性系数为该土条的总抗滑力矩与总滑动力矩之比：RhbgRtghbgLCKiiiiiii)sin(])cos([（二）岩质斜坡稳定性的计算岩性斜坡的稳定性，一般取决于软弱结构面的特点及其组合关系。进行稳定性计算时应先确定可能的滑动面，即软弱结构面。其中比较简单的是单一同向结构面的斜坡。1﹑单一同向结构面斜坡斜坡稳定性受倾向与坡向一致的一组软弱结构面控制。其稳定性计算可沿滑动方向取一单宽剖面。由滑动岩体自重所产生的下滑力T和抗滑力F分别为sincoscossinWLCtgWKLCtgWLCtgNFWTsinsiniiiihbgWTtghbgtgWtgNFiiiiiificoscosiciLCF因为LhgWcos21所以2sin4hgCtgtgK式中：h为由坡顶至滑动面的距离，也称变形体高度。当结构面上的凝聚力很小，甚至接近零时，则滑体的稳定性仅取决于摩擦阻力的大小，即tgtgK当滑坡区地下水位较高，滑动体为相对隔水层时，在斜坡稳定性计算中一定要将滑动面上地下水的静压力计入，有此可得斜坡稳定系数为sin)cos(WLCtgPWKw2﹑折线形滑动面的斜坡斜坡滑动面不规则，在自然界中多见。计算这类斜坡稳定性时，一般是根据所查明的滑动面起伏情况，划分为若干折线形的块段1﹑2﹑3...n(如图)，每一块段底部滑面为平直的斜面，并确定各段的计算参数，然后可根据我国铁道部门采用的滑坡推理计算法来计算斜坡的稳定性。滑块两侧的摩擦力和滑体自身挤压力不考虑.基本荷载（仅考虑重力）计算如下：第一块：下滑力:抗滑力：剩余下滑力：第二块：下滑力:抗滑力：剩余下滑力：第i块：11sinW11111cosLCtgW11111111cossinLCtgWWE2222112221122)sin(cos)cos(sinLCtgEWEW112222222221211222222222221122211222cossin)sin()cos(cossin)sin(cos)cos(sinELCtgWWtgELCtgWWLCtgEWEWEiiiiiiiiiiELCtgWWE1cossin第n块：En0，斜坡将会失稳，反之斜坡则是稳定的。由于各块段计算参数存在一定误差，为了安全起见，将抗滑力部分除以一个安全系数KS。则siiiiiiiiiiKLCtgWWEE1)cos(sin11需要指出的是，凡计算中的任一块段的E值为负时，表示其无剩余下滑力。考虑到斜坡中裂隙不能承受拉力，这时E取为零，然后自以下的块段重新计算推力。3﹑图解法图解法是一种定性或半定量的评价方法,以赤平极射投影为基础，通过对斜坡岩体结构面的大量调查统计，掌握了优势软弱结构面的产状特性，据以分析他们对斜坡稳定性的影响。在斜坡稳定性评价中，一般采用两种图解法，即图表计算法和图解分析法。图表计算法种类较多，其基本原理都是根据斜坡所处的条件，来确定某一无因次量，并绘制不同坡角情况下无因次量与稳定系数关系曲线图，或不同系数情况下的无因次量与坡角关系曲线图。借助曲线图，在已知C﹑tgφ﹑ρ﹑α﹑β﹑H等参数后，即可直接从关系曲线上差得稳定系数。4﹑工程地质类比法类比法就是将所要研究的斜坡或拟设计的人工边坡与已研究过的斜坡或人工边坡进行类比，以评价其稳定性或确定其坡角和坡高。类比时必须全面分析研究工程地质条件和影响斜坡稳定性的各项因素，比较其相似性和差异性。相似性愈高，则类比依据愈充分，所得结果愈可靠。类比的基础是相似，只有相似程度较高才可进行类比。所以类比法一点要充分做好工程地质调