（地质工程专业论文）土质边坡破坏机理及稳定性研究.pdf

摘要 随着国民经济的飞速发展，大量的公路交通、铁路等土木工程建设的快速发展，越 来越多的工程项目在建设和使用中，都不可避免的遭遇到土质边坡的稳定性问题。不同 的边坡结构，其变形破坏模式不同，所采取的防治措施也不同。因此，有必要针对土质 边坡进行破坏模式、破坏机理及稳定性评价进行系统的研究，以满足工程建设及保障人 民生命财产安全的需求。 论文通过对已有资料的总结分析，从土质边坡的结构类型入手，将土质边坡分为均 质土边坡、层状松散土边坡及二元结构边坡三类，将土质边坡的破坏类型分为整体失稳 与坡面破坏两种，其中，整体失稳又可以分为滑坡、崩塌与坍塌，并对边坡的变形破坏 做出预测，在此基础上，对不同破坏模式下边坡的破坏机理进行研究。考虑土质边坡稳 定性影响因素，采用静力计算结合数值模拟的方法分析土体力学参数、边坡临空条件、 渗流条件及人工开挖等对边坡稳定性的影响，以此分析边坡稳定系数的变化规律；对土 质边坡稳定性评价方法进行总结，通过分析计算，得到边坡不同破坏模式下所对应的较 为适用的稳定性评价方法，并绘出能初步判断边坡稳定性的计算图表。最后，通过对具 体边坡破坏实例的分析，对土质边坡稳定性评价的流程、分析方法及其计算结果进行验 证。 关键词：土质边坡，破坏模式，影响因素，破坏机理，稳定性评价 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h er e c e n tr i s eo ft h ec i v i l e n g i n e e r i n gi n d u s t r y , s u c ha sr o a d 位临ca n dr a i l w a y s ，m o r ea n dm o r ep r o j e c t s e n c o u n t e rt h ei n e v i t a b l ep r o b l e m si nt h es t a b i l i t yo fs o i ls l o p e d i f f e r e n td e f o r m a t i o na n d f a i l u r em o d e so ft h es o i ls l o p e ，t h ec o n s e q u e n c e sa n dp e o p l e sr e s p o n s e sa r ea l s oq u i t e d i f f e r e n t t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r yf o rt h es y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ef a i l u r em o d e ，f a i l u r e m e c h a n i s ma n dt h es t a b i l i t ye v a l u a t i o no fs o i ls l o p e ，t om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e p r o j e c tc o n s t r u c t i o na n dt h ep r o t e c t i o no fl i f ea n dp r o p e r t ys e c u r i t y t h r o u g has u m m a r ya n a l y s i so fe x i s t i n gd a t a , s t a r t i n g 谢也t h es t r u c t u r et y p eo fs o i l s l o p e ，s o i ls l o p ei sd i v i d e di n t oh o m o g e n e o u ss o i ls l o p e ，l o o s es o i ls l o p ea n dd u a l s t r u c t u r es o i ls l o p e o nt h eb a s i so fs u m m i n gu pt h ed a m a g et y p e so fs o i ls l o p ec a nb e d i v i d e di n t oo v e r a l li n s t a b i l i t ya n ds l o p i n g s u r f a c e sf a i l u r e t h eo v e r a l li n s t a b i l i t yc a nb e d i v i d e di n t ol a n d s l i d e ，c o l l a p s ea n ds l u m p t h ef a i l u r em o d e sa n dm e c h a n i s mo fs o i l s l o p ea r ea n a l y z e d t h e n ，t h es l o p es t a b i l i t yf a c t o r sa r ec l a s s i f i e da n ds u m m a r i z e d ，w h i c h a r ed i v i d e di n t oe x t e r n a lf a c t o r sa n di n t e r n a lf a c t o r s c o m b i n i n gw i t hs t a t i ca n a l y s i sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h es p e c i f i ci m p a c to fv a r i o u sf a c t o r s ( s u c ha sm e c h a n i c a l p a r a m e t e r s ，f r e es u r f a c e ，s e e p a g ec o n d i t i o na n dh a n de x c a v a t i o ne t c ) o ns l o p es t a b i l i t yi s a n a l y z e d , t h u ss u m m i n gu pt h ec h a n g e so fs l o p es t a b i l i t yf a c t o r m e t h o d so ns o i ls l o p e s t a b i l i t ye v a l u a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fe x a m p l e si nd i f f e r e n t c o n d i t i o n si sm a d et os e l e c tt h er e c o m m e n d e dm e t h o dw i t hl i t t l ec a l c u l a t i o ne r r o r a p p r o p r i a t em e t h o d so fs t a b i l i t ye v a l u a t i o ni nd i f f e r e n tf a i l u r em o d e sa l ep r o p o s e d , t h e c h a r tf o rp r e l i m i n a r yj u d g m e n t so fs l o p es t a b i l i t yi sa l s om a n u f a c t u r e d f i n a l l y ，t h r o u g h t h ea n a l y s i so ns p e c i f i ce x a m p l eo fs l o p ef a i l u r e ，t h ea s s e s s m e n tp r o c e s s ，a n a l y s i s m e t h o d sa n dt h e i rr e s u l t so ns o i ls l o p es t a b i l i t ya r ev e r i f i e d k e y w o r d s ：s o f ts l o p e ，f a i l u r em o d e ，i m p a c tf a c t o r , f a i l u r em e c h a n i s m , s t a b i l i t y e v a l u a t i o n n 长安大学硕士学位论文 1 1问题的提出 第一章绪论 边坡是自然斜坡与人工边坡的统称。我国目前正处于经济建设高速发展的时期，各 地区均需修筑大量的基础设施，如公路、铁路、码头、机场、路堤等。在这些工程项目 的建设中，往往会涉及到边坡工程，边坡工程必然伴随着边坡稳定性的问题。边坡的变 形破坏将给国民经济带来了巨大的损失，并且经常威胁到人民的生命财产安全。2 0 0 9 年5 月1 6 日兰州市九洲开发区石峡口小区西面山坡突发山体滑坡，约2 0 0 0 0 立方米土 体从山坡上突然发生滑动，3 2 户居民的房屋被黄土摧毁，掩埋深度约7 米，造成了巨大 的经济损失与人员伤亡。该滑坡滑前没有任何征兆，也没有降雨与振动影响，突然大范 围滑动，可能与边坡土体在长期重力作用下发生的时效破坏特征有关。2 0 1 0 年3 月1 0 日，榆林市子洲县双湖峪村石沟发生山体滑坡，滑体土方约9 万方，十多户住户房屋被 掩埋，2 7 人不幸遇难。由于天气回暖，坡体内部冰体消融产生的水流，以及附近居民对 边坡的不合理开挖导致了此次滑坡的发生。边坡破坏带来的灾难性后果，再度引起了研 究人员对边坡稳定性的高度重视。 边坡治理首要的任务是对边坡失稳破坏模式的准确判断及其稳定性做出科学合理 的评估，它是整个治理过程的基础。然而不同边坡之间差异性较大，不同技术人员对同 一边坡的稳定性评价结果也多有不同，加上技术人员对新方法的认知程度不同，使其成 果普遍适应性不强，很难被广泛用于工程实践1 j 【2 】。 由此，本论文依托西部交通科技项目，在对土质边坡的结构类型、破坏模式及稳定 性评价技术进行归纳总结的基础上，采用数值模拟方法等对土质边坡进行破坏机理及稳 定性评价方面的研究，以达到指导工程实践的目的。 1 2 国内外研究现状 边坡是人类是生存的重要环境，是工程建设的重要组成部分。随着经济的发展和社 会进步，人类的工程活动也在迅速的发展，边坡问题引起人们对边坡问题的重视与研究， 边坡稳定性问题的研究在不断深化【3 1 。 1 2 1 边坡破坏机理研究现状 边坡变形破坏机理是边坡灾害预测、预报和有效防治的理论基础，破坏机理的研究 第一章绪论 在揭示边坡破坏过程的同时，对边坡的稳定性评价、滑坡预报、滑坡防治等方面也很重 要，虽然国内外已进行了不少工作，但由于其机理复杂，至今还不能很完善的对其做出 解释，但是目前已经取得了很大的成果。 在国外，t e r z a g h i 是从事土力学方面研究滑坡机理的开拓者，他主要从滑带土孔隙 水压力的变化来揭示滑坡机理，同时也注意到地质条件的控制作用；之后，h a e f e l i 、 m o g e n s t e m 等定量地研究了孔隙水压力对土体强度的影响。m u l l e r 提出了滑带土的“触 变液化的观点。p h a b i b 用“孔隙水压力的变化”来解释滑坡的形成机理。s k e m p t o n 关于土的残余强度理论和t e r - s t e r p a n i a n 关于土体蠕变过程的研究把滑坡机理的研究进 一步推向深入。 在国内，许多学者对于滑坡形成的条件和作用因素、滑坡的受力状态、滑坡的破坏 模式及发育阶段等有关的问题进行了多方面的探讨和研究。主要表现在：王士天等针对 金沙江向家坝水电站边坡，对边坡破坏的重力蠕变机制、纵张破坏机制进行了广泛的研 究；胡广韬提出缓动式滑坡滑动的发育模式、滑移机理；王家鼎研究了强震作用下低角 度黄土斜坡滑移的复合机理、地震诱发高速黄土滑坡的机理、饱和液化土机理、灌溉诱 发高速黄土滑坡的运动机理；徐邦栋等以滑带成因和形态为主结合滑动特征，阐述了我 国铁路建设中常见的沿已有软弱构造带( 面) 滑动的滑坡、因下伏软岩挤出形成的错落 性滑坡、沿新生弧形面滑动的滑坡、涨缩土滑坡、黄土崩塌性滑坡等的发生机理和变化 过程；张倬元、王兰生等在研究总结多个边坡( 滑坡) 的基础上，对不同类型的边坡( 滑 坡) 破坏归纳出变形破坏的五种模型，阐述了各种模型的发展变化规律及其演变过程； 潘家铮、王思敬、黄润秋、汪发武等专家学者从不同角度探讨不同类型的滑坡机理，并 提出了相应的速度及滑距计算模型；晏同珍根据滑坡产生的初始条件、原因及滑动方式， 概括了滑坡形成的8 种机理，即流变倾覆、应力释放平移、震动崩落及震动液化平移、 潜蚀陷落、地下悬浮一下陷、高位能飞越、孔隙水压浮动、切蚀一加载等；刘小文、张 琦等对降雨条件下土坡的稳定性进行了系统的研究，对不同渗透系数、不同降雨强度情 况下边坡的稳定性进行评价。徐千军等针对干湿效应对边坡稳定性的影响做了较为系统 的研究，认为干湿效应对岩土介质的劣化作用比持续浸泡还要强，同时对卸荷变化对结 构极限承载能力的影响进行了研究。 1 2 2 边坡稳定性评价研究现状 最初从自然滑坡现象对边坡稳定性的认识开始，边坡稳定性分析经历了很长的历史 2 长安大学硕士学位论文 过程。1 7 7 6 年法国工程师库仑、1 8 5 7 年英国学者朗肯分别提出了库仑土压力和朗肯土 压力的计算方法。2 0 世纪初期，伴随欧美国家的工业化而兴起的大规模土木工程建设， 出现了较多的人工边坡，诱发了大量滑坡和崩塌，造成了很大的损失。由此，人们开始 重视边坡失稳对人类造成的威胁，并开始借用一般材料分析中的工程力学理论对滑坡进 行半经验、半理论的研究。 早期对边坡稳定性的研究主要从两个方面进行，一是借用土力学中极限平衡的概 念，由静力平衡条件计算边坡极限状态下的稳定性f 4 5 ，6 】；二是从边坡所处的地质条件、 影响因素和失稳机制上进行对比分析。上世纪5 0 年代，我国学者引进前苏联工程地质 学的体系，继承和发展了“地质历史分析”法，并将其应用于滑坡的分析和研究中，并 着重开展了边坡地质条件的描述和边坡类型的划分。采用工程地质类比法评价边坡稳定 性，对边坡稳定性研究起到了推动作用l l 】。 国外对边坡稳定性的研究起步较早，1 9 世纪中叶，西方国家就开始对滑坡现象研究， 初期研究仅局限于对滑坡的观测，如美国曾对2 处边坡分别观测2 2 年和2 3 年；瑞士对 一隧道边坡和一湖岸边坡分别观测5 0 年和5 5 年。到2 0 世纪2 0 5 0 年代，由于实际工 程中的滑坡危害日趋严重，并且在工程地质学和土力学的形成和发展下，土坡稳定问题 已引起更多国家和研究人员的重视，瑞典和挪威分别成立国立土木研究所对实际工程中 的土坡稳定问题进行研究，但当时的研究多集中于铁路和水运方面。2 0 世纪5 0 - - - 6 0 年代， 处于二次世界大战后各国经济大发展时期，国土开发利用下工程建设涉及更大领域，尤 其是在开发山区和丘陵地带中遇到更多的斜坡失稳破坏产生的危害，从而促使滑坡研究 系统而深入。其中以前苏联研究滑坡防治技术较早。2 0 世纪7 0 年代至今，边坡稳定问 题己成为世界性的普遍问题，受到世界各个国家岩土界的重视，越来越多的组织与个人 致力于研究边坡的稳定性问题。 世界上最高的双拱坝意大利的瓦依昂水库出现滑坡事故( 1 9 6 3 ) 造成近3 千人 的死亡和巨大经济损失，由此，人们开始大规模的开展边坡稳定性研究。人们逐渐认识 到了结构面对边坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征，国内研究者( 谷德振、 孙玉科等，1 9 6 5 ) 也初步形成了岩体结构的观点。同时，我国学者结合露天矿边坡稳定 性研究，进行了比较系统的岩体力学性质的试验研究，包括大型现场试验及室内岩块试 验，常规力学试验及流变力学试验，岩块力学试验及结构面力学试验，动力学试验及静 力学试验等。 2 0 世纪7 0 , - - - 8 0 年代，边坡研究者从大量的工程实践和斜坡失稳事件中，逐渐认识 第一章绪论 到边坡稳定性研究必须重视其变形破坏过程和机制的研究，提出了累进性破坏的观点以 及边坡变形破坏的机制模式，同时提出斜坡的变形模式和地质力学模式”9 】。数值和物 理模拟手段被引入边坡研究中，人们借助有限元法、离散元法、地质力学模型试验等再 现边坡变形破坏的全过程，从整体上、内部作用机理等方面对边坡进行全面的认识和评 价；利用统计热力学理论、灰色系统理论、数量化理论、概率论与数理统计等，探索了 边坡稳定性的预测预报方法。可以说，这一阶段是边坡科学发展的高峰期【1 m 1 2 1 。 国内对边坡灾害的研究始于新中国成立后，首先出现在遭受危害较为严重的铁道部 门。到5 0 年代中期以来我国兴建水电站，水电、地质部门及中国科学院互相配合、共 同研究，出现了大批对坝址、库区边坡的研究。5 0 年代末6 0 年代初在煤炭和冶金部门， 对矿区采空边坡、露天采场高边坡及尾矿堆积坡等进行稳定性研究成为必然。而交通部 门对公路边坡的研究真正始于2 0 世纪7 0 年代以后，随着改革开放众多高速公路和高等 级公路的建设提上议程，国内开展大量的公路边坡稳定性研究，也取得了丰硕的研究成 果。2 0 世纪9 0 年代以来，人类工程活动在发展中国家迅速增长，人工边坡的规模和高 度不断增大，边坡稳定问题越来越突出。我国黄河小浪底水电工程、长江三峡工程、西 南地区大量的水利建设以及中西部地区大量铁路、公路工程建设或论证遇到了前所未有 的边坡稳定性问题，对工程边坡的勘察、设计、评价、监测和加固越来越重视，也促进 了边坡稳定性研究的发展。 边坡稳定性评价方面国内大多参考国外已成熟的方法，并根据国内情况进行修正。 边坡稳定性评价一直是边坡工程的一项重要内容，也是边坡工程设计和施工的基础。随 着我国经济发展，尤其是国家制定西部大开发发展战略以来，山区公路工程活动的增多， 使边坡稳定性问题成为主要的工程地质问题之一。为此，众多学者致力于边坡稳定性的 研究，在该领域也取得了较多成果，提出了多种公路边坡稳定性评价方法【1 3 】叫3 3 1 。 土质边坡的评价方法相对比较成熟，除了传统的工程地质类比法、图表分析、力学 计算方法，数值模拟已逐渐成为评价土质边坡稳定性最主要的方法【蚓【3 叼。 由于边坡工程是一个复杂的开放系统，影响因素众多，并且带有相当的随机性、模 糊性和不确定性，造成稳定性评价困难。近几年很多学者另辟蹊径，从非相关专业引入 新的思想从而形成一种新的非确定性评价方法，如边坡稳定可靠性分析方法【3 7 】【3 羽、随机 过程方法、模糊数学方法、灰色系统预测滑坡失稳分析方法、人工智能计算法( 神经网 络、模糊逻辑、遗传算法【3 9 】) 等等，评价结果仍然需要用工程实践去证明、修正，并且 很多判断方法需要结合计算机编程才能得以实现，但这充分体现了边坡研究方法逐步迈 4 长安大学硕士学位论文 向新的阶段。 1 3 本论文的主要内容及技术路线 前人针对边坡稳定性做了大量的调查与研究工作，本论文在充分借鉴国内外已有的 先进的边坡稳定性评价技术和方法的基础上，主要研究以下几个方面内容： 充分借鉴前人研究成果，在此基础上总结出土质边坡结构类型及其失稳破坏模式 的分类体系； 针对土质边坡开展详细分类，对其破坏模式进行分析研究； 对土质边坡破坏模式进行预测判断，并对其破坏机理进行研究； 对土质边坡稳定性影响因素及其评价方法进行研究，形成一整套边坡类型判断、 破坏模式判断、稳定性评价及其方法选择的技术体系。 本次研究主要通过总结前人的研究成果、野外实地调查、实际工程对比等多种研究 手段相结合，然后采用数值模拟方法对边坡破坏模式和稳定性进行判断，最终得出公路 边坡破坏模式判断及其稳定性评价的方法，为工程实践提供一定理论依据。本文采用的 技术路线如图1 1 所示。 室内资料收集 归纳现有的稳 定性评价方法 总结边坡结构类 型及破坏模式 野外边坡调查 稳定性影响因素 il 破坏机理分析il 破坏模式预测 滑 坡 破 坏 崩 塌 破 坏 坍 塌 破 坏 外 形 特 征 形 成 条 件 岩 土 结 构 选择合适的评价方法il 综合稳定性影响因素ii 破坏模式初步判断 边坡破坏模式判断及稳定性评价 图1 1 本文研究技术路线图 5 一丽外一气圳别剖 l - 黼眺 第二章土质边坡结构类型与破坏类型 第二章土质边坡结构类型与破坏类型 2 1土质边坡结构类型 土质边坡指破坏面发生在第四纪松散堆积层中，破坏面往往呈圆弧状或对数螺旋 状，无粘性土边坡为平面状，包括均质土边坡、层状松散土边坡、二元结构边坡。其分 类及岩土结构特征总结如表2 1 。 表2 1 土质边坡岩土结构类型 类型岩土结构特征稳定性影响因素 均质土边坡整个坡体由均质土构成，没有贯通性的结构面土体强度和坡形 土质 层状松散土边坡 坡体由不同类型的松散土层构成，控制性结构土体强度、坡形、沉积层面产状与 边坡 面是沉积层面坡面的组合关系 坡体由岩层及其上覆的松散堆积层构成，控制土体强度、坡形、二元结构层面产 二元结构边坡 性结构面是岩土分界面和沉积层面状与坡面的组合关系 2 1 1 均质土边坡 均质土边坡是指整个坡体由性质均一的土体组成，基本不含有节理、裂隙及贯通性 结构面的边坡。根据物质组成的不同，均质土边坡又可分为一般粘性土边坡、砂性土边 坡、黄土边坡、软土边坡和膨胀土边坡。 1 、砂性土边坡 砂性土边坡，以砂粒为主，结构较疏松，凝聚力低为其特点，透水性较大。主要分 布于我国北方沙漠地带，风积地貌一般有沙地、灌丛沙丘、新月形沙丘和沙丘链，以及 沙垄等。风蚀地貌一般有风蚀洼地、风蚀垄槽和风蚀残丘。 2 、黄土边坡 黄土是指第四纪以来，在干旱和半干旱地区，由于不同的动力作用所沉积的以粉土 颗粒为主，多孔隙、呈黄红色，含钙质的粘性土，遇水易崩解、冲蚀、湿陷。 黄土是以粗粉粒为主体的骨架结构。黄土的多孔性，新黄土具有肉眼可见的大孔隙、 裂缝、孔洞。呈垂直和倾斜的管状分布，以垂直为主。黄土的节理，有垂直节理和倾斜 节理，以垂直节理为主，一般上部比下部发育，老黄土中斜节理比较发育。组成边坡的 黄土具有以下性质： ( 1 ) 随沉积时代的增加抗剪强度有所增大；黄土的抗剪强度具有各向异性特征； 含水量小黄土的抗剪强度大，随含水量增大强度剧烈降低，当含水量接近塑限值，强度 6 长安大学硕士学位论文 降低减慢。 ( 2 ) 变形特性：压缩性随干容重的增大、孔隙比的减小而减小。湿陷性随深度、 含水量、干容重的增大或孔隙比的减小而减小。 ( 3 ) 透水性特点：由于黄土的各向异性，一般垂直方向的渗水性大于水平方向。 ( 4 ) 收缩膨胀性：老黄土和古土壤层含粘粒多，具有干缩湿涨的特性，经多次反 复循环，土体表层易形成裂缝和剥落。 ( 5 ) 抗水性：一般新黄土的抗水性差，遇水后易被冲蚀，潜蚀、崩解。 ( 6 ) 直立性：一般q 4 黄土的直立性差，不能维持陡边坡；q 3 黄土的直立性一般， 不能维持高陡边坡；q 2 黄土直立性强，能维持高陡边坡；q 1 黄土的直立性虽强，但需 及时做好坡面的防护工程，否则易产生掉块等病害。 黄土分布：我国黄土主要分布在北纬3 4 。- - , 4 1 。的大陆内部干旱和半干旱地区。黄 土高原主要是指秦岭以北长城以南、太行山以西日月山以东的黄河中游地区的甘肃、宁 夏、陕西、河南等省，如图2 1 。( 黄土高原，西起龙羊峡，东至桃花峪，北以毛乌素沙 漠为界，南达秦岭北坡) 图2 1 中国黄土分区示意图 黄土边坡稳定性取决于土层的密实程度和地层年代、成因，不同时期黄土的接触情 况，地形地貌和水文地质条件，黄土本身陷穴、裂隙发育程度，主要力学指标的变化幅 度，气候条件，地震影响以及河流冲刷等因素。 3 、软土边坡 第二章土质边坡结构类型与破坏类型 软土是指以近代水下沉积的一种软塑到流塑状态的饱和软粘土，近代地貌多为宽阔 的平原，或丘陵边缘平坦的谷地，其地表不再为地表水所浸漫，表面常具有可塑硬壳层， 地下水位接近地表，沉积厚度一般较深。 软土多在我国沿海地区广泛分布，如东海、黄海、渤海、南海等沿海地区；内陆平 原以及一些山间洼地亦有。我国软土的主要分布区域如表2 2 ： 表2 2 我国软土主要分布区域 主要成因类型主要分布区域 滨海沉积软土天津塘沽、连云港、上海、舟山、杭州、宁波、温州、福州、厦门、泉州、漳州、广州 湖泊沉积软土洞庭湖、洪泽湖、太湖、鄱阳湖四周、古云梦泽地区 河滩沉积软土长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原 沼泽沉积软土昆明滇池周边、贵州水城、盘县 在泉水出露处，特别是潜水溢出泉出露处，水草发育，土体长期浸水呈饱和状态， 这些地段往往有软土分布；在潜水位较浅的黄土及粉质粘土地区，也有软土分布。 软土压缩性高，强度低，含水量接近或大于液限。软土的工程性质如下： ( 1 ) 触变性：软土具有触变特征，当原状土受到振动以后，破坏了结构连接，降 低了土的强度或很快的使土变成稀释状态。 ( 2 ) 流变性：软土除排水固结引起变形外，在剪应力作用下，土体还会发生缓慢 而长期的剪切变形。 ( 3 ) 高压缩性：软土是属于高压缩性的土，压缩系数大。 ( 4 ) 低强度：由于软土具有上述特征，强度很低，其不排水抗剪强度一般均在2 0 k p a 以下。 ( 5 ) 低透水性：软土透水性能弱，一般垂向渗透系数在i ( 1 0 - 61 0 。8 ) c m s 之间j ( 6 ) 不均匀性：由于沉积环境的变化，粘性土层中常局部夹有厚薄不等的粉土使 水平和垂直分布上有所差异。 8 长安大学硕士学位论文 表2 3 软土地区的类型与特征 类型厚度特征 泻湖相沉积2 2 5 m 可达6 0 m颗粒细，孔隙比大，强度低，常夹有薄层泥炭 溺谷相沉积孔隙大，结构疏松，含水量高，分布范围窄 海洋沿 大于6 0 m 可达 岸沉积滨海相沉积面积广，厚度大，夹有粉砂薄透镜体，孔隙大 2 0 0 m 分选型差，结构不稳定，粉砂薄层多，有交错层理，不规则尖灭 三角洲相沉积 层及透镜体夹层，结构疏松 内陆湖湖相沉积 小于2 0 m 粉土颗粒成分高，呈放射状分布，层理均匀清晰，表层多具有硬 壳 盆地沉 呈片状、带状分布，靠山边浅，谷中心具有较大的横向坡，颗粒 积丘陵谷地相沉积7 一l o m 由山前到谷中心逐渐变细 河滩沉 河漫滩相沉积 成层情况较不均一，以淤泥与软粘土为主，含中细砂交错层，呈 小于2 0 m 积 牛轭湖相沉积 透镜体分布 4 、膨胀土边坡 膨胀土是指土中黏粒成分主要由亲水矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收 缩两种变形特性的粘性土。我国的膨胀土多为新第三系至第四系上新统的地层，成因以 冲积、洪积、湖积和残积为主。矿物成分大多以伊利石为主，其次为蒙脱石或高岭石， 也有少数地区是以蒙脱石为主。多分布在二级及二级以上的河谷阶地，山前丘陵和盆地 边缘，个别分布在一级阶地上，呈垄岗一丘陵和浅而宽的沟谷，地形坡度平缓，一般坡 度小于1 2 度，无明显的自然陡坎。膨胀岩土一般分布在山前地带及高级阶地，在盆地 中部或低级阶地的下部有时也有膨胀岩土分布，由于其所处深度大，一般对地面建筑无 影响。膨胀岩土大多为高塑性的粘性土、裂隙发育，常常易于滑塌不能维持陡坎，故一 般呈浑圆岗丘地形。膨胀岩土地区，在山前或高阶地前的坡度较陡地带，常形成浅层滑 坡，多为古滑坡。 膨胀土地区多为上层滞水或裂隙水，无统一水位，随着季节水位变化，常引起地基 的不均匀膨胀变形。 膨胀土地层以第四系中、上更新统为主，少量为全新统及新第三系。膨胀土多呈坚 硬一硬塑状态，结构致密，呈棱形土块者常具有胀膨性，棱形土块越小，胀膨性越强。 土内分布有裂隙，斜交剪切裂隙越发育，胀缩性越严重。 膨胀土性质如下： ( 1 ) 超固结特性：膨胀土大多是在更新世以前沉积的土层，曾经受过先期固结， 9 第二章土质边坡结构类型与破坏类型 因此，现在露出地表的这部分膨胀土处于超固结状态，随着土体的开挖，超固结膨胀土 会发生卸荷膨胀，使土体内的能量逐渐释放出来，这种卸荷膨胀要持续较长的时间，而 且是不可逆的。 ( 2 ) 胀缩特性：膨胀土遇水膨胀软化，失水干缩开裂，这种胀缩效应非常灵敏， 胀缩量的大小取决于土的粘粒含量、矿物成分和特殊的结构等。不同的微结构形态不仅 影响胀缩量的大小，而且还会形成裂土的各向异性，所以，膨胀土的垂直、水平向膨胀 量往往是不一致的。 ( 3 ) 裂隙特征：常见的裂隙有垂直、斜交和水平三种，其中以垂直和水平裂隙较 发育。裂隙面一般为蜡状光泽，多见铁锰胶膜附着，较光滑，有擦痕。膨胀土一般都发 育有2 3 组的裂隙。 ( 4 ) 水理性质：膨胀土具有较高的液限和较大的塑性指数，但是塑限含水量比一 般粘性土无明显差别。当膨胀土的天然含水量接近塑限时，膨胀土浸水更易软化，且易 沿裂隙崩解。 ( 5 ) 风化作用：膨胀土表层因受气温、水分频繁变化的影响，反复的胀缩作用加 剧土体裂隙的发育，并形成一层明显的风化破碎层，这层厚度一般为1 0 1 5 m ，而由这 一层向深部、风化程度逐渐减轻。 ( 6 ) 抗剪强度：膨胀土的抗剪强度的特点主要有两点，其一为室内常规剪切试验 的抗剪强度一般都高于现场土体的抗剪强度。其二为膨胀土的残剪试验反映出具有较高 的峰值抗剪强度和较低的残余抗剪强度。 表2 4 膨胀土的野外特征 项目特征项目 特征 以第四系中、上更新统为主，少量为全结构致密，土块破碎后呈菱块状，更细小的 地层结构 新统及第三系 碎屑呈鳞片状 有明显的垄岗式地貌，山前丘陵区及盆裂隙发育，至少有2 3 组以上的裂隙，裂面 地貌地边缘的岗顶多呈浑圆状，无明显的天裂隙光湖，或有擦痕，或为铁锰胶膜附着，裂隙 然陡坎，自然坡度平缓常有灰白、灰绿色粘土填充 以褐黄、棕黄、棕红、灰白、灰绿色为含水量低于硬塑状态的土块浸水，会很快地 颜色崩解性 主，其中灰白、灰绿色的工程性质更差 沿裂隙崩解 晴天新挖的坑壁，裂隙迅速张开，土块易崩 粘性土质细腻，手触摸有滑感胀缩性 落。雨后表层裂隙很快闭合，坑壁土体易沿 裂隙坍塌 含有较多的钙质结核( 砂姜石) ，有时 含有物 富集成层，并有豆状铁锰质结核 1 0 长安大学硕士学位论文 2 1 2 层状松散土边坡 层状松散土边坡是指由不同类型的松散土层构成的边坡，其控制性结构面是沉积层 面。 层状松散土边坡的坡体由第四系松散或相对松散的堆积土体构成，因此坡体结构松 散，具有大孔隙性，透水性较强。坡体为弹塑粘性体，在外力作用下，或在变形滑移过 程中，坡体不仅能产生整体性滑移变形，而且还可以产生较大的塑性变形，同时还能产 生显著的流变变形。 坡体组成物质结构疏松，孔隙度大，粒问结合力差，透水性强，滑床面一般为下伏 不透水层项板或水文性质差异面。剪出口形成于挤压应力区前部，剪出口的形状与部位 主要由应力条件控制，因此具有一定的隐蔽性，不易辨别和确定；张裂缝形成于引张应 力区后部，特别在边坡后壁附近常出现张裂缝，其深度与规模取决于引张应力区的应力 与位移条件。 2 1 3 二元结构边坡 二元结构边坡是指由岩层及其上覆的松散堆积层构成的边坡，或者由软、硬差别较 大的上、下土层构成的边坡。根据上覆土层的物质组成，可以将二元结构边坡划分为黄 土二元结构边坡、红粘土二元结构边坡、堆积层一红层软岩二元结构边坡，以及普通堆 积层二元结构边坡和堆填土二元结构边坡，图2 2 、2 3 所示边坡即为典型的二元结构类 型。 图2 2 普通堆积层二元结构边坡圈2 3 黄土二元结构边坡 1 、黄土二元结构边坡 黄土二元结构边坡是黄土边坡中比较多见的一种边坡，在我国西北广为分布，主要 是指由黄土覆盖层和下覆基岩组成的边坡，以及具有优势滑动面的软硬差别较大的新、 第二章土质边坡结构类型与破坏类型 老黄土和次生、原生黄土组成的边坡。 由于新、老黄土，原生、次生黄土之间，以及黄土与基岩、古土壤之间的结构、强 度、透水性等的差异较大，在长期地表、地下水的作用下，黄土二元结构边坡中的这些 不整合面处容易形成软弱带。因此，当这些边坡在雨水、地震以及人工作用的影响下， 容易产生滑动破坏，滑动破坏的方式主要为： ( 1 ) 形成沿不同年代或成因的黄土堆积面及钙核层上、下面( 包括古土壤层) 的 滑动。此类边坡因堆积层面平缓，需要层间水量较大时方可滑动。此类滑动中另一常见 者为厚层的马兰黄土或再堆积黄土沿底层滑动，在这种类型中，虽然黄土具有大孔空隙， 并且堆积松弛可以导致地面水直接深入，但因层厚和下伏底层平缓，若没有大面积的地 下水补给，不容易形成滑动。 ( 2 ) 老黄土或石质黄土沿下伏老地层滑动。因老黄土中具古土壤，其大孔隙不发 育、而石质黄土呈半成岩状，这两者的隔水性均比较强，一般地表水不易入渗。这不同 于堆积土滑坡为裂隙水及近区地表水的补给造成雨季中的滑动，而是需要在远区的地下 水和多年聚集于滑带处的水使之软塑后再在重压下产生滑动，发生滑动的季节不一定在 雨季。 ( 3 ) 巨厚而陡立的老黄土或洪积黄土覆盖在陡倾的老地面或基岩顶面之上，常在 开挖或切割后，使临空面达下伏层的顶面附近时产生了出口，在下伏老地面或基岩顶面 附近产生崩塌性滑动。其滑带由底层黄土受湿后在强度突然衰减下由承压转化为剪切而 产生巨大推力，可将滑体推出滑床很远。由于滑床较陡，滑带土达到塑性即可发生剪切 破坏，故此类型与堆积土滑坡的产生相比更加突然和急剧。因滑床为基岩顶部，可以为 破碎的薄含水层，在前沿出口埋于地面以下，其水量小浸湿不到黄土底面，一旦切割达 到基岩顶，在侧向卸荷下坡体产生松弛而导致地下水向基岩顶集中，当水压超出破碎层、 或基岩顶的残留堆积土石后，因而浸湿黄土层底，产生崩塌性黄土滑动。 2 、红粘土二元结构边坡 红粘土二元结构边坡是指由原生和次生红粘土与下覆基岩组成的边坡。由于红粘土 是在经历了红土化作用后由岩石变成土的，无论外观、成分还是组织结构上都发生了明 显不同于母岩的质的变化，除少数泥灰岩分布地段外，红粘土与下伏基岩均属于岩溶不 整合接触，他们之间的关系是突变的，而不是渐变的。 红粘土是红土的一个亚类，是一些碳酸盐类岩石和非碳酸盐类岩石的风化物，在炎 热湿润气候条件下进行红土化作用形成的。我国红粘土主要分布在南方，以贵州、云南 1 2 长安大学硕士学位论文 和广西最为典型和广泛；其次，在四川盆地南缘和东部、鄂西、湘西、粤北、皖南和浙 西等地也有分布。在西部，主要分布在较低的溶蚀夷平面及岩溶洼地、谷地；在中部， 主要分布在峰林谷地、孤峰准平原及丘陵洼地；在东部，主要分布在高阶地以上的丘陵 区。我过北方红粘土零星分布在一些较温湿的岩溶盆地，如陕南、鲁南和辽东等地，多 为受到后期营力的侵蚀和其他沉积物覆盖的早期红粘土。 3 、堆积层一红层软岩二元结构边坡 红层软岩泛指侏罗系、白垩系与第三系砂岩、泥岩、页岩及砂岩、泥岩与页岩互层 等软硬相间的层状岩体。由于红层软岩岩体强度低、工程地质性质较差，具透水性弱、 亲水性强，浸水后岩体强度软化，失水后易产生崩解等特征，这些红层软岩与上覆堆积层 一起，构成一种特殊的二元结构边坡。 该类边坡的上部堆积层多为坡积物，崩积物，古滑坡堆积物等，常为粘土夹块石， 厚度一般在3 1 5 m ，或者上部为厚1 5 m 红层的松散堆积物。边坡的下部主要为河、湖 相砂岩、泥岩、粉砂岩等互层，这二者的接触面常倾向临空面。由于红层软岩抗风化能 力差，水敏感性强，遇水岩体强度大幅度下降，因此，当该类边坡受到降水、地表水， 地下水及各种地质营力作用的影响时，岩体完整性不断破坏，岩层层面结构强度不断软 化，逐渐演化为滑动面，形成堆积层一红层软岩的顺层滑动。 在中国红层软岩分布广泛，红层出露总面积约4 6 1 0 4 k m 2 ，占国土面积的近5 ， 在中国西部地区的甘肃、四川与云南省红层软岩大面积分布。红层软岩滑坡具有分布范 围广、突发性强、灾害严重等特点，据统计，中国西部地区红层软岩滑坡约占各种类型 滑坡总数的四分之一，其中顺层滑坡约占红层软岩滑坡总数的1 3 。红层软岩滑坡灾害 频发，滑动规模大，严重威胁国家和人民的生命财产安全。 4 、普通堆积层二元结构边坡 山区堆积层二元结构边坡是以各种残积、坡积、洪积和崩积物等成因为主的覆盖层 与基岩组成的边坡，一般以粗颗粒为主。在山区的河流两岸以及在山区边缘一带，其堆 积物主要是以坡积和洪积为主的粗粒碎屑物和一些残积物，并且在坡岸后缘有岩石陡壁 或沿坡倾向有凸起的岩石岗脊时，重力崩塌物往往也掺杂到上述坡洪积物中，成为山区 堆积层的重要组成部分，这些堆积物与下覆基岩一起，组成了山区堆积层二元结构边坡。 该种类型的边坡在我国的山区广泛分布，是公路工程建设中碰见最多的边坡之一。 一般情况下，这些山区堆积层底部的基岩项面和堆积层内部的层面均与斜坡具有相 同倾向，这极易使这些边坡沿基岩顶面和层面产生滑动，形成山区堆积层滑坡。山区堆 第二章土质边坡结构类型与破坏类型 积层滑坡有浅层、中层，亦有深厚的大型滑坡，其分布范围很广泛，特别是我国的铁路 和公路建设沿线遇到过大量的这类土层滑坡。山区堆积层滑坡的动力来源有独特性，对 于大型滑坡除层状地下水以外，还有其后部不断崩塌物质的加载和大崩载、大崩体的动 力冲击作用。 5 、堆填土二元结构边坡 公路中也常碰到大量的人工填土边坡，这些人工弃土常和下伏的原地层或者基岩一 起，构成二元结构边坡。这些堆积于自然沟洼、或者斜坡上的弃土，常因事先未对基底 认真处理，雨季中，常常在填土与原地面间形成渗流通道，极大的降低了岩土体的抗剪 强度，因此往往容易形成沿原始地面的顺层滑动。 2 2 土质边坡破坏类型 边坡变形破坏现象中有大量的过渡类型和混合类型，所以分类要根据就重避轻、先 大后小，抓住主要破坏模式的原则，做到宏观先判断，局部细分析，就能较为合理的判 断土质边坡的失稳破坏模式。土质边坡破坏类型根据破坏规模大小都可分为整体失稳和 坡面破坏两个大类。其中整体失稳根据形成形式划分为崩塌、滑坡、坍塌；坡面破坏包 括坡面侵蚀、剥落，每种破坏类型的运动特征和破坏机理如表2 5 。 表2 5 土质边坡失稳破坏类型 边坡破坏类 型 典型示意图运动特征破坏机理 类 亚类 型 整 倾 飞 边坡上局部岩土体松动、弯曲拉裂、剪切滑移。存在 体崩 倒脱落，主要运动形式为自 临空面，当结合力小于重力 失 塌 型由坠落或滚动时，发生滚动或崩落 稳 剪切滑移。人工开挖增大坡 受风化程度和风化深度影角，或地表水入渗使内摩擦 圆 一； 弱 响，沿圆弧形滑动面滑移角和内聚力降低，达到临界 弧 型 值沿圆弧形滑动面 滑 坡 平 、鸟 岩土体沿某一弱面或朝向 拉裂、剪切- 滑移。层面或贯 面 、 7 坡外的结构面整体向下滑 通性结构面形成滑动面，结 构面临空，坡脚岩层被切断 型 移 或坡脚岩层挤压剪切 1 4 长安大学硕士学位论文 、心一 因自重应力超过岩土体强张拉、剪切、弯折。自重应 坍塌度而产生张剪性破坏，由力和岩土体强度能够维持平 坡顶向坡内逐渐扩展衡的最深张裂面 坡面 松软岩土因表面径流冲蚀因拉裂剪切产生的孤石在重 坡 侵蚀形成冲沟力下失去平衡 面 破 坏 、， 坡面岩土因风化、胀缩等 剥落外因为影响稳定的主要原因 原因形成碎落 2 3 小结 本章通过对土质边坡结构类型及破坏类型的总结分析，将土质边坡按结构类型分为 均质土边坡、层状松散土边坡及二元结构边坡三类。根据边坡物质组成的不同，又将均 质土边坡分为一般粘性土边坡、砂性土边坡、黄土边坡、软土边坡和膨胀土边坡，二元 结构边坡分为黄土二元结构边坡、红粘土二元结构边坡、堆积层一红层软岩二元结构边 坡，以及普通堆积层二元结构边坡和堆填土二元结构边坡。土质边坡破坏类型根据破坏 规模大小都可分为整体失稳和坡面破坏两个大类。其中整体失稳根据形成形式划分为崩 塌、滑坡、坍塌；坡面破坏包括坡面侵蚀、剥落。 第三章土质边坡破坏模式预测及破坏机理 第三章土质边坡破坏模式预测及破坏机理 3 1土质边坡破坏模式的宏观预测 根据前面的研究，将边坡的破坏模式分为整体破坏和坡面破坏，而不同的破坏类型 具有一定的形成条件，且在外貌、内部结构以及变形过程等方面均存在较大的差异。同 一类边坡可能发生多种破坏，表3 1 给出不同类型均质土边坡可能发生的破坏模式，这 是对不同边坡发生各种破坏的初步判断。 表3 1 不同类型均质土边坡失稳模式 边坡 类型 主要特征影响稳定的主要因素可能的主要变形破坏模式 以粘粒为主，一般干时坚硬，遇水膨1 矿物成分，特别是亲水、膨胀、1 裂隙性粘土常沿光滑裂隙面形成 胀崩解。某些粘土具大孔隙性( 如山溶滤性矿物含量；滑面，含膨胀性亲水矿物粘土易产 粘性西南部的粘土) ，某些粘土甚坚固( 如2 节理裂隙的发育状况； 生滑坡，巨厚层半成岩粘土高边坡， 土边南方网纹红土) ，某些粘土呈半成岩3 水的作用；因坡脚蠕变可导致高速滑坡； 坡状，但含可溶盐量高( 如黄河上游的 4 冰融作用2 因冻融产生剥落； 粘土) ，某些粘土具水平层理( 如淮3 坍塌 河下游的粘土) 砂性 以砂砾为主，结构较疏松，凝聚力低1 颗粒成分及均匀程度；1 饱和均质砂性土边坡，在振动力 土边 为其特点，透水性较大，包括厚层全2 含水情况； 作用下，易产生液化滑坡； 风化花岗岩残积层3 振动；2 管涌、流土； 坡 4 地表水及地下水作用3 坍塌和剥落 以粉粒为主、质地均一。一般含钙量主要是水的作用，因水湿陷，或1 崩塌； 黄土 高，无层理，但柱状节理发育，天然水对边坡浸泡，水下渗使下垫隔2 张裂： 含水量低，干时坚固，部分黄土遇水水粘土层泥化等3 湿陷； 边坡 湿陷，有时呈固结状，有时呈多元结4 高或超高边坡可能出现高速滑坡 构 软土 以淤泥、泥炭、淤泥质土等抗剪强度1 土性软弱( 低抗剪强度高压缩1 滑坡； 极低的土为主，塑流变形严重性)2 塑流变形： 边坡 2 外力作用，振动3 坍滑、边坡难以形成 膨胀 具有特殊物理力学特性，因富含蒙脱1 干湿变化；1 浅层滑坡； 土边石等易膨胀矿物，内摩擦角很小，干2 水的作用2 浅层崩解 坡湿效应明显 1 6 长安大学硕士学位论文 上表中给出各类土质边坡可能发生的失