（地质工程专业论文）软弱变质岩力学性质及其边坡失稳机制的研究.pdf

摘要 陕西省是软弱变质岩分布广泛的省份之一。近年来，随着工程建设数量的增 多和规模的加大，软弱变质岩斜坡灾害频繁发生，造成的损失也逐年增加。因此， 本文以陕南公路路堑边坡与西安黑河水库坝肩边坡为依托工程，采用现场调查、 室内试验和理论分析等方法，研究了软弱变质岩的力学性质，阐述了软弱变质岩 斜坡灾害的基本特征、分布规律及病害模式，定性和定量地揭示了其失稳机制， 从而为边坡成灾预警和选择经济有效的治理对策奠定基础。主要研究内容如下： ( 1 ) 归纳汇总了陕南地区3 1 6 国道早阳一蜀河段2 6 处软弱变质岩斜坡灾害点 的基本情况，对斜坡灾害的规模、地域特征及影响因子进行了统计分析，得到研 究路段斜坡灾害的变形破坏模式。另外，通过对黑河水库右坝肩软弱变质岩边坡 的野外调查，进行了槽探和平硐揭露等实地勘测工作，从而精细描述了边坡体的 结构特征与变形破坏现象。 ( 2 ) 根据单轴压缩试验结果，分析了岩石的全应力应变曲线，得到了岩石的 力学参数，总结了单轴压缩下岩石的几种破裂形式及破坏机理；另外，通过三轴 压缩试验，比较了干燥和饱水试样在不同围压作用下的力学性质，讨论了围压对 强度和变形指标的影响规律，分析了三轴状态下岩石的破坏类型及机理。同时， 基于试验所观察到的局部剪切带形成过程，引入岩土破损力学的基本元件，从岩 石应变软化的破坏机制出发，建立了能模拟岩石渐进破损过程且具有明确物理意 义的理论模型。 ( 3 ) 通过单轴压缩流变试验，分析了流变对岩石荷载一变形关系的影响规律， 研究了轴向变形随时间变化的基本趋势，并分别论述了两种片岩在流变过程中的 变形特性，从而阐明了岩石的蠕变损伤机制。另外，根据元件模型理论，建立一 个新的岩石五元件粘弹塑性流变模型，并且基于此模型，将损伤变量引入其中， 得到流变损伤方程。 ( 4 ) 在前人研究的基础上，提出软弱变质岩边坡的水化一时效蠕变失稳机制， 从水一岩相互作用和时效变形的角度出发，在物理、化学、力学及时效等诸多方 面对此类边坡的成因机制及变形破坏过程进行了全面的分析。同时，应用尖点突 变理论，建立了一个新的考虑水力效应的边坡突变模型，并得到边坡突发失稳的 力学判据。最后，从现代系统科学的层次出发，总结了软弱变质岩边坡演化的系 统范式原则。 关键词：软弱变质岩、斜坡灾害、失稳机制、现场调查、室内试验、水化一时效 蠕变、尖点突变 a b s t r a c t s h a a n x ii so n eo ft h ep r o v i n c ew h e r es o f tm e t a m o r p h i cr o c kh a sd i s t r i b u t e d w i d e l y i nr e c e n ty e a r s ，w i t he n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o ni n c r e a s i n go re n l a r g i n g ，s l o p e h a z a r d sh a v e b e e nf r e q u e n t l yh a p p e n i n g ，a n dt h el o s sh a sa l s oi n c r e a s i n gy e a rb y y e a r t h e r e f o r e ，u s i n gs p o tg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o n ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y , e s s e n t i a lf e a t u r e ，d i s t r i b u t e dl a wa n df a i l u r em e c h a n i s m o ft h es l o p ei ns o f tm e t a m o r p h i cr o c ka r es t u d i e dq u a n t i t a t i v e l ya n dq u a l i t a t i v e l yi n t h i sp a p e r , f o re f f e c t i v ef o r e c a s ta n de c o n o m i c a lt r e a t m e n to fs l o p eh a z a r d m e t h o d s o r i e n t e db yt h et y p i c a lp r o j e c t so ft h ec u t t i n gs l o p e si nt h es o u t h e r ns h a a n x ip r o v i n c e a n dt h es l o p ea td a ma b u t m e n to fh e i h er e s e r v o i ri nx i a n t h em a i ni n v e s t i g a t i o n w o r kf o c u s e so nt h ef o l l o w i n g ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ee s s e n t i a lc o n d i t i o no fn o 3 1 6n a t i o n a lr o a df r o mz a o y a n g t os h u h ei nt h es o u t h e r ns h a a n x ip r o v i n c e ，t h es t a t i s t i c a lm e t h o di su s e dt oa n a l y z et h e s c a l e ，a r e a lc h a r a c t e r i s t i ca n di n f l u e n c ef a c t o ro ft w e n t y - s i xs l o p ei ns o f tm e t a m o r p h i c r o c k ，a n dt oo b t a i ns e v e r a ld e f o r m a t i o na n df a i l u r ep a t t e r n so ft h i ss l o p e s m o r e o v e r ， i no r d e rt od e s c r i b ed e t a i l l yt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，d e f o r m a t i o na n df a i l u r eo f t h es l o p ea tr i g h td a ma b u t m e n to fh e i h er e s e r v o i r , v a r i o u se n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l m e t h o d sa r ea d o p t e d ，s u c ha sc o s t e a n i n g , a d i tp r o s p e c t i n g ，s u r f a c ei n v e s t i g a t i o n ，e t c ( 2 ) a c c o r d i n g t ot h eu n i a x i a l c o m p r e s s i v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w h o l e s t r e s s s t r a i nc u r v e so fr o c ka r ea n a l y z e d ，m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d ，a n dt h e f a i l u r et y p ea n dm e c h a n i s mo fr o c ku n d e ru n i a x i a lc o m p r e s s i o na r es u m m a r i z e d m o r e o v e r , t h r o u g ht h et r i a x i a lc o m p r e s s i o ne x p e r i m e n t ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w i t hd r ya n ds a t u r a t e ds p e c i m e na r ec o m p a r e du n d e rd i f f e r e n tc o n f i n i n g p r e s s u r e ，t h e e f f e c tl a wo fc o n f i n i n gp r e s s u r eo nt h es t r e n g t ha n dd e f o r m a t i o ni n d e xo fr o c ki s d i s c u s s e d ，a n dt h ef a i l u r et y p ea n dm e c h a n i s mo fr o c ku n d e rt r i a x i a lc o m p r e s s i o na r e m a d ead e t a i l e da n a l y s i s a tt h es a m et i m e ，o nb a s i so ft h ef o r m a t i o np r o c e s so f l o c a l i z e ds h e a rz o n ew h i c hi so b s e r v e di nl a b o r a t o r y ，t h em o d e lw h i c hc a ns i m u l a t e t h ep r o c e s so fs t r a i ns o f t e n i n ga n dl o c a l i z e dp r o g r e s s i v ef a i l u r ei se s t a b l i s h e d ，i n v i r t u eo ft h eb r e a k a g em e c h a n i c so fg e o m a t e r i a l ( 3 ) b a s e do nt h eu n i a x i a lr h e o l o g i c a le x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ev a r i a n c el a wo f t h er e l a t i o nb e t w e e nl o a d - d e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr h e o l o g yo fr o c ki sa n a l y z e d ， l l a n dt h ev a r i a n c et e n d e n c yo fa x i a ls t r a i n sw i t ht h et i m ei si n v e s t i g a t e d a tt h es a m e t i m e ，t h ed e f o r m a t i o np r o p e r t yo fc h l o r i t e s c h i s ta n ds e r i c i t e s c h i s td u r i n gt h ec o u r s e o fr h e o l o g yi sr e s p e c t i v e l yd i s c u s s e d ，a n dr h e o l o g i c a ld a m a g em e c h a n i s mo fr o c ki s c l a r i f i e d m o r e o v e r , a c c o r d i n gt ot h ec o m p o n e n tm o d e lt h e o r y , an e wf i v e - c o m p o n e n t v i s c o e l a s t o p l a s t i ct h e o l o g ym o d e lo fr o c kc a nb ep r o p o s e d w h a t sm o r e ，o nb a s i so ft h i s m o d e l ，ar h e o l o g yd a m a g ec o n s t i t u t i v ee q u a t i o ni so b t a i n e db yi n t r o d u c i n gd a m a g ev a r i a b l e ( 4 ) b a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h ，h y d r a t i o n - c r e e pm e c h a n i s mo ft h es l o p ei ns o f t m e t a m o r p h i cr o c k i s p r o p o s e d f r o mw a t e r - r o c k i n t e r a c t i o na n dt i m ee f f e c t ， d e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s mi sc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e di np h y s i c s ，c h e m i s t r y ， m e c h a n i c sa n dr h e o l o g y ，e t c a tt h es a m et i m e ，an e wm u t a t i n gm o d e lo ns l o p e s t a b i l i t yw i t hc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fw a t e ri se s t a b l i s h e db ya d o p t i n gp e a k m u t a t i n gt h e o r y ，a n di tg e t st h em e c h a n i c a lc r i t e r i o no nd e s t a b i l i z a t i o no fs l o p ei n m u t a t i o n f i n a l l y , f r o mt h el e v e lo fm o d e ms y s t e ms c i e n c e ，n o r m a lf o r mp r i n c i p l eo n t h es l o p es y s t e mi ns o f tm e t a m o r p h i cr o c ki ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：s o f tm e t a m o r p h i cr o c k ；s l o p eh a z a r d ；i n s t a b i l i t ym e c h a n i s m ；s p o t g e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o n ；l a b o r a t o r yt e s t ；h y d r a t i o n c r e e pm e c h a n i s m ；p e a km u t a t i o n m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：磁啕研年6 月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孑德岣 导师签名：影盛易 2 妒7 年6 月7 日 矿7 年肜日 长安大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 陕西省山区和丘陵沟壑区面积占全省总面积的4 5 以上，加之河流众多，地 貌类型复杂，降雨时空分布不均，所以滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害历来十分 严重；尤其是位于秦岭腹地的陕南地区，更是我国著名的山地自然灾害多发区和 重灾区。仅据1 9 5 0 年至1 9 9 0 年4 1 年的统计u 呻。，全省累计受灾面积达1 0 3 3 9 4 万公顷，受灾人口7 0 7 8 5 万人，直接经济损失约6 4 8 4 亿元；其中，秦岭山区的 损失尤为惨重，经济损失占总损失的6 5 ，死亡人员占一半以上。进入2 0 世纪 9 0 年代以后山地灾害进一步加剧。1 9 9 8 年7 月9 日晚至1 0 日凌晨，陕西省丹风 县发生特大暴雨，中心雨量高达1 3 0 m m ，诱发大面积的山地灾害，造成1 0 0 余 人死亡失踪和巨大的财产损失。2 0 0 0 年7 月1 2 1 3 日，紫阳、镇巴二县又遭受 一次特大暴雨肆虐，引发了大量的滑坡及泥石流，造成2 3 6 人死亡，7 9 5 亿元人 民币的直接经济损失，成为2 0 0 0 年全国五大自然灾害区之一。2 0 0 2 年6 月8 日， 位于陕南地区的佛坪和宁陕两县突降暴雨，佛坪8 h 降雨2 1 0 m m ，高强度的降水 导致了历史罕见的山洪并诱发滑坡、泥石流灾害，致使4 3 9 人失踪死亡，直接 经济损失约1 9 4 5 亿元，这场千年不遇的特大灾害惊动了党中央国务院，温家宝 总理带领工作组亲赴灾区指导救灾工作。因此，对这一地区地质灾害的研究已迫 在眉睫。 陕西秦岭山区地处秦岭造山带，该造山带经历了多次构造运动和变质作用， 因而形成了复杂的地质构造、陡峻的地形地貌以及与之相伴的软弱变质岩系( 片 岩、千枚岩等) 。由于这类岩石成因复杂，矿物成分多样，岩性较为软弱，往往 单独或与硬质岩相间出现，通常发育有软弱夹层( 泥化夹层) ，从而具有不同于 其它类型岩石的特征。大量的工程实践表明，由于其具有各向异性、非均质性以 及特殊的结构和物质成分，容易产生一系列工程地质问题，被我国著名工程地质 学家谷德振教授列为八大特殊工程地质岩组之一。例如，或由于其层面光滑而易 发生顺层滑动；或由于单层厚度很小而极易发生倾倒变形；或由于成分以泥质为 主，亲水性强，水稳定性差，遇水产生粘土矿物，从而造成整个边坡稳定性的恶 化。另一方面，该类软弱变质岩斜坡的失稳大都出现在雨季，且多数经过长时间 的时效变形，是一个渐进破坏的过程，其影响因素众多，岩石变形破坏机理复杂。 因此，对此类变质岩的力学性质进行系统的研究己成为当务之急。 】 第一章绪论 根据国家西部大开发战略和陕西省发展规划，“十血”和“十一五”期间陕 西省的基础建设任务十分繁重。据估计，2 0 0 0 - 2 0 1 0 年的1 0 年时间内，陕西省将 建设完成近3 0 0 0 公里高速公路、二级以上公路1 0 0 0 0 余公里，以形成“米”字 型公路干线主骨架系统、纵三横两环”的公路次骨架系统，以及4 0 0 0 0 余公 里由其它国道公路和县乡公路所组成的公路运输网络，投资总规模达2 0 0 0 亿元。 然而，由于斜坡的环境多数较为恶劣，尤其在秦岭山区的变质岩地区，因岩石经 历了强烈的变形和变质作用，使得这一地区天然斜坡的稳定条件较差：并且随着 高等级公路向秦岭山区的快速推进，不可避免地要遇到由于此类边坡的失稳破坏 而造成路面沉降、房屋丌裂、捎墙破坏及交通堵塞等一系列工程灾害，如图1 - 卜， 1 - 4 所示。不仅如此，这一地区的水利水电工程也同样面临着高陡边坡的失稳问 题。例如，自2 0 0 4 年起，西安黑河水库放水塔附近的边坡体发生严重的变形破 坏，造成坡体上喷护层的脱落与导水渠的拉裂，对库医安全构成严重威胁，如图 1 5 、1 - 6 所示。因此，对软弱变质岩边坡失稳机制的研究已成为亟待解决的问题。 图i - 1 路面沉降圈1 - 2 房屋开裂 图1 - 3 挡墙破坏图l _ 4 交通堵塞 长安大学博学位论文 图1 - 5 喷护脱落图1 - 6 水莱拉裂 但是，截止目前，还未开展有关软弱变质岩的力学性质以及该地区边坡失稳 机制方面的专题研究，也没有可以借鉴的成功经验。在此背景下，作者结合导师 彭建兵教授主持的陕西省交通厅科技项目一陕南地区公路地质灾害数据库及其 应用技术研究以及西安市科委项目一西安黑河水库引水洞工程边坡稳定性研究 等两个课题，将软弱变质岩力学性质及其边坡失稳机制的研究作为论文选题， 采用现场调查、室内试验研究和理论分析相结合的方法，研究软弱变质岩的物理 力学性质及时效特征，从水岩相互作用和时效变形的角度出发，揭示软弱变质 岩边坡的基本特征、病害模式及失稳机制，从而为秦岭变质岩山区的边坡灾害防 治提供科学依据。 1 - 2 国内外研究现状 1 2 1 岩质边坡的研究历史及现状”川” 岩质边坡的研究一直是岩土工程领域主要课题之一。作为岩体力学的一个重 要组成部分，其出现和发展与人类工程活动的迫切需要和有关学科的迅速发展紧 密相关。 早期的边坡研究仅是以土体为研究对象的，采用材料力学和简单的均质弹性 理论为基础的半经验半理论研究方法，并将此方法用于岩质边坡的稳定性分析 中。例如，1 7 7 3 年的c o u l o m b 理论，1 8 2 0 年f r a n s a i s 和1 8 6 6 年c u l m a n 的平面滑动 面的分析方法，1 9 1 5 年p e t t e t s o n 的只考虑摩擦力不考虑粘聚力的圆形滑动面的分 析方法，1 9 2 7 年f e l l e n i u s 的同时考虑摩擦力和粘聚力的著名的瑞典圆弧条分法 等，均为当时世界各国所普遍采用。 第一章绪论 由于二战后世界各国水利、交通、建筑和采矿等工程的大量兴建，提出了许 多岩体力学研究课题。而前一阶段应用土力学原理和方法解决岩体工程问题已显 示出其不合理性和不良效果。因此，人们普遍认识到系统开展岩体力学研究的重 要性，同时也对现有的理论和方法进行了必要的改进。在这个阶段，m u l e e r 、 b i s h o p 、j a u b u 及t a l o b e r 等人开展了一些研究工作，为岩质边坡的研究奠定了基 础。 2 0 世纪6 0 年代后，随着世界经济的发展，岩体工程建设更加蓬勃开展，所形 成的矿山边坡、路堑边坡、大坝坝肩和河谷岸坡等，其规模之大，数量之多，条 件之复杂均是空前的。特别是1 9 5 9 年法国m a l p a s s e t 双曲拱坝的崩溃及1 9 6 3 年意大 利v a j o n t 拱坝上游左岸的库岸滑坡，使人们认识到岩质边坡力学机理研究的不 足，从而促进了边坡稳定性研究向前迈进了一大步。一方面，以弹塑性理论为基 础和以改进的极限平衡法为主的多种方法应运而生。m o r g e n s t e r n 和p r i c e ( 1 9 6 5 ) 提出了一种新的条分法，该方法不对边坡滑面形状做任何假设，它既满足力平衡 条件又满足力矩平衡条件，还允许条块间力的方向发生变化。s p e n c e r ( 1 9 6 7 ) 提出 了一种简化的条分法，它预先假定了条块间力的作用方向。j a n b u ( 1 9 6 8 ) 年提出了 一种相对精确的条分法，它满足所有的平衡方程，适用于任意形状的滑面，条块 间力的作用方向也可以变化。h o e k ( 1 9 7 4 ) 提出了边坡楔形体分析的方法，假定各 滑面均为平面，以各滑面总抗滑力与楔体总下滑力来确定安全系数。r e v i l l a 和 c a s t i l l o ( 1 9 7 7 ) 提出了剩余推力法，s a r m a ( 1 9 7 9 ) 提出了非垂直条分法，认为除平面 和圆弧面外，滑动体必须先破裂成相互脱离的块体后才能滑动。其中，剩余推力 法和s a r m a 法在岩质边坡的稳定性分析中得到了广泛的应用。另一方面，自1 9 6 7 年人们第一次尝试用有限元研究边坡的稳定性问题以来，数值分析方法在该领域 取得了巨大的进展。数值分析方法大致可以分为两类：一类是基于连续介质的分 析方法，包括有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、快速拉格朗日法( f l a c ) 等，这 些方法具有强大的处理复杂几何边界和材料非线性的能力，同时可以模拟有限条 数的岩体结构面，是目前理论体系比较严格也比较成熟的一类方法；另一类是基 于非连续介质的分析方法，包括离散元法( d e m ) 、界面元法、不连续变形分析法 ( d d a ) 及流形元法等，这些方法具有强大的处理非连续介质和大变形的能力，不 仅能够比较真实地模拟边坡应力应变状况，而且还可以动态地显示边坡变形发展 及破坏的全过程。 随着人们对岩质边坡研究的逐渐深入以及工程实践经验的不断积累，人们己 充分认识到边坡系统是一个极其复杂的动态的开放系统，不仅影响因素众多，而 且因素之间的关系复杂，往往是随机的、不确定的和非线性的，很难用传统的数 4 长安大学博上学位论文 学、力学方法进行准确的描述和求解。8 0 年代后，由于学科之间的相互渗透使许 多与现代科学有关的理论和方法，如数理统计、神经网络、模糊数学、灰色聚类、 混沌科学、分形几何及突变理论等，都逐渐应用到边坡稳定性研究中，从而形成 多种各具特色的理论模型。这些理论大多是研究不确定性、非线性系统的科学， 因此在边坡工程中的应用具有很大的普适性和广阔前景，尽管它们在边坡中的研 究才刚刚起步，处于探索阶段，但却给这一领域带来了崭新的思想方法。 我国对岩质边坡的研究工作，解放后才有了蓬勃发展。5 0 年代，我国的边坡 研究工作侧重于滑坡历史资料的分析及滑块形态的分类，多采用“地质历史分析 方法，偏重于条件的定性描述。自6 0 年代开始，由于我国边坡工程实践的不断发 展，研究者们开始强调和重视边坡的工程地质条件及岩体结构对边坡稳定的影 响。中国科学院地质研究所提出的岩体结构理论及相应的岩体工程地质力学方 法，是一项具有创造性的研究成果，在我国得到了广泛应用。7 0 年代，我国边坡 稳定研究主要在于不断丰富和完善岩体工程地质力学的分析原理与方法。在此期 间，边坡工程的加固，现场原位试验及岩体力学特性的研究，边坡变形破坏机制 的研究，数值模拟、物理模拟以及各种室内试验均得到较快的发展。自1 9 8 0 年以 来，我国的边坡研究工作又进入了一个新时期，其主要特点是在大量工程实例研 究的基础上，建立了我国岩质边坡变形破坏的典型地质模型，并提出了以板裂结 构理论为基础的边坡岩体溃屈破坏模式，并强调边坡变形动态监测的重要作用。 事实上，此期间对诸如新滩滑坡、白银露天边坡和巴东山体大滑坡的成功预报， 都是以边坡岩体变形的动态监测资料为基础的。另外，在这一时期，提出在评价 边坡工作状态时应建立并区别边坡稳定性及安全性这样两个相互联系、又存在明 显区别的不同概念，并开始重视初始地应力场的作用，强调在边坡定量分析中应 考虑地应力作用。2 0 世纪9 0 年代，随着人类工程活动在我国的迅猛增长，人工边 坡的规模和高度不断增大，黄河小浪底水电工程、长江三峡工程、金沙江溪洛渡 水电站和雅砻江锦屏电站等重大工程的论证或建设均遇到了前所未有的高边坡 稳定性问题。为此，“八五 和“九五”期间，国家专门立项开展了高陡边坡稳 定性及其加固配套技术的研究。如水利电力部的“岩质高边坡稳定及处理技术 被列为国家重点攻关项目；国家自然科学基金委员会和中国长江三峡工程开发总 公司专门将“三峡船闸高边坡的变形与稳定列为重大项目进行资助研究。同时， 多学科、多专业的交叉渗透研究成为该期间边坡研究的发展方向。可靠性分析理 论、模糊数学、块体理论、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论、突变理论、 自组织理论以及各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究中。边坡稳定性 研究步入了定性与定量相结合、概念模型与仿真模拟相结合、监测与反馈分析相 5 第一章绪论 结合的新阶段，取得了大量有意义的成果。进入2 1 世纪后，我国重大基础设施建 设更是如火如荼，西部大开发、东部大发展、全国大建设，不论工程数量、建设 规模及安全、环保、质量要求都前所未有。新的科学发展观和可持续发展的战略， “上天、入地、下海 的宏伟蓝图，为岩体力学与工程带来了一片新天地。随之， 我国岩体力学的研究进入了一个崭新的阶段。在此阶段，开展了将岩体视为弹塑 性、粘弹性、粘弹塑性或具有裂缝的脆性介质等方面的研究，岩体非均质性、各 向异性和非连续性的研究，岩体全应力应变关系和破坏机制的研究，岩体长期强 度和流变特性的研究，岩体损伤和断裂力学的研究，利用电镜和c t 机扫描技术 对岩体的微细观研究；利用大面积高加荷能力设备的现场岩体力学试验研究，利 用先进的刚性伺服材料试验机的室内岩石试验研究，利用物探、红外线、电磁波 等方法开展深部岩体和工程扰动区岩体的变形特性和应力状态的测试研究，利用 遥测技术进行岩体变形、位移特征的测试研究以及引进以快速电子计算机技术为 基础的大型商用软件进行的数值分析等等，这一切都标志着我国的岩体工程领域 进入了一个全面、深入的发展阶段。 综上所述，在百余年的研究过程中，边坡工程经历了从现象认识一地质分析 一机制评价一力学研究一定量计算的发展进程。并且，经过世界各国科技工作者 的艰苦努力，已经取得了令人瞩目的成就。 1 2 2 软弱变质岩边坡的研究现状及存在的问题 目前，有关岩石力学性质的试验研究，在三大岩类中，沉积岩的最多，岩浆 岩次之，变质岩相对较少，并且主要集中在像大理岩这种坚硬的变质岩上，而对 像片岩这种较软弱的变质岩，由于其取样、加工试件的困难，研究的非常少，仅 有少数文献做了相关的试验研究。邓荣贵曙等根据室内外测试资料，对锦屏水电 站坝区绿片岩的分布、微细观结构和物理力学特征，以及坝区高陡斜坡变形破坏 及稳定性的影响进行了分析，获得的认识为该水电站工程可行性论证提供了必要 资料。来结合瞄驯等介绍了锦屏水电站绿片岩的直剪蠕变试验部分成果，研究了 该岩石的蠕变特性。徐卫亚旧圳等采用岩石全自动流变伺服仪对锦屏一级水电站 坝基绿片岩进行了三轴压缩流变试验，研究了绿片岩在不同围压作用下的轴向应 变以及侧向应变随时间的变化规律，讨论了流变特性对岩石应力应变曲线的影 响，探讨了不同应力水平下的轴向以及侧向流变速率变化趋势，从而为该水电站 工程的流变分析提供了可靠的依据。t r a m a m u r t h y u w 等对取自喜马拉雅山区 c h a m e r s 水电站坝址三种各向异性的千枚岩试样，进行了广泛的试验研究，得到 6 长安大学博士学位论文 了一些有价值的成果。张文珍瞄u 等研究了黄壁庄水库千枚岩的风化特征及工程 地质特性，提出了有关的物理力学性质指标，对水库各建筑物的安全稳定有重要 意义。 边坡历来是工程界广泛关注的问题，因而已经出现了许多研究成果。虽然相 关的文献汗牛充栋，但与之形成鲜明对比的，涉及软弱变质岩地区边坡和滑坡的 论文却屈指可数，如伍法权u 副分析了宝成铁路阳平关段云母石英片岩斜坡的弯曲 倾倒变形现象；何振海瞄副等深入研究了鞍钢眼前山铁矿上盘千枚岩边坡的工程地 质状况，并对合理边坡角的选取进行了探讨；李树德瞄刮研究了陇南武都白龙江流 域变质岩区滑坡的活动性，并对该地区斜坡稳定性进行了分区；郑祥斌u 驯等阐述 了深港变质岩区滑坡的基本特征，并提出此类滑坡的勘查方法和治理措施；谢星 瞄刨等总结了3 1 6 国道旬阳段滑坡的发育及变形特征，并提出了防治建议。 由上可知，在软弱变质岩及其边坡的研究中，虽然已开展了一些卓有成效的 工作，但仍然存在以下几方面的主要问题： ( 1 ) 由于软弱变质岩的工程地质条件较差，取样及加工试件十分困难，造成 有关力学性质及变形特征方面的试验研究相对较少。 ( 2 ) 目前的边坡研究一般是个性研究多，共性研究少，即对一般成功与失败 的单个实例分析较多，而针对某一类边坡的系统性的理论与实践研究较少。 ( 3 ) 以往关于软弱变质岩的研究主要集中在地层、岩石、构造及矿产等领域， 而针对这一特殊岩类的地质灾害调查开展得较晚，使得目前对软弱变质岩斜坡灾 害的基本特征、分布规律及病害模式等问题还缺乏系统的研究。 ( 4 ) 对软弱变质岩边坡失稳机制的研究目前仍很薄弱，通常只限于面上的认 识，远不能满足工程建设的需要，成为边坡工程中迫切需要解决并富挑战性的基 础课题之一。 1 3 主要研究内容及创新点 针对上述软弱变质岩及边坡研究中存在的问题，本文采用现场调查、室内试 验研究、理论分析相综合的研究方法，并结合重大交通和水利工程实践，对软弱 变质岩的力学性质及其边坡的类型、特征、发育规律、成因机理等开展系统研究， 主要内容包括如下几个方面： 1 现场调查部分 ( 1 ) 通过收集、整理陕南地区3 1 6 国道早阳一蜀河段地质环境资料，归纳总 结了研究路段地理位置、气象水文、地形地貌、地层岩性、地质构造及水文地质 7 第一章绪论 等自然条件，从而为研究软弱变质岩斜坡灾害提供了背景资料。另外，根据现场 调查，对研究路段2 6 处软弱变质岩斜坡灾害点的基本情况进行了汇总，并分别 对斜坡灾害的规模和地域特征进行了分类统计，得到了公路沿线软弱变质岩斜坡 灾害的分布规律及病害模式。 ( 2 ) 在黑河水库右坝肩软弱变质岩边坡的研究过程中，通过野外地质调查工 作，分析和补充了研究区的水文地质、地形地貌、地层岩性和地质构造等基本地 质条件，并且进行了槽探和平硐揭露等实地勘测工作，从而精细描述了边坡体的 结构特征和变形破坏现象。 2 室内力学试验部分 ( 1 ) 利用r m t - 1 5 0 c 岩石力学伺服控制试验机对绿泥石片岩和云母石英片岩 进行了单轴压缩和三轴压缩试验，比较干燥和饱水两种物理状态下岩石的力学性 质，讨论围压对强度和变形参数的影响规律。同时，分析岩石单向和三向应力状 态下的瞬时破坏类型，并解释岩石的破坏机理。 ( 2 ) 采用c s s 1 9 5 0 岩石双轴流变试验机，对两种片岩进行了单轴压缩流变 试验，分析岩石流变过程中的荷载一变形关系，研究岩石的轴向应变随时间的变 化规律，阐明岩石的流变破坏形式及机理，掌握两种岩石的流变特性。 3 理论分析部分 以黑河水库右坝肩高陡边坡为工程实例，在前人研究的基础上，对软弱变质 岩边坡的失稳机制进行了定性分析与定量研究。定性分析方面，提出边坡的水化 一时效蠕变失稳机制，从水一岩相互作用和时效变形的角度出发，系统全面地分 析了边坡的成因特点及变形破坏的发生发展过程，特别重点论述了水岩化学相互 作用的产物一粘土矿物对斜坡失稳的贡献。定量研究方面，将传统的力学模型与 现代的数学方法相结合，建立了一个新的考虑水力效应的边坡突变模型，从而定 量地揭示水对边坡的触发作用，这对深化软弱变质岩边坡失稳机制的认识具有深 刻的理论意义。 通过上述内容的研究，论文取得了以下几个创新点： ( 1 ) 基于单、三轴试验所观察到的局部剪切带形成过程，建立了能模拟岩石 渐进破损过程且具有明确物理意义的局部化剪切渐进破损模型；结合流变试验结 果，采用元件模型及流变损伤理论，建立了一个新的五元件岩石流变模型及粘弹 塑性流变损伤方程。 ( 2 ) 首次提出软弱变质岩边坡的水化一时效蠕变失稳机n ( h c m ) 与广义的 “岩石水化 ( g h r ) 概念，并从微观到宏观的不同尺度，对软弱变质岩边坡的失 稳机制及变形破坏过程进行了全面系统的分析。 8 长安大学博士学位论文 ( 3 ) 首次建立了考虑水力效应的边坡尖点突变模型，并得到边坡突发失稳的 充要条件和力学判据，并从哲学的层次出发，总结了软弱变质岩边坡演化的系统 范式原则。 1 4 技术路线 本文研究工作的主要技术路线如图1 5 所示。 图1 1 5 主要技术路线 9 第一章软弱变质岩边坡变形破坏特征的研究 第二章软弱变质岩边坡变形破坏特征的研究 边坡变形破坏特征一直是学者们研究的热点话题之一，也是研究斜坡失稳机 制的基础和前提。在斜坡岩体变形破坏现象调查分析的基础上，阐明斜坡从形成、 发展到破坏的整个演变过程及其变化规律，对斜坡成灾机理的深入认识以及斜坡 灾害的防治都有着重要的意义。基于此，本文以陕南地区和西安黑河水库两个典 型区域为研究对象，分别调查研究了这两个地区的软弱变质岩边坡变形破坏的特 征与普遍规律。 2 1 陕南公路软弱变质岩边坡特征的研究 陕南地区地质构造复杂、岩土体差异明显，山高谷深、暴雨频率高、强度大， 是我国著名的地质灾害多发区和重灾区。该地区广泛出露志留系、泥盆系及石炭 系浅变质岩系，在公路建设的过程中，容易形成稳定条件较差的软弱变质岩边坡。 另外，由于陕南地区3 1 6 国道早阳一蜀河段公路沿线斜坡灾害最为突出，地质条 件也最为复杂。因此，本节对此路段( 伞长约1 0 8 k m ，起始单程桩号为 k 1 7 8 3 + 5 0 0 k 1 8 9 1 + 5 0 0 m ) 软弱变质岩边坡变形破坏的一般规律和模式进行了 重点研究。 2 11 研究医地质环境条件 2 1 1 1 地理位置 研究区位于陕西省南部，介 于东经1 0 9 。0 0 川1 0 94 3 。，北纬 3 2 。4 0 3 2 。5 8 之间，隶属于安 康市旬阳县。旬阳县城北距西安 3 0 2 k m ，有省级公路相通，各乡 办有简易公路可通。国道3 1 6 横贯东西，其北连商洛市，西靠 紫阳县，东、南与湖北省接壤， 是通往西北、西南、华中诸省的 重要通道( 如图2 - i ) 。 1 0 图2 - 1 研究区交通位置圈 长安大学博士学位论文 2 1 1 2 地形地貌 研究区北依秦岭南麓，南踞北大巴山脉，之间为汉江谷地。地势总体为由南、 北向汉江倾斜，北高南低，西高东低。公路沿汉江成线状展布，整体处在南秦岭 中山区与低山丘陵区这两大地貌单元之中。汉江水流湍急，下切侧蚀强烈，河道 弯曲，河床宽阔。研究路段位于汉江左岸，地形起伏较大，切割强烈，沟谷发育 且较狭窄，多呈“v 型。由于公路建设，沿线地形受人类工程活动改造较大， 基岩裸露，形成大量的高陡边坡，危岩陡壁发育( 见表2 1 ) 。 表2 - 1 研究区地形地貌特征表 河汀，、 示意剖面 ：一 c ，一， 地貌 正地貌尖峭高中山穹状中低山低山穹状中低山尖峭高中山 形态 负地貌“v ”形峡谷宽谷“v ”形峡谷宽谷“v ”形峡谷 地貌组合中切割高中山中浅切割中低浅切割低山中浅切割中低中切割高中山 类型峡谷山宽谷峡谷山宽谷峡谷 新生代堆浅水灰岩和浅坡积物少量浅红色 积物 无无 红色粘土 阶地堆积物 粘土 准夷平化台地残存准夷平化 准夷平化剥蚀 剥蚀阶地和局 准夷平化剥蚀 残存准夷平化 台地和红土堆台地红十堆积 及阶地剥蚀阶地限基座阶地剥蚀台地 积平台平台 2 1 1 3 地质构造 研究区构造格局基本位于南秦岭印支褶皱带与北大巴山褶皱造山带的衔接 部位，均经历了强烈的多期构造变形变质叠加和置换作用，形成早期发育顺层固 态流变构造、多级拆离构造、褶叠层和纵弯剪切褶皱及叠瓦式推覆构造等。正是 这种特殊的大地构造位置，造就了本区众多的不同构造层次的构造地质体相互叠 置的复杂地貌。 由于研究区构造格局的影响，区内次一级褶皱、断层发育，岩体在多期的构 造变形变质作用下，受水平应力的挤压，扭曲变形严重，致使公路沿线边坡节理 裂隙发育，而被其切割的岩石块体将追踪裂隙面发生滑移或沿密集的节理裂隙形 成滑动带，研究区域内的这种构造背景为孕育斜坡灾害提供了有利的地质条件。 此外，新构造运动造成了间歇性的差异升降运动，在区内表现为强烈的抬升，从 而形成了台阶状地形及河谷阶地。由于山地的上升，加剧了河谷的下切作用，从 而为斜坡灾害的发生提供了有利的地形条件。研究区的地质略图见图2 2 。 1 1 ：。- 口：口，圈；_ s _ “口，ls _ i - u 口n 固n 圄n 目曰- se 马， ， l 、口蓐嘞# 渺、砾i 目2 、* = 景m 脚砾# ，# ，e 叠翔n 赔，i 晴嗜4 、= t 两 a 猪、，措、酣、# 5 ，i 幕呻蕊氰女，p 6 、月f # g 、曩岩、# 7 ，$ 自i 晦i 荛惴，十j # 8 、采 蒜* o ) 裹岩、片岩、i 荛# 9 、寒裥猪、；荛e 、 # h 等j o r 自耻0 m 砾s 、麓黯、片岩、l 措、目错 l l 、中m1 2 、低m 丘1 3 , 盏t1 4 、 月1 5 ，限1 6 * 脯1 7 ，* 目* 2 1 1 4 地层岩性 研究区地层区划属扬子地层区南秦岭分区，出露地层主要为下志留统，还有 泥盆系、奥陶系、寒武系奥陶系等，主要岩性为灰色、浅灰色云母石英片岩、 板岩以及千枚岩等软弱变质岩。研究区各地层的特征如图2 3 所示。 桷蕾警 年代 构造 变质相 地 岩石地层簟位度 柱 状图岩性 构造样式 自葛 片蕞t 层次 _i 位 鼻j c 岩段t 反色条搜状绢云板岩，廿 移质缡云板岩宪细砂岩条带 兰三 禹 3 1 l _ b 者段，灰色粉