（地质工程专业论文）黄土沟壑地区岩、土复合边坡破坏模式分析及其稳定性评价.pdf

摘要 以滑坡为主要形式的边坡工程灾害问题是矿山、土木、水利、交通等基本建设工程 中较为突出的工程问题，边坡失稳常常给工程建设造成巨大的损失。我国目前正处于经 济建设高速发展的时期，越来越多的岩、土复合边坡在工程建设中遇到问题，因此，迫 切需要对岩、土复合边坡的结构特征、破坏模式、形成机制和稳定性计算进行系统研究。 岩、土复合边坡是指在工程中常见的上部由土的和岩石全风化层组成，下部由岩石 组成的边坡。该类边坡是一种复杂特殊的边坡，往往具有多种破坏模式，稳定性评价不 仅要考虑上部土层发生滑动的可能性，也要分析岩体沿结构面发生滑动的可能性。本文 以山西省王家岭煤矿碟子沟风井场地的岩、土复合边坡为依托，对该类边坡失稳破坏模 式和机制、岩土体抗剪强度参数、稳定性评价方法进行分析研究。 论文在工程地质调查和相关资料收集的基础上，并结合现场原位试验、有限元分析 及前人关于边坡方面的研究成果，对碟子沟风井场地典型岩、土复合边坡的破坏模式和 稳定性评价进行了详尽的研究。其主要内容包括： ( 1 ) 详细研究场地边坡工程地质条件和结构特征及其特点，为进一步研究打下基 础： ( 2 ) 通过对岩质边坡和土质边坡破坏模式的分析，总结岩、土复合边坡的破坏模 式，并对影响边坡稳定性因素进行分析； ( 3 ) 对风井场地边坡的变形破坏模式进行分析，并讨论了该边坡变形破坏的形成 机制； ( 4 ) 在岩、土接触面及岩质边坡内软弱泥岩层面进行了原位剪切试验，对试验结 果进行了讨论； ( 5 ) 选取合适的方法对边坡进行稳定性分析和计算，对场地边坡提出合理的稳定 性评价结果，为场地工程建设提供服务。 关键词：岩、土复合边坡、破坏模式、原位剪切试验、稳定性、有限元法 a b s t r a c t l a n d s l i d e ，am a i nt y p eo fs l o p ee n g i n e e r i n gd i s a s t e r s ，i st h ek e yp r o b l e mi nm i n e ，c i v i l e n g i n e e r i n g ，h y d r o p o w e r , t r a f f i ce n g i n e e r i n g s l o p ef a i l u r ea l w a y sb r i n g st h eh u g el o s si n e n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n c h i n aa l r e a d ys t e p si nah i 曲d e v e l o p i n ge r a ，a n dw i l lm e e tm o r e a n dm o r ep r o b l e m so fr o c k - s o i lc o m p l o u n ds l o p e s s oi t sq u i t en e c e s s a r yt od os y s t e m r e s e a r c hw o r ka b o u tt h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，f a i l u r em o d e l s ，m e c h a n i s ma n ds t a b i l i t y a n a l y s i so ft h er o c k s o i lc o m p l o u n ds l o p e t h er o c k - s o i lc o m p o u n ds l o p ei su s u a l l yc o m p o s e do ft w od i f f e r e n ts t r a t a ，t h eu po n ei s s o i la n dw e a t h e r e dr o c k ，t h eb a s eo n ei sr o c k i t sas p e c i a ls l o p ew h i c hh a sm a n yf a i l u r e m o d e l s ，s os t a b i l i t ya n a l y s i sb e c o m e sd i f f i c u l t i to n l yc o n c e r nt h ef a i l u r eo fu ps t r a t u r m ，b u t a l s on e e dt ot a k ea c c o u n to ft h es l i d i n go ft h eb a s er o c k a st h em o d e lo fw a n g i i a l i n gc o a l m i n er o c k - s o i lc o m p o u n ds l o p ei nt h es h a n x ip r o v i n c e ，t h i st h e s i sh a sd o n eal o to fr e s e a r c h w o r ka b o u tt h ef a i l u r em o d e l sa n dm e c h a n i s m ，g e o m e c h a n i c a lp a r a m e t e r sa n ds t a b i l i t y a n a l y s i sm e t h o d so ft h i st p y es l o p e o nt h eb a s i so fg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o na n dm a t e r i a l sc o l l e c t i n g ，c o m b i n i n gi ns i t us h e a r t e s t ，f e m ( f i n _ i te l e m e n tm e t h o d ) m o d e l l i n ga n ds t u d ya c h i e v e m e n to fo t h e rp e o p l e ，t h i s t h e s i sh a sc o n d u c t e das y s t e m a t i caa n a l y s i so nt h ef a i l u r em o d e l sa n ds t a b i l i t y t h em a i n c o n t e n ta sf o l l o w s ： ( 1 ) t h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h es l o p ea r es t u d e dt ol a yaf o u n d a t i o nf o rf u r t h e r ( 2 ) t h ef a i l u r em o d e lo ft h er o c k s o i lc o m p o u n ds l o p ei sa n a l y z e da n da c q u i r e d a tl a s to f t h i st h e s i s ，t h ed i s a d v a n t a g o u se l e m e n tt ot h es l o p es t a b i l i z a t i o nh a sb e e ns u m m a r i z e d ( 3 ) t h ef a i l u r em o d e lo f t h es l o p ei sa n a l y z e da n dt h ef a i l u r em e c h a n i s mi sa l s od i c u s s e d ( 4 ) i ns i t us h e a rt e s to ft h ei n t e r f a c eo fr o c ks o i la n dt h ew e a ki n t e r f a c ei nm u d s t o n ei s d o n ea n dr e s u l to ft h et e s ti sd i s c u s s e d ( 5 ) 8 yu s i n gt h er i g h tw a y t oc a c u l a t ea n da n a l y s i st h es l o p e ，t h ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sa r e a c q u i r e d ，w h i c hw i l ls e r v et ot h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：r o c k - s o i lc o m p o u n ds l o p e s ；f a i l u r em o d e l ；i ns i t us h e a rt e s t ；s t a b i l i z a t i o n ； f e m i i 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：钐侈僻 卅年多月缈日 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。 论文作者签名： 秭黟鸱卅年莎月夕日 导师签名：若砩 加罗年月缈日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 我国是一个多山的国家，山区占我国陆地总面积的6 9 4 ，山区人口占全国总人口 的一半以上。山区地质构造复杂，生态环境脆弱；随着山区建设速度加快，生态环境遭 到破坏，泥石流、滑坡、崩塌、山洪等山地灾害暴发频繁。据统计，山地灾害平均每年 导致我国经济损失达5 7 亿元人民币，人员伤亡超过1 0 0 0 人。 随着山区的开发建设、铁路与高速公路建设、深基坑的开挖和露天矿山向深部的开 采，各个工程建设中遇到的地质灾害，特别是边坡灾害问题也相应增多，而边坡问题又 是岩土工程界比较常见的技术难题，因此，对边坡的研究，特别是对具有复杂岩土结构 的边坡进行破坏模式及形成机制分析和稳定性评价方面的研究是非常必要的。目前，边 坡稳定和地震、火山并称为当今三大地质灾害源，国家和地方已经投入了大量的人力、 物力和财力来进行这方面的研究和治理【l 。2 1 。 我国黄土的分布面积为6 3 5 3 万k m 2 ，约占全国陆地总面积的6 6 3 ，主要分布在 北纬3 0 0 - - 4 8 0 ，东经7 5 0 - - - 1 2 7 0 之间，以分布广、厚度大、地层层序完整而著称于世【3 1 。 随着西部大开发的进行，人类工程建设活动逐渐向山区扩展，在黄土沟壑地区进行的工 程建设也越来越多，人类在对地质体进行改造的同时，不合理开挖和回填势必会打破地 质体原有力学平衡体系，诱发一系列工程边坡问题。 王家岭煤矿项目是国家和山西省重点项目，煤矿位于山西省乡宁县境内，井田面积 约1 8 0 k m 2 ，地质储量2 3 4 2 亿吨，建设项目是由设计生产能力6 0 0 万吨年的矿井、入 洗原煤6 0 0 万吨年的选煤厂、2 x 5 万千瓦的综合利用电厂和铁路专用线构成的循环经济 综合建设项目。 王家岭煤矿碟子沟风并场地位于山西省乡宁县西坡镇黄土沟壑区，距乡宁县城 3 0 k m ，地理位置北纬3 5 0 4 3 7 4 7 ” - - 3 5 0 4 7 0 7 ”，东经1 1 0 0 3 4 5 0 1 1 0 0 4 2 3 6 ”。场地距乡宁 一韩城公路约3 k m ，乡宁一韩城公路与国道2 0 9 线相连，2 0 9 国道向南与大同一运城高 速、候西一候月铁路相接，交通堪称便利。研究区水系属于黄河水系，区内无大型河流 分布，最大的沟谷为碟子沟。碟子沟呈东西向，东高西低，沟道弯曲，沟内仅在雨季有 流水，旱季沟内干涸，汇水面积约0 1 8k m 2 。 第一章绪论 碟子沟风井场地位于碟子沟南侧相对较缓的斜坡体上，斜坡体上发育两个古滑坡， 其间为黄土残梁，斜坡上支沟发育。场地边坡岩土体结构复杂，钻孔揭示场地岩土类型 主要有第四系黄土、人工填土、古滑坡堆积、残坡积物和二叠系泥岩、砂岩，边坡岩层 产状平缓，倾向北，倾角1 0 0 - 1 5 0 ，岩层倾向与坡向相同，但倾角小于坡角，基岩与松 散堆积体接触面的倾向与坡向近一致，倾角和岩层倾角相近。 按照设计，在碟子沟场地内布设有风井、1 1 0 k v 变电站、瓦斯电厂、黄泥灌浆站、 高位水池、综合水处理问和调解沉淀间、热分炉房和烟囱等。 上述地质环境条件下，场地边坡的稳定性问题，是整个工程施工和运行期间必然面 对的问题，因此，对场地边坡进行合理的破坏模式分析和稳定性评价是工程首先要解决 的关键问题。碟子沟风井场地边坡为典型岩、土复合边坡，边坡结构复杂，上部土层边 坡和下部岩石边坡都存在潜在不稳定滑动面，在工程扰动和持续降雨等不利条件下，场 地边坡可能会发生局部或整体的变形破坏。事实上，在场地南侧黄泥灌浆站处的斜坡开 挖过程中，已经出现了多次小规模的滑坡，对场地建设造成了显著的影响。因此，迫切 需要对场地边坡进行系统深入的工程地质研究，以准确认识其稳定性状况，为工程建设 服务。 基于上述背景，作者选择“黄土沟壑地区岩、土复合边坡破坏模式分析及稳定性评 价”作为硕士论文的研究重点，以碟子沟风井场地边坡为典型研究素材，在系统科学方 法论的指导下，采用现场调研、现场试验和测试、室内测试、统计分析、地质分析与判 断、力学计算、计算机模拟相结合的综合研究和途径，对碟子沟风井场地边坡从边坡变 形破坏模式和破坏机制、影响边坡稳定性的重要因素、边坡岩土体抗剪强度参数选取、 稳定性计算评价几个方面进行系统研究，试图通过典型对象的研究，探索类似边坡变形 破坏机制，并在此基础上初步建立切实可行的边坡稳定性综合分析评价的技术方法，具 有一定的理论意义和实践价值。 1 1 2 研究意义 岩、土复合边坡是指在工程中常见的上部由土和岩石全风化层组成，下部由岩石组 成的边坡。岩、土复合边坡一般具有多种破坏模式，稳定性评价不仅要考虑上部土层发 生滑动的可能性，也要分析岩体沿结构面发生滑动的可能性【4 】。因此，这类边坡往往具 有更大的复杂性，对岩、土复合边坡失稳破坏机制、岩土体力学参数、稳定性评价方法 都缺乏深入了解，研究成果却相对较少，因此，很有必要对岩、土复合边坡问题展开研 2 长安人学坝十字位论文 究。 王家岭煤矿碟子沟风井场地的边坡就是此类岩、土复合边坡，风井场地位于两个古 滑坡平台上，边坡岩土体结构复杂，上部由黄土、残坡积土、滑坡堆积及人工填土组成， 下部由砂岩、泥岩互层的沉积岩组成，基岩为顺层岩质边坡，砂岩和泥岩接触面发育有 薄层泥化夹层。这种特殊的边坡结构特征决定了边坡潜在的滑动面( 带) 可能有多个， 比如潜在滑动面可能沿岩、土接触面发育，也可能在基岩内部沿软弱夹层或结构面形成 而导致边坡整体失稳。 为了对此类岩、土复合边坡进行合理、准确的稳定性计算和评价，首先必须对边坡 的结构特征、破坏模式、影响因素和破坏机制进行分析。岩、土复合边坡由于其特殊的 物质组成和结构特征，在边坡破坏模式、破坏机制、稳定性分析评价等方面都有其自身 的特征，边坡上覆土质边坡和下伏岩质边坡即相互独立，又相互关联，然而，目前对这 类边坡的研究成果和资料却较为少见，所以，展开对岩、土复合边坡的研究是很有必要 且迫切的。 另外，边坡抗剪强度参数的选取直接关系到边坡稳定性分析与评价结果的合理与 否。对抗剪强度参数的选取手段和方法的研究成果较为丰富，也具备了系统的理论依据， 但是，在实际的工程实践活动中，由于试验方法固有的局限性，在抗剪强度参数的选取 上还是有很多不足。原位剪切试验因其保证了试样的原状性，且其剪切断面较大，试验 结果相对更为可靠。本文对岩、土复合边坡岩、土接触面和岩体内软弱结构面进行的原 位剪切试验进行详细论述，也具有重要的理论意义和工程价值。 目前，在黄土沟壑地区进行的工程建设项目逐渐增多，必然会遇到很多岩、土复合 边坡问题，碟子沟风井场地边坡在边坡形态、结构、物质组成等方面在黄土沟壑地区都 具有一定代表性，因此，本文对山西省王家岭煤矿碟子沟风井场地边坡进行破坏模式分 析和稳定性评价，一方面，可以服务于王家岭煤矿项目，对场地边坡进行准确、合理的 工程地质勘察和评价，提出边坡的变形破坏模式及稳定性分析结果，为边坡的治理和设 计提供可靠的地质依据。另一方面，在黄土沟壑地区，碟子沟风井场地岩、土复合边坡 在边坡形态、物质组成、不良地质现象的发育等方面具有一定代表性，其研究成果不仅 有益于风井场地的建设和运营安全，而且对其他类似工程具有一定的参考价值。 3 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡破坏模式的研究现状 边坡问题是一个复杂的问题，对于其变形破坏模式的研究从简单到复杂，逐步完善。 不同的研究者从自己的观点出发进行了不用的划分，2 0 世纪7 0 年代h o e k e 教授【5 】将 滑动面的形态特征做为主要分类依据，将岩石变形破坏模式分为圆弧破坏、平面破坏、 楔形破坏和倾倒破坏四种类型。后来我国学者又详细讨论了边坡破坏机制、破坏方式、 破坏类型和如何抽象边坡稳定性分析力学模型等【6 】。8 0 年代，国际工程地质协会滑坡委 员会建议采用瓦恩斯的滑坡分类方案作为国际标准，将边坡按运动方式划分为崩落 ( 塌) 、倾倒、滑动( 落) 、侧向扩离和流动等5 种基本类型【_ 7 1 。 孙玉科 8 】、谷德捌7 】等人将边坡破坏模式概括为5 类：倾倒变形破坏( 金川模式) 、 水平剪切变形( 葛洲坝模式) 、顺层高速滑动( 塘岩光模式) 、追踪平推滑移( 白灰厂模 式) 、张裂顺层追踪破坏( 盐池河模式) 。孙广忠将边坡破坏类型概括为圆弧滑动、沿层 面滑动、块体滑动、追踪节理面破坏、倾倒变形、溃屈破坏、崩塌和水平滑动8 类，并 讨论了各种破坏的类型的特点。 张倬元、王士天【9 】根据大量的现场调研资料，深入研究了斜坡变形破坏演化机制的 一般规律，根据岩体变形破坏的力学机制，提出了6 种基本的岩体变形破坏模式，即蠕 滑一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移一拉裂、弯曲一拉裂( 也就是倾倒变形) 、塑流一拉 裂和滑移弯曲。这些地质破坏模式揭示了边坡演化的内在机制，确定了边坡岩体破坏的 发展方向。金德濂【1o 】根据水利工程特点将边坡变形分为6 种类型，滑动变形、蠕动变形、 张裂变形、崩塌变形、坍滑变形和剥落变形，并结合岩性、结构和变形机制划分了1 7 种亚类，对各种变形边坡的工程地质特征、变形破坏机理、稳定性评价和治理原则进行 了分析。王哲等【l l 】对西南地区不同岩性组合形式和结构面组合特征进行统计分析，对公 路边坡结构进行分类，共分为3 大类1 2 小类，并分别对各种类型的边坡稳定性进行了 简单分析。 从岩体力学的观点来看，岩体边坡的破坏不外乎剪切( 即滑动破坏) 和拉断两种型 式。大量的野外调查资料及理论研究表明，除少数情况外，绝大部分岩体边坡的破坏均 为滑动破坏。文献【1 2 】根据滑动面的形态、数目、组合特征及边坡破坏的力学机理并参照 霍克的分类方法，将岩体边坡破坏划分为平面滑动、楔形状滑动、圆弧形滑动及倾倒破 坏4 类，其中平面滑动又据滑动面的数目划分出单平面滑动、双平面滑动与多平面滑动 4 长安大学硕士学位论文 等。前3 类以剪切破坏为主，常表现为滑坡形式，第4 类为拉断破坏，常以崩塌形式出 现。 1 2 2 边坡稳定性的研究现状 我国发生的大量滑坡不但丰富了滑坡工程实践的内容，亦推动了滑坡或边坡的稳定 性研究，边坡的稳定性研究已有近百年的历史。 随着人类工程活动的发展，对边坡问题的研究也不断深入，国内外学者对边坡稳定 性有了广泛的卓有成效的研究，总结其研究工作的发展状况，大致经历了以下几个发展 阶段。 本世纪初至5 0 年代，随着大规模的工程建设，导致了工程边坡大量出现，也因此 而诱发了大量的滑坡和崩塌，造成了巨大损失，边坡工程引起了人们的高度重视。当时 对边坡的稳定性研究主要采取两种方法：一是采用刚体极限平衡法，计算边坡极限平衡 状态下的总体稳定性。这种方法将滑坡体视为刚性体，不考虑其本身的变形。该方法是 工程实践中应用最普遍的一种分析方法，能取得边坡稳定性分析的定量结果。它的优点 是使用简单、计算方便，滑面确定后能快速有效地确定滑体的稳定性系数，而其缺点是 在力学上作了一些简化假设。目前已有了多种极限平衡分析方法，如f e l l e n i u s 法【1 3 1 、 b i s h o p 法【14 1 、j a u b u 澍15 1 、m o r g e n s t e mp r i n c e 法【16 1 、楔体极限平衡分析法等；二是采取 定性的方法对边坡进行稳定性分析，即从边坡所处工程地质条件为背景，分析边坡的稳 定性，如自然历史分析法、工程地质类比法、图解法等。 2 0 世纪6 0 年代至7 0 年代，工程建设更加蓬勃开展，出现的边坡规模越来越大，数 量越来越多，条件也较为复杂。对边坡稳定性问题研究的要求更加迫切，促使边坡稳定 性研究理论和方法有了较快的发展。这一时期，对边坡稳定性研究进入作用过程研究和 破坏模式机制分析阶段。边坡可靠度方法也逐步引入边坡稳定性研究中。另外，对具有 软弱夹层的岩体的应力状态和破坏规律运用一定的计算模型研究等，也取得了较大成 挫 坝。 进入2 0 世纪8 0 年代后，人们借助于数值模拟和物理模拟手段，在系统科学方法的 指导下，对边坡地质体赋存环境、内部应力状态、变形破坏机制、影响稳定性作用因素 等，从整体上、内部作用机理等方面有了更为全面的认识和理解。另外，在这一时期， 一些新理论、新方法逐步出现，有模糊数学、灰色理论、系统论方法、信息论方法和数 量化理论，为预测边坡稳定性和定量分析开辟了更为广泛的前景。 5 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，边坡稳定性分析以多学科、多专业的交叉渗透研究为发展方 向。非连续介质理论、非线性科学理论、可靠性分析理论以及计算机技术的发展，为边 坡稳定性问题的研究提供了新的途径和方法，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、监测与反馈分析相结合的新阶段，取得了大量有意义 的成果。 综上所述，在2 0 世纪的发展历程中，边坡工程经历了从现象认识专地质分析专岩 体力学分析专机制分析专定量评价的发展历程。经过百余年的努力，边坡稳定性研究已 经取得了令人瞩目的成就。 1 2 3 岩、土复合边坡稳定性研究现状 岩、土复合边坡是指在工程中常见的上部由土和岩石全风化层组成，下部由不稳定 基岩组成的边坡 4 】。工程建设中常常会遇到此类边坡，其上部土体包括残坡积物、崩坡 积物、滑坡堆积物和冲洪积物等松散堆积介质或均质土，常常形成圆弧滑动破坏和沿岩、 土接触面发生滑动，下伏基岩因存在不连续软弱结构面也可能形成整体滑动。岩、土复 合边坡往往存在多个滑面，具有多种破坏模式。对于土质边坡和岩质边坡破坏模式及机 理国内外已做过许多研究，并取得了成套的研究成果。而对于岩、土复合边坡，由于其 物质组成的复杂性、结构分布的不规则性以及难以采集试样等独特的特点，给研究带来 极大的困难，取得的研究成果也很有限，查询到得研究资料较少，相关规范中也未给出 岩、土复合边坡稳定性分析的具体方法。 张莲花【4 】等针对具体工程实例，对岩、土复合边坡的稳定性分析总结了大概的分析 思路和具体方法，提出了对坡体上部土和强风化层采用圆弧法滑动分析，对下部岩体依 据结构面组合确定危险面，总体采用传递系数法进行分析。朱型1 7 】等针对广州一岩、土 复合高边坡的几种可能的滑动破坏形式进行了分析，并对加固设计进行验算，分析证明 采取的设计加固方案能够满足稳定性要求。周中【1 8 l 等采用人工降雨模拟试验的手段对降 雨入渗诱发条件下土石混合体边坡的变形性状随时间变化的一些重要特性。 1 3 研究内容和技术线路 1 3 1 研究内容和研究方法 边坡变形破坏模式及其稳定性分析研究是边坡设计和施工的基础，本文主要依据王 家岭煤矿碟子沟风井场地岩、土复合边坡所处的地质环境条件，采取理论分析和数值分 6 长安大学硕士学位论文 析相结合的手段，对岩、土复合边坡的变形破坏模式、影响因素、破坏机制和边坡稳定 性分析等进行了系统的分析和研究。 主要研究工作如下： ( 1 ) 根据野外地质调查资料，论述了碟子沟风井场地边坡的工程地质条件，并结 合已有研究成果，分析了场地岩、土复合边坡的结构特征； ( 2 ) 综合分析岩质边坡、土质边坡常见的变形破坏模式、影响因素及破坏机理， 总结前人研究成果，并以该项目为依托，分析岩、土复合边坡变形破坏模式及破坏机理、 影响因素； ( 3 ) 论述边坡岩土体抗剪强度参数选取的方法及要点，并分析在边坡土石界面和 基岩内软弱结构面上进行现场原位剪切试验的方法和步骤，对原位剪切试验结果进行分 析，为边坡稳定性分析中岩土体抗剪强度参数的选取提供思路； ( 4 ) 选取刚体极限平衡法和有限元模拟分析法对边坡进行稳定性分析和计算，对 场地边坡提出合理的稳定性评价结果，为场地工程建设提供服务。 本文从力学分析、数值模拟分析等方面对岩、土复合边坡进行分析研究，以期获得 一些合理、实用的结论，为该类边坡的计算分析及治理措施的制订与实施奠定一定的基 础。 1 3 2 研究技术路线 本文研究的技术路线见图1 1 。 7 第一章绪论 图1 1 论文研究技术路线图 安上学硕学位论生 第二章风井场地边坡工程地质条件及边坡结构类型 2 1 场地边坡工程地质条件 2 1 1 地形地貌 研究区位于鄂尔多斯向斜东南部，晋西黄土高原的南端，为黄 ：沟壑区，基 岩在沟谷出露。场地位于碟子沟南坡，最低点碟子沟沟底海拔约7 9 4 m ，最高点 约9 2 3 m ，高差约1 2 9 m 。 碟子沟呈东西向，两侧地形差别大。北坡陡，坡度3 0 。4 5 。，支沟不发育： 南坡缓坡度下部8 。1 5 0 ，中部4 0 1 6 。，上部1 7 0 3 0 。，支沟发育，而且长 度大。碟子沟沟道弯曲，沟内仅在雨季有流水， 场地展布在两个古滑坡体上，分别称为西侧古滑坡和东侧古滑坡，其间为黄 上残粱( 照片2 1 ) 。 照片2 1 场地全景( 镜向南) 2 12 地质构造 场地内岩层产状平缓，倾i 句- i l ，倾角1 0 。1 5 。，岩层倾向与坡向相同，但倾 角小于坡角。基岩与黄土接触面的倾向与坡向一致，倾角和岩层倾角相近。 据区域地质资料场地以南有一正断层( 前人称为桑岭断裂) ，其倾向南， 倾角7 0 。 岩层中节理发育，主要有四组，产状分别为1 4 l 4 2 。6 0 。、1 7 6 。z6 8 。7 8 。、 3 2 0 0 3 2 5 0 8 5 0 8 8 0 和2 1 5 z 7 07 5 0 。节理间距一般为0 3 2 5 m ，延伸长度 2 0 1 0 o m 。 第二章风外场地边坡工程地质条件及边坡结构类型 2 1 3 地层岩性 场地出露地层为二叠系上石河子组上段沉积岩和第四系黄土及坡积、古滑坡 堆积和人工堆积物。根据钻孔和探井揭露情况，场地地层分布情况和岩性特征如 下： ( 1 ) 填土：主要由粉土组成，杂色，松散，间夹小块状泥岩，有植物根须。 层厚在介于1 - 4 m ，层底标高8 3 3 - - - 8 5 5 m 。填土为场地开挖和风井掘进的弃土堆 积，主要分布于场地北部，其厚度随原地形而变化，颗粒大小不均匀，含水量不 均匀。 ( 2 ) 粉质粘土( q 4 d e l + e 1 ) ：主要为残积或古滑坡堆积物，褐黄色，硬塑，稍 湿，含少量钙条纹，颜色单一，偶见蜗牛壳，局部有姜石，含有铝锰斑点，针状 孔隙，土质均匀。厚度各处差异很大。最厚处有2 0 多米，最薄处有十几厘米， 层底标高8 2 4 - - 8 9 2 m 。分布于场地北部，覆盖在基岩之上，受古地形影响，厚度 变化大。 ( 3 ) 黄土( q 3 、q 4 ) ：褐黄，颜色单一，硬塑，稍湿，针孔、虫孔等发育， 有植物根须，针状孔隙，土质均匀，中间夹有薄层的古土壤，棕红色，硬塑，稍 湿，团粒结构，少量姜石、钙条纹。厚约0 4 m - - - 2 5 m 不等。黄土最厚处在古滑 坡的后缘，厚约6 5 m ，层底标高8 11 , - 8 9 5 m 。分布于场地南部，最大厚度大于 6 0 m 。 ( 4 ) 古滑坡堆积物：呈强风化状，岩体破碎，地层混乱，节理裂隙极为发 育，岩芯扰动呈粉碎状，有泥质胶结，稍湿；该层仅在东侧古滑坡中遇到，在 z k l 6 、z k l 7 、z k l 9 、z k 2 0 中均有出现，层底标高8 3 5 - - - - 8 7 2 m 。分布于场地南 部，由于长期遭受侵蚀，厚度变化大，在0 - - - 2 5 m 之间。 ( 5 ) 二叠系强风化泥岩( p 2 ) ：浅灰色，强风化，泥质结构，具水平层理， 节理裂隙极为发育，岩芯扰动呈粉碎状，有泥质胶结，厚度较薄，层底标高8 1 5 - - - 8 8 3 m 。 ( 6 ) 二叠系弱风化砂岩( p 2 ) ：灰黄色，弱风化，砂质细粒，具层理构造， 片状结构，节理裂隙发育，有泥质胶结。厚度一般在4 m 左右，层底标高8 0 8 - - - 8 7 5 m 。 ( 7 ) 二叠系弱风化泥岩( p 2 ) ：红紫色，弱风化，具层理构造，片状结构， 1 0 长安大学硕士学位论文 节理裂隙发育，裂隙充填有黄色钙质。厚度一般在4 m 左右，层底标高8 0 3 - - - 8 7 2 m 。 ( 8 ) 二叠系微风化砂岩( p 2 ) ：黄绿，微风化，硬，砂粒较粗，层理构造， 碎屑结构，节理裂隙不发育，主要矿物为石英长石，含少量云母。主要由两组节 理控制，厚度一般在3 m 左右，层底标高8 2 2 8 6 5 m 。 ( 9 ) 二叠系弱风化泥岩( p 2 ) ：紫褐色、青灰色，弱风化，具层理构造，板 状结构，钙质胶结，节理裂隙发育，裂隙充填有黄色钙质，厚度较大，一般在几 米到十几米不等，层底标高8 1 8 - - 8 5 8 m 。 2 1 4 地下水 该区地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。松散岩类孔隙水分布 于上覆松散土层及滑坡体内，主要接受大气降水补给；裂隙水赋存于泥岩、泥质 粉砂岩，主要接受大气降水及上部松散岩类孔隙水补给，地下水顺岩层裂隙面渗 入，在裂隙密集附近聚集。 据水文气象资料，本地区属季节性冻土区。据建筑地基基础设计规范标 准冻深为0 7 5 m 。 2 1 5 抗震设防参数 碟子沟风井场地属对建筑抗震不利地段。场地各土层剪切波速介于3 3 卵 5 4 4 m s 之间，场地土的类型属中硬土。 根据建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ) ，本区抗震设防烈度为7 度， 设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度值为o 1 0 9 ，地震动反应谱特征周 期值为0 3 5 s 。 2 2 场地边坡结构类型和特点 2 2 1 边坡基本特征 碟子沟风井场地建设用地分布在两个古滑坡平台上，分别称为西侧古滑坡和 东侧古滑坡，边坡的基本地质条件如下所述。 ( 1 ) 东侧古滑坡 东侧古滑坡长约3 0 0 m ，宽约3 6 0 m ，坡度约1 5 0 ，主滑方向近正北，滑坡呈 圈椅状地形，东侧为沟谷，西侧为冲沟，后缘为黄土边坡，高约4 5 m ，黄土边坡 第| 二章风j ：场地边坡t 程地质条件及边坡结构类型 上覆盖大量植被，坡面无变形迹象，整体处于稳定状态。古滑坡后缘覆盖粉质粘 土，其上植被较繁茂，滑坡下部坡面上可见基岩出露，覆盖土层较薄。 据现场勘查，东侧古滑坡体上出露地层局部较混乱。钻孔揭露该古滑坡下部 基岩地层反倾，例如z k l 8 揭露泥岩标高为8 6 6 3 1 ，z k l 9 揭露泥岩标高为9 7 1 0 2 ， 且钻孔揭露该处岩性破碎，漏浆较严重，推测该古滑坡曾沿基岩内软弱结构面发 生滑动。由于岩体结构混乱，强度较低，再次发生沿基岩内软弱结构面发生古滑 坡的可能性较大。定性分析认为该古滑坡目前处于稳定状态，但在工程活动和持 续降雨、地震等条件下，边坡沿基岩内软弱夹层发生再次滑动的可能性较大，应 考虑重新选择更为合适的场地进行工程建设。 在该古滑坡上还发育有小型的古滑坡。据现场调查，发现有部分地段出露岩 体地层较混乱，呈破碎泥状，推测为小型次级古滑坡堆积物，小古滑坡宽约1 0 0 m ， 长约8 0 m ，后缘陡坎约1 2 m ，目前也处于稳定状态，工程扰动后有滑动的可能。 ( 2 ) 西侧古滑坡 场地西侧古滑坡长约4 5 0 m ，宽约4 4 0 m ，坡度约2 0 0 ，古滑坡后缘陡坎高低 不一，最高处约2 5 m ，坡度较平缓。该古滑坡为一古滑坡，古滑坡后部为沿基岩 面的顺层土质滑坡，滑体厚度1 5 m 左右，下部切过土层，厚度2 0 余米，滑动方 向近正北。古滑坡中部为一冲沟，将该古滑坡切分为东西两部分。在建的场地位 于该古滑坡形成的滑坡平台上。 在古滑坡体东侧已进行大量人工开挖和回填，并建有房屋、风井等建( 构) 筑物，原地貌己发生较大改变，局部地段古滑坡堆积物被大量开挖，基岩露出或 基岩上覆盖土层较薄。在场地公路旁开挖的路堑上基岩出露陡坎高约1 3 m ，分别 出露有粉砂岩、泥岩、岩屑砂岩、泥岩、粉砂岩、岩屑砂岩等。 场地内不合理的开挖已经引起了斜坡局部的滑动，在场地公路东侧开挖的斜 坡长约6 0 m ，宽约3 0 m ，坡脚被部分挖空，从而为边坡顺层滑动提供了临空条件， 因此，在边坡开挖过程中应注意合理开挖，避免在施工中人为产生边坡不稳定因 素，引起边坡失稳。 古滑坡西侧种植大量果树，植被覆盖较好，古滑坡堆积层较厚，场地内发育 多处落水洞，一般呈串珠状或条状分布，落水洞直径一般l m 左右，大部已被淤 填，5 5 号探井开挖过程中2 8 0 - - 6 0 0 m 为空洞，侧壁及底部有三条宽2 0 c m 左右 1 2 长安大学硕上学位论文 的裂缝，深约l o m ，该场地目前稳定状态良好，但在工程活动影响下，古滑坡有 复活的可能，推测边坡上部古滑坡堆积物、残坡积物和黄土层与下伏基岩的接触 面是潜在的危险滑动面，要保证场地的安全，必须要对其进行工程加固措施。 2 2 2 边坡结构类型划分 边坡的结构是边坡变形破坏的基本环境，它不仅控制着崩塌、滑坡及变形体 的发育分布，而且也决定着岩体变形破坏的成因类型、边坡变形破坏模式和规模。 阐明边坡结构特征对于指导边坡勘察、分析边坡变形破坏的发育特征、形成机制、 破坏模式和稳定性评价，都具有十分重要的意义。 根据边坡工程的基本特点和客观需要，按照边坡的物质组成和坡体结构特征 进行分类。按物质的组成可以划分为土质边坡、岩质边坡、岩、土复合结构边坡 三个基本类型。土质边坡是指构成边坡主体为土类物质，根据土类物质的均匀性 程度的不同，可分为均质土边坡和类土质边坡；岩质边坡是指构成边坡主体由岩 体组成，基于岩体主要结构面特征，可以分为块体结构边坡、层状结构边坡、碎 裂结构边坡和散体结构边坡；岩、土复合边坡是指边坡坡体结构组成是由土质边 坡和岩质边坡两种基本坡体结构类型复合组成，上覆土层边坡与下伏岩质边坡即 具有独立的边坡结构类型和特征，又相互作用和影响，按照土质边坡和岩质边坡 不同的物质组成和结构特征组合，可以有多种边坡组合类型。 ( 1 ) 土质边坡结构特征 土质边坡指破坏面可能发生在第四纪堆积层中，坡体物质组成为土体的边 坡，包括均质土边坡、类土质边坡。土质边坡一般破坏规模相对较小，边坡的稳 定性控制因素取决于土体强度、坡率和沉积层面产状与坡面的组合关系。各类边 坡的岩土结构特征如表2 1 。 表2 1 土质边坡结构类型 类型岩土结构特点边坡稳定特征 均质土边坡整个坡体由均质土构成，没有贯通性的结构面 土体强度和坡率 坡体由不同类型的松散土层( 如残坡积、风化土体强度和沉积层面产 类土质边坡 土、崩滑流堆积物) 等构成，控制性结构面是状与坡面的组合关系 岩土分界面和沉积层面 均质土边坡根据物质组成的不同，均质土边坡又可分为粘性土边坡、砂性土 边坡、黄土边坡、软土边坡和膨胀土边坡，根据均质土边坡组成物质的不同，边 第二章风井场地边坡工程地质条件及边坡结构类型 坡工程地质特征、破坏类型也有所不同。 类土质边坡上部堆积层是以各种残积、坡积、洪积、崩积物和滑坡堆积物等 成因为主的松散堆积体，有时也常碰到大量的人工填土边坡，类土质层常为粘土 央块石，坡体结构松散，具有大孔隙性，透水性较强。 一般情况下，这些山区堆积层岩、土接触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岩、土接触面和层面产生滑动，形成堆积层滑 坡。山区堆积层滑坡有浅层、中层，亦有深厚的大型滑坡，其分布范围很广泛。 ( 2 ) 岩质边坡结构特征 岩质边坡是指坡体物质组成主要由第四纪以前形成的沉积岩、变质岩和岩浆 岩组成的复杂地质体，由结构体和结构面两部分共同构成。结构体或岩块是各种 类型的地质结构面切割成不同形状和大小的块状岩体。结构面如岩层层面、节理、 断层、剪切带、软弱夹层等，是岩体内不连续面的总称。岩质边坡一般规模较大， 构造较为复杂，稳定性控制因素取决于不连续结构面的组合关系及结构面抗剪强 度等因素。 岩体中结构面的存在，是影响岩质边坡稳定性的重要因素。结构面处常常是 物理力学作用和物理化学作用强烈反映的地带，致使结构面处强度较低，使边坡 稳定性受到严重威胁。研究岩质边坡，必须牢牢抓住岩体中的各种结构面，这是 解决问题的一把钥匙。 按岩体的主要结构面特征将岩质边坡划分为块体结构边坡、层状结构边坡、 碎裂结构边坡、散体结构边坡，各类边坡的岩土结构特征如表2 2 。 ( 3 ) 岩、土复合边坡结构特征 岩、土复合边坡一般上部为均质土层或类土质土层，下部为基岩，土层的稳 定性控制因素取决于土体强度及岩、土接触面的产状与坡面的组合关系，下部基 岩稳定性控制因素取决于结构面的组合关系及结构面强度。 岩、土复合边坡常见于黄土沟壑地区，特别是在古滑坡发育地段，常常容易 形成岩、土上覆松散堆积体、下伏基岩的复合边坡。岩、土复合边坡的结构形式 较多，是不同结构类型的土质边坡和岩质边坡的组合。 常见的岩、土复合边坡结构形式有：边坡由上覆黄土覆盖层和下伏基岩组成、 上覆红粘土和下伏基岩组成、上覆崩坡积、滑坡堆积等松散土层和下伏顺层状岩 1 4 长安大学硕士学位论文 质边坡组成、上覆人工堆填土层和下伏基岩组成等几种形式。岩、土复合边坡的 结构形式繁多，一般上覆的土层岩、土接触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岩、土接触面和层面产生滑动；下伏基岩由于受 到降水、地下水及各种地质营力作用的影响下，岩体结构不断破坏，岩层层面结 构强度不断软化，逐渐沿不连续结构面演化为滑动面，形成岩、土复合结构滑坡。 表2 2 岩质边坡结构分类1 9 1 序边坡结构分类 岩石类型岩体特征 边坡稳定特征 号 类型亚类 块体岩浆岩、中深岩体呈块状，厚层状，结构 边坡稳定条件好，易形成高陡边 结构变质岩、厚层面不发育，多为刚性结构 坡，失稳形态多沿某一结构面崩 1 塌或复合结构面滑动。 边坡沉积岩，火山面，贯穿性软弱结构面少见 岩 滑动稳定性受结构面抗剪强度与 岩石抗剪断强度控制 层面或软弱夹层，形成滑动面， 层状 边坡与层面同向，倾向夹角坡脚切断后易产生滑动。倾角较 同向 小于3 0 0 。岩体多旱互层和 陡时，易产生崩溃或倾倒。 层间错动带常为贯穿性软稳定性受坡角与岩层倾角组合关 结构 弱结构面 系，顺坡向软弱结构面的发育程 度及强度所控制 各种厚度的沉岩层较陡时易产生倾倒弯曲松动 层状积岩、层状变变形，坡脚有软层时，上部易拉 结构 层状 2 反向 质岩和复杂多边坡与层面反向，倾向夹角裂，局部崩塌滑动。 边坡次喷发的火山大于1 5 0 0 ，岩体特征同上稳定性受坡角与岩层倾角组合、 结构 岩岩层厚度、层间结合力及反倾结 构面发育与否所控制。 层状边坡与层面斜交或垂直，倾易形成层面与节理组成的楔形体 斜向向夹角3 0 。- 1 5 0 0 ，岩体特征滑动或崩塌。层面与坡面走向夹 结构同上角越大稳定性愈高。 层状 近于水平的岩层构成的边 在坡底有软弱夹层时，在孔隙水 平叠压力或卸荷作用下产生向临空面 结构 坡，岩体特征同上 的滑移。 碎裂 各种岩石的构 岩体结构面发育，岩体宏观 边坡稳定性较差，坡角取决于岩 3 结构 造带、破碎带、 的工程力学特征已基本不 块间的镶嵌情况和岩块间的咬合 蚀变带或风化 具备，由结构面造成的各向 边坡 力。 破碎岩体 异性 散体 各种岩石的构 4 结构 造破碎及其强 由碎屑泥质物夹大小不规 边坡稳定性差，坡角取决于岩体 烈影响带、强 则的岩块组成，软弱结构面 边坡发育成网 的抗剪强度，滑动面呈圆弧状。 风化破碎带 注：1 - 层状同向结构即层状顺向结构；2 层状斜向结构即层状切向结构 1 5 第二章风井场地边坡t 程地质条件及边坡结构类型 2 2 3 风井场地的边坡结构类型 由于边坡组成介质的不同，边坡的破坏模式、破坏机理也各不相同，相应的， 对边坡的研究方法和稳定性分析评价方法也有一定差异。所以，在对场地边坡进 行破坏模式和稳定性分析之前，先对场地边坡的结构类型特征进行分析，做为后 续的调查和研究工作的基础。 根据野外调查，碟子沟风井场地边坡结构属于岩、土复合结构边坡，边坡上 部为滑坡堆积、坡积、人工填土等第四系松散堆积体，最大厚度为2 5 米，下部 为含软弱夹层的顺层基岩。上部土层常常形成圆弧滑动破坏和沿岩、土接触面发 生滑动，下伏基岩因存在不连续软弱结构面也可能形成整体滑动。边坡物质组成 复杂、结构分布的不规则，必须对场地边坡的结构特征进行分