工程地质学基础斜坡变形破坏

1、 天然斜坡：沟谷岸坡、山 坡 人工边坡：露采边坡、基坑边 坡 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M M H A B C 岩坡 土坡 第三章 斜坡变形破坏工程地质研究 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。 类型 按坡角大小 陡坡=300 中坡150= 300 缓坡150 按高度H 中坡 低坡 岩坡M 15M 土坡H 10m 岩坡8m H5m 土坡5m H10m 岩坡H 8m 土坡H 5m 坡面形态：内凹型，外凸型 直线型，复合型 第一节 概述 1963年

2、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。 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 H 1 H 3 1 H 1 3 1 .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

3、与之正交,向 坡内逐渐恢复到原始状态。 原始应力状态： 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

4、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

5、中较缓和。 (3) 坡底宽度：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: 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。 1 1 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。 (2) 拉

6、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。 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 (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。 按其形成机制特点可分为两种： 软弱基座蠕滑 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。

7、B .深层蠕滑：主要发育在斜坡下部或坡体内部。 二、斜坡破坏 1. 崩塌 陡坡陡坡上的岩土体产生以下落运动为主以下落运动为主（移动、滚动、跳跃）的破坏现象。（土 崩、岩崩） 崩塌 滑坡 表层流动 落石 2.滑坡 斜坡岩土体依附于内在的内在的或潜在的贯通潜在的贯通结构面，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以水平运动为主的滑动现象。 3.两者的区别： 运动方式 破坏形式 是否脱离母体，存在滑动面 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

8、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

9、 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。 .滑坡洼地（湖) 主滑线 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 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 (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、

10、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 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 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 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

11、(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(Q4Q1) （5）始滑坡（第三系） 第五节 崩塌（略） 第六节 影响斜坡稳定性的因素 岩土类型及性质 振动作用（如地震） 地质构造 降水（雨、雪）水库蓄水 地形 人类活动（开挖、加载 水文地质 植被、水等） 风化、剥蚀作用 内在 因素 外部 因素 一、内在因素 1. 岩土类型及性质决定抗滑力的根本因素 强度、自稳能力：坚硬岩石半坚硬岩石松散土坡 结构：层理、软弱夹层、原生节理、片理等 特殊性质：膨胀性、湿陷性等 滑坡往往集中在某些特定的岩层中“易滑岩组 如：西北的黄土

12、分布地区、成都平原地区的成都粘土层、四川盆地的红层 地区（砂、泥岩互层）、青海、甘肃地区的第三系地层（半成岩的砂、泥 岩），川西北、陕南和甘南浅变质岩地区（主要是千枚岩分布地区） 2. 地质结构 结构面结构面的产状、力学性质、规模 沉积岩地区：特大型的滑坡主要与层面构造有关 不同构造部位滑坡差别：如在褶皱的两翼部位，结构面往往形成上陡下缓的 勺形；沿着大的构造断裂带，滑坡往往呈带状分布 按结构面的产状与临空面的关系，可分为： (1) 平迭坡：主要软弱结构面为水平的 (2) 逆向坡：主要软弱结构面的倾向与坡面的倾向相反 (3) 顺向坡：主要软弱结构面的倾向与坡面的倾向一致 时，稳定性最差，极易发

13、生顺层滑坡 R时，即Wsin Wcostg tgtg 时，滑块处于不稳定 状态。 NWcos(正压力） R=Wcostg（摩擦力）+cA F=Wsin（下滑力） 沿斜坡法线 N 方向，以块体重心点O为顶点，作 一个锥顶角为2 的圆锥体，圆锥体的高为Wcos（正 压力），底面半径为Wcostg（摩擦力），这样的锥 体称为摩擦锥摩擦锥。 当重力矢量W落在锥体外面时， ，滑体将发 生向下的运动，否则，处于稳定状态。 1. 极限平衡计算方法刚体极限平衡法 假设前提： 只考虑破坏面上的极限破坏状态，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C、值决定，遵循强度判据。 滑体中的压力以正压力

14、和剪应力的形式集中作用于滑面上，均视为集中力。 三维问题简化为二维（平面）问题来求解。 四、数学力学计算方法 极限平衡法、数值计算法、破坏概率法 稳定性系数： 下滑力 抗滑力 K 安全系数：在岩土体稳定性评价中，由于边界条件、荷载条件、岩土体 强度等难以精确确定，通常在设计上考虑上述因素及建筑物重要性而综合 确定一经验值。Kc1 (1) 土质斜坡稳定性计算 A 无粘性土坡 B 粘性土坡 圆弧法、条分法：瑞典条分法、Bishop法、Janbu法 (2) 岩质斜坡稳定性计算 A 平面滑动：单平面、同向双平面、多平面 B 楔形体滑动 均质土坡瑞典条分法 如图：一简单均质土坡，取一假定 滑弧圆心为O，

15、半径为R和滑弧AC。 将滑动土体沿铅直方向分成若干土 条（R/10-R/20） 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 顺坡为正，逆坡为负。 ，线与园弧法线间的夹角为该土条底面中心铅直 为该土条平均高度；条土宽度；为第 为重力加速度；为土的密度；式中： i ii iiiiii hib g hbgWT sinsin （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： 为滑动面上的摩擦角。式中： tghbgtgWtgNF iiiiiifi coscos 土条的弧长。为第为滑动

16、面上的凝聚力；式中：iLC LCF i ici i w 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： 为滑弧全长。式中： ：若各土条宽度相等，则 L hbg htgbgLC K Rhbg RtghbgLC K ii iii iii iiii sin cos sin cos n最危险滑面的确定： 对于均质粘性土斜坡最危险滑动面应通过坡脚，圆 心O的位置按以下步骤确定： （1）根据下表中坡角值查1和2，找出O点 （2）按下图所示确定E点； （3）连接EO，在EO的延长线上取一系列圆心O1， O2，,On; (4)分别计算O1，O2，,On所对应滑

17、动圆弧上的稳定性 系数K1，K2，Kn，联其端点，所得曲线上最小的 Kmin值所对应的Om点，即为最危险滑弧圆心。 若土层复杂，则Om不一 定是最危险滑动弧圆心，为此， 可过点作垂直OE的线段，在该 线段上取其相应的K值，用上述 方法求得最小的K值。 楔形体滑动 楔形体滑动的滑 动面由两个倾向 相反、且其交线 倾向与坡面倾向 相同、倾角小于 边坡角的软弱结 构面组成。 稳定性系数计算的基 本思路 首先首先 将滑体自重 W 分解为垂直交线 BD 的分量 N 和平行交线的分量 T， 然后然后 将 N 投影到两个滑动面的法线方向，求得作用于滑动面上的法向力 N1 和 N2， 最后最后 求得抗滑力及稳

18、定性系数。 可能滑动体的滑动力为 T=Wsin，垂直交线的分量为 NWcos。 将 Wcos 投影到 ABD 和 BCD 面的法线方向上，求得法向力 N1、N2 )sin( sincos )sin( sin , )sin( sincos )sin( sin 21 1 21 1 2 21 2 21 2 1 WN N WN N n边坡的抗滑力 BCDABDs SCSCtgNtgNF 212211 边坡的稳定性系数 sin 212211 W SCSCtgNtgN K BCDABD 根据滑面纵剖面的起伏情况，取单位宽度考虑， 把滑体划分成若干块段，1，2，n 第i条块的受力情况分析： 折线滑面剩余推力

19、法 滑块两侧的摩擦力和滑体自身挤压力不考虑 自重 Wi、水平地震力 KcWi、侧水压力 PW、上一条块的剩余下滑力 Ei-1、 本条的剩余下滑力 Ei 的反力、扬压力 Ui、法向反力 Ni、切向反力 Ti 基本荷载（仅考虑重力）计算如下： 11 sinW1块：下滑力：第 11111 LCtgcosW抗滑力： 11111111 LCtgcosWsinWE 22221122 21122 LCtg)sin(EcosW )cos(EsinW2 抗滑力： 块：下滑力：第 传递系数 212222222 2212112222222 22221122211222 ELCtgcosWsinW tg)sin()c

20、os(ELCtgcosWsinW LCtg)sin(EcosW)cos(EsinWE i1iiiiiiiii ELCtgcosWsinWE:i 块第 n1nnnnnnnnn ELCtgcosWsinWE:n 块第 ，斜坡体稳定若 ，斜坡体不稳定若 0 0 n n E E 有地下水时，需要考虑边界上的水压力： iwiii LhhU)( 212 1 底面浮托力： 2 22 1 2 12 1 1 iwiW iwiW hP hP 两侧水压力： 。时，取当 滑力考虑安全储备，减小抗 00 )sin()cos()cos( 1 sin 111 ii ii s i iiiiiiii s iii EE K tg

21、 ELCtgW K WE )sin()cos( sin)(cos 1 cos)(sin 111 1 1 ii i iii iiiiWiWiiiiiiWiWiii Ks tg E LCPPUWtg Ks PPWE 系数，即为滑坡的整体稳定性这时的 ，直至偏小，则取，表明如果 ，再计算偏大，则取，表明如果 迭代得 的位置，代入公式中，先假定一个计算整体稳定性系数时 K EnKKKKEn EnKKKEn En KsK 00 0 0211 010 0 稳定性计算编程迭代过程： 2 .破坏概率计算法 坏概率的累积概率即为斜坡破 也是一种分布函数 随机变量。是符合某种分布形式的等不是一个确定值，而其中 0

22、 . 1K K , c , ), c ,( fK 第八节 滑 坡 预 测 预 报 一 、预测预报的基本内容 位置、规模、类型、运动速度、运动距离、发生时间 区域性滑坡预测：以一个大的区域为依据对象，确定滑坡可能发 生的区段范围。 空间预测按照预测范围的大小可分为： 地段性滑坡预测：以一个地段滑坡调查资料为依据，确定将来可 能发生滑坡的大致位置、可能的类型等。 场地性滑坡预测：针对某一特定场址，预测滑坡可能发生的确切 位置、范围大小、运动速度及类型。 时间预报按照预测的时间长短关系，可分为： 滑坡长期预报：对未来滑坡运动的趋势作判断，以确定滑坡活 动的可能年份。 滑坡短期预报：对滑坡活动的可能季

23、节或月份作出预测。 滑坡临滑预报：对滑坡将要暴发的具体日期、乃至时分作出预报 二、滑坡空间预测 空间预测：主要是通过滑坡条件分析，确定出对滑坡作用有利的因素组合， 根据这些有利因素组合来预测区域上某斜坡段将来产生滑坡的可能性，圈定出 可能产生滑坡变形的范围。 空间预测的理论基础工程地质类比法：类似的工程地质环境可能发生 类似的滑坡。 迄今见于报道的预测方法可归纳为：统计学方法、信息量法以及各种确定 性模型计算。 各种方法的共同之处：充分考虑各种地质环境因素的叠加作用来评价某特 定地质环境中产生滑坡的可能性，以期在研究区圈出相对不安全的“ 危险区 段”。预测结果一般都采用预测分区图的形式来表达。

24、不同之处：预测评价过 程中所采用的叠加方式不同而已。 三、滑坡时间预报 目前滑坡预报方法： （1）滑坡变形前兆的现象预报法 （2）位移时间曲线变化趋势判断法 （3）斋滕法和改进的斋滕法 （4）统计数学模型 回归模型、灰色理论模型、生物生长模、灾变理论模型等 （5）黄金分割法 （6）非线性动力学模型预报法 （8）声发射等参数预报法 斋滕预报经验公式： 有相等的位移间隔。与所对应的观测时间，且 、三个观测点分别为加速位移阶段的、式中： 第阶段： 第阶段： 3221 321321 132 1 12 2 122 1 r r AAAA AAAttt )tt ()tt ( )tt ( tt 59.0lg916.033.2tlg 例：某滑坡位移曲线上t1、t2、t3 所对应的日期为： t1：1963年1月20日 t2：1963年1月26日 t3：1963年1月30日 则： t2 t16天 t3t1 10天 tr-t1=18天 tr1963年2月7日 第九节 滑 坡 防 治 防治的目标是减灾、防