土质边坡稳定性分析及破坏机理

1、土质边坡破坏机理及稳定性分析一、土质边坡的结构类型 我们目前遇到的大部分是均质土边坡。根据物质的不同均质土边坡又可以分为: 一般粘一般粘性土边坡性土边坡、黄土边坡黄土边坡、砂性土边坡、软土边坡和膨胀土边坡。类型类型结构特征结构特征稳定性稳定性影响影响因素因素均质土边坡整个坡体由均质土构成，基本不含节理、裂隙、没有贯通性的结构面土体强度和坡形土体强度和坡形层状松散土由不同类型的松散土层构成，控制性结构面是沉积层面土体强度、坡形土体强度、坡形、沉积层面产状与坡面的组合关系二元结构土由岩层与上覆土松散堆积层构成或软硬差别较大上下土层，控制性结构面是岩土分界面和沉积层面土体强度、坡形土体强度、坡形、二

2、元结构层面产状与坡面结合关系土质边坡：泛指具有倾斜面的土体，根据土体结构可分为三类：二、土质边坡破坏形式及破坏机理整体失稳：崩塌、滑坡、坍塌坡面破坏：坡面侵蚀、剥落破坏类型破坏类型外形特征外形特征运动特征运动特征破坏机理破坏机理崩塌 崩塌是发生在高陡边坡体上的岩土块体自高处滑出、倾倒或崩坠而下的现象。崩落体常翻滚而下堆于缓坡之上和坡脚附近，形成具有一定天然休止角的岩土堆。 边坡上局部岩土体松动、脱落，主要运动形式为自由坠落或滚动 弯曲-拉裂、剪切-滑移。存在临空面，当结合力小于重力时，发生滚动或崩落滑坡圆弧滑动 滑坡是边坡在重力、水、振动以及坡形改变等因素的作用下，增大沿滑带的剪应力，或者因震

3、动液化、受水淋滤、自然和人为开挖等破坏滑带岩土的结构，导致边坡上的岩土体沿滑带作整体或大块向下、向前移动的一种变形现象。 沿圆弧形滑动面滑移 剪切-滑移。人工开挖增大坡角，或地表水入渗使内摩擦角和内聚力降低，达到临界值沿圆弧形滑动面滑移平面滑动 岩土体沿莫一弱面或朝向坡外的结构面整体向下滑移 拉裂、剪切-滑移。层面或贯通性结构面形成滑动面，结构面临空，坡脚岩层被切断或坡脚岩层挤压剪切坍塌 坡体松弛带内的岩土由于震动、或侧向卸荷、与坡面加载以及四季中时干时湿等使松弛带内岩土的结合密实度在不断变化而塌坡，塌至与其相适应的斜率为止 因自重应力超过岩土体强度而产生张剪性破坏，由坡顶向坡内逐渐扩展 张拉

4、、剪切、弯折。自重应力和岩土体强度能够维持平衡的最深张裂面 三、均质土边坡各种破坏模式形成条件（即出现下列情况应采取措施）形成条件（即出现下列情况应采取措施）岩土结构岩土结构崩塌 土质边坡的开挖坡角较陡(大于60)，或下部存在软弱层；坡体上常发育数组陡立或倾向临空面的裂面；坡体上竖向节理发育，且裂缝形状不规则并紊乱成网，破坏体趋向于发展成楔体；边坡面上有泉水出露；边坡处于地震多发带或附近有爆破施工。 土质边坡中黄土边坡有较好的直立性，所以开挖坡度往往较陡，土体中本身存在裂隙、空洞，在开挖卸荷后扩大，导致坡体局部易出现崩塌破坏。滑滑坡坡 开挖深度较大或开挖坡度较陡；坡内有倾向临空面的软弱层(带)

5、、结构面或层面；开挖边坡面出现上层滞水面、潜水面或有泉出露；有明显的滑移剪切面出露；在不良土质地区，如软土、膨胀土；在较恶劣的气候下施工，如雨季、寒冬季节。 对于土质边坡来讲，滑坡多产生于3055之间的土坡，这类边坡易发生整体滑坡破坏坍塌 坍塌产生于易风化的土质边坡和类土质边坡，尤其在膨胀土边坡或处于冻胀作用强烈区的边坡，一般发生在坡度大于20时，随坡度增大发生坍塌的几率也越大，在暴雨季节，边坡表层岩土强度迅速降低，也会促使坍塌破坏发生我们实际中考虑滑坡的破坏性1、各种破坏形式形成条件及岩土结构2、土质边坡破坏机理 边坡的失稳破坏主要是由于边坡内所受的应力超过岩土体或结构面的强度，从而导致边坡

6、结构破坏。边坡变形表现为卸荷回弹和蠕变两种主要方式。破坏破坏形式形式破坏机理破坏机理各类土的破坏形式各类土的破坏形式滑坡破坏 土质边坡发生滑坡破坏根本原因在于边坡沿潜在滑动面所受到的抗滑力(矩)小于其下滑力(矩)，则边坡将沿潜在滑动面发生滑坡破坏，主要表现为边坡整体的剪切滑移 1、对于粘聚力为零的砂性均质土边坡，发生滑坡破坏时，表现为平面滑动，破坏面在截面上为一条通过坡脚的直线；对于存在粘聚力的粘性均质土边坡，则表现为圆弧面滑动，破坏面在截面上为通过坡脚的圆弧 2、黄土边坡坡体破坏形式主要为滑坡和崩塌。滑坡或崩塌的形成与边坡原始坡度有关：对于小于50的不稳定边坡，其破坏模式主要是滑坡；5170

7、的不稳定边坡破坏模式以滑坡为主，并伴有崩塌；当边坡大于70时，基本不发生滑坡，主要破坏模式为崩塌。 3、均质土边坡发生坍塌破坏，主要由于大部分岩土受湿，彼此结合的密实度减小，使坡体中综合内摩擦角变小不能支持原边坡坡度而塌坡，上部塌至与当时含水程度及密实度相适应的综合内摩擦角为止，下部则是堆积坍下的土石其斜坡坡度更缓。崩塌破坏 土质边坡发生崩塌破坏主要因为开挖引起坡表岩土体向临空面发生位移，并可能在坡项或体内产生顺坡面向的裂隙，或其出口为上大下小的楔状体的楔尖先压碎破坏，上部岩土在失去承托和支顶下失稳。崩塌破坏主要以张拉破坏为主，形式上主要表现为岩土体的翻转、滚动、弯曲折断，崩塌体翻倒时，在空间

8、的方位是随便改变的。坍塌破坏坡体松弛带内的岩土为雨雪水和上层滞水等活动作用所及的范围，由于震动、或侧向卸荷、与坡面加载以及四季中时干时湿等使松弛带内岩土的结合密实度在不断变化，特别雨季中或融雪后受湿的岩土自重增大、且强度降低，其结合密实度不能支持旱季中斜坡的陡度而塌坡，塌至与其相适应的斜率(受湿时的综合内摩擦角)为止3、均质土边坡各种破坏模式边坡类型边坡类型主要特征主要特征影响稳定的主要影响稳定的主要因因 素素可能的主要变形模式可能的主要变形模式粘性土边坡以粘粒为主，一般干时坚硬，遇水膨胀崩解。某些粘土具大孔隙性(如山西南部的粘土)，某些粘土甚坚固(如南方网纹红土)，某些粘土呈半成岩，但含可溶

9、盐量高(如黄河上游的粘土)，某些粘土具水平层理(如淮河下游的粘土)1矿物成分，特别是亲水、膨胀、溶滤性矿物含量；2节理裂隙的发育状况；3水的水的作用作用；4冰融作用1裂隙性粘土常沿光滑裂隙面形成滑面，含膨胀性亲水矿物粘土易产生滑坡滑坡，巨厚层半成岩粘土高边坡因坡脚蠕变可导致高速滑坡；2因冻融产生剥落；3坍塌砂性土边坡以砂砾为主，结构较疏松，凝聚力低为其特点，透水性较大，包括厚层全风化花岗岩残积层1颗粒成分及均匀程度；2含水情况含水情况；3振动振动；4地表水及地下水作用1饱和均质砂性土边坡，在振动力作用下，易产生液化滑坡滑坡；2管涌、流土；3坍塌和剥落黄土边坡以粉粒为主、质地均一。一般含钙量高，

10、无层理，但柱状节理发育，天然水含水量低，干时坚固，部分黄土遇水湿陷，有时呈固结状，有时呈多元结构主要是水的作用水的作用，因水湿陷，或对边坡浸泡，水下渗使下垫隔水粘土层泥化等1崩塌；2张裂：3湿陷湿陷；4高或超高边坡可能出现高速滑坡滑坡 根据上表，可以看出土质边坡影响稳定性的因素主要是土体强度和水的作用，而产生的破坏形式以滑坡为多，崩塌和坍塌是开挖边坡过程中常见的（该处应该加上坡高、坡角、坡形的影响）4、均质土边坡的滑坡破坏条件和特征一般粘性土边坡一般粘性土边坡黄土边坡黄土边坡砂性土边坡砂性土边坡破坏条件破坏特征破坏条件破坏特征破坏条件破坏特征1、边坡坡度小于70度；2、坡体上仅于后缘出现一组微

11、具弧状而贯通的地裂缝；3、降雨渗入，致使坡体内部土体强度降低；4、外力荷载的影响1、后壁多呈圈椅形，具有一个以上台阶，破坏后平均坡度缓于25-30度；2、为整体滑移，内部物质无或有极小相对位移，具有局部翻滚现象；3、坡面多起伏，前部常见隆起，上部有封闭洼地；4、挤出口一带已出现缓状起伏、云朵状的贯通1、边坡坡度小于70度；2、坡体上仅于后缘出现一组微具弧状而贯通的地裂缝；3、降雨渗入，致使坡体内部土体强度降低，使下垫隔水粘土层泥化形成滑动面1、后壁多呈圈椅形，具有一个以上台阶，前缘呈垅状地形，破坏后平均坡度缓于25-30度；2、为整体滑移，内部物质无或有极小相对位移，表层有局部翻滚现象；3、地

12、面多起伏，前部常见隆起，上部有封闭洼地；4、挤出口一带已出现缓状起伏、云朵状的贯通，近水平裂纹1、降入入渗及地下水的改变，由于渗透力的作用导致边坡发生破坏；2、风沙地段，由于风力作用致使沙丘整体移动从而发生破坏1、一般为平面滑动破坏，滑动面表现为直线形；2、为整体移动，内部物质无或有极小相对位移，表层有局部翻滚现象四、稳定性影响因素分析四、稳定性影响因素分析内在因素内在因素： 初始应力：指开挖边坡，坡脚附近出现剪应力集中带，坡顶和坡面的一些部位可能出现张应力区，可直接引起边坡变形破坏 岩土体性质：岩土体性质：岩土的成因类型、组成的矿物成分、岩土结构和强度，是决定边坡稳定的重要因素 岩土体结构和

13、构造：结构类型、结构面形状、与坡面的关系是边坡稳定的控制因素 地形地貌及临空条件地形地貌及临空条件：临空面、坡高、坡度、坡面形状等直接与边坡稳定性有关外在因素外在因素： 风化作用：风化作用使岩土的强度减弱、裂隙增加，影响斜坡的形状和坡度， 地震：地震作用除了岩土体受到地震加速度的作用而增加下滑力外，在地震作用下，岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低都对边坡的稳定不利。 人为因素：边坡的不合理设计、开挖或加载，大量施工用水的渗入及爆破等都能造成边坡失稳。 时间因素：岩土体的流变性质是影响边坡稳定及边坡加固措施的一个重要因素 水的作用水的作用：水的入渗使岩土体质量增大，岩土因被软化而抗剪强度降低

14、，并使孔(裂)隙水压力升高；1、内在因素、内在因素岩土强度参数：岩土强度参数：粘聚力和内摩擦系数是边坡稳定性的敏感因素，稳定系数K随粘聚力C和内摩擦系数tan的增大均呈线性增大，变化明显。结构面强度参数：边坡岩土体中的结构面对边坡稳定性影响较大。边坡稳定系数K随结构面粘聚力c和内摩擦系数tan的增大均呈对数关系增大，变化较明显。结构面的强度与结构面的贯通度及面内填充物相关。（不同土层面间的粘聚力和内摩擦角怎么确定）结构面倾角：结构面的存在，降低了土体的整体强度，增大了坡体的变形性能，加强了土体的流变力学特性，加深了岩土体的不均匀性、各向异性和非连续性等性质。边坡的稳定系数随接触面倾角的增大而减

15、小（稳定系数与接触面倾角的tan值呈线性关系）临空条件：临空条件： 、坡高：边坡稳定性随坡高的增加成幂函数减小，在20m以下边坡的稳定性变化较大，坡高大于20m，稳定系数的变化趋势趋缓。坡高对边坡稳定性的影响较大，属于敏感因素。随着坡高的增大，边坡发生破坏时位移和应变急剧增加，发生突变，由此可将其视为坡体即将发生破坏的依据； 、坡度：坡度对边坡的稳定性影响最大，边坡的稳定系数随坡度增大呈幂函数减小，坡度小于50 时变化较大，大于50 变化趋缓。随着坡度的增大，坡体位移与剪应变急剧增加，发生突变，由此可将其视为坡体即将发生破坏的判据； 、坡形：边坡开挖时阶梯型边坡比一坡到顶的边坡稳定性好，并且台

16、阶越宽、台阶数越多稳定性越好，设计时结合造价和旅工难易程度进行取舍。坡表形态中，微凹型、直线型、微凸型边坡稳定性依次减小。2、外在因素水文条件：对边坡产生影响的水主要是地下水和地表水，其影响情况主要是指： 、水对土体有软化作用，会使土体的抗剪强度降低，而且还会对结构面起到润滑作用；、增加了土体的重度，也就增加了土体的下滑力；、当水发生渗流时会产生动水压力；、在土体结构面中会形成一定的地下静水压力，随着时间的推移会促使滑面变形而使土体失稳；、会产生冻胀现象。所以水文条件也是影响边坡稳定性的重要因素。地 震：地震作用对边坡的稳定性不利，主要是由于地震力的水平分力，在横波的作用下，使边坡岩土体产生向

17、临空面的拉力，易造成边坡失稳破坏。另外，地震可能引起砂土液化、地下水位骤变、坡体应力急剧改变、岩土体松动等多种不利因素，所以地震造成边坡失稳的情况非常复杂，要做到合理的防护，还有待开展更多的地震工程的研究。地震的发震时间、地点及地震震级都是很难准确预测人为因素：人为因素的影响主要考虑施工步骤对边坡稳定性产生的影响，主要是坡形(1)边坡岩土体的强度参数一粘聚力和内摩擦角是边坡稳定性的敏感因素，稳定系数K随粘聚力C和内摩擦系数tan 的增大而增大。二元结构边坡中，岩土体中的结构面对边坡稳定性影响较大，随结构面粘聚力C和内摩擦系数tan 的增大，边坡稳定系数K也随之增大。(2)边坡临空面条件因素中，

18、坡高及坡角均为影响稳定性的敏感因素，边坡稳定系数K随着坡高及坡角的增大而急剧减小。坡面形态对边坡的稳定性也有着显著的影响，阶梯形边坡的稳定性要好于直线形边坡，坡面形态为凹形、直线形、凸形的边坡，其稳定系数依次减小。(3)边坡处在渗流条件下的稳定性明显偏小，剪应力集中程度增加；地震作用对边坡的不利影响，主要体现在其水平分力使边坡产生了向临空面的拉力；人工开挖边坡时，随着开挖高度的增加，边坡稳定性急剧降低。小结:五、稳定性分析直线滑动面法： 松散的砂类土边坡，渗水性强，粘性差，边坡稳定主要靠其内摩擦力。失稳土体的滑动面近似直线状态，故直线滑动面法适用于砂类土：如下图所示，验算时，先通过坡脚或变坡点

19、假设一直线滑动面，将边坡斜上方分割出下滑土楔体ABD，沿假设的滑动面AD滑动，其稳定系数K按下式计算(按边坡纵向单位长度计)： 、组成边坡的物质为砂、砾或碎石土时，粘聚力不计，k= tan / tan ，坡角小于内摩擦角，边坡趋于稳定。 直立边坡组成的物质为粘性土时，内摩擦角可不计，边坡的极限高度为h=3.84c/( 为填料重度）2、圆弧滑动面条分法瑞典圆弧滑动面条分法是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各土条上的力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响，因此是条分法中最简单的一种方法。首先要确定最危险滑动圆弧的形状，即首先要找出最危险滑动圆弧的滑动圆心，然后找坡角圆即可画出最危险滑动圆弧。欲找出K值最小的最危险滑动圆弧，可根据不同的土质采用不同的方法： 、内摩擦角=0的高塑性粘土：最危险的滑动圆弧为坡脚圆，可按下述步骤求最危险滑动圆弧的滑动圆心： a、根据坡角查出坡底角1和坡顶角2 b、在坡底和坡顶分别画出坡底角和坡顶角，两线的交点即最危险滑动圆弧的滑动圆心坡角坡角坡底角坡底角1坡顶角坡顶角2坡角坡角坡底角坡底角1坡顶角坡顶角2903340302636753240263425356029401524374528381119253733472635、内摩擦角 0的土，可按4.5H法或36 线法确定1、4.5H法