_斜坡变形破坏机制

1、1Ch4斜坡变形工程地质研究n1概述n2斜坡中的应力分布特征n3斜坡变形破坏的类型n4崩塌n5滑坡21概述n一、概念n二、斜坡要素n三、斜坡的变形破坏作用3一、概念n斜坡：系指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体 n自然斜坡：未经人工改造的斜坡n山坡，海岸，河岸n人工边坡 ：指人工开挖或改造了形状的斜坡nEX:基础边坡,露天矿边坡，路堑边坡4二、斜坡要素n坡面：斜坡的临空斜面n坡顶：斜坡的顶部n坡顶面：顶部缓平面或水平面n坡肩：坡面与坡顶面的转折部位n坡脚：斜坡最小部与水平地面相接部位n坡角：坡面与水平面的夹角n坡高：坡肩与坡脚间的垂直高度6三、斜坡的变形破坏作用n斜坡在各种内、外地质营力作用下

2、，不断地改变着坡高和坡角，使坡体内应力分布发生变化。当组成坡体的岩土体强度不能适应此应力分布时，就产生了斜坡的变形破坏作用。n尤其是大规模的工程建设，使自然斜坡发生急剧变化，斜坡的稳定程度也变化极大，往往酿成灾害。n斜坡的变形与破坏，实质上是由斜坡岩土体内应力与其强度这一对矛盾的发展演化所决定的 71.自然斜坡变形破坏n是山区主要的工程动力地质作用n我国广大的西南、西北地区这一作用尤为突出，灾害频发，而且近10余年来有进一步加重的趋势 82.自然斜坡人为破坏n自然斜坡由于人类工程、经济活动而产生的斜坡破坏往往是灾难性的 93.人工边坡n主要是水利水电工程边坡、铁路路堑和露天采坑边帮的失稳n如抚

3、顺煤矿和大冶铁矿露天采坑，都曾发生过失稳事故，对生产和生命财产造成一定的损失。102斜坡中的应力分布特征n斜坡中的应力分布特征决定了斜坡变形破坏的形式和机制，对斜坡稳定性评价和合理防治措施也有一定意义；所以首先要了解斜坡形成后坡体中应力分布的特征。 11一、斜坡中应力状态的变化 n天然岩土体中应力分布是比较复杂的，除普遍存在的自重应力外，有时还有构造应力、热应力、地下水应力等。一般认为：当仅存在自重应力的情况下，未形成斜坡前岩土体中的主应力（初始应力）是呈铅直与水平状态的，即铅直应力为最大主应力，水平应力为最小主应力，此时岩土体内的最大剪应力与最大、最小主应力多呈45交角。 （画图）12一、斜

4、坡中应力状态的变化n在斜坡形成过程中，由于侧向临空面的产生，坡面附近的岩土体发生卸荷回弹，引起应力重分布和应力分异、应力集中等效应。n根据弹性力学有限单元分析和光测弹性试验，均可确定坡体在尚未发生明显变形或破坏之前的应力状态。其总的特征可概括为4个方面 14一、斜坡中应力状态的变化n（1）无论什么样的天然应力场，斜坡面附近的主应力迹线均明显偏转，表现为愈接近坡面，最大主应力愈与之平行，而最小主应力与之近乎正交，向坡体内逐渐恢复初始状态。 15（1）最大主应力与最小主应力分布特征16一、斜坡中应力状态的变化n（2）由于应力分异结果，在坡面附近产生应力集中带。n不同部位应力状态是不同的。在坡脚附近

5、，最大主应力（表现为切向应力）显著增高，而最小主应力（表现为径向应力）显著降低，甚至可能为负值。n由于应力差大，形成了最大剪应力增高带，最易发生剪切破坏。17一、斜坡中应力状态的变化n在坡肩附近，在一定条件下坡面的径向应力和坡顶的切向应力可转化为拉应力（应力值为负值），形成一张力带。当斜坡愈陡则此带范围愈大。因此坡肩附近最易拉裂破坏。19坡脚附近压应力带120一、斜坡中应力状态的变化n（3）由于主应力偏转，坡体内的最大剪应力迹线也发生变化，由原来的直线变为凹向坡面的圆弧状 22一、斜坡中应力状态的变化n（4）坡面处的径向应力实际为零，所以坡面处处于二向应力状态。23二、影响斜坡应力分布的因素n

6、1.岩体初始应力的影响n2.坡形的影响 n3.岩土体性质和结构的影响 241.岩体初始应力的影响n主要指的是水平构造应力存在的影响。n水平构造应力能使斜坡应力集中和分异现象加剧，对斜坡坡肩附近张力带的发展影响尤为明显。n水平构造应力量值愈大，则影响愈大。n在新构造运动强烈的地区，岩体中常存在较大的水平构造应力，对斜坡稳定性的影响是不容忽视的。262.坡形的影响n坡高n坡高不改变坡体中应力等值线的图形，但坡高愈大，应力量值愈大。n坡角n坡角大小可以改变斜坡中应力分布的图像。n坡脚附近的剪应力集中带和坡肩附近的张力带，其范围和量值是随着坡角增大的。也就是说，陡峻的斜坡更易发生变形破坏。272.坡形

7、的影响n坡底宽度n坡底宽度的影响可以用W/H值来表征。随着W/H值的减小，坡脚的剪 应力增大。n实际资料表明，当W0.8H时，这种影响就减弱，以至不发生变化。 n斜坡平面形态n斜坡平面形态可分为平直形、内凹形和外凸形等。内凹形斜坡由于其两侧的支撑作用，应力条件较好，即坡脚的剪应力较小。所以露天采坑的平面形态大多是椭圆形的，且其长轴尽量平行于最大水平地应力方向。 293.岩土体性质和结构的影响n岩土体的弹性模量对均质坡体应力分布无多大影响n泊松比一定程度上可影响坡体应力分布。n结构面对坡体应力分布的影响十分明显，这是因为结构面的存在使坡体中应力分布出现不连续现象，在这些面的周边成为应力集中带或发

8、生应力阻滞现象，这种情况在坚硬岩体斜坡中尤为明显。n结构面的产状、性质及组合关系不同，对斜坡稳定性的影响是不同的 303斜坡变形破坏的类型n斜坡的变形与破坏，是斜坡发展演化过程中两个不同的阶段n变形属量变阶段，破坏是质变阶段，它们是一个累进破坏过程。n这个过程对天然斜坡来说时间往往较长，而对人工边坡来说时间则较短暂。 31一、斜坡变形 deformationn斜坡变形按其机制可分为n1.拉裂(tensile crack)n2.蠕滑(creep slip) n3.弯折倾倒 (bend toppling) 321.拉裂n在斜坡岩土体内拉应力集中部位或张力带内，形成的张裂隙变形型式称拉裂n拉裂形成机

9、制有三种类型 33(1)在坡面和坡顶张力带中拉应力集中形成拉裂n高陡斜坡的坡面和坡顶附近张力带内拉应力较强，极易产生与坡面近于平行的张裂面，如果坡体中存在有与坡面近于平行的构造节理时，更易沿之发展形成上宽下窄向深处发展的裂隙，其倾角一般较陡 3435(2)卸荷回弹(unloading rebound)或岩体初始应力(地应力)释放产生拉裂 n当斜坡的侧应力削弱后，由于卸荷回弹或水平地应力释放而形成张裂面，通常称为卸荷裂隙n裂隙通常与原始谷坡坡面相平行,随着河谷的深切，卸荷裂隙逐渐向深部发展，从而引起裂隙顶部的累计变形越来越大。n在块状岩层地区(例如花岗岩区)，有时卸荷裂隙呈多层状发育，而在斜坡坡

10、面及坡脚处形成卸荷带。n卸荷带向坡体内的发育宽度与斜坡岩性和岩体有关，此外还受边坡状态和初始应力状态的控制。n斜坡愈高愈陡，水平地应力愈大，裂隙愈发育；有时卸荷带发育宽达100m，自地表向下的发育深度可达100m以上。 36(3)因蠕滑形成局部应力集中产生拉裂 n在斜坡坡体中存在有软弱结构面时，斜坡常沿该面有蠕滑趋势n在平行于坡面的最大主应力作用下，沿缓倾角软弱面两侧产生张开裂隙3738逐步向上发展，就会慢慢形成由平缓的软弱面与陡倾的张裂面组成的阶梯状变形裂面39拉裂缝的危害n由于斜坡岩土体的拉裂，使其原有的整体性和连续性受到破坏，强度降低；n为雨水、地下水的渗入、运移提供了通道，使坡体进一步

11、松弛，拉裂面逐渐扩展与其它结构面形成贯通性破裂面，使斜坡产生各种不同形式的破坏n拉裂本身虽仅是一种变形，但却为斜坡破坏创造了条件n大规模的斜坡破坏无不与拉裂面的发育有关 402.蠕滑(creep slip) n斜坡岩土体沿软弱面(层)局部向临空方向的缓慢剪切变形称为蠕滑n蠕滑可以在不同情况下受不同机制的作用而发生n一般主要有三种形式 41(1)受最大剪应力面控制的蠕滑n在均质土坡中较为常见n图611表示了均质土坡内的应力场特征及斜坡蠕滑情况 均质土坡蠕滑分析图均质土坡蠕滑分析图(据据Q扎鲁巴，扎鲁巴，1972) 1 2 最大剪应力12 潜在滑动面斜坡边缘分界面处的变形值D潜在滑动面以上的坡体厚

12、度h坡顶沉降量 43(2)受软弱结构面控制的蠕滑 n岩体中常含有各种软弱结构面，如节理、断层、软弱夹层等，当这些结构面近水平或倾向坡外时，斜坡蠕动变形常易沿之发生n这类变形其进程取决于该结构面的产状与特征n当局部地段上覆坡体的下滑力达到或超过该面的实际抗滑阻力时，即出现一系列小的剪裂，逐步产生缓慢蠕动。 44葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑剖面图葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑剖面图1基岩面线；2第一年基坑开挖线；3第二年基坑开挖线；4原地面线；14、17、28、29、35为大口径钻孔编号；212、214、215、218为软弱夹层编号45长江葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑n葛洲坝工程坝基岩层为白垩

13、系下统红色河流相碎屑岩，岩层产状近于水平，夹有多层粘土岩类软弱夹层，水轮机机窝开挖后形成高4050m的基坑边坡，由于出观临空面水平地应力释放及卸荷回弹，使岩体松弛变形，沿各临空面的软弱夹层发生向基坑的蠕滑位移；开始位移较快，随着时间的延续，应力逐渐释放，位移趋于停止。46葛洲坝工程二江电厂基坑边坡侧向位移长观曲线葛洲坝工程二江电厂基坑边坡侧向位移长观曲线 卸荷型的蠕动总是十分缓慢的，是一种减速蠕变47(3)受软弱基座控制的蠕滑和塑流 n于斜坡基座具有较厚的软弱岩层，在上覆岩体的作用下，基座软岩受压，承载力不够，发生塑性变形，向临空方向或减压方向流动和挤出，引起斜坡的变形n基座软岩的挤出在侵蚀河

14、谷和挖方地段最为常见。与前述蠕动形式不同的是，蠕滑和塑流不是沿一个统一的滑面，而是受整个软弱基座层控制48n软岩基座通常为厚层粘土岩、泥灰岩、炭质页岩及煤系地层等n斜坡往往由坚硬厚层且裂隙发育的岩层构成，坡高而陡。如厚层砂岩、灰岩、玄武岩、流纹岩等组成的斜坡最易发生这类变形49 阿尔及尔由软岩基座蠕滑面发展成的滑坡阿尔及尔由软岩基座蠕滑面发展成的滑坡结晶片岩；中新统砂岩及砾岩；泥灰岩；海绿石泥灰岩；厚层珊瑚灰岩；浸水软化的泥灰岩；下沉的石灰岩块体 阿尔及尔由珊瑚灰岩构成的陡坡，由于下面的泥灰岩浸水软化，使斜坡产生蠕动，最后经过长期变形转变为块体滑坡，裂隙发育的灰岩也形成大块体陷进软化的泥岩中

15、50n斜坡的蠕动变形，虽然位移较小，但由于实际上已成为斜坡失稳的初期阶段，在一定的触发因素条件下，如暴雨、地震、人类工程活动等，极易迅速转为加速蠕变直至破坏n对斜坡蠕动变形应高度重视 513.弯曲倾倒(bend toppling) n由陡倾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，这种变形通常称为弯曲倾倒n陡倾的板状岩体，在自重产生的弯矩作用下向临空方向作悬臂梁式的弯曲，弯曲的板梁之间被拉裂或错动，形成平行于走向的槽沟或反坡台坎n前倾的板梁弯曲最强烈的部位也往往被折裂 53弯折倾倒的特征n弯折角约2050n弯折倾倒程度由地面向深处逐渐减小，一般不会低于坡脚高程n下部岩层往往折断，张裂隙发育，但层序不乱，岩层层面间位移明显n沿岩层面产生反坡向陡坎 54斜坡变形小结n斜坡不但具有不同的变形形式，而且具有不同的变形性质n从变形的连续性来看，拉裂和倾倒变形属于不连续变形，而蠕动变形通常属于连续变形。n由于斜坡是由具有特定结构形式的不连续介质组成的，所以坡体的变形总是不均匀的，总体上表现为连续变形，实际上也包含拉裂等不连