工程地质学-第八章斜坡变形破坏工程地质研究

工程地质学概论第八章斜坡变形破坏工程地质研究贾洪彪中国地质大学工程学院3/18/20251第八章斜坡变形破坏工程地质研究第一节概述第二节斜坡及斜坡中的应力第三节斜坡运动的根本形式第四节崩塌第五节滑坡第六节影响斜坡稳定性的因素第七节斜坡稳定性评价方法第八节斜坡变形破坏预测预报第九节斜坡变形破坏的防治3/18/20252第一节概述3/18/20253洒勒山滑坡洒勒山滑坡位于甘肃省东乡族自治区的洒勒山。1983年3月7日发生，仅数十秒就使3个村庄荡然无存，死237人，伤22人，压死牲畜数百头，大牲畜仅存4头。滑下岩土近4亿立方米，使一个水库被填，一个水库进水渠道被淤，三千亩农田被毁。该滑坡滑动速度之快、规模之大、灾害之重，在中外滑坡史上均为罕见。3/18/20254洒勒山滑坡全貌洒勒山滑坡3/18/20255洒勒山滑坡物质根底－－垂直节理及裂隙发育的新老黄土动力根底－－山高坡陡触发因素－－降雨、融雪触发因素－－不科学的水利建设3/18/202561995年6月10日二道桥沟失稳1995年10月29日三道桥沟发生滑坡，致使长江断航12d巴东县黄土坡滑坡3/18/202573/18/20258斜坡的类型很多：自然斜坡、矿山边坡、河岸及库岸岸坡、铁路边坡、公路边坡、基坑边坡……地质灾害中斜坡灾害仅次于地震，据统计，80年代各国损失：美国：15亿＄/年日本：150亿＄/年意大利：114亿＄/年印度：>10亿＄/年中国：30－50亿人民币/年仅1981年四川省普降暴雨,造成大小滑坡数万处,直接经济损失3亿人民币。3/18/20259发育情况特大型崩塌51处、滑坡140处、泥石流149较大型崩塌2984处以上、滑坡2212处以上、泥石流2277处以上分布—滑坡、泥石流危害较大的省区有：四川、云南、陕西、宁夏、甘肃、贵州、湖北、辽宁、北京、河北、江西和福建主要危害平均每年死亡达928.15人有400多个市、县、区、镇受到严重侵害山区干线铁路受到严重危害：宝成线、成昆线、宝兰线3/18/2025103/18/2025113/18/202512第二节斜坡及斜坡中的应力一、斜坡〔slope〕1.斜坡的根本要素(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MMH

ABC3/18/2025132.斜坡剖面形态内凹型外凸型直线型复合型3/18/202514二、斜坡中的应力H131、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与之正交,向坡内逐渐恢复到原始状态。原始应力状态：重分布应力的特点：3/18/202515(1)坡脚附近最大主应力显著增高,且愈近外表愈高;最小主应力显著降低,于外表处降为零,甚至转化为拉应力。

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致拉裂面。12.在临空面附近造成应力集中,但在坡脚区和坡顶及坡肩附近情况有所不同:3/18/202516(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。13.坡面处由于侧向压力趋于零,实际上处于两向受力状态,而向坡内逐渐变为三向受力状态。3/18/2025174.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。3/18/2025181.岩体初始应力的影响三、影响斜坡应力分布的因素水平剩余应力的大小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，使张力带的影响最大。3/18/202519(1)坡高：坡高不改变应力等值线图象,但应力值随坡高而线性。2.坡形的影响(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。3/18/202520(3)坡底宽度：当W<0.8H时,坡脚最大剪应力随底宽而急剧。当W>0.8H时，则保持为一常值（称为“残余坡角应力”）(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，应力集中较缓和。3/18/2025213.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，坡面和坡顶的张力带逐渐扩展，而在坡底那么反之，，张力带收缩。结构面的产状、性质的差异，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带或发生应力滞。113/18/202522第三节斜坡运动的根本形式崩塌〔falling〕滑坡〔sliding〕表层流动〔surferflow〕3/18/2025233/18/202524一、斜坡的变形〔deformation)1、实质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、类型(1)拉裂(回弹)tensilecrack(2)蠕滑

creepslip(3)弯曲倾倒3/18/202525(1)拉裂(回弹)tensilecrackA、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。B、卸荷回弹或初始应力释放时产生拉裂面。

卸荷、初始应力释放侧应力减弱岩土体松动产生张裂面3/18/202526(2)蠕滑creepslip斜坡岩土体在自重应力为主的坡体应力长期作用下,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。b.深层蠕滑：主要发育在斜坡下部或坡体内部。按其形成机制特点可分为两种：①软弱基座蠕滑②坡体蠕滑〔受软弱结构面控制〕两种深层蠕滑的区别：①不是沿一个统一的滑动面，受软弱基座控制②有统一滑动面，受软弱结构面控制张裂隙灰岩砂岩粘土岩3/18/202527

(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，并逐渐向坡内开展的变形，称为弯曲倾倒。陡坡>60º缓慢的不连续变形多数导致崩塌,少数导致滑坡3/18/2025283/18/2025291.崩塌陡坡上的岩土体所产生的以下落运动为主〔移动、滚动、跳跃〕的破坏现象。〔土崩、岩崩〕二、斜坡的破坏3/18/2025302.滑坡斜坡岩土体依附于内在的或潜在的软弱结构面，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的滑动现象。3.两者的区别：①运动方式②破坏形式③地形条件④是否脱离母体，存在滑动面⑤规模、速度3/18/202531三、斜坡变形破坏的地质模型1、建立地质模型的目的把握斜坡变形破坏的根本规律，预报斜坡变形的开展趋势及可能的破坏方式，进行稳定性评价。是影响斜坡稳定性各种因素的综合表达，能反映斜坡变形破坏的整个过程。2、地质模型3/18/202532一、崩塌产生的条件1.地层岩性条件：厚层状硬脆性岩体2.岩体结构条件：节理裂隙〔二组或二组以上陡倾节理〕3.地形条件：地形切割强烈，高差大4.外力条件：风化作用、静水压力、震动……第四节崩塌3/18/202533二、崩塌的类别滑移式崩塌ψ>φ,b/h>tgψ倾倒式崩塌ψ<φ,b/h<tgψ滑移倾倒式混合崩塌ψ>φ,b/h<tgψ3/18/202534一、滑坡的基本要素1.滑动面：形态：平面的、圆弧面（曲面）、折线状滑动面上部或下部经常具有一定厚度的揉皱的结构扰动滑动带。第五节滑坡3/18/2025352.滑坡体3.滑坡周界4.滑床5.滑坡前缘〔滑坡舌〕6.滑坡壁7.主滑线8.滑坡台阶9.滑坡洼地〔湖〕3/18/20253610.滑坡裂缝：滑坡体在滑动过程中各部位受力性质和移动速度不同，受力不均匀而产生的力学性质不同的各种裂缝。拉张裂缝剪切裂缝3/18/202537产生、开展、演化、消亡1.蠕动挤压阶段（准备阶段）蠕滑阶段2.滑动阶段3.剧滑阶段4.稳定阶段周期性的活动特点二、滑坡运动的阶段性3/18/2025381.意义不当的开挖不当的弃土不当的地表排水三、滑坡的识别3/18/2025393/18/2025402.识别方法：航片解译地面调查勘探面线点3/18/2025413/18/2025423/18/2025433/18/202544(1)地形地貌方面滑坡形态特征、阶地、夷平面高程比照圈椅状地貌——双沟同源3.识别标志3/18/202545(2)地质构造方面:滑体上产生小型褶曲和断裂现象滑体结构松散、破碎(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→滑体外表出现积水洼地或湿地，泉的出现3/18/202546(4)植被方面马刀树、醉汉林3/18/2025473/18/202548(5)滑动面的鉴别勘探：钻探变形监测：钻孔倾斜仪3/18/2025493/18/2025501.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)平移式滑坡四、滑坡分类3/18/2025513/18/2025522.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、次生的软弱夹层存在，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3/18/2025533.按岩土体类型分类(4)破碎岩石滑坡(5)软硬互层岩石滑坡(6)软弱岩石滑坡(7)坚硬块状岩石滑坡(1)粘性土滑坡(2)黄土滑坡(3)堆填土滑坡土体滑坡岩石滑坡3/18/2025544.按滑动面深度分类(1)浅层滑坡(<6m)(2)中层滑坡(6~20m)(3)厚层滑坡(20~50m)(4)巨厚层滑坡(>50m)5.按滑动次数分类(1)初生滑坡(2)再次滑坡3/18/202555第六节影响斜坡稳定性要素分析岩土类型及性质地震地质构造降雨、融雪、水库蓄水地形人工开挖……植被风化作用内在因素外部因素……3/18/202556一、内在因素1.岩土类型及性质－－决定抗滑力的根本因素坡形相同的情况下：坚硬岩石斜坡>半坚硬岩石>松散土坡沉积岩：层理－－软弱夹层岩浆岩：原生节理发育，与岩石强度和风化作用有关变质岩：由于矿物成分的差异导致工程地质性质的差异3/18/202557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〕对于同一种成因类型的岩层，组成岩石的矿物成分及胶结物不同，其稳定性不同：硅质胶结>钙质胶结>泥质胶结3/18/2025583/18/202559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，极易发生顺层滑坡<时，稳定性较好3/18/202560(4)斜交坡：主要软弱结构面与坡面成斜交关系。其交角越小，稳定性就越差。(5)横交坡：主要软弱结构面的走向与坡面走向近于垂直，稳定性较好，很少发生大规模的滑坡。3.地形地貌：斜坡坡度越大，切割深度越深，斜坡稳定性越差。3/18/2025611.地震：震中周围烈度六度区以上产生附加应力2.降水：(1)水平推力－－侧向水压力(2)浮托力－－减小滑动面上的有效应力(3)软化效应－－降低岩土体的抗剪强度二、外部因素3/18/2025623.水库蓄水〔河流岸坡〕动水压力冲刷、掏空作用4、风化作用5、人类工程活动3/18/202563自然历史分析法工程地质类比法赤平投影分析法数学力学计算法第七节斜坡稳定性评价方法3/18/202564一、自然历史分析法〔定性的方法〕区域地质背景分析影响因素预测开展趋势1、从地质构造方面分析结构面的位置、性质、连通情况，结构面与临空面的关系斜坡可能破坏的类型、规模等。3/18/2025652.从地形地貌方面分析地形地貌特征

斜坡稳定性状态或滑坡的不同发育阶段滑坡的微地貌调查

稳定性判断的定量数值,如滑动距离、垂直位移高度和多级滑动面等。3.从作用在斜坡上的外力方面分析3/18/202566斜〔边〕坡类型的类比破坏类型的类比稳定状态的比照二、工程地质类比法〔半定量的方法〕3/18/202567当F>R时，即W•sin>Wcos

•tgtg>tg>时，滑块处于不稳定状态。N＝W•cos(正压力〕R=Wcos•tg〔摩擦力〕+c•AF=W•sin〔下滑力〕三、赤平投影图解法沿斜坡法线方向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W•cos〔正压力〕，底面半径为Wcos•tg〔摩擦力〕，这样的锥体称为摩擦锥。3/18/202568当重力矢量W落在锥体外面时，>，滑体将发生向下的运动，否那么，处于稳定状态。3/18/2025691、极限平衡计算方法—刚体极限平衡法极限平衡法、数值计算法、破坏概率法稳定性系数：平安系数：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。Kc>1四、数学力学计算方法3/18/202570(一)土质斜坡稳定性计算1。无粘性土坡2。粘性土坡圆弧法、条分法：瑞典条分法、Bishop法、Janbu法〔二〕岩质斜坡稳定性计算1。平面滑动：单平面、同向双平面、多平面2。楔形体滑动3/18/202571折线形滑面的滑动情况：根据滑面纵剖面的起伏情况，取单位宽度考虑，把滑体划分成假设干块段，1，2，……n不考虑滑块两侧的摩擦力剩余推力法〔不平衡推力法〕3/18/202572第i条块的受力情况分析：自重Wi、水平地震力KcWi、侧水压力PWi、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Ti3/18/202573〔1〕根本荷载〔仅考虑重力〕3/18/2025743/18/2025753/18/2025763/18/202577当滑体中存在有地下水时，需要考虑边界上的水压力：3/18/2025783/18/202579编程迭代过程：3/18/202580?岩土工程勘察标准?3/18/202581圆弧滑动3/18/202582平面滑动3/18/202583折线滑动3/18/202584作业(0,200)(20,200)(40,168)(65,182)(95,179)(125,175)(160,150)(20,170)(40,152)(65,142)(95,135)(125,135)(40,190)(65,161)(95,155)(125,153)滑体天然密度2.15g/cm3，饱和密度2.70g/cm3滑面天然条件下，内摩擦角=25°，内聚力=30kPa，饱水条件下，内摩擦角=20°，内聚力=20kPa，试计算有水和无水时的滑坡稳定性系数。3/18/2025852、数值计算有限单元法〔FEM〕离散单元法〔DEM〕边界元法〔BEM〕快速拉格朗日法〔FLAC〕非连续变形分析法〔DDA〕流形元法〔NMM〕无网络伽辽金法〔FGGM〕有限体积法〔FVM〕3/18/2025863/18/2025873/18/2025883/18/2025893/18/2025903/18/2025913.破坏概率计算法K1.03/18/202592计算参数的随机生成某参数的分布特征、均值和方差，利用蒙特卡洛模拟，可以得到一系列的随机数据，使其满足该参数的统计特征。随机数生成方法物理方法数学方法同余法乘同余法3/18/202593一、预测预报的根本内容位置、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，预测滑坡可能发生确实切位置、范围大小、运动速度及类型。第八节斜坡变形破坏预测预报3/18/202594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节或月份作出预测。滑坡临滑预报：对滑坡将要爆发的具体日期、乃至时分作出预报3/18/202595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。空间预测的理论根底－－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。二、空间预测3/18/202596迄今见于报道的预测方法可归纳为：统计学方法、敏感性制图法、信息量法以及各种经验方法。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平安的“危险区段〞。预测结果一般都采用预测分区图的形式来表达。只是预测评价过程中所采用的叠加方式不同而已。3/18/2025973/18/2025983/18/202599岩土体蠕变〔流变〕理论：第1蠕变阶段－－减速蠕变阶段减速开展，斜率逐渐减小第2蠕变阶段－－稳定蠕变阶段等速开展，斜率大体不变第3蠕变阶段－－加速蠕变阶段CD段：变形迅速增大，但岩土体尚未破坏DE段：岩土体变形速率剧增，岩土体很快破坏三、时间预报3/18/2025100：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日那么：t2－t1＝6天t3－t1＝10天tr-t1=18天tr＝1963年2月7日斋滕预报经验公式3/18/2025101滑坡预报方法，目前主要集中在：〔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、泊松旋回模型、生物生长模型梯度正弦模型、灾变理论模型、灰色－灾变耦合模型〔6〕非线性动力学模型预报法〔7〕降雨量参数预报法〔8〕声发射参数预报法〔9〕多参数预报法3/18/2025102第九节斜坡变形破坏的防治一、原那么对于正在活动的滑坡，一般的工程布置应避开滑坡，尤其是一些大型滑坡或滑坡群所在地段应是工程避开的地方。当必须进行处理时，首先要查明滑坡发生的原因，了解当前滑坡活动的主要激发因素，从而采取正确的治理措施。处理时，原那么上应一次根治彻底，不留后患。对于区域性的国土规划，开展区域性滑坡空间预测工作是减少滑坡灾害的