_斜坡變形破壞機(jī)制

1、1Ch4斜坡變形工程地質(zhì)研究n1概述n2斜坡中的應(yīng)力分布特征n3斜坡變形破壞的類型n4崩塌n5滑坡21概述n一、概念n二、斜坡要素n三、斜坡的變形破壞作用3一、概念n斜坡：系指地殼表部一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體 n自然斜坡：未經(jīng)人工改造的斜坡n山坡，海岸，河岸n人工邊坡 ：指人工開挖或改造了形狀的斜坡nEX:基礎(chǔ)邊坡,露天礦邊坡，路塹邊坡4二、斜坡要素n坡面：斜坡的臨空斜面n坡頂：斜坡的頂部n坡頂面：頂部緩平面或水平面n坡肩：坡面與坡頂面的轉(zhuǎn)折部位n坡腳：斜坡最小部與水平地面相接部位n坡角：坡面與水平面的夾角n坡高：坡肩與坡腳間的垂直高度6三、斜坡的變形破壞作用n斜坡在各種內(nèi)、外地質(zhì)營力作用下

2、，不斷地改變著坡高和坡角，使坡體內(nèi)應(yīng)力分布發(fā)生變化。當(dāng)組成坡體的巖土體強(qiáng)度不能適應(yīng)此應(yīng)力分布時，就產(chǎn)生了斜坡的變形破壞作用。n尤其是大規(guī)模的工程建設(shè)，使自然斜坡發(fā)生急劇變化，斜坡的穩(wěn)定程度也變化極大，往往釀成災(zāi)害。n斜坡的變形與破壞，實質(zhì)上是由斜坡巖土體內(nèi)應(yīng)力與其強(qiáng)度這一對矛盾的發(fā)展演化所決定的 71.自然斜坡變形破壞n是山區(qū)主要的工程動力地質(zhì)作用n我國廣大的西南、西北地區(qū)這一作用尤為突出，災(zāi)害頻發(fā)，而且近10余年來有進(jìn)一步加重的趨勢 82.自然斜坡人為破壞n自然斜坡由于人類工程、經(jīng)濟(jì)活動而產(chǎn)生的斜坡破壞往往是災(zāi)難性的 93.人工邊坡n主要是水利水電工程邊坡、鐵路路塹和露天采坑邊幫的失穩(wěn)n如撫

3、順煤礦和大冶鐵礦露天采坑，都曾發(fā)生過失穩(wěn)事故，對生產(chǎn)和生命財產(chǎn)造成一定的損失。102斜坡中的應(yīng)力分布特征n斜坡中的應(yīng)力分布特征決定了斜坡變形破壞的形式和機(jī)制，對斜坡穩(wěn)定性評價和合理防治措施也有一定意義；所以首先要了解斜坡形成后坡體中應(yīng)力分布的特征。 11一、斜坡中應(yīng)力狀態(tài)的變化 n天然巖土體中應(yīng)力分布是比較復(fù)雜的，除普遍存在的自重應(yīng)力外，有時還有構(gòu)造應(yīng)力、熱應(yīng)力、地下水應(yīng)力等。一般認(rèn)為：當(dāng)僅存在自重應(yīng)力的情況下，未形成斜坡前巖土體中的主應(yīng)力（初始應(yīng)力）是呈鉛直與水平狀態(tài)的，即鉛直應(yīng)力為最大主應(yīng)力，水平應(yīng)力為最小主應(yīng)力，此時巖土體內(nèi)的最大剪應(yīng)力與最大、最小主應(yīng)力多呈45交角。 （畫圖）12一、斜

4、坡中應(yīng)力狀態(tài)的變化n在斜坡形成過程中，由于側(cè)向臨空面的產(chǎn)生，坡面附近的巖土體發(fā)生卸荷回彈，引起應(yīng)力重分布和應(yīng)力分異、應(yīng)力集中等效應(yīng)。n根據(jù)彈性力學(xué)有限單元分析和光測彈性試驗，均可確定坡體在尚未發(fā)生明顯變形或破壞之前的應(yīng)力狀態(tài)。其總的特征可概括為4個方面 14一、斜坡中應(yīng)力狀態(tài)的變化n（1）無論什么樣的天然應(yīng)力場，斜坡面附近的主應(yīng)力跡線均明顯偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為愈接近坡面，最大主應(yīng)力愈與之平行，而最小主應(yīng)力與之近乎正交，向坡體內(nèi)逐漸恢復(fù)初始狀態(tài)。 15（1）最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力分布特征16一、斜坡中應(yīng)力狀態(tài)的變化n（2）由于應(yīng)力分異結(jié)果，在坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶。n不同部位應(yīng)力狀態(tài)是不同的。在坡腳附近

5、，最大主應(yīng)力（表現(xiàn)為切向應(yīng)力）顯著增高，而最小主應(yīng)力（表現(xiàn)為徑向應(yīng)力）顯著降低，甚至可能為負(fù)值。n由于應(yīng)力差大，形成了最大剪應(yīng)力增高帶，最易發(fā)生剪切破壞。17一、斜坡中應(yīng)力狀態(tài)的變化n在坡肩附近，在一定條件下坡面的徑向應(yīng)力和坡頂?shù)那邢驊?yīng)力可轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力（應(yīng)力值為負(fù)值），形成一張力帶。當(dāng)斜坡愈陡則此帶范圍愈大。因此坡肩附近最易拉裂破壞。19坡腳附近壓應(yīng)力帶120一、斜坡中應(yīng)力狀態(tài)的變化n（3）由于主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，坡體內(nèi)的最大剪應(yīng)力跡線也發(fā)生變化，由原來的直線變?yōu)榘枷蚱旅娴膱A弧狀 22一、斜坡中應(yīng)力狀態(tài)的變化n（4）坡面處的徑向應(yīng)力實際為零，所以坡面處處于二向應(yīng)力狀態(tài)。23二、影響斜坡應(yīng)力分布的因素n

6、1.巖體初始應(yīng)力的影響n2.坡形的影響 n3.巖土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響 241.巖體初始應(yīng)力的影響n主要指的是水平構(gòu)造應(yīng)力存在的影響。n水平構(gòu)造應(yīng)力能使斜坡應(yīng)力集中和分異現(xiàn)象加劇，對斜坡坡肩附近張力帶的發(fā)展影響尤為明顯。n水平構(gòu)造應(yīng)力量值愈大，則影響愈大。n在新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈的地區(qū)，巖體中常存在較大的水平構(gòu)造應(yīng)力，對斜坡穩(wěn)定性的影響是不容忽視的。262.坡形的影響n坡高n坡高不改變坡體中應(yīng)力等值線的圖形，但坡高愈大，應(yīng)力量值愈大。n坡角n坡角大小可以改變斜坡中應(yīng)力分布的圖像。n坡腳附近的剪應(yīng)力集中帶和坡肩附近的張力帶，其范圍和量值是隨著坡角增大的。也就是說，陡峻的斜坡更易發(fā)生變形破壞。272.坡形

7、的影響n坡底寬度n坡底寬度的影響可以用W/H值來表征。隨著W/H值的減小，坡腳的剪 應(yīng)力增大。n實際資料表明，當(dāng)W0.8H時，這種影響就減弱，以至不發(fā)生變化。 n斜坡平面形態(tài)n斜坡平面形態(tài)可分為平直形、內(nèi)凹形和外凸形等。內(nèi)凹形斜坡由于其兩側(cè)的支撐作用，應(yīng)力條件較好，即坡腳的剪應(yīng)力較小。所以露天采坑的平面形態(tài)大多是橢圓形的，且其長軸盡量平行于最大水平地應(yīng)力方向。 293.巖土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的影響n巖土體的彈性模量對均質(zhì)坡體應(yīng)力分布無多大影響n泊松比一定程度上可影響坡體應(yīng)力分布。n結(jié)構(gòu)面對坡體應(yīng)力分布的影響十分明顯，這是因為結(jié)構(gòu)面的存在使坡體中應(yīng)力分布出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在這些面的周邊成為應(yīng)力集中帶或發(fā)

8、生應(yīng)力阻滯現(xiàn)象，這種情況在堅硬巖體斜坡中尤為明顯。n結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、性質(zhì)及組合關(guān)系不同，對斜坡穩(wěn)定性的影響是不同的 303斜坡變形破壞的類型n斜坡的變形與破壞，是斜坡發(fā)展演化過程中兩個不同的階段n變形屬量變階段，破壞是質(zhì)變階段，它們是一個累進(jìn)破壞過程。n這個過程對天然斜坡來說時間往往較長，而對人工邊坡來說時間則較短暫。 31一、斜坡變形 deformationn斜坡變形按其機(jī)制可分為n1.拉裂(tensile crack)n2.蠕滑(creep slip) n3.彎折傾倒 (bend toppling) 321.拉裂n在斜坡巖土體內(nèi)拉應(yīng)力集中部位或張力帶內(nèi)，形成的張裂隙變形型式稱拉裂n拉裂形成機(jī)

9、制有三種類型 33(1)在坡面和坡頂張力帶中拉應(yīng)力集中形成拉裂n高陡斜坡的坡面和坡頂附近張力帶內(nèi)拉應(yīng)力較強(qiáng)，極易產(chǎn)生與坡面近于平行的張裂面，如果坡體中存在有與坡面近于平行的構(gòu)造節(jié)理時，更易沿之發(fā)展形成上寬下窄向深處發(fā)展的裂隙，其傾角一般較陡 3435(2)卸荷回彈(unloading rebound)或巖體初始應(yīng)力(地應(yīng)力)釋放產(chǎn)生拉裂 n當(dāng)斜坡的側(cè)應(yīng)力削弱后，由于卸荷回彈或水平地應(yīng)力釋放而形成張裂面，通常稱為卸荷裂隙n裂隙通常與原始谷坡坡面相平行,隨著河谷的深切，卸荷裂隙逐漸向深部發(fā)展，從而引起裂隙頂部的累計變形越來越大。n在塊狀巖層地區(qū)(例如花崗巖區(qū))，有時卸荷裂隙呈多層狀發(fā)育，而在斜坡坡

10、面及坡腳處形成卸荷帶。n卸荷帶向坡體內(nèi)的發(fā)育寬度與斜坡巖性和巖體有關(guān)，此外還受邊坡狀態(tài)和初始應(yīng)力狀態(tài)的控制。n斜坡愈高愈陡，水平地應(yīng)力愈大，裂隙愈發(fā)育；有時卸荷帶發(fā)育寬達(dá)100m，自地表向下的發(fā)育深度可達(dá)100m以上。 36(3)因蠕滑形成局部應(yīng)力集中產(chǎn)生拉裂 n在斜坡坡體中存在有軟弱結(jié)構(gòu)面時，斜坡常沿該面有蠕滑趨勢n在平行于坡面的最大主應(yīng)力作用下，沿緩傾角軟弱面兩側(cè)產(chǎn)生張開裂隙3738逐步向上發(fā)展，就會慢慢形成由平緩的軟弱面與陡傾的張裂面組成的階梯狀變形裂面39拉裂縫的危害n由于斜坡巖土體的拉裂，使其原有的整體性和連續(xù)性受到破壞，強(qiáng)度降低；n為雨水、地下水的滲入、運(yùn)移提供了通道，使坡體進(jìn)一步

11、松弛，拉裂面逐漸擴(kuò)展與其它結(jié)構(gòu)面形成貫通性破裂面，使斜坡產(chǎn)生各種不同形式的破壞n拉裂本身雖僅是一種變形，但卻為斜坡破壞創(chuàng)造了條件n大規(guī)模的斜坡破壞無不與拉裂面的發(fā)育有關(guān) 402.蠕滑(creep slip) n斜坡巖土體沿軟弱面(層)局部向臨空方向的緩慢剪切變形稱為蠕滑n蠕滑可以在不同情況下受不同機(jī)制的作用而發(fā)生n一般主要有三種形式 41(1)受最大剪應(yīng)力面控制的蠕滑n在均質(zhì)土坡中較為常見n圖611表示了均質(zhì)土坡內(nèi)的應(yīng)力場特征及斜坡蠕滑情況 均質(zhì)土坡蠕滑分析圖均質(zhì)土坡蠕滑分析圖(據(jù)據(jù)Q扎魯巴，扎魯巴，1972) 1 2 最大剪應(yīng)力12 潛在滑動面斜坡邊緣分界面處的變形值D潛在滑動面以上的坡體厚

12、度h坡頂沉降量 43(2)受軟弱結(jié)構(gòu)面控制的蠕滑 n巖體中常含有各種軟弱結(jié)構(gòu)面，如節(jié)理、斷層、軟弱夾層等，當(dāng)這些結(jié)構(gòu)面近水平或傾向坡外時，斜坡蠕動變形常易沿之發(fā)生n這類變形其進(jìn)程取決于該結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與特征n當(dāng)局部地段上覆坡體的下滑力達(dá)到或超過該面的實際抗滑阻力時，即出現(xiàn)一系列小的剪裂，逐步產(chǎn)生緩慢蠕動。 44葛洲壩工程二江電廠基坑邊坡蠕滑剖面圖葛洲壩工程二江電廠基坑邊坡蠕滑剖面圖1基巖面線；2第一年基坑開挖線；3第二年基坑開挖線；4原地面線；14、17、28、29、35為大口徑鉆孔編號；212、214、215、218為軟弱夾層編號45長江葛洲壩工程二江電廠基坑邊坡蠕滑n葛洲壩工程壩基巖層為白堊

13、系下統(tǒng)紅色河流相碎屑巖，巖層產(chǎn)狀近于水平，夾有多層粘土巖類軟弱夾層，水輪機(jī)機(jī)窩開挖后形成高4050m的基坑邊坡，由于出觀臨空面水平地應(yīng)力釋放及卸荷回彈，使巖體松弛變形，沿各臨空面的軟弱夾層發(fā)生向基坑的蠕滑位移；開始位移較快，隨著時間的延續(xù)，應(yīng)力逐漸釋放，位移趨于停止。46葛洲壩工程二江電廠基坑邊坡側(cè)向位移長觀曲線葛洲壩工程二江電廠基坑邊坡側(cè)向位移長觀曲線 卸荷型的蠕動總是十分緩慢的，是一種減速蠕變47(3)受軟弱基座控制的蠕滑和塑流 n于斜坡基座具有較厚的軟弱巖層，在上覆巖體的作用下，基座軟巖受壓，承載力不夠，發(fā)生塑性變形，向臨空方向或減壓方向流動和擠出，引起斜坡的變形n基座軟巖的擠出在侵蝕河

14、谷和挖方地段最為常見。與前述蠕動形式不同的是，蠕滑和塑流不是沿一個統(tǒng)一的滑面，而是受整個軟弱基座層控制48n軟巖基座通常為厚層粘土巖、泥灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖及煤系地層等n斜坡往往由堅硬厚層且裂隙發(fā)育的巖層構(gòu)成，坡高而陡。如厚層砂巖、灰?guī)r、玄武巖、流紋巖等組成的斜坡最易發(fā)生這類變形49 阿爾及爾由軟巖基座蠕滑面發(fā)展成的滑坡阿爾及爾由軟巖基座蠕滑面發(fā)展成的滑坡結(jié)晶片巖；中新統(tǒng)砂巖及礫巖；泥灰?guī)r；海綠石泥灰?guī)r；厚層珊瑚灰?guī)r；浸水軟化的泥灰?guī)r；下沉的石灰?guī)r塊體 阿爾及爾由珊瑚灰?guī)r構(gòu)成的陡坡，由于下面的泥灰?guī)r浸水軟化，使斜坡產(chǎn)生蠕動，最后經(jīng)過長期變形轉(zhuǎn)變?yōu)閴K體滑坡，裂隙發(fā)育的灰?guī)r也形成大塊體陷進(jìn)軟化的泥巖中

15、50n斜坡的蠕動變形，雖然位移較小，但由于實際上已成為斜坡失穩(wěn)的初期階段，在一定的觸發(fā)因素條件下，如暴雨、地震、人類工程活動等，極易迅速轉(zhuǎn)為加速蠕變直至破壞n對斜坡蠕動變形應(yīng)高度重視 513.彎曲傾倒(bend toppling) n由陡傾或直立板狀巖體組成的斜坡，當(dāng)巖層走向與坡面走向大致相同時，在自重的長期作用下，由前緣開始向臨空方向彎曲、折裂，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展，這種變形通常稱為彎曲傾倒n陡傾的板狀巖體，在自重產(chǎn)生的彎矩作用下向臨空方向作懸臂梁式的彎曲，彎曲的板梁之間被拉裂或錯動，形成平行于走向的槽溝或反坡臺坎n前傾的板梁彎曲最強(qiáng)烈的部位也往往被折裂 53彎折傾倒的特征n彎折角約2050n彎折傾倒程度由地面向深處逐漸減小，一般不會低于坡腳高程n下部巖層往往折斷，張裂隙發(fā)育，但層序不亂，巖層層面間位移明顯n沿巖層面產(chǎn)生反坡向陡坎 54斜坡變形小結(jié)n斜坡不但具有不同的變形形式，而且具有不同的變形性質(zhì)n從變形的連續(xù)性來看，拉裂和傾倒變形屬于不連續(xù)變形，而蠕動變形通常屬于連續(xù)變形。n由于斜坡是由具有特定結(jié)構(gòu)形式的不連續(xù)介質(zhì)組成的，所以坡體的變形總是不均勻的，總體上表現(xiàn)為連續(xù)變形，實際上也包含拉裂等不連