第02章 岩土体工程斜坡稳定性研究.docx

第02章 岩土体工程斜坡稳定性研究.docx

《第02章 岩土体工程斜坡稳定性研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第02章 岩土体工程斜坡稳定性研究.docx（20页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第02章岩土体工程斜坡稳定性研究

第二章斜坡稳定性问题

第一节　概　　述

天然斜坡或人工边坡形成过程中，岩（土）体内部原有的应力状态将随着过程的进行而发生变化，引起应力的重分布和应力集中等效应。

斜坡岩体为适应这种新的应力状态，将发生不同形式和不同规模的变形与破坏，使斜坡日趋变缓。

这是推动斜坡演变的内在原因。

在各种自然或人为的内、外营力作用下，斜坡的外形、内部结构以及应力状态都在不断变化。

这些内、外动力环境，则是推动斜坡发展变化的外部因素。

斜坡在演变过程中，可出现不同形式、不同规模的变形与破坏，如滑坡、崩塌等。

我国是一个滑坡、崩塌灾害较为频发的国家，据不完全统计，近十年来几乎平均每年有一次重大崩滑，造成灾害事故。

斜坡变形破坏过程和它所造成的不良地质环境均可对人类工程活动带来十分严重的危害，并且还可能引起生态环境的失调和破坏，造成更大范围和更为深远的影响。

斜坡稳定性预测失误，往往给工程带来不可估量的损失。

意大利瓦伊昂水库滑坡事件，即为一沉痛教训。

该水库坝高267m，为当时世界上最高的双曲拱坝。

勘测与施工过程中，早已发现库内紧靠左坝肩山体有变形迹象，但直到大坝建成以后仍未对其稳定性和发展趋势作出明确判断。

大坝蓄水后，该山体突然以高达25—30m／s的速度沿层面下滑，近2亿多m3土石迅速淤满水库，掀起了高出坝顶100余米的涌浪，库水宣泄而下，摧毁了下游约3km处一村镇，造成近3000人死亡，整个水库变为石库。

另一方面，人工边坡设计过于保守，也会造成经济上的巨大损失，这在露天采矿的深坑边坡设计中尤为突出。

斜坡岩（土）体稳定性的工程地质分析涉及两个方面的任务。

一方面要对斜坡的稳定性作出评价和预测；另一方面要为设计合理的人工边坡以及制定有效整治措施提供依据。

这两方面任务的实现，都必须阐明斜坡是否具有产生危害性变形与破坏的可能性，以及变形破坏的方式和规模。

要设计一个稳定而又经济合理的边坡，也应以边坡在运营期间不发生危害性的变形和破坏为准则。

所以斜坡稳定性的工程地质分析，应从研究斜坡变形和破坏的规律人手，对斜坡的演变全过程开展系统的研究。

斜坡变形破坏过程中所造成的各种迹象，清楚揭示了表层岩体在不同条件下演变的全过程，因而也是建立岩体变形破坏地质模式的极为重要的依据。

此外，这种研究还有助于严格区分表生结构面和构造结构面，以免对区域构造分析作出错误判断。

本章首先讨论斜坡岩体的应力分布特征，然后讨论斜坡的变形与破坏以及各种内外营力对它的影响，在此基础上讨论稳定性评价和预测。

第二节　斜坡应力分布特征

了解斜坡周围岩体的应力分布特征，对于认识斜坡变形破坏的机制是十分必要的，并且有助于更切合实际地评价斜坡的稳定性，更合理地制订设计和整治方案。

一、斜坡应力场的基本特征

斜坡成坡过程中，临空面周围的岩体发生卸荷回弹，引起应力重分布和应力集中等效应。

根据一些线弹性有限元计算成果，斜坡成坡后，岩体的应力状态较前发生了以下几个主要方面的变化：

（1）　由于应力的重分布，斜坡周围主应力迹线发生明显偏转。

无论是在重力场条件下，还是在以水平应力为主的构造应力场条件下，其总的特征表现为愈靠近临空面，最大主应力愈接近平行于临空面，最小主应力则与之近于正交。

（2）　由于应力分异的结果，在临空面附近造成应力集中带。

但坡脚区和坡缘（斜坡面与坡顶面的交线）区情况有所不同。

坡脚附近最大主应力（相当于临空面的切向应力）显著增高，且愈近表面愈高；最小主应力（相当于径向应力）显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。

因而，这一带是斜坡中应力差或最大剪应力最高的部位，形成一最大剪应力增高带，通常是斜坡中最容易发生变形和破坏的部位，往往因此而产生与坡面或坡底面平行的压致拉裂面。

坡缘附近，在一定条件下，坡面的径向应力和坡顶面的切向应力可转为拉应力，形成一张力带。

因而，这些部位的岩体容易被拉裂形成与坡面近于平行的拉裂面。

（3）　与主应力迹线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线由原先的直线变为近似圆弧线，弧的下凹面朝着临空方向。

（4）　坡面处由于径向压力实际等于零，所以实际上处于单向应力状态（不考虑斜坡走向方向的力σ2时）．向内渐变为两向或三向（考虑σ2时）状态。

二、影响斜坡岩体应力分布的主要因素

1．原始应力状态的影响

岩体的原始应力状态中，水平剩余应力的大小对坡体应力状态的影响尤为显著。

它不但使主应力迹线的分布形式有所不同，而且明显地改变了各应力值的大小，尤其对坡脚应力集中带和张力带的影响最大。

在坡脚区，坡底的切向应力最大值约相当于原始水平应力的三倍左右。

当有侧向水平应力时，该值成倍增高，如当σL=3ρgH时，该值可达7—10ρgH，与σL=0情况相比，相差十分悬殊。

坡缘区张力带的出现，除极陡斜坡外，主要与侧向水平剩余应力有关。

随着σL的增高，张力带的范围也增厚、扩大，甚至从坡脚一直扩展到坡顶面。

三维计算资料还表明，通常最大拉应力大致出现在离坡脚三分之二坡高处。

以圆形坑为例，其最大值可达σL。

上述分析表明，当岩体中存在较高的原始侧向水平应力时，斜坡则更容易遭受变形与破坏。

2．坡形的影响

研究表明，坡高并不改变应力等值线图象，但坡内各处的应力值，均随坡高增高而线性增大。

坡角明显改变应力分布状况。

随坡角变陡，坡面附近张力带范围也随之扩大和增强，成坡过程中，位移矢量离面趋势也变得更加明显；坡脚应力集中带最大剪应力值也随之增高。

坡底的宽度（W）对坡脚的应力状态也有一定影响，计算表明，当W＜0.8H时，坡脚最大剪应力随底宽缩小而急剧增高（图9—4），面当W＞0.8H时，则保持为一常值（称为“残余坡脚应力”），与一般斜坡的情况一样。

由此可见，在“宽高比”较小的高山峡谷区，特别当存在有垂直河谷方向的较高水平剩余应力时，坡脚和谷底一带可以形成一极强的应力集中带。

此外，斜坡的平面形态对其应力状态也有明显的影响。

三维分析表明，平面形态上的凹形坡，由于受到沿斜坡走向方向应力的支撑，应力集中程度明显减缓。

圆形和椭圆形矿坑边坡，坡脚最大剪应力值只有一般斜坡的二分之一左右。

对比水平剩余应力平行于椭圆形矿坑的长轴和平行于其短轴这两种情况，还可发现，前者应力集中程度又较后者缓和。

显然，上述特征在斜坡稳定性评价中，尤其在露天采坑边坡的设计中，具有重要意义。

3．斜坡岩体特性和结构特征的影响

研究表明，岩体的弹性模量对均质坡的应力分布并无明显影响，岩体的泊松比（μ）可以改变σx和τxy的大小，但是当斜坡中侧向剩余应力值很高时，这种影响也就被掩盖了。

可见，均质坡中，岩体材料性质对应力分布的影响是很微弱的。

实际上，天然斜坡和人工边坡大多为非均质体，并且总是不同程度地含有一些软弱面（带）。

在斜坡形成过程中，这些软弱面或带又有可能受到不同程度的改造，或产生新的破裂面，必将使应力分布状况复杂化。

因而，往往需要采用数值或物理模拟等方法作具体分析和评价。

可根据实测应力或应变（位移）数据，采用反演模拟分析也可通过模拟斜坡成坡全过程，开展正演模拟确定其现今应力场。

一些实例分析表明，斜坡中平缓或倾向坡外的软弱面，在成坡过程中有利于上覆岩体中水平剩余应力的释放和结构松驰，使其应力分布状况由重力场和水平剩余应力叠加型向重力场型转化。

坡内软弱层的影响则与它在成坡过程中压缩变形的程度有很大关系。

平缓或倾向坡内的易压缩层，可使上覆岩体中可能破坏区有明显的增加与扩大。

以上，讨论了斜坡成坡后的初始应力状态。

实际上，在斜坡整个演变过程中，坡体应力状态也随之而复杂化。

由于变形破坏或风化等原因，在斜坡坡面或临空面附近总是形成一应力降低带，而应力增高带则分布在一定深度以内。

在河谷地区，由于斜坡不同部位经历变形的历史和表生改造程度不同，应力增高带的分布深度也有所不同。

第三节　斜坡变形破坏的类型与特征

斜坡形成过程中，其原始应力重新分布，岩土体原有平衡状态便相应发生变化。

在此新的应力条件下，坡体将发生程度不同的局部或整体的变形与破坏，以达新的平衡。

自斜坡形成开始，坡体便处于不断的发展变化的总趋势中，首先变形逐步发展为破坏。

斜坡变形与破坏的发展过程可以是漫长的，如天然斜坡的发展演化。

也可以是短暂的，如人工边坡的形成与变化。

斜坡变形与破坏的发生条件和影响因素相当复杂、但它主要取决于坡体本身所具有的应力特征和坡体抵抗变形与破坏的能力大小。

这两者相互关系和发展变化，是斜坡演变的内在矛盾。

可见，坡体中由于应力分异所出现的应力集中带，又有抵抗变形与破坏能力较低的结构并并当它在空间上构成不利于稳定的组合型式时，则是以上矛盾发展变化的焦点。

斜坡变形与破坏是斜坡演变变的两大形式，前者以坡体中未出现贯通性破坏面为特点，后者是在坡体中已形成贯通性的破坏面，并由此以一定加速度发生位移为标志。

变形与破坏是一个发展的连续过程，其间存在着量与质的转化关系。

近年来，岩体破坏机制及蠕变理论研究已充分揭示了二者之间所存在的规律性，为斜坡稳定研究奠定了理论基础。

因此必须研究斜坡变形与破坏的整个过程，并重视这一演变过程中变形的研究。

这对于定性地揭示坡体应力与结构强度的矛盾关系，鉴定现有条件下坡体的稳定状况，预测斜坡破坏的可能程度，都有重要意义。

一、斜坡的变形

坡斜变形以坡体未出现贯通性的破坏面为特点，但在坡体各个局部，特别在坡面附近也可能出现一定程度的破裂与松动，而从整体看，并未产生滑动破坏。

它表现为松动和蠕动。

（一）松动

斜坡形成初始阶段，坡体表部往往出现一系列与坡向近于平行的陡倾角张开裂隙，被这种裂隙切割的岩体使向临空方向松开，移动。

这种过程和现象称为松动。

它是一种斜坡卸荷回弹的过程和现象。

存在于坡体的这种松动裂隙，可以是应力重分布中新生的，但大多是沿原有的陡倾角裂隙发育而成。

它仅有张开而无明显的相对滑动，张开程度及分布密度由坡面向深处而逐小。

当保证坡体应力不再增加和结构强度不再降低的条件下，斜坡变形不会剧烈发展，坡体稳定不致破坏。

斜坡常有各种松动裂隙，实践中把发育有松动裂隙的坡体部位，称为斜坡卸荷带；在此，可称为斜坡松动带。

其深度通常用坡面线与松动带内侧界线之间的水平间距来度量。

斜坡松动使坡体强度降低，又使各种营力因素更易深入坡体，加大坡体内各种营力因素的活跃程度，它是斜坡变形与破坏的初始表现。

所以，划分松动带（卸荷带），确定松动带范围，研究松动带内岩体特征，对论证斜坡稳定性，特别在确定开挖深度或灌浆范围，都具有重要意义。

斜坡松动带的深度，除与坡体本身的结构特征有关外，主要受坡形和坡体原始应力状态控制。

显然，坡度愈高、愈陡，地应力愈强，斜坡松动裂隙便愈发育，松动带深度也便愈大。

（二）蠕动

斜坡岩土体在以自重应力为主的坡体应力长期作用下，向临空方向的缓慢而持续的变形，称为斜坡蠕动。

研究表明，蠕动的形成机制为岩土的粒间滑动（塑性变形），或沿岩石裂纹微错，或由岩体中一系列裂隙扩展所致。

它是在应力长期作用下，岩土体内部—种缓慢的调整性形变，实际上是趋于破坏的一个演变过程。

坡体中由自重应力引起的剪应力与岩土体长期抗剪强度相比很低时，斜坡只能减速蠕动，只有当应力值接近或超过岩土体长期抗剪强度时，斜坡才能加速蠕动。

因此、斜坡最终破坏，总要经过一定的过程，或短暂，或时间慢长。

斜坡蠕动大致可分为表层蠕动和深层蠕动两种基本类型。

1．表层蠕动

2．深层蠕动

深层蠕动主要发育在斜坡下部或坡体内部。

按其形成机制特点，深层蠕动有软弱基座蠕动和坡体蠕动两类。

二、斜坡破坏

斜坡中出现了与外界连续贯通破裂面，被分割的坡体便以一定加速度滑移或崩落，脱离母体，称为斜坡破坏。

天然斜坡的形成过程往往比较缓慢，而坡体中应力的变化和附加荷载的出现可很迅速，斜坡破坏便可能出现不同倩况。

当迅速形成的坡体应力已越过岩土体极限强度，足以形成贯通性破坏面时，斜坡破坏便急骤发生，松动及蠕动变形的时间很短暂；反之，若坡休应力小于岩土体极限强度而大于长期强度时，斜坡破坏前总要经过一段较长时间的松动及蠕动变形过程。

此外，自然营力对斜坡破坏的影响很大。

某些营力（如地震力、