土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析及破壞機(jī)理

1、土質(zhì)邊坡破壞機(jī)理及 穩(wěn)定性分析 一、土質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)類型 我們目前遇到的大部分是均質(zhì)土邊坡。根據(jù)物質(zhì)的不同均質(zhì)土邊坡又可以分為: 一般粘一般粘 性土邊坡性土邊坡、黃土邊坡黃土邊坡、砂性土邊坡、軟土邊坡和膨脹土邊坡。 類型類型結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征穩(wěn)定性穩(wěn)定性影響影響因素因素 均質(zhì)土邊坡 整個坡體由均質(zhì)土構(gòu)成，基本不含節(jié) 理、裂隙、沒有貫通性的結(jié)構(gòu)面 土體強(qiáng)度和坡形土體強(qiáng)度和坡形 層狀松散土 由不同類型的松散土層構(gòu)成，控制性 結(jié)構(gòu)面是沉積層面 土體強(qiáng)度、坡形土體強(qiáng)度、坡形、沉積層面 產(chǎn)狀與坡面的組合關(guān)系 二元結(jié)構(gòu)土 由巖層與上覆土松散堆積層構(gòu)成或軟 硬差別較大上下土層，控制性結(jié)構(gòu)面 是巖土分界面和沉積層

2、面 土體強(qiáng)度、坡形土體強(qiáng)度、坡形、二元結(jié)構(gòu) 層面產(chǎn)狀與坡面結(jié)合關(guān)系 土質(zhì)邊坡：泛指具有傾斜面的土體，根據(jù)土體結(jié)構(gòu)可分為三類： 二、土質(zhì)邊坡破壞形式及破壞機(jī)理 整體失穩(wěn)：崩塌、滑坡、坍塌 坡面破壞：坡面侵蝕、剝落 破壞類型破壞類型外形特征外形特征運(yùn)動特征運(yùn)動特征破壞機(jī)理破壞機(jī)理 崩塌 崩塌是發(fā)生在高陡邊坡體上的巖土塊 體自高處滑出、傾倒或崩墜而下的現(xiàn)象。 崩落體常翻滾而下堆于緩坡之上和坡腳附 近，形成具有一定天然休止角的巖土堆。 邊坡上局部巖土 體松動、脫落，主要 運(yùn)動形式為自由墜落 或滾動 彎曲-拉裂、剪切-滑移。存在臨 空面，當(dāng)結(jié)合力小于重力時，發(fā)生滾 動或崩落 滑 坡 圓弧 滑動 滑坡是邊

3、坡在重力、水、振動以及 坡形改變等因素的作用下，增大沿滑帶的 剪應(yīng)力，或者因震動液化、受水淋濾、自 然和人為開挖等破壞滑帶巖土的結(jié)構(gòu)，導(dǎo) 致邊坡上的巖土體沿滑帶作整體或大塊向 下、向前移動的一種變形現(xiàn)象。 沿圓弧形滑動面 滑移 剪切-滑移。人工開挖增大坡角， 或地表水入滲使內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力降 低，達(dá)到臨界值沿圓弧形滑動面滑移 平面 滑動 巖土體沿莫一弱 面或朝向坡外的結(jié)構(gòu) 面整體向下滑移 拉裂、剪切-滑移。層面或貫通性 結(jié)構(gòu)面形成滑動面，結(jié)構(gòu)面臨空，坡 腳巖層被切斷或坡腳巖層擠壓剪切 坍塌 坡體松弛帶內(nèi)的巖土由于震動、或側(cè) 向卸荷、與坡面加載以及四季中時干時濕 等使松弛帶內(nèi)巖土的結(jié)合密實(shí)度在不

4、斷變 化而塌坡，塌至與其相適應(yīng)的斜率為止 因自重應(yīng)力超過 巖土體強(qiáng)度而產(chǎn)生張 剪性破壞，由坡頂向 坡內(nèi)逐漸擴(kuò)展 張拉、剪切、彎折。自重應(yīng)力和 巖土體強(qiáng)度能夠維持平衡的最深張裂 面 三、均質(zhì)土邊坡各種破壞模式 形成條件（即出現(xiàn)下列情況應(yīng)采取措施）形成條件（即出現(xiàn)下列情況應(yīng)采取措施）巖土結(jié)構(gòu)巖土結(jié)構(gòu) 崩 塌 土質(zhì)邊坡的開挖坡角較陡(大于60)，或下部存在軟弱層； 坡體上常發(fā)育數(shù)組陡立或傾向臨空面的裂面；坡體上豎向 節(jié)理發(fā)育，且裂縫形狀不規(guī)則并紊亂成網(wǎng)，破壞體趨向于發(fā)展 成楔體；邊坡面上有泉水出露；邊坡處于地震多發(fā)帶或附 近有爆破施工。 土質(zhì)邊坡中黃土邊坡有較好的直立 性，所以開挖坡度往往較陡，土體

5、中本 身存在裂隙、空洞，在開挖卸荷后擴(kuò)大， 導(dǎo)致坡體局部易出現(xiàn)崩塌破壞。 滑滑 坡坡 開挖深度較大或開挖坡度較陡；坡內(nèi)有傾向臨空面的軟 弱層(帶)、結(jié)構(gòu)面或?qū)用妫婚_挖邊坡面出現(xiàn)上層滯水面、潛水 面或有泉出露；有明顯的滑移剪切面出露；在不良土質(zhì)地 區(qū)，如軟土、膨脹土；在較惡劣的氣候下施工，如雨季、寒 冬季節(jié)。 對于土質(zhì)邊坡來講，滑坡多產(chǎn)生于 3055之間的土坡，這類邊坡易發(fā) 生整體滑 坡破壞 坍 塌 坍塌產(chǎn)生于易風(fēng)化的土質(zhì)邊坡和類 土質(zhì)邊坡，尤其在膨脹土邊坡或處于凍 脹作用強(qiáng)烈區(qū)的邊坡，一般發(fā)生在坡度 大于20時，隨坡度增大發(fā)生坍塌的幾 率也越大，在暴雨季節(jié)，邊坡表層巖土 強(qiáng)度迅速降低，也會促使

6、坍塌破壞發(fā)生 我們實(shí)際中考慮滑坡的破壞性 1、各種破壞形式形成條件及巖土結(jié)構(gòu) 2、土質(zhì)邊坡破壞機(jī)理 邊坡的失穩(wěn)破壞主要是由于邊坡內(nèi)所受的應(yīng)力超過巖土體或結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致 邊坡結(jié)構(gòu)破壞。邊坡變形表現(xiàn)為卸荷回彈和蠕變兩種主要方式。 破壞破壞 形式形式 破壞機(jī)理破壞機(jī)理各類土的破壞形式各類土的破壞形式 滑 坡 破 壞 土質(zhì)邊坡發(fā)生滑坡破壞根本原因在于邊坡沿潛 在滑動面所受到的抗滑力(矩)小于其下滑力(矩)，則 邊坡將沿潛在滑動面發(fā)生滑坡破壞，主要表現(xiàn)為邊 坡整體的剪切滑移 1、對于粘聚力為零的砂性均質(zhì)土 邊坡，發(fā)生滑坡破壞時，表現(xiàn)為平面滑 動，破壞面在截面上為一條通過坡腳的 直線；對于存在粘聚

7、力的粘性均質(zhì)土邊 坡，則表現(xiàn)為圓弧面滑動，破壞面在截 面上為通過坡腳的圓弧 2、黃土邊坡坡體破壞形式主要為 滑坡和崩塌。滑坡或崩塌的形成與邊坡 原始坡度有關(guān)：對于小于50的不穩(wěn)定 邊坡，其破壞模式主要是滑坡；51 70的不穩(wěn)定邊坡破壞模式以滑坡為主， 并伴有崩塌；當(dāng)邊坡大于70時，基本 不發(fā)生滑坡，主要破壞模式為崩塌。 3、均質(zhì)土邊坡發(fā)生坍塌破壞，主 要由于大部分巖土受濕，彼此結(jié)合的密 實(shí)度減小，使坡體中綜合內(nèi)摩擦角變小 不能支持原邊坡坡度而塌坡，上部塌至 與當(dāng)時含水程度及密實(shí)度相適應(yīng)的綜合 內(nèi)摩擦角為止，下部則是堆積坍下的土 石其斜坡坡度更緩。 崩 塌 破 壞 土質(zhì)邊坡發(fā)生崩塌破壞主要因?yàn)殚_

8、挖引起坡表 巖土體向臨空面發(fā)生位移，并可能在坡項(xiàng)或體內(nèi)產(chǎn) 生順坡面向的裂隙，或其出口為上大下小的楔狀體 的楔尖先壓碎破壞，上部巖土在失去承托和支頂下 失穩(wěn)。崩塌破壞主要以張拉破壞為主，形式上主要 表現(xiàn)為巖土體的翻轉(zhuǎn)、滾動、彎曲折斷，崩塌體翻 倒時，在空間的方位是隨便改變的。 坍 塌 破 壞 坡體松弛帶內(nèi)的巖土為雨雪水和上層滯水等活動作 用所及的范圍，由于震動、或側(cè)向卸荷、與坡面加 載以及四季中時干時濕等使松弛帶內(nèi)巖土的結(jié)合密 實(shí)度在不斷變化，特別雨季中或融雪后受濕的巖土 自重增大、且強(qiáng)度降低，其結(jié)合密實(shí)度不能支持旱 季中斜坡的陡度而塌坡，塌至與其相適應(yīng)的斜率 (受濕時的綜合內(nèi)摩擦角)為止 3、

9、均質(zhì)土邊坡各種破壞模式 邊坡類型邊坡類型主要特征主要特征 影響穩(wěn)定的主要影響穩(wěn)定的主要 因因 素素 可能的主要變形模式可能的主要變形模式 粘 性 土 邊 坡 以粘粒為主，一般干時堅硬，遇 水膨脹崩解。某些粘土具大孔隙 性(如山西南部的粘土)，某些粘土 甚堅固(如南方網(wǎng)紋紅土)，某些粘 土呈半成巖，但含可溶鹽量高(如 黃河上游的粘土)，某些粘土具水 平層理(如淮河下游的粘土) 1礦物成分，特別是 親水、膨脹、溶濾性礦 物含量；2節(jié)理裂隙 的發(fā)育狀況；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，含膨脹性 親水礦物粘土易產(chǎn)生滑坡滑坡， 巨厚層半成巖粘土高邊坡 因坡腳蠕變可

10、導(dǎo)致高速滑 坡；2因凍融產(chǎn)生剝落； 3坍塌 砂性土 邊坡 以砂礫為主，結(jié)構(gòu)較疏松，凝聚 力低為其特點(diǎn)，透水性較大，包 括厚層全風(fēng)化花崗巖殘積層 1顆粒成分及均勻程 度；2含水情況含水情況； 3振動振動；4地表水及 地下水作用 1飽和均質(zhì)砂性土邊坡， 在振動力作用下，易產(chǎn)生 液化滑坡滑坡；2管涌、流土； 3坍塌和剝落 黃 土 邊 坡 以粉粒為主、質(zhì)地均一。一般含 鈣量高，無層理，但柱狀節(jié)理發(fā) 育，天然水含水量低，干時堅固， 部分黃土遇水濕陷，有時呈固結(jié) 狀，有時呈多元結(jié)構(gòu) 主要是水的作用水的作用，因水 濕陷，或?qū)吰陆荩?水下滲使下墊隔水粘土 層泥化等 1崩塌；2張裂： 3濕陷濕陷；4高或超高

11、邊 坡可能出現(xiàn)高速滑坡滑坡 根據(jù)上表，可以看出土質(zhì)邊坡影響穩(wěn)定性的因素主要是土體強(qiáng)度和水的作用，而產(chǎn)生的破壞形 式以滑坡為多，崩塌和坍塌是開挖邊坡過程中常見的（該處應(yīng)該加上坡高、坡角、坡形的影響） 4、均質(zhì)土邊坡的滑坡破壞條件和特征 一般粘性土邊坡一般粘性土邊坡黃土邊坡黃土邊坡砂性土邊坡砂性土邊坡 破壞條件破壞特征破壞條件破壞特征破壞條件破壞特征 1、邊坡坡度 小于70度；2、 坡體上僅于后 緣出現(xiàn)一組微 具弧狀而貫通 的地裂縫；3、 降雨滲入，致 使坡體內(nèi)部土 體強(qiáng)度降低； 4、外力荷載 的影響 1、后壁多呈圈椅形， 具有一個以上臺階， 破壞后平均坡度緩于 25-30度；2、為整體 滑移，內(nèi)

12、部物質(zhì)無或 有極小相對位移，具 有局部翻滾現(xiàn)象；3、 坡面多起伏，前部常 見隆起，上部有封閉 洼地；4、擠出口一 帶已出現(xiàn)緩狀起伏、 云朵狀的貫通 1、邊坡坡度 小于70度；2、 坡體上僅于后 緣出現(xiàn)一組微 具弧狀而貫通 的地裂縫；3、 降雨滲入，致 使坡體內(nèi)部土 體強(qiáng)度降低， 使下墊隔水粘 土層泥化形成 滑動面 1、后壁多呈圈椅形，具 有一個以上臺階，前緣 呈垅狀地形，破壞后平 均坡度緩于25-30度；2、 為整體滑移，內(nèi)部物質(zhì) 無或有極小相對位移， 表層有局部翻滾現(xiàn)象；3、 地面多起伏，前部常見 隆起，上部有封閉洼地； 4、擠出口一帶已出現(xiàn)緩 狀起伏、云朵狀的貫通， 近水平裂紋 1、降入入

13、滲及 地下水的改變， 由于滲透力的 作用導(dǎo)致邊坡 發(fā)生破壞；2、 風(fēng)沙地段，由 于風(fēng)力作用致 使沙丘整體移 動從而發(fā)生破 壞 1、一般為平 面滑動破壞， 滑動面表現(xiàn)為 直線形；2、 為整體移動， 內(nèi)部物質(zhì)無或 有極小相對位 移，表層有局 部翻滾現(xiàn)象 四、穩(wěn)定性影響因素分析四、穩(wěn)定性影響因素分析 內(nèi)在因素內(nèi)在因素： 初始應(yīng)力：指開挖邊坡，坡腳附近出現(xiàn)剪應(yīng)力集中帶，坡頂和坡面的一些部位可能出現(xiàn)張應(yīng)力區(qū)， 可直接引起邊坡變形破壞 巖土體性質(zhì)：巖土體性質(zhì)：巖土的成因類型、組成的礦物成分、巖土結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，是決定邊坡穩(wěn)定的重要因素 巖土體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造：結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)面形狀、與坡面的關(guān)系是邊坡穩(wěn)定的控制因素

14、地形地貌及臨空條件地形地貌及臨空條件：臨空面、坡高、坡度、坡面形狀等直接與邊坡穩(wěn)定性有關(guān) 外在因素外在因素： 風(fēng)化作用：風(fēng)化作用使巖土的強(qiáng)度減弱、裂隙增加，影響斜坡的形狀和坡度， 地震：地震作用除了巖土體受到地震加速度的作用而增加下滑力外，在地震作用下，巖土中的孔隙 水壓力增加和巖土體強(qiáng)度降低都對邊坡的穩(wěn)定不利。 人為因素：邊坡的不合理設(shè)計、開挖或加載，大量施工用水的滲入及爆破等都能造成邊坡失穩(wěn)。 時間因素：巖土體的流變性質(zhì)是影響邊坡穩(wěn)定及邊坡加固措施的一個重要因素 水的作用水的作用：水的入滲使巖土體質(zhì)量增大，巖土因被軟化而抗剪強(qiáng)度降低，并使孔(裂)隙水壓力升高； 1、內(nèi)在因素、內(nèi)在因素 巖土

15、強(qiáng)度參數(shù)：巖土強(qiáng)度參數(shù)：粘聚力和內(nèi)摩擦系數(shù)是邊坡穩(wěn)定性的敏感因素，穩(wěn)定系數(shù)K隨粘聚力C 和內(nèi)摩擦系數(shù)tan的增大均呈線性增大，變化明顯。 結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)：邊坡巖土體中的結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性影響較大。邊坡穩(wěn)定系數(shù)K隨結(jié) 構(gòu)面粘聚力c和內(nèi)摩擦系數(shù)tan的增大均呈對數(shù)關(guān)系增大，變化較明顯。結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度 與結(jié)構(gòu)面的貫通度及面內(nèi)填充物相關(guān)。（不同土層面間的粘聚力和內(nèi)摩擦角怎么確定） 結(jié)構(gòu)面傾角：結(jié)構(gòu)面的存在，降低了土體的整體強(qiáng)度，增大了坡體的變形性能，加強(qiáng) 了土體的流變力學(xué)特性，加深了巖土體的不均勻性、各向異性和非連續(xù)性等性質(zhì)。邊 坡的穩(wěn)定系數(shù)隨接觸面傾角的增大而減?。ǚ€(wěn)定系數(shù)與接觸面傾角的tan值呈線性

16、關(guān)系） 臨空條件：臨空條件： 、坡高：邊坡穩(wěn)定性隨坡高的增加成冪函數(shù)減小，在20m以下邊坡的穩(wěn) 定性變化較大，坡高大于20m，穩(wěn)定系數(shù)的變化趨勢趨緩。坡高對邊坡穩(wěn)定性的影響較 大，屬于敏感因素。隨著坡高的增大，邊坡發(fā)生破壞時位移和應(yīng)變急劇增加，發(fā)生突 變，由此可將其視為坡體即將發(fā)生破壞的依據(jù)； 、坡度：坡度對邊坡的穩(wěn)定性影響 最大，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)隨坡度增大呈冪函數(shù)減小，坡度小于50 時變化較大，大于50 變化趨緩。隨著坡度的增大，坡體位移與剪應(yīng)變急劇增加，發(fā)生突變，由此可將其 視為坡體即將發(fā)生破壞的判據(jù)； 、坡形：邊坡開挖時階梯型邊坡比一坡到頂?shù)倪吰?穩(wěn)定性好，并且臺階越寬、臺階數(shù)越多穩(wěn)定性越

17、好，設(shè)計時結(jié)合造價和旅工難易程度 進(jìn)行取舍。坡表形態(tài)中，微凹型、直線型、微凸型邊坡穩(wěn)定性依次減小。 2、外在因素 水文條件：對邊坡產(chǎn)生影響的水主要是地下水和地表水，其影響情況主要是指： 、水對土體有軟化作用，會使土體的抗剪強(qiáng)度降低，而且還會對結(jié)構(gòu)面起到潤滑 作用；、增加了土體的重度，也就增加了土體的下滑力；、當(dāng)水發(fā)生滲流時會產(chǎn) 生動水壓力；、在土體結(jié)構(gòu)面中會形成一定的地下靜水壓力，隨著時間的推移會促 使滑面變形而使土體失穩(wěn)；、會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。所以水文條件也是影響邊坡穩(wěn)定性 的重要因素。 地 震：地震作用對邊坡的穩(wěn)定性不利，主要是由于地震力的水平分力，在橫波的作用 下，使邊坡巖土體產(chǎn)生向臨空面的

18、拉力，易造成邊坡失穩(wěn)破壞。另外，地震可能引起砂土 液化、地下水位驟變、坡體應(yīng)力急劇改變、巖土體松動等多種不利因素，所以地震造成邊 坡失穩(wěn)的情況非常復(fù)雜，要做到合理的防護(hù)，還有待開展更多的地震工程的研究。地震的 發(fā)震時間、地點(diǎn)及地震震級都是很難準(zhǔn)確預(yù)測 人為因素：人為因素的影響主要考慮施工步驟對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，主要是坡形 (1)邊坡巖土體的強(qiáng)度參數(shù)一粘聚力和內(nèi)摩擦角是邊坡穩(wěn)定性的敏感因素， 穩(wěn)定系數(shù)K隨粘聚力C和內(nèi)摩擦系數(shù)tan 的增大而增大。二元結(jié)構(gòu)邊坡中， 巖土體中的結(jié)構(gòu)面對邊坡穩(wěn)定性影響較大，隨結(jié)構(gòu)面粘聚力C和內(nèi)摩擦系 數(shù)tan 的增大，邊坡穩(wěn)定系數(shù)K也隨之增大。 (2)邊坡臨空面條

19、件因素中，坡高及坡角均為影響穩(wěn)定性的敏感因素，邊 坡穩(wěn)定系數(shù)K隨著坡高及坡角的增大而急劇減小。坡面形態(tài)對邊坡的穩(wěn)定 性也有著顯著的影響，階梯形邊坡的穩(wěn)定性要好于直線形邊坡，坡面形態(tài) 為凹形、直線形、凸形的邊坡，其穩(wěn)定系數(shù)依次減小。 (3)邊坡處在滲流條件下的穩(wěn)定性明顯偏小，剪應(yīng)力集中程度增加；地震 作用對邊坡的不利影響，主要體現(xiàn)在其水平分力使邊坡產(chǎn)生了向臨空面的 拉力；人工開挖邊坡時，隨著開挖高度的增加，邊坡穩(wěn)定性急劇降低。 小結(jié): 五、穩(wěn)定性分析 直線滑動面法： 松散的砂類土邊坡，滲水性強(qiáng)，粘性差，邊坡穩(wěn)定主要靠其內(nèi)摩擦力。失穩(wěn)土體的滑動面近 似直線狀態(tài)，故直線滑動面法適用于砂類土：如下圖所

20、示，驗(yàn)算時，先通過坡腳或變坡點(diǎn)假設(shè)一直 線滑動面，將邊坡斜上方分割出下滑土楔體ABD，沿假設(shè)的滑動面AD滑動，其穩(wěn)定系數(shù)K按下式計 算(按邊坡縱向單位長度計)： 、組成邊坡的物質(zhì)為砂、礫或碎石土?xí)r，粘聚力不計，k= tan / tan ，坡角小于內(nèi)摩 擦角，邊坡趨于穩(wěn)定。 直立邊坡組成的物質(zhì)為粘性土?xí)r，內(nèi)摩擦角可不計，邊坡的極限高度為 h=3.84c/( 為填料重度） 2、圓弧滑動面條分法 瑞典圓弧滑動面條分法是將假定滑動面以上的土體分成n個垂直土條，對作用于各土條上的力和力 矩平衡分析，求出在極限平衡狀態(tài)下土體穩(wěn)定的安全系數(shù)。該法由于忽略土條之間的相互作用力的 影響，因此是條分法中最簡單的一

21、種方法。首先要確定最危險滑動圓弧的形狀，即首先要找出最危 險滑動圓弧的滑動圓心，然后找坡角圓即可畫出最危險滑動圓弧。欲找出K值最小的最危險滑動圓 弧，可根據(jù)不同的土質(zhì)采用不同的方法： 、內(nèi)摩擦角=0的高塑性粘土：最危險的滑動圓弧為坡腳圓，可按下述步驟求最危險滑動圓弧的 滑動圓心： a、根據(jù)坡角查出坡底角1和坡頂角2 b、在坡底和坡頂分別畫出坡底角和坡頂角，兩線的交點(diǎn)即最危險滑動圓弧的滑動圓心 坡角坡角坡底角坡底角1坡頂角坡頂角2坡角坡角坡底角坡底角1坡頂角坡頂角2 903340302636 75324026342535 602940152437 45283811192537 33472635 、內(nèi)摩擦角 0的土