東北大學課件邊坡工程概述

1、8.1 概述8.2 邊坡的破壞形式及其影響因素8.3 邊坡穩(wěn)定性分析8.4 滑坡的防治與監(jiān)測 第八章 巖石邊坡工程 1斜坡(slope)統(tǒng)指地表一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，包括天然斜坡和人工邊坡。天然斜坡(簡稱斜坡）是指自然地質(zhì)作用形成未經(jīng)人工改造的斜坡。8.1 概述人工邊坡(簡稱邊坡）是指經(jīng)人工開挖或改造形成的斜坡。28.1.1 邊坡工程對國民經(jīng)濟建設的影響1)露天礦一種大規(guī)模的開挖工程。廢石挖方量Q為：如果坡角從1=35增加到2=36，對深度400m的礦坑，每公里長的坡段可減小剝離量4.15Mm3隨著坡高的增加，加陡邊坡可減少廢石開挖和運輸量，提高礦山的經(jīng)濟效益，但存在邊坡的穩(wěn)定性問題，陡

2、到？程度優(yōu)化設計32）鐵路、公路、水利建設路堤邊坡與路塹邊坡的穩(wěn)定性嚴重影響到鐵路、公路與水利設施的安全運營與建設成本路堤高度一定，坡角越大，路基占地面積越小。減少填方量路塹、水利工程施工中，加大邊坡角，減少土石方開挖量8.1.1 邊坡工程對國民經(jīng)濟建設的影響43）其他方面房屋建筑與市政建設中，邊坡的穩(wěn)定性一方面影響到建筑物的安全運營與使用，另一方面也影響到建設成本。邊坡工程一方面關系到其所維系的各構(gòu)筑物的安全正常使用，另一方面同樣也影響到施工成本。邊坡工程研究目的：研究邊坡變形破壞的機理(包括應力分布及變形破壞特征)與穩(wěn)定性，一是對與工程有關的天然邊坡穩(wěn)定性作出定性和定量評價；二是要為合理地

3、設計人工邊坡和邊坡變形破壞的防治措施提供依據(jù)。其中穩(wěn)定性計算是巖體邊坡穩(wěn)定性分析的核心8.1.1 邊坡工程對國民經(jīng)濟建設的影響5在巖體中進行開挖，形成人工邊坡后，由于開挖卸荷，在近邊坡面一定范圍內(nèi)的巖體中，發(fā)生應力重分布作用，使邊坡巖體處于重分布應力狀態(tài)。邊坡巖體為適應重分布應力狀態(tài)，將發(fā)生變形和破壞。因此，研究邊坡巖體重分布應力特征是進行穩(wěn)定性分析的基礎。8.1.2 應力分布特征6邊坡面附近的主應力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最大主應力與坡面近于平行，最小主應力與坡面近于正交，向坡體內(nèi)逐漸恢復初始應力狀態(tài)。坡面上徑向應力為零，為雙向應力狀態(tài)，向坡內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為三向應力狀態(tài)。8.1.2 應力分布特征7(3) 坡

4、面附近產(chǎn)生應力集中帶。在坡腳附近，最大剪應力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，常形成拉應力帶。邊坡愈陡，則此帶范圍愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破壞。 (4) 最大剪應力跡線為凹向坡面的弧線。8.1.2 應力分布特征8(1)天然應力 水平天然應力使坡體應力重分布作用加劇。(2)坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡高不改變應力等值線的形狀，但改變主應力的大小。坡角影響邊坡巖體應力分布情況。坡底寬度對坡腳巖體應力有較大的影響。坡面形狀對重分布應力也有明顯的影響。8.1.3影響邊坡應力分布的因素9(3)巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征巖體變形模量對邊坡應力影響不大，泊松比對邊坡應力影響較大。這是由于泊松比的變化，可以使水

5、平自重應力發(fā)生改變。(4)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面的存在使坡體中應力發(fā)生不連續(xù)分布，并在結(jié)構(gòu)面周邊或端點形成應力集中帶或阻滯應力的傳遞，這種情況在堅硬巖體邊坡中尤為明顯。8.1.3影響邊坡應力分布的因素10巖體邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中兩個不同的階段，變形屬量變階段，而破壞則是質(zhì)變階段，它們形成一個累進性變形破壞過程。8.2.1 邊坡巖體變形的基本類型8.2.2 邊坡破壞的基本類型8.2.3 影響巖體邊坡變形破壞的因素8.2 邊坡的破壞形式及其影響因素111、松動在成坡過程中，由于荷重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向(臨空面) 產(chǎn)生伸長變形，即卸荷回彈。天然應力越大，向臨空方向的回彈變形量也越大。往

6、往會伴隨產(chǎn)生一系列的張性結(jié)構(gòu)面。8.2.1 邊坡巖體變形的基本類型巖石邊坡的變形以坡體未出現(xiàn)貫通性的破壞面為特點，但在坡體的局部區(qū)域，特別在坡面附近也可能出現(xiàn)一定程度的破裂與錯動，但從整體而言并未產(chǎn)生滑動破壞，主要表現(xiàn)為松動和蠕動。122、蠕變變形邊坡巖體中的應力對于人類工程活動的有限時間來說，可以認為是保持不變的。在這種近似不變的應力作用下，邊坡巖體的變形也將會隨時間不斷增加，這種變形稱為蠕變變形。當邊坡內(nèi)的應力未超過巖體的長期強度時，則這種變形所引起的破壞是局部的。反之，這種變形將導致邊坡巖體的整體失穩(wěn)。這種破裂失穩(wěn)是經(jīng)過局部破裂逐漸產(chǎn)生的，幾乎所有的巖體邊坡失穩(wěn)都要經(jīng)歷這種逐漸變形破壞過

7、程。8.2.1 邊坡巖體變形的基本類型138.2.1 邊坡巖體變形的基本類型1）表層蠕動邊坡淺部巖體在重力的長期作用下，向臨空方向緩慢變形構(gòu)成一剪變帶，其位移由坡面向坡體內(nèi)部逐漸降低直至消失。巖質(zhì)邊坡的表層蠕動，常稱為巖層末端“撓曲現(xiàn)象”，系巖層或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)面較發(fā)育的巖體，在重力長期作用下，沿結(jié)構(gòu)面錯動或局部破裂而成的屈曲現(xiàn)象。分布于頁、薄層砂巖或石灰?guī)r、片巖、石英巖，以及破碎的花崗巖體所構(gòu)成的邊坡中。軟弱結(jié)構(gòu)面愈密集，傾角愈陡，走向愈接近于坡面走向時，其發(fā)育尤甚。148.2.1 邊坡巖體變形的基本類型2）深層蠕動主要發(fā)育在坡體下部或坡體內(nèi)部，按其形成機制特點，深層蠕動有軟弱基座蠕動和坡體蠕動兩

8、類。坡體的基座產(chǎn)狀較緩且具有一定的厚度的相對軟弱巖層，在上覆重力作用下，致使基座部分向臨空方向蠕動，并引起上覆巖層的變形與解體，是“軟弱基座蠕動”的特征。坡體沿緩傾斜結(jié)構(gòu)面向臨空方向緩慢移動變形，稱為坡體蠕動。在卸荷裂隙較發(fā)育并有緩傾結(jié)構(gòu)面的坡體中比較普遍。15單平面滑動雙平面滑動多平面滑動邊坡破壞的基本類型楔形狀滑動圓弧形滑動平面滑動滑坡傾倒破壞崩塌8.2.2 邊坡破壞的基本類型邊坡的變形發(fā)展到一定程度，將導致邊坡的失穩(wěn)破壞。16崩塌：斜坡巖土體被結(jié)構(gòu)面分割的塊體，突然脫離母體以垂直運動為主、翻滾跌躍而下的現(xiàn)象與過程8.2.2 邊坡破壞的基本類型178.2.2 邊坡破壞的基本類型巖坡的崩塌常

9、發(fā)生于高、陡邊坡的前緣地段。高陡斜坡和陡傾裂隙，是由于斜坡前緣的裂隙卸荷作用、由基座蠕動造成斜坡解體而形成。這些裂隙在表層蠕動作用下，進一步加深、加寬，并促使坡腳主應力增強，坡體蠕動進一步加劇，下部支撐力減弱，從而引起崩塌。崩塌形成的巖堆給其后側(cè)坡腳以側(cè)向壓力，再次發(fā)生崩塌的突坡處上移。所以，崩塌具有使斜坡逐次后退、規(guī)模逐漸減小的趨勢。188.2.2 邊坡破壞的基本類型巖坡崩塌產(chǎn)生的力學機理認為巖體在重力與其他外力共同作用下超過巖體強度而引起的破壞現(xiàn)象。其他外力：由于裂隙水的凍結(jié)而產(chǎn)生的楔開效應、裂隙水的靜水壓力、植物根須的膨脹壓力以及地震、雷擊等的動力荷載等，都會誘發(fā)巖坡產(chǎn)生崩塌現(xiàn)象。地震引

10、起的坡體晃動和大暴雨滲入使裂隙水壓力劇增，甚至可使被分割的巖體突然折斷，向外傾倒崩塌。自然界的巨型山崩，總是與強烈的地震或特大暴雨相伴生。19滑坡：斜坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面（帶），產(chǎn)生以水平運動為主的現(xiàn)象，稱為滑坡。8.2.2 邊坡破壞的基本類型208.2.2 邊坡破壞的基本類型與崩塌的區(qū)別滑坡通常以深層破壞的形式出現(xiàn)?；瑒用嫱钊氲狡麦w內(nèi)部，甚至延伸到坡腳以下?；瑒铀俣缺缺浪徛?。不同的滑坡其滑速可以相差很大，主要取決于滑動面本身的物理、力學性質(zhì)。如，當滑動面通過脆性巖石，或者滑面本身具有一定的抗剪強度時，由于構(gòu)成滑面之前可以承受較高的下滑力，一旦形成滑面即將下滑時，其抗剪強度急劇下

11、降，滑動突發(fā)而迅速。218.2.2 邊坡破壞的基本類型根據(jù)滑面的形狀，滑坡形式可分為平面剪切滑動和旋轉(zhuǎn)剪切滑動。平面滑動的特點是塊體沿著平面滑移。它的產(chǎn)生是由于這一平面上的抗剪力與邊坡形狀不相適應。常發(fā)生在地質(zhì)軟弱面的走向平行于坡面，產(chǎn)狀向坡外傾斜的地方。根據(jù)滑面的空間幾何組成，分為簡單平面剪切滑動、階梯式滑坡、三維楔體滑坡和多滑塊滑動等幾何破壞模式。228.2.2 邊坡破壞的基本類型旋轉(zhuǎn)剪切滑動的滑面通常成弧形狀，巖體沿此弧形滑移。在均質(zhì)巖體中，特別是均質(zhì)泥巖或頁巖中易產(chǎn)生近圓弧形滑面。當巖土非常軟弱（土邊坡）或者巖體節(jié)理異常發(fā)育或已破碎，破壞也常常表現(xiàn)為圓弧狀滑動。23傾倒破壞：由陡傾或直

12、立板狀巖體組成的斜坡，當巖層走向與坡面走向近平行時，在自重應力的長期作用下，由前緣開始向臨空方向彎曲、折裂，并逐漸向坡內(nèi)發(fā)展的現(xiàn)象稱為傾倒破壞（彎曲傾倒）。8.2.2 邊坡破壞的基本類型248.2.2 邊坡破壞的基本類型其他破壞模式：滑塌、巖塊流動、巖層曲折滑塌：邊坡松散巖土的坡角大于它的內(nèi)摩擦角時，因表層蠕動進一步發(fā)展，使它沿著剪變帶表現(xiàn)為順坡滑移、滾動與坐塌，從而重新達到穩(wěn)定坡腳的斜坡破壞過程。258.2.2 邊坡破壞的基本類型巖塊流動：通常發(fā)生在均質(zhì)硬巖層中，類似于脆性巖石在峰值強度點上破碎而使巖層全面崩塌的情形。成因：先是在巖層內(nèi)部某一應力集中點，巖石因高應力的作用而開始破裂或破碎，于

13、是所增加的荷載傳遞給鄰近的巖石，從而又使鄰近巖石受到超過其強度的荷載作用，導致巖石進一步的破裂。268.2.2 邊坡破壞的基本類型巖層曲折：當巖層成層狀沿坡面分布時，由于巖層本身的重力作用，或由于裂隙水的冰脹作用，增加了巖層之間的張拉應力，使坡面巖層曲折，導致巖層破壞，巖塊沿坡向下崩落。以上的基本破壞模式，在同一坡體的發(fā)生、發(fā)展過程中，常常是相互聯(lián)系和相互制約的。在一些高陡邊坡發(fā)生破壞的過程中，常常先以前緣部分的崩塌為主，并伴隨滑塌和淺層的滑坡，隨時間推移，逐漸演變?yōu)樯顚踊隆?78.2.2 邊坡破壞的基本類型281、巖性 決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎。 2、巖體結(jié)構(gòu) 巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特

14、征是巖體邊坡破壞的控制因素。 變形與破壞的首要條件，在于坡體中存在各種形式的結(jié)構(gòu)面。巖體的結(jié)構(gòu)特征對邊坡應力場的影響主要表現(xiàn)為由于巖體的不均一和不連續(xù)性，使沿結(jié)構(gòu)面周邊出現(xiàn)應力集中阻滯現(xiàn)象，因此，構(gòu)成了邊坡變形與破壞的控制性條件，從而形成不同類型的變形與破壞機制。8.2.3 影響巖體邊坡變形破壞的因素298.2.3 影響巖體邊坡變形破壞的因素3、水的作用 使巖土的質(zhì)量增大、滑動面的滑動力增大；巖土軟化、抗剪強度降低；對巖體產(chǎn)生動水壓力和靜水壓力。斜坡的變形與破壞大都發(fā)生在雨季或雨后，還有部分發(fā)生在水庫蓄水和渠道放水之后，有的則發(fā)生在施工排水不當?shù)那闆r下。4、風化作用 使巖體內(nèi)裂隙增多、擴大，透水性增強