第五章斜坡变形破坏

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1、第五章斜坡变形破坏 工程地质研究西安科技大学地质与环境学院 2009.2基本要求：掌握斜坡变形破坏的基本概念、斜坡应力的分布特征、斜坡变形破坏的形式与特征、斜坡稳定性影响因素、斜坡稳定性评价和斜坡变形破坏的预测预报方法。了解斜坡变形破坏的防治措施。课程内容：5.1基本概念及研究意义5.2 斜坡应力分布特征 5.3斜坡变形的基本形式与特征5.4 斜坡变形破坏机制与演化5.5 影响斜坡稳定性的因素5.6 斜坡稳定性评价与预测预报 5.7 防治斜坡变形破坏的原则与措施 5.1 基本概念及研究意义 斜坡（slope）：是指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，是地表广泛分布 的一种地貌形式。一般可分为天

2、然斜坡和 人工边坡。 天然斜坡：指自然形成、未经人工破坏改造的斜坡，如沟谷岸坡、山坡、海岸 等。 人工边坡：指经人工开挖或改造形成的斜坡，如渠道边坡、基坑 斜坡具有坡面、坡顶、坡肩、坡脚、坡 角和坡高等形态要素。 坡面：斜坡的临空斜面； 坡顶面：斜坡顶部缓坡面或水平面； 坡肩：坡面与坡顶面的转折部位； 坡脚：斜坡最下部与水平地面相接部位； 坡角：坡面与水平地面的夹角； 坡高：坡肩与坡脚间的垂直高度。斜坡变形破坏斜坡变形破坏是内、外动力地质作用及人是内、外动力地质作用及人类活动作用下，斜坡岩土体处于不稳定状态或类活动作用下，斜坡岩土体处于不稳定状态或 失稳的一种现象。失稳的一种现象。斜坡破坏斜坡

3、破坏系指斜坡岩系指斜坡岩( (土土) )体中已形成贯通体中已形成贯通性破坏面时的变动。性破坏面时的变动。而在贯通性破坏面形成之前，斜坡岩体的而在贯通性破坏面形成之前，斜坡岩体的变形与局部破裂，称为变形与局部破裂，称为斜坡变形斜坡变形。斜坡中已有明显变形破裂迹象的岩土体，斜坡中已有明显变形破裂迹象的岩土体，或已查明处于进展性变形的岩土体，称为或已查明处于进展性变形的岩土体，称为变形变形 体体。被贯通性破坏面分割的斜坡岩体，可以多被贯通性破坏面分割的斜坡岩体，可以多种运动方式失稳破坏，如滑落、崩落等。破坏种运动方式失稳破坏，如滑落、崩落等。破坏 后的滑落体后的滑落体( (滑坡滑坡) )或崩落体等被

4、不同程度地解或崩落体等被不同程度地解体。但在特定的自身或环境条件下，它们还可体。但在特定的自身或环境条件下，它们还可 继续运动、演化或转化为其他运动方式，称为继续运动、演化或转化为其他运动方式，称为 破坏体的继续运动破坏体的继续运动。斜坡变形、破坏和破坏后的继续运动斜坡变形、破坏和破坏后的继续运动，分别代表了斜坡变形破坏的三个不同演化阶，分别代表了斜坡变形破坏的三个不同演化阶 段。段。斜坡岩(土)体稳定性的工程地质分析的两大任务:(1) 对斜坡的稳定性作出评价和预测；(2) 为设计合理的人工边坡以及制定有效整治措施提供依据。崩塌、滑坡名称发生日期 方量（104m3 ）运动速度最大运动距离（m）

5、死亡人数斜坡类型诱发因素盐池河崩塌 （湖北）1980.6.310034 m/s （最大值 ）400284 平缓层状，软 弱基座地下采矿铁西滑坡 （四川，成昆线）1981.7.82204m/h (平均值 ）70 中倾外层状体 ，老滑体局部复活地面采石渡口灰岩矿山滑坡 （四川，攀枝花）1981.6.1 04165.5m/min （平均值 ）220 中倾外层状体 斜坡地面采石四川盆地西部 暴雨滑坡1981. 7月，9月数百个，单 个滑坡方量大多 小于100万m35 m/s100 约10人 多种类型层状 体斜坡暴雨（数十年一 遇，暴雨强度 200mm/d） 鸡扒子滑坡 （四川，长江云阳）1982.7.

6、2 41500310 m/min 150200 变角倾外层状 体斜坡，老滑坡局 部复活暴雨洒勒山滑坡碎屑流 （甘肃）1983.3.73000400032 m/s （最大值 ）900237 平缓层状体斜 坡新滩滑坡 （湖北，长江新滩）1985.6.1 2300010 m/s80 老滑坡复活马家坝滑坡 （湖北，姊归）1986.7.1 62400中速数十米 缓倾外层状体 斜坡，老滑坡复活暴雨西宁滑坡碎屑流 （四川，巫溪）1988.1.1 07001850 m/s80026 倾内层状体斜 坡，软弱基底 溪口滑坡碎屑流 （四川，华蓥山）1989.7.1 0202030 m/s1500221 倾内层状体斜

7、 坡暴雨昭通滑坡碎屑流 （云南，金沙江支流）1991.9.2 31500200075m/s（ 平均）4500216 倾外层状斜坡暴雨表91 我国80年代重大崩、滑灾害事件斜坡结构类型分类原则见9.3节。5.1基本概念及研究意义5.2 斜坡应力分布特征 5.3斜坡变形的基本形式与特征5.4 斜坡变形破坏机制与演化5.5 影响斜坡稳定性的因素5.6 斜坡稳定性评价与预测预报 5.7 防治斜坡变形破坏的原则与措施 5.2 斜坡应力分布特征斜坡岩土体的应力分布是决定斜坡变形破坏形式和了解其形成机制的基本依据。虽然目前大多数斜坡都假定为均质各向同性的弹性体，用有限元法来计算仍与实际情况有一定出入，但是这

8、方面的分析却有助于了解斜坡应力分布的一般规律。 5.2 斜坡应力分布特征5.2.1 5.2.1 斜坡应力场的基本特征斜坡应力场的基本特征(1)(1)由于应力的重分布，斜坡周围主应力迹线由于应力的重分布，斜坡周围主应力迹线 发生明显偏转。无论是在发生明显偏转。无论是在重力场条件重力场条件下，还下，还 是在以水平应力为主的是在以水平应力为主的构造应力场条件构造应力场条件下，下， 其总的特征表现为愈靠近临空面，最大主应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，最小主应力则与之力愈接近平行于临空面，最小主应力则与之 近于正交近于正交( (图图5.25.2下下) )向坡体内部逐渐恢复

9、到原向坡体内部逐渐恢复到原 始应力状态。始应力状态。图5.2 用有限 元解出的位移 迹线图（上） 和主应力迹线 图（下）（a）重力场 条件（N 0.33）；（b）以水平 应力为主的构 造应力场条件 下（N3） (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(图5.2下)；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

10、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(图 5.4)。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。 图5.4 斜坡张力带分布状况及其与水平剩余应力（L）、坡角（）关系示意图（据Stacey，1970） (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。这也正是均质岩 土体中斜坡破坏面常成圆弧状的原因。 (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2时)，向内渐变为两向或

11、三向( 考虑2时)状态。 5.2 斜坡应力分布特征 5.2.2 影响斜坡岩体应力分布的主要因素 主要包括：原始应力状态、坡形、岩土特征和结构。 一、原（初）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(图5.2下)， 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。 5.2 斜坡应力分布特征 在坡脚区，根据图5.4，坡底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L3gh时，该值可达7-10gh ，与L=0的情 况相比（当L=0 ，坡角60时才开

12、始出现张 力带），相差十分悬殊。 5.2 斜坡应力分布特征图5.5 坡角最大剪应力与坡角 和坡底宽（W）关系图解（据Stacey，1970）二、坡形的影响坡形包括斜坡的坡高、坡角、坡 底宽度和平面形态 等几个方面，他们 对斜坡应力分布均 有一定影响。 5.2 斜坡应力分布特征坡高不改变应力等值线图像，但 坡内各处的应力值，均随着坡高的增 高而线性增大；坡角明显改变应力分布状况：随 着坡角变陡，坡面附近张力带范围扩 大、增强（图5.4）； 5.2 斜坡应力分布特征坡底宽度对坡脚应力状态也有较大影响： 当W0.8H时，则保持为一常数（称残余坡脚应力），且与一般斜坡 情况一样。可见，“高宽比”较小的

13、高山峡谷区，特别当存在垂直河谷方向的较大水平剩余应力时，坡脚和谷底一带可形成一极强的应力集中带； 5.2 斜坡应力分布特征斜坡平面形态对其应力状态也有明显影 响：三维分析表明，凹形坡应力集中明显减缓；圆形或椭圆形矿坑边坡，坡脚最大剪应 力仅只有一般斜坡的二分之一左右；当水平 地应力平行于椭圆形矿坑长轴时，应力集中 程度较平行于短轴方向缓和。这些特征对露 天采坑边坡设计，具有重要意义。 5.2 斜坡应力分布特征三、岩土特征和结构的影响岩土体的变形模量（弹性模量）（E0）对 均质坡体的应力分布并无明显影响；波松比（）可以改变主应力（x）和剪 应力(xy)的分布，引起张力带变化： 增大， 坡面和坡顶

14、张应力带扩展；而在坡底则相反， 增大，张应力带收缩。注意，当斜坡中侧向剩余应力值很高时， 这种影响就被掩盖了。可见，均质坡中，岩土 材料性质对应力分布的影响是很微弱的。 5.2 斜坡应力分布特征5.1基本概念及研究意义5.2 斜坡应力分布特征 5.3斜坡变形与破坏的基本形式与特征5.4 斜坡变形破坏机制与演化5.5 影响斜坡稳定性的因素5.6 斜坡稳定性评价与预测预报 5.7 防治斜坡变形破坏的原则与措施 5.3 斜坡变形与破坏的基本形式与特征 5.3.1 斜坡变形的主要方式 斜坡变形实际上在其形成过程中即已发生，表现为卸荷回弹和蠕变两种主要方式。 卸荷回弹(unloading rebound

15、)是斜坡岩体内积存的弹性应变能释放而产生的。在高地应力区 的岩质斜坡中尤为明显。成坡过程中斜坡岩体向 临空方向回弹膨胀(图5.2上)，使原有结构松弛； 同时又可在集中应力和剩余应力作用下，产生系 列新的表生结构面(5.7)，或改造一些原有结构面 。 图5.7与卸荷回弹有关的结构面的主要类型 在此过程中当然也包含有蠕变，但是它是由 岩体中积存的内能作功所造成的，所以一旦失去 约束的那一部分内能释放完毕，这种变形即告结 束，大多在成坡以后于较短时期内完成。 斜坡中经卸荷回弹而松弛，并含有与之有关 的表生结构面的那部分岩体，通常称为卸荷带。 它的发育深度与组成斜坡的岩性、岩体结构特征 、天然应力状态、外形以及斜坡形成演化历史等 因素有关。卸荷带也是斜坡中应力释放的部位， 相当于应力的降低带。一般情况下，卸荷带愈深 ，应力集中带也分布得愈探。 5.3 斜坡变形与破坏的基本形式与特征 斜坡的蠕变是在坡体压力(以自重应力为主)长期作用下发生的一种缓慢而持续的变形 ，这种变形包含某些局部破裂，并产生一些新 的表生破裂面。坡体随蠕变的发展而不断松弛 。瓦伊昂滑坡失事前三年开始的长期观测，已 发现该区有蠕变迹象。1963年春季以前，大致 保持等速蠕变，同年春季、夏季测得的位移速