《岩石力学基础教程 教学课件 ppt 作者 侯公羽 第8章 岩石力学在边坡工程中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《岩石力学基础教程 教学课件 ppt 作者 侯公羽 第8章 岩石力学在边坡工程中的应用（64页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第8章 岩石力学在边坡工程中的应用,8.1 岩质边坡的应力分布特征,边坡包括天然边坡和人工边坡，它具有一定的坡度和高度，在重力和其他地质应力作用下不断地发展变化着。自然界的山坡、谷壁、河岸等各种边坡的形成，正是这些地质应力作用的结果。人类工程活动也经常开挖出许多人工边坡，如路堑边坡，运河渠道、船闸、溢洪道边坡，房屋基坑边坡和露天矿坑的边坡等。典型的边坡如图8.1所示。,8.1 边坡示意图,8.1.1 边坡应力状态,边坡形成前，岩体中应力场为原始应力状态。边坡成坡过程中，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。边坡成坡后，岩体的应力状态较成坡前发生以下几个主要方面的变化：
2、（1）坡体中主应力方向发生明显偏转(图8.2)。坡面附近的最大主应力 。与坡面近于平行，其最小主应力 与坡面近于正交；坡体下部出现近于水平方向的剪应力，且总趋势是由内向外增强，愈近坡脚处愈强，向坡体内部逐渐恢复到原始应力状态。 （2）坡体中产生应力集中现象。坡脚附近形成明显的应力集中带，坡角愈陡，集中愈明显。坡脚应力集中带的主要特点是最大主应力 与最小主应力 的应力差达到最大值，出现最大的剪应力集中，形成一最大剪应力增高带。,图8.1 边坡主应力迹线示意图 (a) =30,W=0;(b) =75,W=0;(c) =20,W0.8H;（d） =75,W0.8H,（3）坡面的岩土体由于侧向压力近于
3、零，实际上变为两向受力状态；而向坡体内部逐步地变为三向受力状态。 （4）坡面或坡顶的某些部位，由于水平应力明显降低而可能出现拉应力，形成张力带，如图8.2所示。 实际上，边坡应力分布远比上述复杂，它还受多种因素的影响。,图8.2 坡顶及坡面张力带示意图,8.1.2 影响边坡应力分布的主要因素,边坡应力分布主要受原始应力状态、坡形和岩土体结构特征的影响。 边坡应力的特征，首先取决于未被开挖前岩土体的原始应力状态。任何边坡都毫无例外地处于一定历史条件下的地应力环境之中，特别是在新构造运动强烈的地区，往往存在较大的水平构造残余应力。因而在这些地区边坡岩体的临空面附近常常形成应力集中，主要表现为加剧应
4、力分异现象。 坡面几何形态是影响坡体应力分布的主要因素。表示坡面几何形态的主要要素是坡角。坡角增大时，坡顶及坡面张力带的范围扩大(图8.2)；坡脚应力集中带的最大应力也随之增高。谷底岩土体将因谷坡岩土体向下滑移的趋势而呈挤压状态，应力增高，变形加剧。谷坡的这种状况主要表现在坡脚附近。 边坡变形与破坏的首要条件，在于坡体中存在着各种形式的脆弱结构面，其影响尤以岩质边坡最为显著。边坡岩体的结构特征对坡体应力场的影响相当复杂。其主要表现是，由于岩体的不均一和不连续，沿脆弱结构面周边出现应力集中或应力阻滞现象。因此，它构成了边坡变形与破坏的控制性条件，从而产生不同类型的边坡变形与破坏的机理。,8.2
5、岩质边坡变形与破坏类型,8.2.1 边坡变形的类型 边坡变形按其机制可分为拉裂、蠕滑和弯折倾倒三种基本形式。 拉裂。 在边坡岩土体内拉应力集中部位或张力带内，形成的张裂隙变形形式称拉裂。这种现象在由坚硬岩土体组成的高陡边坡坡肩部位最常见，它往往与坡面近于平行，尤其当岩体中陡倾构造节理较发育时，拉裂将沿其发生、发展。拉裂的空间分布特点是上宽下窄，以至尖灭；由坡面向坡里逐渐减少。拉裂还可能由岩体初始应力释放而发生的卸荷回弹所致，这种拉裂通常称为卸荷裂隙。 蠕滑。 边坡岩土体沿局部滑移面向临空方向的缓慢剪切变形称蠕滑。蠕滑发生的部位，在均质岩土体中一般受最大剪应力迹线控制，而当存在软弱结构面时，往往
6、受缓倾坡外的弱面所控制。当边坡基座由很厚的软弱岩土体组成时，则坡体可能向临空方向溯流挤出，称之为深层蠕滑。当坡体内各局部剪切面(蠕滑面)贯通，且与坡顶拉裂缝也贯通时，即演变为滑坡。图8.3 弯折倾倒发展过程图 弯折倾倒。 由陡倾板(片)状岩石组成的边坡，当走向与坡面平行时，在重力作用下所发生的向临空方向同步弯曲的现象称弯折倾倒。这种边坡变形现象在天然边坡或人工边坡中均可见到。弯折倾倒的特征是：弯折角约2050，弯折倾倒程度由地面向深处逐渐减小，一般不会低于坡脚高程；下部岩层往往折断，张裂隙发育，但层序不乱，而岩层层面间位移明显；沿岩层面产生反坡向陡坎，其发展过程如图8.3所示。,图8.3 弯折
7、倾倒发展过程图,8.2.2 边坡破坏的类型 边坡破坏的形式主要为崩塌和滑坡。 崩塌 边坡岩土体被陡倾的拉裂面破坏分割，突然脱离母体而快速位移、翻滚、跳跃和坠落，堆于崖下，即为崩塌。 崩塌按规模大小可分为山崩和坠石，按物质成分又可分为岩崩和土崩。 崩塌的特征是，一般发生在高陡边坡的坡肩部位，质点位移矢量铅直方向较水平方向要大得多，发生时无依附面，往往是突然发生的，运动快速。 崩塌一般发生在厚层坚硬脆性岩体中。这类岩体能形成高陡的边坡，边坡前缘由于应力重分布和卸荷等原因，产生长而深的拉张裂缝，并与其他结构面组合，逐渐形成连续贯通的分离面。在触发因素作用下发生崩塌(图8.4)。组成这类岩体的岩石有砂
8、岩、灰岩、石英岩、花岗岩等。此外，近于水平状产出的软硬相间岩层组成的陡坡，由于软弱岩层风化剥蚀形成凹龛或蠕变，也会形成局部崩塌(图8.5)。,图8.4 坚硬岩石组成的边破前缘 图8.5 软硬岩性互层的陡坡 卸荷裂隙导致崩塌示意图 局部崩塌示意图 1灰岩；2砂页岩；3石英岩 1砂岩；2页岩,构造节理和成岩节理对崩塌的形成影响很大。 崩塌的形成又与地形直接相关。 风化作用也对崩塌的形成有一定影响。因为风化作用能使边坡前缘各种成因的裂隙加深加宽，对崩塌的发生起催化作用。此外，在干旱、半干旱气候区，由于物理风化强烈，导致岩石机械破碎而发生崩塌；高寒山区的冰劈作用也有利于崩塌的形成。 在上述诸条件制约下
9、，崩塌的发生还与短时的裂隙水压力以及地震或爆破震动等触发因素有密切关系。尤其是强烈的地震，常可引起大规模崩塌，造成严重灾祸。 湖北省远安县境内的盐池河磷矿灾难性山崩，是崩塌形成诸条件制约的典型实例。该磷矿位于一峡谷中。岩层为上震旦统灯影组(Zbdn)厚层块状白云岩及上震旦统陡山沱组(Zbd)含磷矿层的薄至中厚层白云岩、白云质泥岩及砂质页岩。岩层中发育有两组垂直节理，使山顶部的灯影组厚层白云岩三面临空。地下采矿平巷使地表沿两组垂直节理追踪发展张裂缝。1980年6月810日连续两天大雨的触发，使山体顶部前缘厚层白云岩沿层面滑出形成崩塌，体积约100万m3，造成生命财产的严重损失(图8.6)。,图8
10、.6 盐池问崩塌山体地质剖面图, 滑坡。 边坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象，称为滑坡。滑坡的机制是某一滑移面上剪应力超过了该面的抗剪强度所致。滑坡的规模有的很大，达数亿至数十亿立方米。 滑坡的特征是：通常是较深层的破坏，滑移面深入到坡体内部以至坡脚以下；质点位移矢量水平方向大于铅直方向；有依附面(即滑移面)存在；滑移速度往往较慢，且具有整体性。 滑坡的发生和发展，主要受滑床面形成机理的制约。有以下三种情况：滑床面的形成不受已有脆弱结构面的控制；滑床面的形成受已有脆弱结构面控制；滑床面的形成受软弱基座的控制。 在均质完整坡体或虽已有脆弱结构面但尚不成为滑动控制面的坡体中，滑床面的形
11、成主要受控于最大剪应力面，但在坡顶它与扩张性破裂面重合。因此，滑床面实际上与最大剪应力面有一定的偏离(有一定夹角)，其纵断面线近似于对数螺旋线。为研究方便，常把滑床面近似地视为弧。这种滑床面多出现在土质、半岩质(如泥岩、泥灰岩、凝灰岩)或强风化的岩质坡体之中，均由表层蠕动发展而成。,滑动控制面是由单一的，或一组互相平行的脆弱结构面构成的滑床面，这些滑床面或者由此脆弱结构面直通坡顶，或者被另一组陡立脆弱结构面切断，或者在后缘与切层的弧形面相连(图8.7)。由两组以上的脆弱结构面构成的滑床面，其空间形态各式各样(图8.8)。但滑床面的纵剖面线，可归纳为直线形、折线形和锯齿形(图8.9)。应该说明，
12、由多组脆弱结构面构成的锯齿形滑床面，在每一转折处都可以出现切角与次一级剪面的蠕动过程；但随着脆弱结构面的加密，使岩体整体性发生了变化，这种脆弱结构面对滑床面的控制作用已不明显，滑床面的总轮廓又转化为弧形。,图8.7 受一组脆弱结构面控制的滑床面 (a)直通坡顶；(b)被陡立脆弱结构面切削；(c)后缘与切层弧形面相连,图8.8 受两组以上脆弱结构面控制的滑床面 (a)锥形体；(b)楔形体；(c)菱形体；(d)槽形体,图8.9 滑床面沿滑动方向剖面线形态示意图 (a)直线形；(b)折线肜；(c)锯齿形,受软弱基座控制的滑床面，是由软弱基座的蠕动发展而成的。它可以分为两部分：软弱基座中的滑面，一般受
13、最大剪应力面控制；上覆岩体中的滑面，受断陷或解体裂隙或脆弱结构面控制。当上覆岩体已被分割解体而丧失强度时，滑动主要受软弱基座的控制，通常这种滑坡的滑动较缓慢(图8.10(a)。当上覆岩体中裂隙仍具有较大强度时，一旦滑动，通常为突发而迅猛的崩滑，常见于软弱基座层很薄的条件下(图8.10(b)。,图8.10 受软弱基座控制的滑床面示意图 1软弱基座蠕动； 2沉降裂隙； 3单薄的软弱基座,8.2.3 边坡变形破坏的地质力学模式 根据岩体变形破坏的力学机制，边坡变形也可概括为下列几种基本的地质力学模式，即蠕滑(滑移)-拉裂(creep-sliding and fracturing)；滑移-压致拉裂(s
14、liding and compression cracking)；弯曲-拉裂(bending and fracturing)；溯流-拉裂(plastic flowing and fracturing)和滑移-弯曲(sliding and bending)。 蠕滑(滑移)-拉裂这类变形，以图8.11为例，演变过程可划分为三个阶段：表层蠕滑(图8.11(a)；后缘拉裂(图8.11(b)；潜在剪切面剪切扰动(图8.11(c)。,图8.11 倾内薄层状体边坡中蠕滑一拉裂演变过程图,滑移-压致拉裂主要发育在坡度中等至陡的平缓层状体边坡中。坡体沿平缓结构面坡前临空方向产生缓慢的蠕变性滑移。滑移面的锁固点或
15、错列点附近，因拉应力集中产生与滑移面近于垂直的拉张裂隙，向上(个别情况向下)扩展且其方向逐渐转成与最大主应方向趋于一致(大体平行坡面)，并伴有局部滑移。这种拉裂面的形成机制与压应力作用格里菲斯裂纹的形成扩展规律近似，所以它应属压致拉裂。滑移和拉裂变形是由边坡内弱结构面处自下而上发展起来的(图8.12)。这类变形演变过程可分为三个阶段：卸荷回弹阶段(图8.12(a)；压致拉裂面自下而上扩展阶段(图8.12(b)，(c)；滑移面贯通阶段(图8.12(d)。,图8.12 滑移-压致拉裂变形演变图,滑移-弯曲发育在倾向坡外层状体边坡中。滑移面平直的滑移-弯曲变形可划分如图8.13所示的三个演变阶段：轻
16、微弯曲阶段(图8.13(a)；强烈弯曲、隆起阶段(图8.13(b)；切出面贯通阶段，滑移面贯通并发展为滑坡(图8.13(c)，多为崩滑。 弯曲-拉裂主要发育在由直立或陡倾坡内的层状岩体组成的边坡中，层面走向与边坡走向夹角应小于30。演变可划分为如图8.14示的三个阶段：卸荷回弹陡倾面拉裂阶段；板梁弯曲，拉裂面深向扩展、后向推移阶段；板梁根部折裂、压碎阶段。,图8.13 滑移一弯曲变形演变图式 图8.14 弯曲一拉裂(厚层板梁)演变图,溯流-拉裂主要发育在以软弱层(带)为基座的软弱基座型边坡中。其演变过程如图8.15所示。软弱基座倾向坡内的陡坡发生变形时表现为另一种形式，其演变过程依次为前缘溯流-拉裂变形和深部溯流-拉裂变形。 在同一边坡变形体中，也可能包含有两种或多种变形模式，它们可以不同方式复合。同样，某一变形模式也可在演化过程中转化为另一种模式。,图8.1
