岩质边坡稳定性分析方法研究打印版

2021-04-25 12:38:43本页面

岩质边坡稳定性分析方法研究打印版


【正文】

. 岩质边坡稳定性分析方法研究 摘要:影响岩质边坡稳定性的因素是多方面的,包括岩性、岩体结构、水文地质条件、地震、地貌、分化作用以及人类工程活动等因素。其中,岩体中的控制性结构面很大程度上起决定性作用。因此,合理的对岩体结构进行分类,是分析判断岩质边坡稳定性的前提条件。岩质边坡的破坏形式多种多样,这也决定了其稳定性分析评判方法有许多种。选用合理的分析方法以评判实际边坡的稳定性是极其重要的。 本文首先回顾了岩质边坡的分类方法和破坏模式,并简单的分析了影响边坡稳定性的因素,然后总结了目前常用的边坡稳定性分析理论方法,最后介绍了其中几种有代表性的理论方法。 关键词:岩质边坡;

稳定性分析;刚体极限平衡法;有限单元法;神经网络法 1.引言 岩体是一种极其复杂的不连续介质,岩质边坡受岩石材料、岩体结构、地下水、地应力、人工环境等多种因素作用易发生滑动、崩塌、倾倒、溃屈等多种破坏形式。合理地分析评判岩质边坡的稳定性是边坡工程设计的基础。 由于岩质边坡的复杂性,为充分发展边坡工程理论和完善边坡工程设计,工程界提出了许多关于岩质边坡的分类方法。按岩石类别可分为岩浆岩边坡、沉积岩边坡、变质岩边坡;按岩体结构分类可分为块状结构边坡、层状结构边坡、碎裂结构边坡及散体结构边坡;根据岩层与坡面的空间关系可分为顺向坡、斜向破及反向坡等;根据边坡稳定性又可分为稳定边坡、不稳定边坡及已失稳边坡。

岩质边坡有多种失稳模式,不同类型的边坡的失稳模式不一样,同种边坡类型,在不同的条件下,其失稳模式也大相庭径。岩质边坡的失稳模式有滑动破坏、倾倒破坏及溃屈破坏,其中滑动破坏有可分为平面破坏、弧形破坏及楔形破坏。 近些年来,国家投入了大量的资金用于基础建设,各类工程建设在如火如荼的进行中,但同时也出现了各种工程事故,其中最为严重的是全球三大自然灾害之一的边坡失稳破坏。因此,减少该类事故的发生是一项紧迫又艰巨的任务。造成边坡失稳破坏的原因包括自然因素和人为因素。自然因素在一定程度上不为人类所控制,包括岩性、岩体结构、地下水、地震及边坡形状类型等;人为因素是受我们人类所控制的,包括人类工程活动、生活方式及人类对边坡工程的认识程度等。

因此,应充分认识各类因素对边坡稳定性的影响,最大限度的减小人类活动对边坡带来的不利影响。 造成边坡失稳事故的部分原因是因为未能对边坡稳定性做出正确的评判。因此,恰当的分析边坡稳定性显得尤为重要。目前,常见的边坡稳定性分析方法有定性分析方法、定量分析方法、半定量分析方法及不确定方法等,每种方法都有各自的优点、缺点及适用范围等,选用合理的分析方法以评判实际边坡的稳定性是极其重要的。 2.岩质边坡的分类 岩体结构的分类,主要是以岩石强度、岩体完整性(岩体被结构面切割的程度)以及岩体的各种结构特征为基础的,能较好的反映岩体的质量。目前,在我国工程地质界应用较为广泛的岩体结构划分标准,是谷德振先生首先提出的。

分为:整体块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构四大类,其中又可分为若干亚类。详见表21【1】。 表21岩质边坡分类表 序号 岩体结构 岩石类型 岩体特征 边坡稳定性特征 类型 亚类 1 块状结构 岩浆岩、中深变质岩、厚层沉积岩 岩体呈块状或厚层状,结构面不发育,间距在50一l00cm以上,多为刚性结构面,贯穿性软弱结构面少见。Kv=10.4;RQD>50% 边坡稳定条件好,易形成高陡边坡,失稳形态多沿某一组结构面崩塌或沿复合结构面滑动。滑动稳定性受结构面抗剪强度与岩石抗剪强度控制 2 层状结构 层状同向结构 各种厚度的沉积岩、层状变质岩和复杂多次喷发的火山岩 边坡与层面同向。

岩层倾向与边坡倾向基本相同,夹角小于30o,岩体多呈互层状,结构面发育,软弱夹层和层间错动带常为贯穿性软弱结构面。Kv=0.70.3;RQD=25%80% 层面或软弱夹层形成滑动面,坡脚切断后易产生溃屈或倾倒。稳定性受岩层走向夹角大小、坡角与岩层倾角组合关系、顺坡向软弱结构面的发育程度及强度所控制 层状反向结构 岩层倾向与边坡倾向基本相反,其夹角应大于150o岩体呈层状或二元结构,结构面发育。Kv=0.70.3;RQD=25%80% 岩层较陡时易产生倾倒弯曲松动变形,坡角有软层时上部易拉裂,局部崩塌滑动。稳定性受坡角与岩层倾角组合、岩层厚度、层间结合能力及反倾结构面发育与否所决定 层状斜向结构 层状岩石组成的边坡。

岩层倾向与边坡倾向斜交,其夹角在30o150o之间。Kv=0.70.3;RQD=25%80% 边坡稳定性好,不受层面及夹层控制 3 碎裂结构 各种岩石的构造影响带、破碎带、蚀变带或风化破碎岩体 岩体结构面发育,多短小无规则地分布,岩块存在咬合力。Kv=0.70.3;RQD<25% 边坡稳定性较差,坡角取决于岩块间的镶嵌情况和岩块间的咬合力 4 散体结构 各种岩石的构造破碎带及强烈影响带、强风化破碎带 由碎屑泥质物夹大小不规则的岩块组成,软弱结构面发育成网。Kv<0.1 边坡稳定性差,坡角取决于岩体的抗剪强度,滑动面呈圆弧状 上述分类方法充分考虑了岩质边坡的性质。

深入的认识到了岩体结构对边坡性质的影响。这四种类型均可利用已有的力学理论进行分析。利用刚体平衡理论可分析块状结构;利用板柱结构力学可分析层状结构;利用土力学或松散介质力学可分析散体结构;尚无完善的理论可分析碎裂结构,需进一步研究。 3.岩质边坡的破坏模式 岩质边坡是很复杂的地质体,它在形成后,受岩体产生的岩石压力与坡脚、坡形的影响,易产生变形,变形过大则发生破坏。影响岩质边坡破坏的因素多种多样,导致其变形破坏模式也有多种。同一类型的边坡在不同的影响因素作用下,可能产生一种或多种的破坏模式。起主导作用的影响因素是岩体的结构及地下水。 在国家“八五”科技攻关研究成果报告中根据滑坡形成的模式,

建议将滑坡分成崩塌、滑动、倾倒、溃屈、侧向扩展拉裂、流动及复合型七种。在实际工程中,常见的破坏模式有滑动破坏、倾倒破坏及溃屈破坏[8]。 表22岩质边坡破坏模型 破坏模式 示意简图 特征 平面破坏 主要结构面的走向、倾向与坡面基本一致,结构面的倾角大于其摩擦角且小于坡角 一个滑动平面和一个块体 一个滑动平面和一条张裂隙 若干滑动平面和横节理 一个主要滑动平面和主动、被动两个滑动块体 楔形破坏 两组结构面的交线倾向坡面,交线的倾角小于坡角且大于其摩擦角 圆弧滑动 节理裂隙很发育的破碎岩体发生旋转破坏 倾倒破坏 岩体被陡倾结构面分割成一系列岩柱。

当为软岩时,岩柱产生向坡面弯曲,当为硬岩时,岩柱可再被正交节理切割成岩块,向坡面倾倒 4.岩质边坡稳定性影响因素 影响岩质边坡变形破坏的因素可分为自然因素和人为因素两大类。自然因素包括地质条件、水文条件、地形地貌等;人为因素则包括人类工程建设、人类的生活方式和人类对边坡变形破坏的认识程度。自然因素对边坡变形破坏起控制作用,人为因素则起促进作用。 4. 4.1地形地貌 岩质边坡发生破坏的基本条件是有一定的坡度。边坡坡度与边坡破坏模型之间有一定的关系。据统计,从35o坡度开始,滑坡的数量急剧增加,占滑坡数的94.35%。坡度大于40o的边坡滑坡最常见,占总滑坡数量的83.03%。坡度大于55o发生的边坡破坏。

一般为崩塌,典型的滑坡不多。 4.2地质条件 在地形地貌条件具备的前提下,地质条件则是另一个重要的因素。岩质边坡的破坏(滑坡、崩塌、剥落)与地质构造有重要的关系: (1)边坡破坏与地质构造的关系 地质构造有褶皱和断裂两大类型,而与边坡破坏关系密切的主要是断裂构造。受构造应力及地应力作用,断裂带及其附近区域容易发生破裂,并挤压岩体,导致岩体裂隙具有胶结性差、张启性好、力学性能低等特点,变得十分破碎,局部成粉末状。在各种风化营力作用下,岩层风化带及残积土层不断增厚,可达数米至数十米。由于断裂构造岩体的力学性能显著降低,使得断层破碎带及其附近区域易发生滑坡、崩塌、剥落等边坡破坏。 (2)边坡破坏与岩层倾向边坡坡向的关系 边坡岩层倾向与坡向的关系对边坡稳定性有重要的影响。

从易到难,发生边坡失稳破坏的坡型分别为:顺向坡、斜交坡、逆向坡、直交坡、平叠坡。其中顺向坡、斜交坡发生边坡破坏分别占37.3%、33.7%。从易到难,发生滑坡的坡型分别为:顺向坡、斜交坡、直交坡、逆向坡、平叠坡;发生崩塌或剥落破坏的坡型则为:斜交坡、顺向坡、逆向坡、直交坡、平叠坡。 (3)边坡破坏与地层岩性的关系 地层岩体是边坡变形破坏的物质基础。只有在一定的地层岩性条件下才能发生边坡破坏。滑坡主要分布于泥岩、第四系坡残积碎石土中,在粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩与泥岩互层也有少量分布。崩塌主要发生于泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩中,少量分布于细砂岩与泥岩互层、碎石土中。剥落主要分布于粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩与泥岩互层、泥岩、泥质粉细砂岩中。

少量分布于泥质细砂岩及碎石土中。 4.3水文条件 几乎所有的边坡失稳破坏均与水有关,边坡中的水有地表水、地下水、大气降雨及泄洪雨雾等。大气降雨能增加岩体重度,从而增大坡体下滑力;水对岩石的细粒(尤其是粘、粉粒)部分有软化和泥化作用,降低岩体和结构面的强度;岩体内的水能增加孔隙水压力,使有效应力下降,从而降低岩体的抗剪强度;由于地下水的渗流作用,对边坡体产生动水压力,容易诱发边坡变形破坏;地表水对边坡体冲刷,导致边坡失稳;地表水对岸坡的侵蚀,导致岸坡失去侧向或底部支撑,诱发边坡变形破坏。 4.4风化作用 风化作用改变了岩体的完整性,使岩土的抗剪强度降低。边坡岩体在风化营力作用下,岩石裂隙扩展并相互贯通。

同时产生新的裂隙;并且透水性增加,使地面水易于浸入,岩石原有矿物和化学成分发生变化。风化作用不仅改变了岩石的物理及化学性质,而且使得岩石颗粒间的联接受到破坏,降低结构面的粗糙度。促使岩体的力学性能逐渐降低,降低边坡的稳定性。 4.5地震作用 地震对边坡稳定性的影响极大。地震的横波传至地表引起周期性振动,所释放的能量很大,破坏力较大;地震的纵波在地表引起上下振动,破坏力较小。在地震的作用下,首先使边坡岩体的结构发生破坏或变化,出现新结构面,或使原有结构面张裂、松弛,地下水状态也有较大变化。因地震造成边坡失稳有很多实例,如汶川地震期间就有许多边坡失稳。从边坡地震失稳机理的角度出发,边坡地震失稳可以分成惯性失稳和弱化失稳两类[9]。

4.6人类活动 自然边坡是在各种地质构造及外部营力漫长的作用下形成的处于动态平衡的地质体。人类工程活动改变了边坡的应力分布,打破了原有的平衡状态,使得边坡产生变形破坏。边坡变形破坏的程度与人类工程活动的规模成正比。 开挖边坡产生新的临空面,使边坡岩体卸荷回弹,导致岩体应力松弛,使得边坡体应力重分布,破坏了边坡原有的平衡状态。爆破产生的冲击应力对边坡产生冲击和剪切作用,使岩体中原有的节理、裂隙产生张开作用,并产生新的裂隙,使岩体产生松动,破坏其原有的完整性,造成边坡岩体强度衰减,导致边坡稳定性的降低。当这种变化在允许范围内时,边坡仍处于稳定状态,即达到另一动态平衡状态。若这种变化超过了边坡的承受能力。

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