斜坡岩体变形的基本地质力学模式

*斜坡岩体变形的基本地质力学模式

王兰生张倬元

（成都地质学院）

提要

大量现场观测资料表明，斜坡变形按其地质特征和力学机制可划分为5种基本模式，即（1）滑移（或蠕滑）一拉裂；（2）滑移一压致拉裂；（3）弯曲一拉裂；（4）滑移一弯曲和（5）塑流一拉裂等。文中讨论了各变形模式的形成条件、演进图式和阶段划分依据，并讨论了各模式的空间结合和发展过程中的转化。这种模式有助于确定斜坡可能的变形形式、判断其发展阶段和预测它的发展趋势，也有助于设计合理可行的物理模拟和稳定性计算方案，并且还可期望应用于其它类型的岩体稳定性问题和区域构造稳定性分析评价中。

六十年代初瓦依昂水库巨型崩滑事件预测失误一事，在国际工程地质、岩石力学界引起了极大震动。人们认识到把滑动体作为刚性体按极限平衡条件分析其稳定性的传统方法，由于未能考虑到斜坡破坏之前的变形全过程、割断了历史，因而难干对它的稳定性的现状和发展趋势作出符合实际的评价和预测。近年来，斜坡岩体的变形和蠕变已成为国际工程地质界主要关注的课题之一。

斜坡在达到最终破坏前总要经历或长或短的变形阶段，其中包含有卸荷回弹和蠕变这两个过程。已有文献中讨论过多种蠕变形式，但尚无一套较完整的斜坡变形分类方案。

根据大量现场观测资料，我们将斜坡变形归纳为六种基本类型。由于这种变形类型与斜坡岩体的物质组成和地质结构密切相关，并且反映了斜坡形成和演变的力学机制，所以称之为斜坡岩体变形的地质力学模式。这类模式有助于认识斜坡变形、破坏的机制和发展演变全过程，据此可以鉴别和判定斜坡所处演变阶段和发展趋势，并且是物理、数值模拟研究和定量评价斜坡稳定性的重要依据。

一、变形地质力学模式的组成

单元和形成条件

地质观察和模拟试验表明，斜坡岩体变形过程中，必将出现一系列新的表生结构面和褶皱，它们可以由原有的结构发展而成，也可以是新产生的。这类表生结构随着变形的发展而进一步得到改造变得更加复杂。它们既是斜坡岩体变形的产物，也是斜坡变形的标志和佐证。因而可以把这类表生结构称之为斜坡变形的组成单元。研究表明，所有这些表生结构按其形成的力学机制，可概括为以下四类：

（1）拉裂包括由拉应力造成的破裂，称简单拉裂；因压应力集中引起坡体向临空方向扩容所致的破裂，称压致拉裂等。这类破裂面表面常可见波纹状或半月形拉裂痕。

（2）滑移沿某一带或某一面的剪切变形，包括沿剪切带的剪切蠕变；沿剪切面的岛状滑移，其中包括沿锁固段或不连续段的逐个剪断和沿剪切带和面的蠕动滑移（蠕滑）等。这类滑移面中常可于泥化夹层、表生夹泥、风化膜和钙华沉淀物中留下擦痕，其错动方向明显受斜坡结构特征及临空状况所控制。

*本文最早于1979年参加第一届工程地质会议，以后编人“工程地质分析原理”教材，此篇根据：纳入加拿大滑坡文集稿适当修改补充而成。

Ⅰ均质（或类均质）斜坡多为土质或半岩质斜坡︵

A

︶

蠕

滑

|

拉

裂

塑性较强的坡体发展为

转动型滑坡；

Ⅱ层状体斜坡1．倾向坡内的层状坡

体，倾角=10—30

︵

A

︶

滑

移

|

拉

裂

︵

B

︶

滑

移

|

压

致

拉

裂

︵

C

︶

滑

移

|

弯

曲

︵

D

︶

弯

曲

|

拉

裂

︵

倾

倒

︶高陡脆性较强的坡体发展为崩滑-碎屑流

坡体中单一的或一组原有的软弱面成为斜坡岩体强度的控制面。包括含有软面或与基岩接触面的土质坡体2．倾向坡外层状坡体，

倾角≥r*

=r，发展为缓滑型

（块状）滑坡，又称迷宫

式滑坡

3．平缓层状坡体，倾角

=0－10

4．较陡倾坡外的层状坡

体>> r

转动型滑坡、崩滑、平推

式滑坡

多发展为转动型滑坡或

崩滑

e. 滑移面平直未临

空

f. 滑移面呈勺状，平

缓段临空

5．陡立或陡倾坡内、外

的层状坡体

g. 厚层状

h. 薄层状

坠石崩落，崩塌

滑坡或滑塌

Ⅲ块状体斜坡坡体中两组或两组以上原有结构面成为斜坡岩体强度控制面

各面组合成不同几何

形状的变形体

（A或

D）滑移-

拉裂或弯

曲-拉裂

滑坡或滑塌

Ⅳ碎块状体斜坡坡体强度由密集的多组结构面所控制

性能与类均质体坡近

似

︵

A

︶

蠕

滑

|

拉

裂

转动型滑坡，滑塌

Ⅴ软弱基座体斜坡1．平缓软弱基座体︵

E

︶

塑

流

|

拉

裂缓滑型（块状）滑坡，平推式滑坡

坡体下部基座处软弱层

（带）控制斜坡岩体强

度

2．倾坡内软弱基座体岩崩、崩滑，滑塌等

*r：软弱面抗剪残余摩擦角

（3）弯曲斜坡岩体在自重应力作用下发生的“褶皱”变形。包括横弯曲、纵弯曲和悬臂梁弯曲等。可根据“层间错动”方向、弯曲轴面倾斜方向、弯曲层的破裂特征等与构造形迹加以区别。

（4）塑流斜坡基座软弱层（带）在上覆层压缩下的压缩变形和软岩或压碎物质向临空或减压方向的塑性流动（挤出）。

上述四种变形基本单元中拉裂属脆性破裂，后三者属弹塑性、塑性或粘弹性变形，时间效应可表征为弹一塑性介质或粘一弹性介质模型等。斜坡岩体变形的时间效应特征通常主要由后三者所确定。

研究还表明，某一类型的变形体中尽管包含有多种变形单元，但往往可从中确定一对互为因果、相互制约和对变形进程起主导作用的变形单元。它们反映了斜坡变形的力学机制，据此可将斜坡变形划分为五种基本地质力学模式，即滑移（或蠕滑）一拉裂、滑移一压致拉裂、滑移一弯曲、弯曲一拉裂和塑流一拉裂等。各模式的形成条件、结构特征及可能的最终破坏方式见表1。

二、变形地质力学模式的主要特征

1.滑移（或蠕滑）一拉裂

蠕滑一拉裂变形多见于均质或类均质体斜坡中。如表l图a 所示，潜在滑移面受坡体最大剪应力面的位置所控制，该面以上坡体实际为一自地表向下递减的剪切蠕变带。随蠕滑进展，坡面下沉，后缘张力带发育拉裂面并向深部逐渐扩展与潜在滑移面相连，造成沿潜在滑移面剪应力集中并有利于地表水渗入。最后潜在滑移面被剪断而发展为滑坡。在高陡的斜坡中，尤其当坡体具脆性特征时，常常发展成剧冲性崩滑，甚至演变为高速碎屑流。薄层状岩层如倾向坡内，倾角中等，则层理有利于坡体发生上述蠕变（表l图b）。层理的挠动情况可将斜坡演变过程清晰地记录下来。观察表明，可划分如图l所示三个阶段。初期由于表层剪切蠕变，后缘造成轻微拉裂（图1a）；中期剪切蠕变向深部发展，后缘拉裂扩展加深（图1b）；到后期由于应力重分布沿最大剪应力带产生剪切变形，造成这一带内岩层剪切挠曲，使变形体沿潜在滑移面发生转动，后缘拉裂面逐渐闭合。此时变形进入累进性破坏阶段，最后发展为滑坡。

图l 倾向坡内的薄层状体斜坡蠕滑一拉裂演进图式

坡体中的软弱面或复合软弱面倾向坡外，且倾角不小于软弱面的实际可能残余摩擦角r

时，则以滑移一拉裂为其变形的主要形式（表1图c和i）。这种变形的进程取决于作为滑移面的软面的产状与特征。当滑移面向临空方向的倾角已足以使上覆坡体的下滑力超过该面的实际抗剪强度时，则在成坡过程中该面一经揭露即迅速导致破坏，发展为崩滑型滑坡，变形过程短暂；而当滑移面倾角接近该面残余摩擦角，且其抗剪强度接近残余值时，