斜坡变形破坏机制

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1.拉裂


在斜坡岩土体内拉应力集中部位或张力 带内，形成的张裂隙变形型式称拉裂 拉裂形成机制有三种类型
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(1)在坡面和坡顶张力带中拉应力 集中形成拉裂

高陡斜坡的坡面和坡顶附近张力带内拉 应力较强，极易产生与坡面近于平行的 张裂面，如果坡体中存在有与坡面近于 平行的构造节理时，更易沿之发展形成 上宽下窄向深处发展的裂隙，其倾角一 般较陡
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2.坡形的影响

坡高

坡高不改变坡体中应力等值线的图形，但坡 高愈大，应力量值愈大。 坡角大小可以改变斜坡中应力分布的图像。 坡脚附近的剪应力集中带和坡肩附近的张力 带，其范围和量值是随着坡角增大的。也就 是说，陡峻的斜坡更易发生变形破坏。
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坡角

2.坡形的影响

坡底宽度


坡底宽度的影响可以用 W/H值来表征。随着 W/H 值 的减小，坡脚的剪 应力增大。 实际资料表明，当 W≥0.8H 时，这种影响就减弱， 以至不发生变化。

（1）无论什么样的天然应力场，斜坡面 附近的主应力迹线均明显偏转，表现为 愈接近坡面，最大主应力愈与之平行， 而最小主应力与之近乎正交，向坡体内 逐渐恢复初始状态。
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（1）最大主应力与最小主应力分 布特征
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一、斜坡中应力状态的变化



（2）由于应力分异结果，在坡面附近产 生应力集中带。 不同部位应力状态是不同的。在坡脚附 近，最大主应力（表现为切向应力）显 著增高，而最小主应力（表现为径向应 力）显著降低，甚至可能为负值。 由于应力差大，形成了最大剪应力增高 带，最易发生剪切破坏。
阿尔及尔由珊瑚灰岩构成的陡坡，由于下面的泥灰岩浸水软化， 使斜坡产生蠕动，最后经过长期变形转变为块体滑坡，裂隙发 育的灰岩也形成大块体陷进软化的泥岩中
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斜坡的蠕动变形，虽然位移较小，但由 于实际上已成为斜坡失稳的初期阶段， 在一定的触发因素条件下，如暴雨、地 震、人类工程活动等，极易迅速转为加 速蠕变直至破坏 对斜坡蠕动变形应高度重视
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(2)卸荷回弹(unloading rebound)或岩 体初始应力(地应力)释放产生拉裂




当斜坡的侧应力削弱后，由于卸荷回弹或水平地应力 释放而形成张裂面，通常称为卸荷裂隙 裂隙通常与原始谷坡坡面相平行,随着河谷的深切，卸 荷裂隙逐渐向深部发展，从而引起裂隙顶部的累计变 形越来越大。 在块状岩层地区(例如花岗岩区)，有时卸荷裂隙呈多层 状发育，而在斜坡坡面及坡脚处形成卸荷带。 卸荷带向坡体内的发育宽度与斜坡岩性和岩体有关， 此外还受边坡状态和初始应力状态的控制。 斜坡愈高愈陡，水平地应力愈大，裂隙愈发育；有时 卸荷带发育宽达100m，自地表向下的发育深度可达 100m以上。

斜坡平面形态

斜坡平面形态可分为平直形、内凹形和外凸形等。 内凹形斜坡由于其两侧的支撑作用，应力条件较好， 即坡脚的剪应力较小。所以露天采坑的平面形态大 多是椭圆形的，且其长轴尽量平行于最大水平地应 力方向。
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3.岩土体性质和结构的影响


岩土体的弹性模量对均质坡体应力分布无多大 影响 泊松比一定程度上可影响坡体应力分布。 结构面对坡体应力分布的影响十分明显，这是 因为结构面的存在使坡体中应力分布出现不连 续现象，在这些面的周边成为应力集中带或发 生应力阻滞现象，这种情况在坚硬岩体斜坡中 尤为明显。 结构面的产状、性质及组合关系不同，对斜坡 稳定性的影响是不同的
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葛洲坝工程二江电厂基坑边坡侧向位移长观曲线 卸荷型的蠕动总是十分缓慢的，是一种减速蠕变
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(3)受软弱基座控制的蠕滑和塑流


于斜坡基座具有较厚的软弱岩层，在上 覆岩体的作用下，基座软岩受压，承载 力不够，发生塑性变形，向临空方向或 减压方向流动和挤出，引起斜坡的变形 基座软岩的挤出在侵蚀河谷和挖方地段 最为常见。与前述蠕动形式不同的是， 蠕滑和塑流不是沿一个统一的滑面，而 是受整个软弱基座层控制
Ch4斜坡变形工程地质研究

§1概述 §2斜坡中的应力分布特征 §3斜坡变形破坏的类型 §4崩塌 §5滑坡
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§1概述

一、概念 二、斜坡要素 三、斜坡的变形破坏作用
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一、概念



斜坡：系指地壳表部一切具有侧向临空 面的地质体 自然斜坡：未经人工改造的斜坡 山坡，海岸，河岸 人工边坡 ：指人工开挖或改造了形状的 斜坡 EX:基础边坡,露天矿边坡，路堑边坡
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(3)因蠕滑形成局部应力集中产 生拉裂


在斜坡坡体中存在有软弱结构面时，斜 坡常沿该面有蠕滑趋势 在平行于坡面的最大主应力作用下，沿 缓倾角软弱面两侧产生张开裂隙
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逐步向上发展，就会慢慢形成由平缓的软弱面 与陡倾的张裂面组成的阶梯状变形裂面
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拉裂缝的危害


由于斜坡岩土体的拉裂，使其原有的整体性和 连续性受到破坏，强度降低； 为雨水、地下水的渗入、运移提供了通道，使 坡体进一步松弛，拉裂面逐渐扩展与其它结构 面形成贯通性破裂面，使斜坡产生各种不同形 式的破坏
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§3斜坡变形破坏的类型



斜坡的变形与破坏，是斜坡发展演化过 程中两个不同的阶段 变形属量变阶段，破坏是质变阶段，它 们是一个累进破坏过程。 这个过程对天然斜坡来说时间往往较长， 而对人工边坡来说时间则较短暂。
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一、斜坡变形 deformation

斜坡变形按其机制可分为 1.拉裂(tensile crack) 2.蠕滑(creep slip) 3.弯折倾倒 (bend toppling)
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一、斜坡中应力状态的变化

（4）坡面处的径向应力实际为零，所以坡面处 处于二向应力状态。
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二、影响斜坡应力分布的因素

1.岩体初始应力的影响 2.坡形的影响 3.岩土体性质和结构的影响
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1.岩体初始应力的影响


主要指的是水平构造应力存在的影响。 水平构造应力能使斜坡应力集中和分异 现象加剧，对斜坡坡肩附近张力带的发 展影响尤为明显。 水平构造应力量值愈大，则影响愈大。 在新构造运动强烈的地区，岩体中常存 在较大的水平构造应力，对斜坡稳定性 的影响是不容忽视的。
岩体中常含有各种软弱结构面，如节理、断层、 软弱夹层等，当这些结构面近水平或倾向坡外 时，斜坡蠕动变形常易沿之发生 这类变形其进程取决于该结构面的产状与特征 当局部地段上覆坡体的下滑力达到或超过该面 的实际抗滑阻力时，即出现一系列小的剪裂， 逐步产生缓慢蠕动。
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葛洲坝工程二江电厂基坑边坡蠕滑剖面图 1－基岩面线；2－第一年基坑开挖线；3－第二年 基坑开挖线；4－原地面线； 14、17、28、29、35为大口径钻孔编号；212、 214、215、218为软弱夹层编号
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软岩基座通常为厚层粘土岩、泥灰岩、 炭质页岩及煤系地层等 斜坡往往由坚硬厚层且裂隙发育的岩层 构成，坡高而陡。如厚层砂岩、灰岩、 玄武岩、流纹岩等组成的斜坡最易发生 这类变形
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阿尔及尔由软岩基座蠕滑面发展成的滑坡
①－结晶片岩；②－中新统砂岩及砾岩；③－泥灰岩；④－海绿石泥灰岩； ⑤－厚层珊瑚灰岩；⑥－浸水软化的泥灰岩；⑦－下沉的石灰岩块体
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一、斜坡中应力状态的变化

在坡肩附近，在一定条件下坡面的径向 应力和坡顶的切向应力可转化为拉应力 （应力值为负值），形成一张力带。当 斜坡愈陡则此带范围愈大。因此坡肩附 近最易拉裂破坏。
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坡脚附近压应力带
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一、斜坡中应力状态的变化

（3）由于主应力偏转，坡体内的最大剪 应力迹线也发生变化，由原来的直线变 为凹向坡面的圆弧状
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二、斜坡要素



坡面：斜坡的临空斜面 坡顶：斜坡的顶部 坡顶面：顶部缓平面或水平面 坡肩：坡面与坡顶面的转折部位 坡脚：斜坡最小部与水平地面相接部位 坡角：坡面与水平面的夹角 坡高：坡肩与坡脚间的垂直高度
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三、斜坡的变形破坏作用



斜坡在各种内、外地质应力作用下，不断地改 变着坡高和坡角，使坡体内应力分布发生变化。 当组成坡体的岩土体强度不能适应此应力分布 时，就产生了斜坡的变形破坏作用。 尤其是大规模的工程建设，使自然斜坡发生急 剧变化，斜坡的稳定程度也变化极大，往往酿 成灾害。 斜坡的变形与破坏，实质上是由斜坡岩土体内 应力与其强度这一对矛盾的发展演化所决定的
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一、斜坡中应力状态的变化


在斜坡形成过程中，由于侧向临空面的 产生，坡面附近的岩土体发生卸荷回弹， 引起应力重分布和应力分异、应力集中 等效应。 根据弹性力学有限单元分析和光测弹性 试验，均可确定坡体在尚未发生明显变 形或破坏之前的应力状态。其总的特征 可概括为4个方面
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一、斜坡中应力状态的变化


在斜坡变形研究中，应综合各种不同的变形形式来分析，而 不应孤立地将其割裂开来 斜坡变形表明其已趋于不稳定态势，发展结果必然导致斜坡 的破坏

在均质土坡中较为常见 图6－11表示了均质土坡内的应力场特征 及斜坡蠕滑情况
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∏1 ∏2 — 最大剪应力 ∏12 — 潜在滑动面 ∑△—斜坡边缘分界面处 的变形值 D—潜在滑动面以上的坡 体厚度
∑h—坡顶沉降量
均质土坡蠕滑分析图 (据Q·扎鲁巴，1972)
(2)受软弱结构面控制的蠕滑


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长江葛洲坝工程二江电厂基坑边 坡蠕滑

葛洲坝工程坝基岩层为白垩系下统红色 河流相碎屑岩，岩层产状近于水平，夹 有多层粘土岩类软弱夹层，水轮机机窝 开挖后形成高40－50m的基坑边坡，由 于出观临空面水平地应力释放及卸荷回 弹，使岩体松弛变形，沿各临空面的软 弱夹层发生向基坑的蠕滑位移；开始位 移较快，随着时间的延续，应力逐渐释 放，位移趋于停止。
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弯折倾倒的特征



弯折角约20°－50° 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，岩层层面间位移明显 沿岩层面产生反坡向陡坎
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斜坡变形小结


斜坡不但具有不同的变形形式，而且具有不同的变形 性质 从变形的连续性来看，拉裂和倾倒变形属于不连续变 形，而蠕动变形通常属于连续变形。 由于斜坡是由具有特定结构形式的不连续介质组成的， 所以坡体的变形总是不均匀的，总体上表现为连续变 形，实际上也包含拉裂等不连续变形因素
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3.弯曲倾倒(bend toppling)



由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走 向与坡面走向大致相同时，在自重的长期作用 下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐 渐向坡内发展，这种变形通常称为弯曲倾倒 陡倾的板状岩体，在自重产生的弯矩作用下向 临空方向作悬臂梁式的弯曲，弯曲的板梁之间 被拉裂或错动，形成平行于走向的槽沟或反坡 台坎 前倾的板梁弯曲最强烈的部位也往往被折裂
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§2斜坡中的应力分布特征

斜坡中的应力分布特征决定了斜坡变形 破坏的形式和机制，对斜坡稳定性评价 和合理防治措施也有一定意义；所以首 先要了解斜坡形成后坡体中应力分布的 特征。
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一、斜坡中应力状态的变化

天然岩土体中应力分布是比较复杂的， 除普遍存在的自重应力外，有时还有构 造应力、热应力、地下水应力等。一般 认为：当仅存在自重应力的情况下，未 形成斜坡前岩土体中的主应力（初始应 力）是呈铅直与水平状态的，即铅直应 力为最大主应力，水平应力为最小主应 力，此时岩土体内的最大剪应力与最大、 最小主应力多呈45°交角。 （画图）


拉裂本身虽仅是一种变形，但却为斜坡破坏创造了 条件 大规模的斜坡破坏无不与拉裂面的发育有关
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2.蠕滑(creep slip)



斜坡岩土体沿软弱面(层)局部向临空方向 的缓慢剪切变形称为蠕滑 蠕滑可以在不同情况下受不同机制的作 用而发生 一般主要有三种形式
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(1)受最大剪应力面控制的蠕滑
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1.自然斜坡变形破坏

是山区主要的工程动力地质作用 我国广大的西南、西北地区这一作用尤 为突出，灾害频发，而且近10余年来有 进一步加重的趋势
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2.自然斜坡人为破坏

自然斜坡由于人类工程、经济活动而产 生的斜坡破坏往往是灾难性的
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3.人工边坡


主要是水利水电工程边坡、铁路路堑和 露天采坑边帮的失稳 如抚顺煤矿和大冶铁矿露天采坑，都曾 发生过失稳事故，对生产和生命财产造 成一定的损失。