边坡工程

13.07.2020
二、斜坡破坏的基本类型
斜
坡 破
崩塌
坏
的
基 本
平面滑动
类
型
滑坡
楔形状滑动
多平面滑动 双平面滑动 单平面滑动
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圆弧形滑动
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第4节 影响滑坡稳定性的因素
内在因素：组成边坡岩土体的性质、地质构造、岩土体 结构、岩体初始应力等； 外在因素：水的作用、地震、岩石风化、工程荷载条件 及人工开挖等。
边坡工程
资源环境学院
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第1节、概述 第2节、斜坡中的应力分布特征 第3节、斜坡变形破坏的基本类型 第4节、影响斜坡稳定性的因素 第5节、斜坡稳定性的工程地质评价方法
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第1节 概述
斜坡统指地表一切具有侧向临空面的地质体，包括天然斜 坡和人工边坡。
天然斜坡(简称斜坡）是指自然地质作用形成未经人工改 造的斜坡（山体斜坡、河谷岸坡、海岸陡崖等） 。
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原始应力状态：
H
＝
1
H
＝ 3 1－
H
1 3
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一、应力状态的变化
• 在岩土体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖 卸荷，在近边坡面一定范围内的岩土体中，发生应 力重分布作用，使边坡岩土体处于重分布应力状态。
• 边坡岩土体为适应重分布应力状态，将发生变形和 破坏。因此，研究边坡岩土体重分布应力特征是进 行稳定性分析的基础。
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(4)结构面 结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，
并在结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应 力的传递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。
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第3节 边坡变形破坏的基本类型
边坡变形：指坡体只产生局部部位的位移和微破裂，岩 块只出现微量的脚变化，没有显著的剪切位移或滚动， 因而边坡不至引起整体失稳。
形成机制：岩体初始应力释放后卸荷回弹。 原 因：人工开挖边坡、河流下切侵蚀、坡脚软弱层的蠕 变、震动(地震或爆破)、边坡体压应力集中而产生压致拉裂 等，均可引起边坡张裂变形。 后 果：岩体原有整体性受到破坏，强度降低，有利于水 的渗入，逐渐发展为崩塌、滑坡等。
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2.蠕动变形
蠕动变形是指边坡岩体主要在重力作用下向临空方向发生 长期缓慢的塑性变形的现象，有表层蠕动和深层蠕动两种 类型。 表层蠕动主要表现为边坡表部岩体发生弯曲变形，多是从 下部未经变动的部分向上逐渐连续向临空方向弯曲，甚至 倒转、破裂、倾倒。 表层蠕动多发生在陡倾层状岩层或陡倾结构面发育的岩体 中，层面或结构面走向与斜坡面走向平行或交角很小。一 般反坡向倾斜或倾角大于60º者更易发生。 深层蠕动是由于坚硬岩层组成的边坡底部存在较厚的软弱 岩层时，由软弱岩层发生塑性流动而引起的长期缓慢的边 坡蠕动变形。
2010年地质灾 害类型构成图
斜坡稳定性的工程地质分析意义：
(1)通过勘察对斜坡的稳定性做出评价和预测； (2)为设计合理的工程边坡和制定有效的防治措施提供地质依据。
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第2节 斜坡中的应力分布特征
岩体中应力的分布特征决定了斜坡变形破坏形式 和机理，对斜坡为稳定性评价、预测预报及整治 提供岩体力学依据。
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表层蠕动变形示意图
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斜坡深层蠕动示意图
3.倾倒
由陡倾片状岩石组成的斜坡，当走向与坡面平行时，在重 力作用下发生向临空面方向同步弯曲的现象。 机制：相当于悬臂梁在弯矩作用下所发生的弯曲。
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多发生于由塑性的薄层岩层(如页岩、千枚岩、片岩等)或 软硬相间岩层(如砂岩、页岩互层，页岩、灰岩互层等)组成的 反坡向结构的边坡中。 陡倾角顺层边坡或脆性岩层顺层边坡垂直于层面的节理发 育、切割较深时，表层亦可能发生倾倒蠕动变形。岩层的倾 倒是以弯曲、张裂、滑动和转动等形式出现，倾倒体与下伏 完整岩体间可产生折裂或错动。
人工边坡(简称边坡）是指经人工开挖或改造形成的斜坡 （道路工程中的路堑、路堤边坡，房屋、桥梁工程的基坑 边坡，露天矿山的边坡，水电工程中的运河渠道边坡，船 闸、溢洪道边坡、饮水水洞进、出口边坡、土石坝边坡及 坝肩边坡等）。
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唐古拉山北的断坡滑塌（镜头向南，2001.3）
内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素则使 边坡的下滑力增大，岩土体的强度降低而消弱岩土体的 抗滑力，促进边坡变性破坏的发生和发展。
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1.岩土类型和性质的影响
地层岩性的差异是影响边坡稳定的主要因素。 1）深成侵入岩、厚层坚硬沉积岩以及片麻岩、石英岩等构 成的边坡，一般稳定性较高； 2）喷出岩边坡，如：玄武岩、凝灰岩、安山岩等，其原生 节理（柱状节理)发育时，容易形成直立坡而产生崩塌； 3）含有粘土质页岩、泥岩、煤层、泥灰岩等夹层的沉积岩 边坡，最易产生顺层滑动，或因深层蠕动而造成崩塌； 4）千枚岩、板岩及片岩，软弱易风化，易出现蠕动现象； 5）黄土具有垂直节理、疏松透水，浸水后容易崩解湿陷。
边坡破坏：指坡体以一定的速度出现较大的位移，边坡 岩体产生整体滑动、滚动或转动。
二者在边坡变化过程中是相互密切联系的。边坡破坏前， 边坡岩体总要经历一个从徐变到巨变的变形过程。
常见的边坡变性破坏主要类型有：松弛张裂、蠕动变形、 倾倒、崩坍和滑坡。
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一、斜坡变形的基本类型
斜
松弛张裂
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（4）斜交坡；主要软弱结构面走向与坡面走向成斜交关 系。交角<40度时，其稳定性较差，交角>40度时，则较 稳定。
（5）横交坡：主要软弱结构面的走向与坡面走向交角近 90度。这类斜坡的稳定性较好，很少发生大规模的滑坡。
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3.水的作用的影响
地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡 的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，水 的作用主要表现在： 1）浮托力作用； 2）静水压力； 3）动水压力； 4）软化或泥化作用 5）溶蚀和潜蚀作用 6）地表水的冲刷，掏空作用。
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4.地震作用的影响 地震对边坡稳定性的影响较大。在地震的作用下，首先
使边坡岩体的结构发生破坏或变化，出现新的结构面，或 使原有结构面张裂、松弛，饱水砂层出现振动液化，地下 水状态亦有较大的变化。在地震力的反复振动冲击下，边 坡沿结构面发生位移变形，直至破坏。
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结构面组合形式很多，形成不同的结构体。虽然很小，但却 是滑坡体或崩塌体的缩影。分离体的大小主要受控于滑移 面的 范围，决定了下滑力与滑移面抗滑力的关系。
锥形体—2组结构面
楔形体3组
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菱形体
槽形体
结构面和临空面的关系对稳定性的影响 （1）平迭坡。即主要软弱结构面为水平的。这种斜坡
5.工程荷载的影响 如拱坝坝肩承受的拱端推力；边坡坡肩附近修建大型水工 建筑物引起的坡顶超载；压力隧洞内水压力传递给边坡的裂 隙水压力；库水对库岸的浪击淘刷力；预应力锚固时所加的 预应力等。由于工程的运行，也可能间接地影响边坡的稳定。
除上述因素外，坡脚人工开挖、爆破影响、岩体风化作用， 引水渠道的修建，黄土湿陷等，均可引起边坡的变形与破坏。
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2. 坡形的影响
(1) 坡高：不改变应力等值线图象，应力随坡高而增高。 (2) 坡角：坡角变化明显改变了应力分布图象。随坡角变陡， 张力带的范围有所扩大，坡脚应力集中带最大剪应力值也随之 增高。
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(3) 坡底宽度：当W<0.8H时, 坡脚最大剪应力随底宽增大而 急剧减小 。当W>0.8H时， 则保持为一常值（称为“残余 坡角应力”）
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1、边坡面附近 的主应力迹线发 生偏转。最大主 应力σ1与坡面近 于平行，最小主 应力σ3与坡面近 于正交，向坡体 内逐渐恢复初始 应力状态。
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2、坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大 剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常 形成拉应力带。边坡愈陡，则此带范围愈大，因此， 坡肩附近最易拉裂破坏。
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砂岩中的柱状节理（松弛张裂）
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卸荷张裂
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峡谷地区卸荷发育示意图
发育深度：河谷谷坡卸荷带的发育宽度和深度与边坡的岩 性及岩体结构有关，此外还受边坡形态和原始应力状态控制， 边坡愈高愈陡，水平残余构造应力愈大，则卸荷裂隙愈发育。 在深切河谷和高水平残余构造应力区，谷坡的发育宽度及自 地表向下的发育深度可达到数十米甚至上百米。
坡
表层蠕动
变
形 的
蠕动变形
基 本
深层蠕动
类
弯曲倾倒
型
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1.松弛张裂
松弛张裂是边坡的侧向应 力削弱后，由于卸荷回弹而 在斜坡上出现张裂的现象。
随着河谷的进一步深切， 卸荷裂隙向深部发展，还可 以产生与坡面大角度相交或 近于垂直的剪切裂隙，卸荷 裂隙由坡面向深部有时呈多 层发育，在边坡形成松弛张 裂——卸荷裂隙带。
（2）结构面的展布范围：结构面延展越广，贯穿性愈强， 其危害性愈大。层理面、软弱夹层面、不整合面、断层面、大 裂隙等贯穿性好。一般节理裂隙则连续性较差，若断若续，廷 伸不广。
（3）结构面的密集程度：裂隙密集、岩体破碎，再加上其 它类型的结构面组合，岩体的抗滑能力很差，斜坡易破坏。
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2.地质构造和岩体结构的影响
地质构造因素对边坡稳定性，特别是对岩质边坡稳定 性的影响是十分明显。 1）在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比 较活动的地区，边坡稳定性较差，常出现巨大型滑坡及 滑坡群； 2）断层带岩石破碎、风化严重地区，往往又是地下水最 丰富和活动的积极地区，易发生滑坡。
(4)坡面形态：平面上的凹形坡，应力集中明显减缓。 圆形和椭圆形边坡，坡脚最大剪应力仅为一般斜坡的1/2。 当水平应力坡形于椭圆形矿坑长轴时，应力集中较缓和。
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(3)岩体性质 岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡应力
影响较大。这是由于泊松比的变化，可以使水平自重应力 发生改变。
一般比较稳定，如为厚层软硬相间则易形成崩塌破坏。若 为薄层状岩石则其变形破坏与均质土相类似。当土坡下部 存在软弱面时，沿软弱结构面构成滑坡面。
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（2）顺向坡。即主要软弱结构面（软弱面、断层面，不整 合面）的走向与斜坡面的走向平行或较接近，倾向一致的斜 坡根据其倾角和坡角的相对大小可分为两种情况：
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宁东盆中的断坡滑塌（镜头向南，2001.7）
江、河、湖、海岸坡
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挖方：沟、渠、坑、池
露 天 矿
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填方：堤、坝、路基、堆料
小浪底土石坝
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山坡上方有崩落和滑动危险的巨石
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地铁隧道坍塌（2007.3）
顺向坡
软弱面倾角小于坡角， 软弱面倾角大于
稳定性最差，极易发 坡角，稳定性较
生顺层滑坡
好
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坡积、残积层与基岩不整合面的产状与斜坡基本一致，而 且基岩表面常较湿润，有时有地下水，因而不整合面成为软 弱结构面，沿此面经常发生颇层滑坡。
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（3）逆向坡：主要软弱结构面的倾向与坡面倾向相反。 一般是稳定的，有时有崩塌现象，而滑动的可能性较小。 但是岩层反倾向裂隙有时也造成小规模的滑坡。
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3、与主应力偏转相联系，最大剪应力迹线也发生偏 转，呈凹向临空面的弧线。
4、坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡 13内.07.2逐020渐转为三向应力状态。
二、影响边坡应力分布的因素
1. 岩体初始应力的影响 初始应力场、尤其水平剩余应力使坡体中主应力迹
线的分布形式有所不同，明显改变了各应力值的大 小；使应力分异现象加剧,尤其对坡脚应力集中带和坡 面张力带的影响最大。
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结构面及组合
斜坡的变形破坏，多数是受岩土体中的软弱结构面控制， 特别是岩质边坡。结构面的成因，性质、延展性及组合形式。
（1）结构面的软弱性：表现在其抗剪强度较低，易于沿之滑 动。例如泥质的、易泥化的软弱夹层、炭质页岩层，次生充填 的食泥裂隙、具有膨胀性崩解性的岩层、断层破碎带以及平整 光滑的断裂面等。