岩石边坡工程.docx

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1、第6章岩石边坡工程6.1 概述边坡按成因可分为自然边坡和人工边坡。天然的山坡和谷坡是自然边坡，此类边坡是在地壳隆起或下陷过程中逐渐形成的。通常发生较大规模破坏是自然边坡。人工边坡是由于人类活动形成的边坡，其中挖方形成的边坡称为开方边坡，填方形成的称为构筑边坡，后者有时也称为坝坡。人工边坡的几何参数可以人为控制。边坡按组成物质可分为岩质边坡和土质边坡。岩坡失稳与土坡失稳的主要区别在于土坡中可能滑动面的位置并不明显，而岩坡中的滑动面则往往较为明确，无需像土坡那样通过大量试算才能确定。岩坡中结构面的规模、性质及其组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳时的破坏形式；结构面的产状或性质稍有改变，岩坡的稳定性

2、将会受到显著影响。因此，要正确解决岩坡稳定性问题，首先需搞清结构面的性质、作用、组合情况以及结构面的发育情况等，在此基础上不仅要对破坏方式做出判断，而且对其破坏机制也必须进行分析，这是保证岩坡稳定性分析结果正确性的关键。典型的边坡如图6-1所示。边坡与坡顶面相交的部位称为坡肩；与坡底面相交的部位坡趾或坡脚：坡面与水平面的夹角称为坡面角或坡倾角；坡肩与坡脚间的高差称为坡高。图6-1边坡示意图边坡稳定问题是工程建设中经常遇到的问题，例如水库的岸坡、渠道边坡、隧洞进出口边坡、拱坝坝肩边坡以及公路或铁路的路堑边坡等，都涉及到稳定性问题。边坡的失稳，轻则影响工程质量与施工进度；重则造成人员伤亡与国民经济

3、的重大损失。因此，不论土木工程还是水利水电工程，边坡的稳定问题经常成为需要重点考虑的问题。6.2 岩石边坡破坏岩石边坡的破坏类型岩坡的破坏类型从形态上可分为崩塌和滑坡。所谓崩塌是指块状岩体与岩坡分离，向前翻滚而卜其特点是，在崩塌过程中,岩体中无明显滑移面。崩塌一般发生在既高又陡的岩坡前缘地段，这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒，如图6-2（。）所示；或者，坡顶岩体由于某种原因脱落翻滚而在坡脚下堆积，如图6-2和（c）所示。崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方。其起因是由于风化等原因减弱了节理面的内聚力，或是由于雨水进入裂隙产生水压力所致，或者也可能是由于气温变化、冻融松动岩石的结果，或者是由于植物

4、根系生长造成膨胀压力，以及地震、雷击等原因而引起。自然界的巨型山崩，总是与强烈地震或特大暴雨相伴生。所谓滑坡是指岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。与崩塌相比，滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下，其滑动速度虽比崩塌缓慢，但不同的滑坡其滑速可以相差很大，这主要取决于滑动面本身的物理力学性质。当滑动面通过塑性较强的岩土体时，其滑速一般比较缓慢；相反，当滑动面通过脆性岩石，如果滑面本身具有一定的抗剪强度，在构成滑面之前可承受较高的下滑力，那么一旦形成滑面即将下滑时，抗剪强度急剧下降，滑动往往是突发而迅速的。滑坡的滑动形式可分为平面滑动、楔形滑动以及

5、旋转滑动。平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿着某一软弱面（层面、断层、裂隙）的滑动，如图6-3（）所示。滑面的倾角必须大于滑面的内摩擦角，否则无论坡角和坡高的大小如何，边坡都不会滑动。平面滑动不仅要求滑体克服滑面底部的阻力，而且还要克服滑面两侧的阻力。在软岩（例如页岩）中，如果滑面倾角远大于内摩擦角，则岩石本身的破坏即可解除侧边约束，从而产生平面滑动。而在硬岩中，如果结构面横切到坡顶，解除了两侧约束时，才可能发生平面滑动。当两个软弱面相交，切割岩体形成四面体时，就可能出现楔形滑动（图6-3（刀）。如果两个结构面的交线因开挖而处于出露状态，不需要地形上或结构上的解除约束即可能产生滑动。法国Mal

6、passet坝的崩溃（1656年）就是岩基楔形滑动的结果。旋转滑动的滑面通常呈弧形，如图6-3（c）,这种滑动一般产生于非成层的均质岩体中。图6-2岩崩类型（a）倾倒破坏；（b）软硬互成坡体的局部崩塌和坠落;（c）崩塌破坏1 一砂岩；2一页岩图6-3岩滑类型（a）平面破坏；（b）楔形破坏（C）旋转滑动边坡实际的破坏形式是很第杂的，除上述两种主要破坏形式外，还有介于崩塌与滑坡之间的滑塌，以及倾倒、剥落、流动等破坏方式；有时也可能出现以某种破坏方式为主，兼有其它若干破坏形式的综合破坏。岩坡的滑动过程有长有短，有快有慢，一般可分为三个阶段。初期是蠕动变形阶段，这一阶段中坡面和坡顶出现张裂缝并逐渐加长

7、和加宽；滑坡前缘有时出现挤出现象，地下水位发生变化，有时会发出响声。第二阶段是滑动破坏阶段，此时滑坡后缘迅速下陷，岩体以极大的速度向下滑动。这一阶段往往造成巨大的危害。最后是逐渐稳定阶段，这一阶段中，疏松的滑体逐渐压密，滑体上的草木逐渐生长，地下水渗出由浑变清等。边坡稳定的影响因素1 .结构面在边坡破坏中的作用许多边坡在陡坡角和几百米高的条件下是稳定的，而许多平缓边坡仅高几十米就破坏了。这种差异是因为岩石边坡的稳定性是随岩体中结构面（诸如断层、节理、层面等）的倾角而变化的。如果这些结构面是直立的或水平的，就不会发生单纯的滑动，此时的边坡破坏将包括完整岩块的破坏以及沿某些结构面的滑动。另一方面,

8、如果岩体所含的结构面倾向于坡面，倾角又在30到70之间，就会发生简单的滑动。因此，边破变形与破坏的首要原因，在于坡体中存在各种形式的结构面。岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩土体的不均一和不连续性，使沿结构面周边出现应力集中和应力阻滞现象。因此，它构成了边坡变形与破坏的控制性条件，从而形成不同类型的变形与破坏机制。边坡结构面周边应力集中的形式主要取决于结构面的产状与主压应力的关系。结构面与主压应力平行，将在结构面端点部位或应力阻滞部位出现拉应力和剪应力集中，从而形成向结构面两侧发展的张裂缝。结构面与主压应力垂直，将发生平行结构面方向的拉应力，或在端点部位出现垂直于结构面的压应力，

9、有利于结构面压密和坡体稳定。结构面与主压应力斜交，结构面周边主要为剪应力集中，并于端点附近或应力阻滞部位出现拉应力。顺坡结构面与主压应力成30-40夹角，将出现最大剪应力与拉应力值，对边坡稳定十分不利，坡体易于沿结构面发生剪切滑移，同时可能出现折线型蠕滑裂隙系统。结构面相互交汇或转折处，形成很高的压应力及拉应力集中区，其变形与破坏常较为剧烈。2 .边坡外形改变对边坡稳定性的影响河流、水库及湖海的冲刷及淘刷，使岸坡外形发生变化。当侵蚀切露坡体底部的软弱结构面，使坡体处于临空状态，或侵蚀切露坡体下伏软弱层的顶面时，使坡体失去平衡，最后导致破坏。人工削坡时未考虑岩体结构特点，切露了控制斜坡稳定的主要

10、软弱结构面，形成或扩大了临空面，使坡体失去支撑，会导致斜坡的变形与破坏。施工顺序不当，坡顶开挖进度慢而坡脚开挖速度快，加陡斜坡或形成倒坡。坡角增加时，坡顶及坡面张力带范围扩大，坡脚应力集中带的最大剪应力也随之增大。坡顶、坡脚应力集中增大，会导致斜坡的变形与破坏。3 .岩体力学性质的改变对边坡稳定性的影响风化作用使坡体强度减小，坡体稳定性大大降低，加剧了斜坡的变形与破坏。坡体岩土风化越深，斜坡稳定性越差，稳定坡角越小。斜坡的变形与破坏大都发生在雨季或雨后，还有部分发生在水库蓄水和渠道放水之后，有的则发生在施工排水不当的情况下。这些都表明水对斜坡稳定性的影响是显著的。当斜坡岩土体亲水性较强或有易溶

11、矿物成分时，如含易溶盐类的粘土质页岩、钙质页岩、凝灰质页岩、泥灰岩或断层角砾岩等，浸水易软化、泥化或崩解,导致边坡变形与破坏。因此，水的浸润作用对斜坡的危害性大而普遍。4 .各种外力直接作用对边坡稳定性的影响区域构造应力的变化、地震、爆破、地下静水压力和动水压力，以及施工荷载等，都使斜坡直接受力，对斜坡稳定的影响直接而迅速。边坡处于一定历史条件下的地应力环境中，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。这在坡脚、坡面及坡顶张力带表现得最明显。研究表明，水平构造残余应力愈大，其影响愈大，二者成正比关系。与自重应

12、力状态下相比，边坡变形与破坏的范围增大，程度加剧。由于雨水渗入，河水水位上涨或水库蓄水等原因，地下水位抬高，使斜坡不透水的结构面上受到静水压力作用，它垂直于结构面而作用在坡体上，削弱了该面上所受滑体重量产生的法向应力，从而降低了抗滑阻力。坡体内有动水压力存在，会增加沿渗流方向的推滑力，当水库水位迅速回落时犹甚。地震引起坡体振动，等于坡体承受一种附加荷载。它使坡体受到反复振动冲击,使坡体软弱面咬合松动，抗剪强度降低或完全失去结构强度，斜坡稳定性下降甚至失稳。地震对斜坡破坏的影响程度，取决于地震强度大小，并与斜坡的岩性、层理、断裂的分布和密度以及坡面的方位和岩土体的含水性有关。由上述可见，应根据岩

13、土体的结构特点、水文地质条件、地形地貌特征，并结合区域地质发育史，分析各种营力因素的作用性质及其变化过程，来论证边坡的稳定性。 6.3 石边坡稳定性分析6.3.1 圆弧法岩坡稳定性分析对于均质的以及没有断裂面的岩坡，在一定的条件下可看作平面问题，用圆弧法进行稳定分析。圆弧法是最简单的分析方法之一。在用圆弧法进行分析时，首先假定滑动面为一圆弧（图6-4）,把滑动岩体看作为刚体，求滑动面上的滑动力及抗滑力，再求这两个力对滑动圆心的力矩。抗滑力矩Mr和滑动力矩Ms之比，即为该岩坡的稳定安全系数Fs：图6-4网弧法岩坡分析如果Fsl,则沿着这个计算滑动面是稳定的；如果Fsl,则是不稳定的；如果Fs=l

14、,则说明这个计算滑动面处于极限平衡状态。由于假定计算滑动面上的各点覆盖岩石重量各不相同。因此，由岩石重量引起在滑动面上各点的法向压力也不同。抗滑力中的摩擦力与法向应力的力的大小有关,所以应当计算出假定滑动面上各点的法向应力。为此可以把滑弧内的岩石分条，用所谓条分法进行分析。如图6-4,把滑体分为条，其中第i条传给滑动面上的重量为所，它可以分解为两个力：一是垂直于圆弧的法向力M；另一是切于圆弧的切向力77o由图6-4可见Ni = Wi cos。,l ,(6-1)Tl. =Wisin0l.N通过圆心，其本身对岩坡滑动不起作用。但是N可使岩条滑动面上产生摩擦力Mtan%(%为该弧所在的岩体的内摩擦角

15、)，其作用方向与岩体滑动方向相反，故对岩坡起着抗滑作用。此外，滑动面上的内聚力c也是起抗滑作用的，所以第i条岩条滑弧上的抗滑力为：cill + Ni tan j因此第i条产生的抗滑力矩为(MJ =(c + N, tan %)R式中，c,第i条滑弧所在岩层的内聚力(MPa)；i一一第i条滑弧所在岩层的内摩擦角( );li第i条岩条的圆弧长度(m)。对每一岩条进行类似分析，可以得到总的抗滑力矩9Mr =(Zcili + ZNi tani)R(6-2)i=i=而滑动面上总的滑动力矩为M s 5 7R(6-3)/=1将式(6-2)及(6-3)代入安全系数公式，得到假定滑动面上的安全系数为q4+ZMtan%Fs7宗 (6-4)l/=1由于圆心和滑动面是任意假定的，因此要假定多个圆心和相应的滑动面作类似的分析进行试算，从中找到最小的安全系数即为真正的安全系数，其对应的圆心和滑动面即为最危险的圆心和滑动面。根据用圆弧法的大量计算结