边坡稳定性分析

第9章边坡稳定性分析

学习指导:本章介绍了边坡的破坏类型,即:岩崩和岩滑;着重介绍了边坡稳定性分析与评价基本方法,包括圆弧法岩坡稳定分析、平面滑动法岩坡稳定分析、双平面滑动岩坡稳定分析、力多边形法岩坡稳定分析及近代理论计算法;介绍了岩坡处理的措施。

重点:1边坡的变形与破坏类型;

2影响边坡稳定性的因素;

3边坡稳定性分析与评价。

9.1 边坡的变形与破坏类型

9.1.1 概述

随着社会进步及经济发展,越来越多地在工程活动中涉及边坡工程问题,通过长期的工程实践,工程地质工作者已对边坡工程形成了比较完善的理论体系,并通过理论对人类工程活动,进行有效地指导。近年来,随着环境保护意识的增加及国际减轻自然灾害十年来的开展,人类已认识到:边坡诞生不仅仅是其本身的历史发展,而是与人类活动密切相关;人类在进行生产建设的同时,必须顾及到边坡的环境效应,并且把人类的发展置于环境之中,因而相继开展了工程活动与地质环境相互作用研究领域,在这些领域中,边坡作为地质工程的分支之一,一直是人们研究的重点课题之一。

在水电、交通、采矿等诸多的领域,边坡工程都是整体工程不可分割的部分,为保证工程运行安全及节约经费,广大学者对边坡的演化规律、边坡稳定性及滑坡预测预报等进行了广泛研究。然而,随着人类工程活动的规模扩大及经济建设的急剧发展,边坡工程中普遍出现了高陡边坡稳定性及大型灾害性滑坡预测问题。在我国,目前的露天采矿的人工边坡已高达300—500m,而水电工程中遇到的天然边坡高度已达500—1000米,其中涉及的工程地质问题极为复杂,特别是在西南山区,边坡的变形、破坏极为普遍,滑坡灾害已成为一种常见的危害人民生命财产安全及工程正常运营的地质灾害。

因此,广大工程地质和岩石力学工作者对此问题进行了长期不懈的探索研究,取得了很大的进展;从初期的工程地质类比法、历史成因分析法等定性研究发展到极限平衡法、数值分析法等定量分析法,进而发展到系统分析法、可靠度方法灰色系统方法等不确定性方法,同时辅以物理模拟方法,并且诞生了工程地质力学理论、岩(土)体结构控制论等,这些无疑为边坡工程及滑坡预报研究奠定了坚实的基础,为人类工程建设做出了重大贡献。

在工程中常要遇到岩坡稳定的问题,例如在大坝施工过程中,坝肩开挖破坏了自然坡脚,使得岩体内部应力重新分布,常常发生岩坡的不稳定现象。又如在引水隧洞的进出口部位的边坡、溢洪道开挖的边坡、渠道的边坡以及公路、铁路、采矿工程等等都会遇到岩坡稳定的

问题。如果岩坡由于力过大和强度过低,则它可以处于不稳定的状态,一部分岩体向下或向外坍滑,这一种现象叫做滑坡。滑坡造成危害很大,为此在施工前,必须做好稳定分析工作。

岩坡不同于一般土质边坡,其特点是岩体结构复杂、断层、节理、裂隙互相切割,块体极不规则,因此岩坡稳定有其独特的性质。它同岩体的结构、块体密度和强度、边坡坡度、高度、岩坡表面和顶部所受荷载,边坡的渗水性能,地下水位的高低等有关。

岩体内的结构面,尤其是软弱结构面的的存在,常常是岩坡不稳定的主要因素。大部分岩坡在丧失稳定性时的滑动面可能有三种。一种是沿着岩体软弱岩层滑动;另一种是沿着岩体中的结构面滑动;此外,当这两种软弱面不存在时,也可能在岩体中滑动,但主要的是前面两种情况较多。在进行岩坡分析时,应当特别注意结构面和软弱层的影响。

软弱岩层主要是粘土页岩、凝灰岩、泥灰岩、云母片岩、滑石片岩以及含有岩盐或石膏成分的岩层。这类岩层遇水浸泡后易软化,强度大大地降低,形成软弱层。在坚硬的岩层中(如石英岩、砂岩等等)应当查明有无这类软弱夹层存在。

结构面包括沉积作用的层面、假整合面、不整合面;火成岩侵入结构面以及冷缩结构面;变质作用的片理,构造作用的断裂结构面等等。岩质边坡稳定分析时,应当研究岩体中应力场和各种结构面的组合关系。岩坡的滑动就是在应力作用下岩体破坏了平衡而沿着某种面(很可能是结构面)产生的。岩体的应力是由岩体重量、渗透压力、地质构造应力以及外界因素,如地震惯性力、风力、温度应力等所形成的边坡剪应力,这种剪应力超过结构面的抗剪强度就促使岩体沿着结构面滑动。有时沿某一结构面滑动,有时沿着多种结构面所组合的滑动面滑动。通常以后者为多数。

结构面中如夹有粘土或其它泥质充填物,则就成为软弱结构面。地质构造作用形成的断裂和节理在地壳表层是最多的,这种结构面往往都夹有粘土或泥质充填物,遇水浸泡后,结构面中的软弱充填物就容易软化,强度大大地降低,促使岩坡沿着它发生滑动。因此,岩坡分析中,对结构面,特别是软弱结构面的类型、性质、组合形式、分布特征以有及由各种软弱面切割后的块体形等进行仔细分析是十分重要的。

9.1.2 岩坡的破坏类型

岩坡的破坏类型从形态上来看可分为岩崩和岩滑两种。岩崩一般发生在边坡过陡的岩坡中,这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒,如图9-1(a)所示,或者坡顶岩体因某种原因脱落而在坡脚下堆积,见图9-1(b)、(c),它经常产生于坡顶裂隙发育的地方。其起因或由于风化等原因减弱了节理面的凝聚力,或由于雨水进入裂隙产生水压力所致;或者也可能由于气温变化、冻融松动岩石的结果;其它如植物根造成膨胀压力、地震、雷击等都可造成岩崩现象。岩滑是指一部分岩体沿着岩体较深处某种面的滑动。岩滑可分为平面滑动、楔形滑动以及旋转滑动。平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿着某一软面(层面、断层、裂隙)的滑动,见图9-2(a),滑动面的倾角必大于该平面的内摩擦角。平面滑动不仅滑体克服了底部的阻力,而且也克服了两侧的阻力。在软岩中(例如页岩),如底部倾角远陡于内摩擦角,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,如果不连续面横切坡顶,边坡上岩石两侧分离,则也能发生平面滑动。楔形滑动是岩体沿两组(或两组以上)的软弱面滑动的现象,见图9-2(b)。在挖方工程中,如果两个不连续面的交线出露,则楔形岩体失去下部支撑作用而滑动。法国马尔帕塞坝的崩溃(1959年)就是岩基楔形滑动的结果。旋转滑动的滑动面通常呈弧形状,见图9-2(c),这种滑动一般产生于非成层的均质岩体中。

岩坡的滑动过程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拉张裂缝并逐渐加长和加宽,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,此一阶段往往造成极大的危害。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。

在进行岩坡稳定性分析时,首先应当查明岩坡可能的滑动类型,然后对不同类型采用相应的分析方法。严格而言,岩坡滑动大多属空间滑动类型,然后对只有一个平面构成的滑裂面或者滑裂面由多个平面组成而这些面的走向又大致平行者,且沿着走向长度大于坡高时,则也可按平面滑动进行分析,其结果偏于安全方面,在平面分析中,常常把滑动面进行稳定验算。本章从第四节起将分别阐述各种分析方法。

经验证明,许多滑坡的发生都与岩体内的渗水作用有关,这是由于岩体内渗水后岩石强度恶化和应力增加的缘故。因此,做好岩坡的排水工作是防止滑坡的手段之一。

意大利瓦依昂(Vajont)水库岩坡滑动而造成的事故是闻名于全世界的。水库的岸坡由分层的石灰岩组成,水库蓄水后在1960年10月就发现上坡附近有主要裂隙,同时直接在沿河的陡坡上曾经发生过一次较小的滑坡,从该时起,这整个区域都处于运动中,这运动的速度为每天若干个十分之一毫米到十毫米以上。在1963年10月9日夜晚,岸坡发生骤然的崩坍,在一分多钟时间内大约有2.5亿立方米的岩石崩入水库,顿时造成高达150米到250米的水

边坡稳定性分析

2400多人死断层;5-洼地

泉水;5-透水岩

图9-4表示康德斯特格(Kandersteg)隧洞由于渗水作用岩坡山崩而失事的例子。

隧洞原来设计为无压隧洞,但后来却成为有压隧洞。中等程度的水压力使衬砌造成裂缝。隧洞中的水从裂缝中渗出,流过透水层最后聚集在不透水岩层的顶部(图9-4)。在山坡底部流出一股泉水,渗水使岩石性质恶化,山坡变为不稳定而造成山体崩滑,使附近居民的生命财产受到很大的损失。这次失事,主要是衬砌部分受力过高而地质条件又不好而引起的。岩石中的渗水是这次事故中的外因,岩石强度不够是内因,外因通过内因而起作用,渗水使岩石强度降低,造成了这次事故。这是一个典型的例子,可以说明许多类似失事的原因。

9.2 影响边坡稳定性的因素

影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面,内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性起控制作用,外部因素起诱发破坏作用。

1)岩土性质和类型

岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。坚硬完整的块状或厚层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡,如长江三峡峡谷。而在淤泥或淤泥质软土地段,由于淤泥的塑性流动,几乎难以开挖渠道,边坡随挖随塌,难以成形。黄土边坡在干旱时,可以直立陡峻,但一经水浸土的强度大减,变形急剧,滑动速度快,规模和动能巨大,破坏力强且有崩塌性。松散地层边坡的坡度较缓。

不同的岩层组成的边坡,其变形破坏也有所不同,在黄土地区,边坡的变形破坏形式以滑坡为主;在花岗岩、厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主;在片岩、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形。在碎屑岩及松散土层地区,则产生碎屑流或泥石流等。

2)地质构造和岩体结构的影响

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,边坡稳定性差。断层带岩石破碎,风化严重,又是地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响,水平岩层的边坡稳定性较好,但存在陡倾的节理裂隙,则易形成崩塌和剥落。同向缓倾的岩质边坡(结构面倾向和边坡坡面倾向一致,倾角小于坡角)的稳定性比反向倾斜的差,这种情况最易产生顺层滑坡。结构面或岩层倾角愈陡,稳定性愈差。如岩层倾角小于10°~15°的边坡,除沿软弱夹层可能产生塑性流动外,一般是稳定的;大于25°的边坡,通常是不稳定的;倾角在15°~25°的边坡,则根据层面的抗剪强度等因素而定。同向陡倾层状结构的边坡,一般稳定性较好,但由薄层或软硬岩互层的岩石组成,则可能因蠕变而产生挠曲弯折或倾倒。反向倾斜层状结构的边坡通常较稳定,但垂直层面或片理面的走向节理发育且顺山坡倾斜,则亦易产生切层滑坡。

3)水的作用

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,处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用,而不透水的边坡,将承受静水压力;充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用;地下水的渗流,将对边坡岩土体产生动水压力。水对边坡岩体还产生软化或泥化作用,使岩土体的抗剪强度大为降低;地表水的冲刷,地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。不同结构类型的边坡,有其自身特有的水动力模型。

(1) 静水压力

作用于边坡的静水压力主要包括两种情况:其一是当边坡被水库淹没时,库水对边坡面

所产生的静水压力;其二是当裂隙岩石边坡的张裂隙充水时,裂隙中的水压力。

①边坡坡面上的静水压力:当边坡被水淹没,而边坡的表部相对不透水时,坡面上将受

一定的静水压力,静水压力的方向与坡面正交。当边坡的滑动面(软弱结构面)的倾角θ小于

坡角α时,则坡面静水压力传到滑动面上的切向分量为抗滑力,对边坡稳定有利。当αθ>时,

则切向分量为下滑力,则不利于边坡的稳定。

②边坡裂隙静水压力:有张裂隙发育的岩石边坡以及长期干旱的裂隙粘土边坡,如果因

降雨或地下水活动使裂隙充水,则裂隙面将承受静水压力(图9-5)。静水压力的作用方向与

裂隙面相垂直,其大小与裂隙水水头有关。对部分充水的高角度裂隙,裂隙静水压力

w P w

(取

边坡稳定性分析

由于裂隙水活动的不规律性,岩体中的地下水位通常不是圆滑的曲线。在相邻裂隙的地

下水位不同时,地下水位高的裂隙较地下水位低的裂隙承受较大的静水压力,这种静水压力

的差别,有时是使边坡失稳的原因之一。

由于地下水出口节理裂隙敞开情况不同,也影响裂隙水压力的大小,因而影响边坡的稳

定。如图9-6所示,出口节理张开,地下水位低,裂隙水压力小;出口节理闭合,透水性差,

则地下水位高,裂隙水压力大。如作用在岩块底部滑面上的静水压力,有时可使覆岩块隆胀

(静水压力等于上覆岩块重),而使边坡稳定严重恶化。

(2)浮托力

处于水下的透水边坡,承受浮托力的作用,使坡体的有效重量减轻,这对边坡的稳定不

利。不少水库周围松散堆积层边坡,在水库蓄水时发生变形,浮托力的影响是原因之一。对

处于极限稳定状态,依靠坡脚岩体重量保持暂时稳定的边坡,坡脚被水淹没后,浮托力对边

坡稳定的影响就更加显著。

(3)动水压力

动水压力是地下水在流动过程中所施加于岩土体颗粒上的力。它是一种体积力,其数值

为:

I V D w γ= (9-2)

其中:V流动水体体积;

水的块体密度;

w

I水力梯度。

动水压力的方向和水流方向平行,在近似计算中,多假定与地下水面或滑面平行,如果动水压力方向和滑体滑动方向不一致,则应分解为垂直和平行于滑面的两个分量参与稳定计算。在边坡稳定的实际计算中,由于渗流方向不是定值,且水力梯度不易精确确定,一般则作简化假定,以采用不同的滑体块体密度将动水压力的影响计入。即在地下水位以下静水位以上有渗流活动的滑体,计算下滑力时,采用饱和块体密度;计算抗滑力时,采用浮块体密度。

4) 工程荷载

在水利水电工程中,工程荷载的作用影响边坡的稳定性。例如,拱坝坝肩承受的拱端推力、边坡坡顶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涮力、为加固边坡所施加的力,如预应力锚杆时所加的预应力等都影响边坡的稳定性。由于工程的运行也可能间接地影响边坡的稳定,例如由引水隧洞运行中的水锤作用,使隧洞围岩承受超静水荷载,引起出口边坡开裂变形等。

5)地震作用

地震对边坡稳定性的影响表现为累积和触发(诱发)等两方面效应。

(1)累积效应

边坡中由地震引起的附加力S的大小,通常以边坡变形体的重量W与地震振动系数k 之积表示(S=kW)。在一般边坡稳定性计算中,将地震附加力考虑为水平指向坡外的力。但实际上应以垂直与水平地震力的合力的最不利方向为计算依据。总位移量的大小不仅与震动强度有关,也与经历的震动次数有关,频繁的小震对斜坡的累进性破坏起着十分重要的作用,其累积效果使影响范围内岩体结构松动,结构面强度降低。

(2)触发(诱发)效应

触发效应可有多种表现形式。在强震区,地震触发的崩塌、滑坡往往与断裂活动相联系。高陡的陡倾层状边坡,震动可促进陡倾结构面(裂缝)的扩展,并引起陡立岩层的晃动。它不仅可引发裂缝中的空隙水压力(尤其是在暴雨期)激增而导致破坏,也可因晃动造成岩层根部岩体破碎而失稳。

碎裂状或碎块状边坡,强烈的震动(包括人工爆破)甚至可使之整体溃散,发展为滑塌式滑坡。结构疏松的饱和砂土受震液化或敏感粘土受震变形,也可导致上覆土体产生滑坡。海底斜坡失稳,不少也与地震造成饱水固结土体的液化有关,这也是为什么在十分平缓的海底斜坡中会产生滑坡的重要原因之一。

我国岩质边坡工程实践中,为量化评价爆破的影响,根据经验采取降低计算结构面的抗剪强度的方法实施,f值降低15%~30%,c值降低20%~40%。理论计算,降低的低值和高值分别相当于地震烈度Ⅷ度和Ⅸ度时造成的影响。

9.3 边坡稳定分析与评价

随着人类工程活动向更深层次发展,在经济建设过程中,遇到了大量的边坡工程,且规模越来越大,其重要程度也越高,有时会影响人类工程活动;并且人们更注重由于边坡失稳造成的地质灾害,故边坡稳定性研究一直是重中之重。边坡稳定性分析与评价的目的,一是对与工程有关的天然边坡稳定性作出定性和定量评价;二是要为合理地设计人工边坡和边坡

变形破坏的防治措施提供依据。边坡稳定性分析评价的方法主要有:地质分析法(历史成因分析法)、力学计算法、工程地质类比法、过程机制分析法、理论体边坡已有的变形迹象,阐明其形成演变机制。分析中要特别注意变形模式的转化标志,它往往是失稳的前兆。边坡稳定性分析方法很多,简要归纳如下。

9.3.1 边坡稳定性分析方法简介

1)定性分析方法

主要是分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及工程的综合功能等,对边坡的成因及演化历史进行分析,以此评价边坡稳定状况及其可能发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素,快速地对边坡的稳定性做出评价和预测。常用的方法有:

(1)地质分析法(历史成因分析法)

根据边坡的地形地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律,追溯边坡演变的全过程,预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式,从而对边坡的稳定性做出评价,对已发生过滑坡的边坡,则判断其能否复活或转化。

(2)工程地质类比法

其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。需要对已有边坡进行详细的调查研究,全面分析工程地质因素的相似性和差异性,分析影响边坡变形发展的主导因素的相似性和差异性,同时,还应考虑工程的类别、等级及其对边坡的特定要求等。它虽然是一种经验方法,但在边坡设计中,特别是在中小型工程的设计中是很通用的方法。

(3)图解法

图解法可以分为两类:

①用一定的曲线和偌谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系,由此求出边坡稳定性

、c、r、结构面倾角、坡角、坡高)仅一个未知的情系数,或已知稳定系数及其它参数(

况下,求出稳定坡角或极限坡高。这是力学计算的简化。

②利用图解求边坡变形破坏的边界条件,分析软弱结构面的组合关系,分析滑体的形态、滑动方向,评价边坡的稳定程度,为力学计算创造条件。常用的为赤平极射投影分析法及实体比例投影法。

(4)边坡稳定专家系统

工程地质领域最早研制出的专家系统是用于地质勘察的专家系统 Propecter,由斯坦福大学于70年代中期完成的。另外,MIT在80 年代中期研制的测井资料咨询的专家系统也得到成功地应用。在国内,许多单位正在进行研制,并取得了很多的成果。专家系统使得一般工程技术人员在解决工程地质问题时能象有经验的专家给出比较正确的判断并做出结论,因此,专家系统的应用为工程地质的发展提供了一条新思路。

2)定量评价方法

实质是一种半定量的方法,虽然评价结果表现为确定的数值,但最终判定仍依赖人为的判断。目前,所有定量的计算方法都是基于定性方向之上。

(1)极限平衡法

极限平衡法在工程中应用最为广泛,这个方法以摩尔—库仑抗剪强度理论为基础,将滑坡体划分为若干条块,建立作用在这些条块上的力的平衡方程式,求解安全系数。这个方法,没有象传统的弹、塑性力学那样引入应力-应变关系来求解本质上为静不定的问题,而是直接对某些多余未知量作假定,使得方程式的数量和未知数的数量相等,因而使问题变得静定可解。根据边坡破坏的边界条件,应用力学分析的方法,对可能发生的滑动面,在各种荷载作用下进行理论计算和抗滑强度的力学分析。通过反复计算和分析比较,对可能的滑动面给出稳定性系数。刚体极限平衡分析方法很多,在处理上,各种条分法还在以下几个方面引入简化条件:(1)对滑裂面的形状作出假定,如假定滑裂面形状为折线、圆弧、对数螺旋线等;(2)放松静力平衡要求,求解过程中仅满足部分力和力矩的平衡要求;(3)对多余未知数的数值和分布形状做假定。该方法比较直观、简单,对大多数边坡的评价结果比较令人满意。该方法的关键在于对滑体的范围和滑面的形态进行分析,正确选用的滑面计算参数,正确地分析滑体的各种荷载。基于该原理的方法很多,如条分法、圆弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡传递系数法等。

目前,刚体极限平衡方法已经从二维发展到目前的三维。有关边坡稳定三维极限平衡方法,已有众多文献介绍研究成果。下面就几种常用的方法做介绍。

(2)数值分析方法

主要是利用某种方法求出边坡的应力分布和变形情况,研究岩体中应力和应变的变化过程,求得各点上的局部稳定系数,由此判断边坡的稳定性。主要有以下几种:

①有限单元法(FEM)

该方法是目前应用最广泛的数值分析方法。其解题步骤已经系统化,并形成了很多通用的计算机程序。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征,考虑了岩体的应力应变特征,因而可以避免将坡体视为刚体、过于简化边界条件的缺点,能够接近实际地从应力应变分析边坡的变形破坏机制,对了解边坡的应力分布及应变位移变化很有利。其不足之处是:数据准备工作量大,原始数据易出错,不能保证整个区域内某些物理量的连续性;对解决无限性问题、应力集中问题等其精度比较差。

②边界单元法(BEM)

该方法只需对已知区的边界极限离散化,因此具有输入数据少的特点。由于对边界极限离散,离散化的误差仅来源于边界,区域内的有关物理量是用精确的解析公式计算的,故边界元法的计算精度较高,在处理无限域方面有明显的优势。其不足之处为:一般边界元法得到的线性方程组的关系矩阵是不对称矩阵,不便应用有限元中成熟的对稀疏对称矩阵的系列解法。另外,边界元法在处理材料的非线性和严重不均匀的边坡问题方面,远不如有限元法。

③离散元法(DEM)

是由Cundall(1971)首先提出的。该方法利用中心差分法解析动态松弛求解,为一种

显式解法,不需要求解大型矩阵,计算比较简便,其基本特征在于允许各个离散块体发生平动、转动、甚至分离,弥补了有限元法或边界元法的介质连续和小变形的限制。因此,该方法特别适合块裂介质的大变形及破坏问题的分析。其缺点是计算时步需要很小,阻尼系数难以确定等。

离散单元法可以直观地反映岩体变化的应力场、位移场及速度场等各个参量的变化,可以模拟边坡失稳的全过程。

④块体理论(BT ) 是由Goodman 和Shi (1985)提出的,该方法利用拓扑学和群论评价三维不连续岩体稳定性。其建立在构造地质和简单的力学平衡计算的基础上。利用块体理论能够分析节理系统和其它岩体不连续系统,找出沿规定临空面岩体的临界块体。块体理论为三维分析方法,随着关键块体类型的确定,能找出具有潜在危险的关键块体在临空面的位置及其分布。块体理论不提供大变形下的解答,能较好地应用于选择边坡开挖的方向和形状。

9.3.2 圆弧法岩坡稳定分析

对于均质的以有及没有断裂面的岩坡,在一定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9-7),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。滑动力矩S M 和抗滑力矩R M 之比,即为该岩坡的稳定安全系数s F :

S R s M M F ==滑动力矩抗滑力矩

如果1>S F ,则沿着这个计算滑动面是稳定的;如果S F ≤1,则是不稳定的;如果1=S F ,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9-7,把滑体分为n 条,其中第i 条传给滑动面上的重量为i W ,它可以分解为二个力:一是垂直于圆弧的法向力i N ,另一是切于圆弧的切向力i T 。由图可见:

???==i i i i i i W T W N θθsin cos (9-3)

i N 力通过圆心,其本身对岩坡滑动不起作用。但是i N 可使岩条滑动面上产生摩擦力i i tg N ?(i ?为该弧所在的岩体的内摩擦角),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,滑动面上的凝聚力c 也是起抗滑作用的,所以第i 条岩条滑弧上的抗滑力为:

i i i i tg N l c ?+

因此第i 条产生的抗滑力矩为: ()()R tg N l c M i i i i i R ?+=

式中 i c 第i 条滑弧所在岩层的凝聚力;

i ? 第i 条滑弧所在岩层的内摩擦角

i l 第i 条岩条的滑弧长度。

同样,对每一岩条进行类似分析,可以得到总的抗滑力矩为:

R

tg N l c M n i i n i i R ??? ??+=∑∑11? 式中 n 分条数目,图9-6中等于6。

而滑动面上总的滑动力矩为:

∑=n

i R R T M 1 (9-4)

将式(9-4)及式(9-5)代入安全系数公式,得到假定滑动面上的安全系数为 ∑∑∑+=n i

n i

i

n i i S T tg N l c F 111? (9-5)

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果,有人已经绘制了如图9-8所示的曲线,该曲线表示当一定的任何物理力学性质时坡高与坡角的关系。在图上,横轴表示坡角a ,纵轴表示坡高系数H ',90H 表示均质垂直岩坡的极限高度,亦即坡顶张裂缝的最大深度,用下式计算:

??? ??+=245290?γ tg c

H (9-6)

利用这些曲线可以很快地决定坡高或坡角,其计算步骤如下: 1)根据岩体的性质指标(c 、?、γ)按(9-6)式确定90H ;

2)如果已知坡角,需要求坡高,则在横轴上找到已知坡角值的那点,自该点向上作一垂直线,相交于对应已知内摩擦角?的曲线,得一交点,然后从这一点作一水平线交于纵轴,求得H ',将H '乘以90H ,即得所要求的坡高H

90H H H '= (9-7)

3)如果已知坡高H 需要确定坡角,则首先用下式确定H '

90H H

H ='

边坡稳定性分析

1)平面滑动的一般条件

边坡稳定性分析

岩坡沿着单一的平面发生滑动,一般必须满足下列几何条件(见图9-9);

(1)滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行(约在

20

±的范围内);

β必小于坡面的倾角α,即α

β<;

j

?

β>;

如图9-9所示。张裂缝中不可避

ω

Z;

张裂缝底与坡趾间

(如图9-9所示的三角形分

V三均通过滑体的重心。换

一般而言,忽视力矩造成的误差可

这时,安全系数等于总抗滑力与总

()

β

β

?

β

β

cos

sin

sin

cos

V

W

tg

V

U

W

L

c

F j

i

s+

-

-

+

=

(9-8)

式中 L 滑动面长度(每单位宽度内的面积),它等于:

βsin Z

H L -= (9-9)

L Z U ωωγ21= (9-10)

221ωωγZ V = (9-11)

W 按下列公式计算,当张裂缝位于坡顶面时:

()[]{}

αβγctg ctg H Z H W --=22121 (9-12) 当张裂缝位于坡面上时:

()()[]112122--=αββγtg ctg ctg H Z H W (9-13)

当边坡的几何要素和张裂缝内的水深为已知时,用上列这些公式计算安全系数很简单。但有时需要对不同的边坡几何要素、水深、不同抗剪强度的影响进行比较,这时用上述方程式计算就相当麻烦。为了简化起见,可以将方程式(9-8)重新整理为下列的无量纲的形式: ()()[]β?βγRSctg Q tg S P R Qctg P H c F j

s ++-+=2 (9-14) 式中

()βcsc 1H Z P -= (9-15)

当张裂缝在坡顶面上时:

βαβsin }])/(1{[2ctg ctg H Z Q --= (9-16)

当张裂缝在坡面上时:

})]1(cos ])/(1[2--=αββctg ctg H Z Q (9-17)

H Z Z Z r r R ?=ωω (9-18)

βωsin H Z Z Z S ?= (9-19)

P 、Q 、R 、S 均为无量纲的,即它们只取决于边坡的几何要素,而不取决于边坡尺寸。因此,当凝聚力c =0时,安全系数 不取决于边坡的具体尺寸。

图9-10、图9-11、图9-12分别表示各种几何要素的边坡的P 、S 、Q 的值,可供计算使用,两种张裂缝的位置都包括在Q 比值的图解曲线中,所以不论边坡外形如何,都不需检查张裂缝的位置,就能求得Q 值。但应注意,张裂缝的深度一律从坡顶面算起。

例题 9-2 设有一岩石边坡,高30.5米,坡角 60=α,坡内有一层面穿过,层面的倾

角为 30=β。在边坡坡顶面线8.8米处有一条张裂缝,其深度为Z =15.2米。岩石块体密度

为6.25=γ千牛顿/米3。层面的凝聚力6.48=i c 千帕,内摩擦角 30=j ?,求水深ωZ 对边坡

安全系数s F 的影响。

解 当Z/H =0.5时,由图9-10和图9-12查得P =1.0和Q =0.36。

对于不同的Z Z ω,R(从式(9-17))和S (从图9-10)的值为:

Z Z ω 1.0

0.5 0 R 0.195

0.098 0 S

0.26 0.13 0 又知125.05.306.25/6.4822=??=H c γ。

所以,当张裂缝中水深不同时,根据式(9-14)式计算的安全系数变化如下:

Z Z ω

1.0 0.5 0 s F 0.77 1.10 1.34

将这些值绘成图9-13的曲线,可见张裂缝中的水深对岩坡安全系数的影响很大。因此,采取措施防止水从顶部进入张裂缝,是提高安全系数的有效办法。

9.3.4 双平面滑动岩坡稳定分析

岩坡内有两条相交的结构面,形成潜在的滑动面(图9-14)。上面的滑动面的倾角1α大于结构面内摩擦角1?,即11?α>,设01=c ,则其上岩块体有下滑的趋势,从而通过接触面将力传递给下面的块体,今称上面的岩块体为主动滑块体。下面的潜在滑动面的倾角2α小于结构面的内摩擦角2?,即22?α<,按原理下面的块体是不致滑动的,但是它受到了上面滑动块体传来的力,使之也可能滑动,今称下面的岩块体为被动滑块体。为了使岩体保持平衡,必须对岩体施加支撑力b F ,该力与水平线成θ角。假设主动块体与被动块体之间的边界面为垂直,对上、下两滑动体分别进行图9-14所示力系的分析,可以得到为极限平衡而所需施加的支撑力:

(9-20)

边坡稳定性分析

1W 和2

W

之值,则可以擦角值

(9-21)

1α和2α的值,(或采用?)的值,

比值即为方程(9-20)的根。今后如果在主动区开挖或在被动区填方或在被动区进行锚固,这些新条件下的所需的内摩擦角available ?(或需要?)也可从式(9-20)得出。在新条件下的安全系数的增加也就不难求得。

9.3.5 力多边形法岩坡稳定分析

如图9-15(a )所示,两个或两个以上多平面的滑动或者其它形式的折线和不规则曲线的滑动,都可以按照极限平衡条件,用力多边形(分条图解)法来进行分析。

假定根据工程地质分析,ABC 是一个可能的滑动面,将这个滑动区域(简称为滑楔)用垂直线划分为若干岩条,对于每一岩条都考虑到相邻岩条的反作用力,并绘制每一岩条的力多边形。以第i 条为例,岩条上作用着下列各力(图9-15,b ):

i W 所考虑的第i 条岩条的重量;

R ' 相邻的上面的岩条对i 条岩条的反作用力;

l c ' 相邻的上面的岩条与i 条岩条垂直界面之间的凝聚力(这里c 为单位面积凝聚力,l '为相邻交界线的长度);R '与l c '组成合力E ';

R ''' 相邻的下面的岩条对i 条岩条的反作用力;

l c ''' 相邻的下面的岩条对i 条岩条之间的凝聚力(l '''为相邻交界线的长度);R '''与l c '''组成合力E ''';

R '' 第i 条岩条底部的反作用力;

l c '' 第i 条岩条底部的凝聚力(l ''为i 条底部的长度)。

根据这些力,绘制力的多边形如图9-15(c )所示。在计算时,应当从上各下(在本例中也就是从右向左)自第一块岩条一个一个地循序进行图解计算(在图中分为6条),一直计算到最下面的一块岩条。力的多边形可以绘在同一图上,如图9-15(d )所示。如果绘制到最后一个力多边形是闭合的,则就说明岩坡刚好是处于平衡状态,也就是稳定安全系数等于1(图9-15(d )的实线)。如果绘出的力多边形不闭合,如图9-15(d )左边的虚线箭头所示,则说明该

边坡稳定性分析

()()???????==1111s s F c c F tg tg ?? (9-22)

然后,用1c 、1?进行上述图解验算。如果图解结果,力多边形刚好是闭合的,则所假定的安全系数就是在这一滑动面下的岩坡安全系数;如果不闭合,则重新假定安全系数,()2s F ……()n s F ,用2c ,2?……n c ,n ?进行计算,直至闭合为止,求出真正的安全系数。 如果岩坡有水压力、地震力以及其它的力也可在图解中把它们包括进去。

9.3.6 近代理论计算法

近代理论计算分析是将土力学、岩石(岩体)力学、弹塑性力学、断裂力学、损伤力学等多种力学和数学计算方法应用于边坡稳定性的定量评价和预测。量化分析涉及到稳定性计算、失稳时间预报、稳定空间预测等。目前采用的主要计算方法见表9-1。

实践证明,任何计算方法的成功都必须建立在深入查明原型特征和作出符合实际情况的演化机制分析的基础之上,机制分析至少从以下几个方面为理论计算提供了必不可少的信息。

(1)力学模型和数学模型

必须根据地质和演化机制模式建模。潜在破坏面的位置和形态特征、坡体中的变形破裂迹象,以及水动力学模式等,均要通过变形破坏机制分析加以确定。

(2)主导因素和敏感因素

根据边坡形成演化全过程与各环境动力因素的相关分析加以确定的主导因素和敏感因素,不仅是单体斜坡稳定性计算中建立动力作用模型的依据,而且也是群体边坡稳定性评价时确定权值和隶属度等有关参数的重要信息。

(3)计算参数的选取

坡体各种强度参数和物理、水理性质等参数,都是随边坡演化而变化的变量,因而只有判明边坡的演化机制和发展阶段,才能正确选定。例如进入滑移面贯通阶段的变形体,滑移面强度已接近残余值;缓慢变形的蠕变体,可采用流变试验确定有关参数。此外在采用反演分析推定参数时,也必须对变形破坏机制和(或)破坏后运动学特征作出正确判断。

(4)计算方法的选择

如表9-1所示,方法的选择也要建立在机制分析的基础上。变形破坏判据计算法,可以更充分地反映边坡演变的实际情况,是值得进一步探索完善的量化分析方法。

9.4 边坡的处理措施

9.4.1 边坡的防治措施

1)防治原则

边坡的治理应根据工程措施的技术可能性和必要性、工程措施的经济合理性、工程措施的社会环境特征与效应,并考虑工程的重要性及社会效应来制定具体的整治方案。防治原则应以防为主,及时治理。

2)防治措施

常用的防治措施可归纳如下:

(1)消除和减轻地表水和地下水的危害

①防止地表水入浸滑坡体。可采取填塞裂缝和消除地表积水洼地、用排水天沟截水或在滑坡体上设置不透水的排水明沟或暗沟,以及种植蒸腾量大的树木等措施。

②对地下水丰富的滑坡体可在滑体周界5m以外设截水沟和排水隧洞,或在滑体内设支撑盲沟和排水孔、排水廊道等。

(2)改变边坡岩土体的力学强度

提高边坡的抗滑力、减小滑动力以改善边坡岩土体的力学强度,常用措施有:

①削坡及减重反压:对滑坡主滑段可采取开挖卸荷、降低坡高或在坡脚抗滑地段加荷反压等措施,这样有利于增加边坡的稳定性,但削坡一定要注意有利于降低边坡有效高度并保护抗力体。

②边坡加固:边坡加固的方法主要有修建支挡建筑物(如抗滑片石垛、抗滑桩、抗滑挡墙等)、护面、锚固及灌浆处理等。支护结构由于对山体的破坏较小,而且能有效地改善滑体的力学平衡条件,故为目前用来加固滑坡的有效措施之一。

上述边坡变形破坏的防治措施,应根据边坡变形破坏的类型、程度及其主要影响因素等,有针对性地选择使用。实践证明,多种方法联合使用,处理效果更好。如常用的锚固与支挡联合,喷混凝土护面与锚固联合使用等。

9.4.2 边坡处理的一般方法

对于潜在的大规模岩石滑坡,应当加强观察,确定它们的特性和估计它们的危险性。潜在的岩石滑坡,一方面可用仪器来监视;另一方面可通过边坡的表面现象来判断分析,例如,树木斜生,弧立的岩石开始滚动或滑动,坡脚局部失稳等等都是可能发生滑坡的预兆。

(1)用混凝土填塞岩石断裂部分

岩体内的断裂面往往就是潜在的滑动面。用混凝土填塞断裂部分就消除了滑动的可能。在填塞混凝土以前,应当将断裂部分的泥质冲洗干净,这样,混凝土与岩石可以良好地结合。有时还应当将断裂部分加宽,再进行填塞。这样既清除了断裂面表面部分的风化岩石或软弱岩石,又使灌注工作容易进行。

(2)锚栓或预应力锚索加固

在不安全岩石边坡的工程地质测绘中,经常发现岩体的深部岩石较坚固,不受风化的影响,足以支持不稳定的和某种危险状况的表层岩石。在这种情况下采用锚栓或预应力锚索进行岩石锚固,很为有利。

一般采用抗拉强度很高的钢杆来锚固岩石,其道理是很明显的。钢质构件既可以是剪切螺栓的形式,垂直用于潜在剪切面,也可以用作预拉锚栓加固不稳定岩石。过去锚栓的防锈存在严重的问题,但是目前已经取得了重大的进展。

(3)用混凝土挡墙或支墩加固

在山区修建大坝、水电站、铁路和公路而进行开挖时,天然或人工的边坡,经常需要防护,以免岩石坍滑。在很多情况下,不能用额外的开挖放缓边坡来防止岩石的滑动,而应当采用混凝土挡墙或支墩,这样可能比较经济。

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