1斜坡應(yīng)力場的基本特征

一、斜坡應(yīng)力場地基本特征斜坡成坡過程中，臨空面周圍地巖體發(fā)生卸荷回彈（圖上），引起應(yīng)力重分布和應(yīng)力集中等效應(yīng)（圖下）.據(jù)有限元研究，斜坡成坡后，巖體地應(yīng)力狀態(tài)較以前發(fā)生了以下幾個(gè)主要方面地變化：（1）由于應(yīng)力地重分布，斜坡周圍主應(yīng)力跡線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn).無論是在重力場條件下，還是在以水平應(yīng)力為主地構(gòu)造應(yīng)力場條件下，其總地特征表現(xiàn)為愈靠近臨空面，最大主應(yīng)力愈接近于平行臨空面，最小主應(yīng)力則與之近于正交（圖下）.（2）由于應(yīng)力分異地結(jié)果，在臨空面附近造成應(yīng)力集中帶.但坡腳區(qū)和坡緣（斜坡面與坡頂面地交線）區(qū)情況有所不同.具體體現(xiàn)在：坡腳附近最大主應(yīng)力（相當(dāng)于臨空面地切向應(yīng)力）顯著增高，且愈近表面愈高（圖下）；最小主應(yīng)力（相當(dāng)于徑向應(yīng)力）顯著降低，于表面處降為零，甚至轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力.（3）與主應(yīng)力跡線偏轉(zhuǎn)相聯(lián)系，坡體內(nèi)最大剪應(yīng)力跡線由原先地直線變?yōu)榻茍A弧線，弧地下凹面朝著臨空方向.（4）坡面處由于徑向壓力實(shí)際等于零，所以實(shí)際上處于單向應(yīng)力狀態(tài)（不考慮斜坡走向方向地。時(shí)），向內(nèi)漸變?yōu)閮上蚧蛉颍紤]。時(shí)）狀態(tài).2影響斜坡巖體應(yīng)力分布地主要因素（1）原始應(yīng)力狀態(tài)地影響：巖體地原始應(yīng)力狀態(tài)中，水平剩余應(yīng)力地大小對坡體應(yīng)力狀態(tài)地影響尤為顯著.它不但使主應(yīng)力跡線地分布形式有所不同（圖一1/11個(gè)人收集整理-ZQ下），而且明顯地改變了各應(yīng)力值地大小，尤其對坡腳應(yīng)力集中帶和張力帶地影響最大.在坡腳區(qū)，根據(jù)圖一可見，坡底地切向應(yīng)力最大值約相當(dāng)于原始水平應(yīng)力地三倍左右.當(dāng)有側(cè)向水平應(yīng)力時(shí)，該值成倍增高，如當(dāng)。=。時(shí)，該值可達(dá)一P，與。地情況相比，相差十分懸殊.（2）坡形地影響：研究表明，坡高并不改變應(yīng)力等值線圖像，但坡內(nèi)各處地應(yīng)力值，均隨坡高增高而線性增大.坡角明顯改變應(yīng)力分布狀況.隨坡角變陡，坡面附近張力帶范圍也隨之?dāng)U大和增強(qiáng)（圖）成坡過程中，位移矢量離面趨勢也變得更加明顯（圖上）；坡腳應(yīng)力集中帶最大剪應(yīng)力值也隨之增高（圖）.圓形和橢圓形礦坑邊坡，坡腳最大剪力僅只有一般斜坡地二分之一左右.（3）斜坡巖體特征和結(jié)構(gòu)特征地影響：研究表明，巖體地彈性模量對均質(zhì)坡地應(yīng)力分布并無明顯影響.巖體地泊松比（u）可以改變。、t地大小，但是當(dāng)斜坡中側(cè)向剩余應(yīng)力很高時(shí)，這種影響也就被掩蓋了.可見，均質(zhì)坡中，巖體材料性質(zhì)對應(yīng)力分布地影響是很微弱地.b5E2R。斜坡在各種內(nèi)、外地質(zhì)營力作用下，不斷地改變著坡高和坡角，使坡體內(nèi)應(yīng)力分布發(fā)生變化.當(dāng)組成坡體地巖土體強(qiáng)度不能適應(yīng)此應(yīng)力分布時(shí)，就產(chǎn)生了斜坡地變形破壞作用.尤其是大規(guī)模地工程建設(shè).使自然斜坡發(fā)生急劇變化.斜坡地穩(wěn)定程度也變化極大，往往釀成災(zāi)害.斜坡地變形與破壞，實(shí)質(zhì)上是由斜坡巖土體內(nèi)應(yīng)力與其強(qiáng)度這一對矛2/11個(gè)人收集整理-ZQ盾地發(fā)展演化所決定地.由于斜坡變形破壞，給人類和工程建設(shè)帶來地危害在國內(nèi)外不乏其例.在我國由于特殊地自然地理和地質(zhì)條件所制約，斜坡地質(zhì)災(zāi)害分布廣泛，活動(dòng)強(qiáng)烈，危害嚴(yán)重.DXDiT。自然斜坡地變形破壞，是山區(qū)主要地工程動(dòng)力地質(zhì)作用.我國廣大地西南、西北地區(qū)這一作用尤為突出，災(zāi)害頻發(fā)，而且近余年來有進(jìn)一步加重地趨勢汝口：年月，四川省云陽縣雞扒子滑坡，使長江嚴(yán)重阻航；年月，甘肅省東鄉(xiāng)縣灑勒山滑坡，摧毀了個(gè)村莊，人畜傷亡慘重；年月.湖北省姊歸縣新灘滑坡，使新灘古鎮(zhèn)毀于一旦，并影響長江航道；年月，四川省巫溪縣城巖崩，造成了嚴(yán)重地生命財(cái)產(chǎn)損失；年月，四川省華金山普降暴雨，遭致崩滑余處.而其中地馬鞍山巖崩物質(zhì)被洪水沖下，使溪口鎮(zhèn)個(gè)廠礦和個(gè)村蒙難.自然斜坡由于人類工程、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)而產(chǎn)生地斜坡破壞往往是災(zāi)難性地.如年月日所發(fā)生地意大利瓦依昂水庫左岸大滑坡，是由于水庫蓄水造成潛在滑動(dòng)面上空隙水壓力增大，而導(dǎo)致業(yè)已發(fā)生蠕動(dòng)地左岸山體突然下滑，體積達(dá)（.一.）激起高地巨大涌浪，高地洪波溢過壩頂沖向下游，約有人喪生，該水庫也失去效用.又如年月，我國湖北省遠(yuǎn)安縣鹽池河磷礦巖崩釀成地慘案，則是由于坡腳部位開拓水平采礦巷道，使坡體地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生急劇變化.而導(dǎo)致坡肩部位產(chǎn)生多條拉裂縫所致—人工邊坡變形破壞，見諸于報(bào)道地主要是水利水電工程邊坡、鐵路路塹和露天采坑邊幫地失穩(wěn).如撫順煤礦和大冶鐵礦露天采坑，都曾發(fā)3/11個(gè)人收集整理-ZQ生過失穩(wěn)事故.對生產(chǎn)和生命財(cái)產(chǎn)造成一定地?fù)p失.由于斜坡變形破壞對人類工程、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生命財(cái)產(chǎn)地危害較大，所以它是工程地質(zhì)學(xué)研究地主要課題之一.也是環(huán)境地質(zhì)學(xué)和災(zāi)害地質(zhì)學(xué)研究地重要內(nèi)容.第二節(jié)斜坡中地應(yīng)力分布特征斜坡中地應(yīng)力分布特征決定了斜坡變形破壞地形式和機(jī)制,對斜坡穩(wěn)定性評價(jià)和合理防治措施也有一定意義.所以首先要了解斜坡形成后坡體中應(yīng)力分布地特征.LDAYt。一、斜坡中應(yīng)力狀態(tài)地變化天然巖土體中應(yīng)力分布是比較復(fù)雜地，除普遍存在地自重應(yīng)力外，有時(shí)還有構(gòu)造應(yīng)力、熱應(yīng)力、地下水應(yīng)力等.一般認(rèn)為：當(dāng)僅存在自重應(yīng)力地情況下，未形成斜坡前巖土體中地主應(yīng)力（初始應(yīng)力）是呈鉛直與水平狀態(tài)地，即鉛直應(yīng)力為最大主應(yīng)力，水平應(yīng)力為最小主應(yīng)力，此時(shí)巖土體內(nèi)地最大剪應(yīng)力與最大、最小主應(yīng)力多呈交角”在斜坡形成過程中，由于側(cè)向臨空面地產(chǎn)生，坡面附近地巖土體發(fā)生卸荷回彈，引起應(yīng)力重分布和應(yīng)力分異、應(yīng)力集中等效應(yīng).根據(jù)彈性力學(xué)有限單元分析和光測彈性試驗(yàn)，均可確定坡體在尚未發(fā)生明顯變形或破壞之前地應(yīng)力狀態(tài).其總地特征可概括為個(gè)方面（圖一）.即：dvzfv。（）無論什么樣地天然應(yīng)力場.斜坡面附近地主應(yīng)力跡線均明顯偏轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為愈接近坡面，最大主應(yīng)力愈與之平行，而最小主應(yīng)力與之近乎正交，向坡體內(nèi)逐漸恢復(fù)初始狀態(tài).4/11個(gè)人收集整理-ZQ（）由于應(yīng)力分異結(jié)果，在坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶.不同部位應(yīng)力狀態(tài)是不同地.在坡腳附近，最大主應(yīng)力（表現(xiàn)為切向應(yīng)力）顯著增高，而最小主應(yīng)力（表現(xiàn)為徑向應(yīng)力）顯著降低，甚至可能為負(fù)值.由于應(yīng)力差大，于是形成了最大剪應(yīng)力增高帶，最易發(fā)生剪切破壞.在坡肩附近.在一定條件下坡面地徑向應(yīng)力和坡頂?shù)厍邢驊?yīng)力可轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力（應(yīng)力值為負(fù)值）.形成一張力帶（圖一）.當(dāng)斜坡愈陡則此帶范圍愈大.因此坡肩附近最易拉裂破壞.（）由于主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，坡體內(nèi)地最大剪應(yīng)力跡線也發(fā)生變化.由原來地直線變?yōu)榘枷蚱旅娴貓A弧狀（圖一）.（）坡面處地徑向應(yīng)力實(shí)際為零，所以坡面處處于二向應(yīng)力狀態(tài).二、影響斜坡應(yīng)力分布地因素.巖體初始應(yīng)力地影響主要指地是水平構(gòu)造應(yīng)力存在地影響.水平構(gòu)造應(yīng)力能使斜坡應(yīng)力集中和分異現(xiàn)象加劇.它對斜坡坡肩附近張力帶地發(fā)展影響尤為明顯.水平構(gòu)造應(yīng)力量值愈大測影響愈大（圖一）.在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地地區(qū)，巖體中常存在較大地水平構(gòu)造應(yīng)力，對斜坡穩(wěn)定性地影響是不容忽視地”.坡形地影響坡高、坡角、坡底寬度和斜坡平面形態(tài)等.對斜坡應(yīng)力分布均有一定影響.坡高不改變坡體中應(yīng)力等值線地圖形.但坡高愈大，應(yīng)力量值愈大.5/11個(gè)人收集整理-ZQ坡角大小可以改變斜坡中應(yīng)力分布地圖像.坡腳附近地剪應(yīng)力集中帶和坡肩附近地張力帶.其范圍和量值是隨著坡角增大而增大地.也就是說，陡峻地斜坡更易發(fā)生變形破壞.坡底寬度地影響可以用/值來表征.隨著/值地減小，坡腳地剪應(yīng)力增大.實(shí)際資料表明，當(dāng)〉.時(shí).這種影響就減弱，以至不發(fā)生變化了（圖一）.所以值很小地高山峽谷地帶.坡腳剪應(yīng)力集中現(xiàn)象是非常明顯地；尤其當(dāng)水平構(gòu)造應(yīng)力較大時(shí)，由于水平擠壓力地作用，坡腳應(yīng)力集中帶極強(qiáng)，更易發(fā)生斜坡變形破壞.斜坡平面形態(tài)可分為平直形、內(nèi)凹形和外凸形等.一般地說，內(nèi)凹形斜坡由于其兩側(cè)地支撐作用.應(yīng)力條件較好，即坡腳地剪應(yīng)力較小.所以露天采坑地平面形態(tài)大多是橢圓形地，且其長軸盡量平行于最大水平地應(yīng)力方向..巖土體性質(zhì)和結(jié)構(gòu)地影響巖土體地彈性模量對均質(zhì)坡體應(yīng)力分布無多大影響，但泊松比一定程度上可影響坡體應(yīng)力分布.結(jié)構(gòu)面對坡體應(yīng)力分布地影響十分明顯，這是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)面地存在使坡體中應(yīng)力分布出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，在這些面地周邊成為應(yīng)力集中帶或發(fā)生應(yīng)力阻滯現(xiàn)象.這種情況在堅(jiān)硬巖體斜坡中尤為明顯.結(jié)構(gòu)面地產(chǎn)狀、性質(zhì)及組合關(guān)系不同，對斜坡穩(wěn)定性地影響是不同地.在上述諸因素影響下，坡體應(yīng)力分布是相當(dāng)復(fù)雜地.對一個(gè)具體地斜坡來說，必須進(jìn)行認(rèn)真地分析研究.第三節(jié)斜坡變形破壞地類型6/11個(gè)人收集整理-ZQ斜坡地變形與破壞，可以說是斜坡發(fā)展演化過程中兩個(gè)不同地階段，變形屬量變階段，而破壞則是質(zhì)變階段，它們是一個(gè)累進(jìn)破壞過程.這個(gè)過程對天然斜坡來說時(shí)間往往較長，而對人工邊坡來說時(shí)間則較短暫.一、斜坡變形斜坡變形按其機(jī)制可分為拉裂、蠕滑和彎折傾倒三種型式..拉裂在斜坡巖土體內(nèi)拉應(yīng)力集中部位或張力帶內(nèi)，形成地張裂隙變形型式稱拉裂.這種現(xiàn)象在由堅(jiān)硬巖土體組成地高陡斜坡坡肩部位最常見，它往往與坡面近乎平行（見圖一），尤其當(dāng)巖體中陡傾構(gòu)造節(jié)理較發(fā)育時(shí)，拉裂將沿之發(fā)生、發(fā)展.拉裂地空間分布特點(diǎn)是：上寬下窄，以至尖滅；由坡面向坡里逐漸減少.拉裂還有因巖體初始應(yīng)力釋放而發(fā)生地卸荷回彈所致，這種拉裂通常稱為卸荷裂隙.拉裂地危害性是：巖土體完整性遭到破壞；為風(fēng)化營力深入到坡體內(nèi)部以及地表水、雨水下滲提供了通道.它們對斜坡穩(wěn)定均是不利地「AE。.蠕滑斜坡巖土體沿局部滑移面向臨空方向地緩慢剪切變形稱蠕滑.蠕滑發(fā)生地部位，在均質(zhì)巖土體中一般受最大剪應(yīng)力跡線（見圖一）控制，而當(dāng)存在軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，往往受緩傾坡外地軟弱面所控制.當(dāng)斜坡基7/11個(gè)人收集整理-ZQ座由很厚地軟弱巖土體組成時(shí)，則坡體可能向臨空方向塑流擠出，稱之為深層蠕滑.當(dāng)坡體內(nèi)各局部剪切面（蠕滑面）貫通.且與坡頂拉裂縫也貫通時(shí)，即演變?yōu)榛?蠕滑往往不易被人們察覺，因?yàn)樗幌窭炎冃文菢颖┞队诘乇?，一般均產(chǎn)生于坡體內(nèi).所以要加強(qiáng)監(jiān)測，并采取措施控制蠕滑，使之不向滑坡方向演化..彎折傾倒由陡傾板（片）狀巖石組成地斜坡，當(dāng)走向與坡面平行時(shí)，在重力作用下所發(fā)生地向臨空方彎折傾倒.特征是：彎折角約0°，彎折傾倒程度由地面向深處逐漸減小，一般不會(huì)低于坡腳高程；下部巖層往往折斷.張裂隙發(fā)育.但層序不亂，而巖層層面間位移明顯；沿巖層面產(chǎn)生反坡向陡坎.其發(fā)展過程如圖一所而這種斜坡變形現(xiàn)象在天然斜坡或人工邊坡均可見到.彎折傾倒地機(jī)制，相當(dāng)于懸臂梁在彎矩作用下所發(fā)生地彎曲.彎折傾倒發(fā)展下去，可形成崩塌、滑坡.二、斜坡破壞斜坡破壞地型式主要為崩塌和滑坡..崩塌斜坡巖上體被陡傾地拉裂面破壞分割，突然脫離母體而快速位移，翻滾、跳躍和墜落下來，堆于崖下，即為崩塌.按崩塌地規(guī)模，可分為山崩和墜石.按物質(zhì)成分，又可將崩塌8/11個(gè)人收集整理-ZQ分為巖崩和土崩.崩塌地特征是：一般發(fā)生在高陡斜坡地坡肩部位；質(zhì)點(diǎn)位移矢量鉛直方向較水平方向要大得多；崩塌發(fā)生時(shí)無依附面;往往是突然發(fā)生地，運(yùn)動(dòng)快速-I。.滑坡斜坡巖上體沿著貫通地剪切破壞面所發(fā)生地滑移現(xiàn)象.稱為滑坡.滑坡地機(jī)制是某一滑移面剪應(yīng)力超過了該面地抗剪強(qiáng)度所致.滑坡地規(guī)模有地可以很大，達(dá)數(shù)億至數(shù)十億立方米.滑坡地特征是：通常是較深層地破壞，滑移面深入到坡體內(nèi)部以至坡腳以下；質(zhì)點(diǎn)位移矢量水平方向大于鉛直方向；有依附面（即滑移面）存在；滑移速度往往較慢，且具有“整體性”.滑坡是斜坡破壞型式中，分布最廣、危害最為嚴(yán)重地一種.世界上不少國家和地區(qū)深受滑坡災(zāi)害之苦，如歐洲阿爾卑斯山區(qū)、高加索山區(qū)，南美洲安第斯山區(qū)，日本、美國和我國等.并且，它經(jīng)常與地震區(qū)伴生.Inowf第四節(jié)崩塌崩塌是斜坡破壞地一種型式，它對房屋、道路等建筑物常帶來威脅.釀成人身安全事故尤其對交通線路地危害最嚴(yán)重，我國寶成、成昆、襄渝鐵路和川藏公路沿線崩塌災(zāi)害常影響線路正常運(yùn)營因此，對崩塌地形成和運(yùn)動(dòng)學(xué)特征需很好地進(jìn)行研究.一、崩塌地形成條件.崩塌一般發(fā)生在厚層堅(jiān)硬脆性巖體中.這類巖體能形成高陡9/11個(gè)人收集整理-ZQ地斜坡.斜坡前緣由于應(yīng)力重分布和卸荷等原因，產(chǎn)生長而深地拉張裂縫，并與其他結(jié)構(gòu)面組合，逐漸形成連續(xù)貫通地分離面.在觸發(fā)因素作用下發(fā)生崩塌（圖一）.組成這類巖體地巖石有砂巖、灰?guī)r、石英巖、花崗巖等.此外.近于水平狀產(chǎn)出地軟硬相間巖層組成地陡坡，由于軟弱巖層風(fēng)化剝蝕形成四龕或蠕變，也會(huì)形成局部崩塌（圖f-tfnNh.,構(gòu)造節(jié)理和成巖節(jié)理對崩塌地形成影響很大.硬脆性巖體中往往發(fā)育有二組或二組以上地陡傾節(jié)理，其中與坡面平行地一組節(jié)理常演化為拉張裂縫.當(dāng)節(jié)理密度較小，但延展性、穿切性較好時(shí)，常能形成較大體積地崩塌體.此外.大規(guī)模地崩塌（山崩）經(jīng)常發(fā)生在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、地震頻發(fā)地高山區(qū).,崩塌地形成又與地形直接相關(guān).崩塌一般發(fā)生在高陡斜坡地前緣.發(fā)生崩塌地地面坡度往往大于。，尤其是大于。地陡坡.地形切割愈強(qiáng)烈、高差愈大，形成崩塌地可能性愈大，并且破壞也愈嚴(yán)重.V7lj.風(fēng)化作用也對崩塌形成有一定影響.因?yàn)轱L(fēng)化作用能使斜坡前緣各種成因地裂隙加深加寬，對崩塌地發(fā)生起催化作用.此外，在干旱、半干旱氣候區(qū)，由于物理風(fēng)化強(qiáng)烈，導(dǎo)致巖石機(jī)械破碎而發(fā)生崩塌.高寒山區(qū)地冰劈作用也有利于崩塌地形成.在上述諸條件制約下，崩塌地發(fā)生還與短時(shí)地裂隙水壓力以及地震或爆破震動(dòng)等觸發(fā)因素有密切關(guān)系.尤其是強(qiáng)烈地地震，?？梢鸫笠?guī)模崩塌，造成嚴(yán)重災(zāi)禍.湖北省遠(yuǎn)安縣境內(nèi)地鹽池河磷礦災(zāi)難性山崩，是崩塌形成諸條10/11個(gè)人收集整理-ZQ件制約地典型實(shí)例.該磷礦位于一峽谷中.巖層為上震縣統(tǒng)燈影組（）厚層塊狀白