第8章 巖石力學在邊坡工程中的應用

第8章巖石力學在邊坡工程中的應用8.1巖質邊坡的應力分布特征

邊坡包括天然邊坡和人工邊坡，它具有一定的坡度和高度，在重力和其他地質應力作用下不斷地發(fā)展變化著。自然界的山坡、谷壁、河岸等各種邊坡的形成，正是這些地質應力作用的結果。人類工程活動也經(jīng)常開挖出許多人工邊坡，如路塹邊坡，運河渠道、船閘、溢洪道邊坡，房屋基坑邊坡和露天礦坑的邊坡等。典型的邊坡如圖8.1所示。8.1邊坡示意圖

8.1.1邊坡應力狀態(tài)

邊坡形成前，巖體中應力場為原始應力狀態(tài)。邊坡成坡過程中，臨空面周圍的巖體發(fā)生卸荷回彈，引起應力重分布和應力集中等效應。邊坡成坡后，巖體的應力狀態(tài)較成坡前發(fā)生以下幾個主要方面的變化：（1）坡體中主應力方向發(fā)生明顯偏轉(圖8.2)。坡面附近的最大主應力。與坡面近于平行，其最小主應力與坡面近于正交；坡體下部出現(xiàn)近于水平方向的剪應力，且總趨勢是由內向外增強，愈近坡腳處愈強，向坡體內部逐漸恢復到原始應力狀態(tài)。（2）坡體中產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。坡腳附近形成明顯的應力集中帶，坡角愈陡，集中愈明顯。坡腳應力集中帶的主要特點是最大主應力與最小主應力的應力差達到最大值，出現(xiàn)最大的剪應力集中，形成一最大剪應力增高帶。圖8.1邊坡主應力跡線示意圖(a)=30°,W=0;(b)=75°,W=0;(c)=20°,W≥0.8H;（d）=75°,W≥0.8H

（3）坡面的巖土體由于側向壓力近于零，實際上變?yōu)閮上蚴芰顟B(tài)；而向坡體內部逐步地變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)。（4）坡面或坡頂?shù)哪承┎课?，由于水平應力明顯降低而可能出現(xiàn)拉應力，形成張力帶，如圖8.2所示。實際上，邊坡應力分布遠比上述復雜，它還受多種因素的影響。圖8.2坡頂及坡面張力帶示意圖8.1.2影響邊坡應力分布的主要因素

邊坡應力分布主要受原始應力狀態(tài)、坡形和巖土體結構特征的影響。邊坡應力的特征，首先取決于未被開挖前巖土體的原始應力狀態(tài)。任何邊坡都毫無例外地處于一定歷史條件下的地應力環(huán)境之中，特別是在新構造運動強烈的地區(qū)，往往存在較大的水平構造殘余應力。因而在這些地區(qū)邊坡巖體的臨空面附近常常形成應力集中，主要表現(xiàn)為加劇應力分異現(xiàn)象。坡面幾何形態(tài)是影響坡體應力分布的主要因素。表示坡面幾何形態(tài)的主要要素是坡角。坡角增大時，坡頂及坡面張力帶的范圍擴大(圖8.2)；坡腳應力集中帶的最大應力也隨之增高。谷底巖土體將因谷坡巖土體向下滑移的趨勢而呈擠壓狀態(tài)，應力增高，變形加劇。谷坡的這種狀況主要表現(xiàn)在坡腳附近。邊坡變形與破壞的首要條件，在于坡體中存在著各種形式的脆弱結構面，其影響尤以巖質邊坡最為顯著。邊坡巖體的結構特征對坡體應力場的影響相當復雜。其主要表現(xiàn)是，由于巖體的不均一和不連續(xù)，沿脆弱結構面周邊出現(xiàn)應力集中或應力阻滯現(xiàn)象。因此，它構成了邊坡變形與破壞的控制性條件，從而產(chǎn)生不同類型的邊坡變形與破壞的機理。8.2巖質邊坡變形與破壞類型8.2.1邊坡變形的類型邊坡變形按其機制可分為拉裂、蠕滑和彎折傾倒三種基本形式。

①拉裂。在邊坡巖土體內拉應力集中部位或張力帶內，形成的張裂隙變形形式稱拉裂。這種現(xiàn)象在由堅硬巖土體組成的高陡邊坡坡肩部位最常見，它往往與坡面近于平行，尤其當巖體中陡傾構造節(jié)理較發(fā)育時，拉裂將沿其發(fā)生、發(fā)展。拉裂的空間分布特點是上寬下窄，以至尖滅；由坡面向坡里逐漸減少。拉裂還可能由巖體初始應力釋放而發(fā)生的卸荷回彈所致，這種拉裂通常稱為卸荷裂隙。

②蠕滑。邊坡巖土體沿局部滑移面向臨空方向的緩慢剪切變形稱蠕滑。蠕滑發(fā)生的部位，在均質巖土體中一般受最大剪應力跡線控制，而當存在軟弱結構面時，往往受緩傾坡外的弱面所控制。當邊坡基座由很厚的軟弱巖土體組成時，則坡體可能向臨空方向溯流擠出，稱之為深層蠕滑。當坡體內各局部剪切面(蠕滑面)貫通，且與坡頂拉裂縫也貫通時，即演變?yōu)榛?。圖8.3彎折傾倒發(fā)展過程圖

③彎折傾倒。由陡傾板(片)狀巖石組成的邊坡，當走向與坡面平行時，在重力作用下所發(fā)生的向臨空方向同步彎曲的現(xiàn)象稱彎折傾倒。這種邊坡變形現(xiàn)象在天然邊坡或人工邊坡中均可見到。彎折傾倒的特征是：彎折角約20°~50°，彎折傾倒程度由地面向深處逐漸減小，一般不會低于坡腳高程；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8.3所示。圖8.3彎折傾倒發(fā)展過程圖8.2.2邊坡破壞的類型邊坡破壞的形式主要為崩塌和滑坡。

①崩塌邊坡巖土體被陡傾的拉裂面破壞分割，突然脫離母體而快速位移、翻滾、跳躍和墜落，堆于崖下，即為崩塌。崩塌按規(guī)模大小可分為山崩和墜石，按物質成分又可分為巖崩和土崩。

崩塌的特征是，一般發(fā)生在高陡邊坡的坡肩部位，質點位移矢量鉛直方向較水平方向要大得多，發(fā)生時無依附面，往往是突然發(fā)生的，運動快速。崩塌一般發(fā)生在厚層堅硬脆性巖體中。這類巖體能形成高陡的邊坡，邊坡前緣由于應力重分布和卸荷等原因，產(chǎn)生長而深的拉張裂縫，并與其他結構面組合，逐漸形成連續(xù)貫通的分離面。在觸發(fā)因素作用下發(fā)生崩塌(圖8.4)。組成這類巖體的巖石有砂巖、灰?guī)r、石英巖、花崗巖等。此外，近于水平狀產(chǎn)出的軟硬相間巖層組成的陡坡，由于軟弱巖層風化剝蝕形成凹龕或蠕變，也會形成局部崩塌(圖8.5)。

圖8.4堅硬巖石組成的邊破前緣圖8.5軟硬巖性互層的陡坡卸荷裂隙導致崩塌示意圖局部崩塌示意圖1—灰?guī)r；2—砂頁巖；3—石英巖1—砂巖；2—頁巖

構造節(jié)理和成巖節(jié)理對崩塌的形成影響很大。崩塌的形成又與地形直接相關。風化作用也對崩塌的形成有一定影響。因為風化作用能使邊坡前緣各種成因的裂隙加深加寬，對崩塌的發(fā)生起催化作用。此外，在干旱、半干旱氣候區(qū)，由于物理風化強烈，導致巖石機械破碎而發(fā)生崩塌；高寒山區(qū)的冰劈作用也有利于崩塌的形成。在上述諸條件制約下，崩塌的發(fā)生還與短時的裂隙水壓力以及地震或爆破震動等觸發(fā)因素有密切關系。尤其是強烈的地震，常可引起大規(guī)模崩塌，造成嚴重災禍。湖北省遠安縣境內的鹽池河磷礦災難性山崩，是崩塌形成諸條件制約的典型實例。該磷礦位于一峽谷中。巖層為上震旦統(tǒng)燈影組(Zbdn)厚層塊狀白云巖及上震旦統(tǒng)陡山沱組(Zbd)含磷礦層的薄至中厚層白云巖、白云質泥巖及砂質頁巖。巖層中發(fā)育有兩組垂直節(jié)理，使山頂部的燈影組厚層白云巖三面臨空。地下采礦平巷使地表沿兩組垂直節(jié)理追蹤發(fā)展張裂縫。1980年6月8~10日連續(xù)兩天大雨的觸發(fā)，使山體頂部前緣厚層白云巖沿層面滑出形成崩塌，體積約100萬m3，造成生命財產(chǎn)的嚴重損失(圖8.6)。圖8.6鹽池問崩塌山體地質剖面圖②滑坡。邊坡巖土體沿著貫通的剪切破壞面所發(fā)生的滑移現(xiàn)象，稱為滑坡?；碌臋C制是某一滑移面上剪應力超過了該面的抗剪強度所致?；碌囊?guī)模有的很大，達數(shù)億至數(shù)十億立方米。

滑坡的特征是：通常是較深層的破壞，滑移面深入到坡體內部以至坡腳以下；質點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?；碌陌l(fā)生和發(fā)展，主要受滑床面形成機理的制約。有以下三種情況：滑床面的形成不受已有脆弱結構面的控制；滑床面的形成受已有脆弱結構面控制；滑床面的形成受軟弱基座的控制。在均質完整坡體或雖已有脆弱結構面但尚不成為滑動控制面的坡體中，滑床面的形成主要受控于最大剪應力面，但在坡頂它與擴張性破裂面重合。因此，滑床面實際上與最大剪應力面有一定的偏離(有一定夾角)，其縱斷面線近似于對數(shù)螺旋線。為研究方便，常把滑床面近似地視為弧。這種滑床面多出現(xiàn)在土質、半巖質(如泥巖、泥灰?guī)r、凝灰?guī)r)或強風化的巖質坡體之中，均由表層蠕動發(fā)展而成。

滑動控制面是由單一的，或一組互相平行的脆弱結構面構成的滑床面，這些滑床面或者由此脆弱結構面直通坡頂，或者被另一組陡立脆弱結構面切斷，或者在后緣與切層的弧形面相連(圖8.7)。由兩組以上的脆弱結構面構成的滑床面，其空間形態(tài)各式各樣(圖8.8)。但滑床面的縱剖面線，可歸納為直線形、折線形和鋸齒形(圖8.9)。應該說明，由多組脆弱結構面構成的鋸齒形滑床面，在每一轉折處都可以出現(xiàn)切角與次一級剪面的蠕動過程；但隨著脆弱結構面的加密，使巖體整體性發(fā)生了變化，這種脆弱結構面對滑床面的控制作用已不明顯，滑床面的總輪廓又轉化為弧形。圖8.7受一組脆弱結構面控制的滑床面(a)直通坡頂；(b)被陡立脆弱結構面切削；(c)后緣與切層弧形面相連

圖8.8受兩組以上脆弱結構面控制的滑床面(a)錐形體；(b)楔形體；(c)菱形體；(d)槽形體

圖8.9滑床面沿滑動方向剖面線形態(tài)示意圖(a)直線形；(b)折線肜；(c)鋸齒形

受軟弱基座控制的滑床面，是由軟弱基座的蠕動發(fā)展而成的。它可以分為兩部分：軟弱基座中的滑面，一般受最大剪應力面控制；上覆巖體中的滑面，受斷陷或解體裂隙或脆弱結構面控制。當上覆巖體已被分割解體而喪失強度時，滑動主要受軟弱基座的控制，通常這種滑坡的滑動較緩慢(圖8.10(a))。當上覆巖體中裂隙仍具有較大強度時，一旦滑動，通常為突發(fā)而迅猛的崩滑，常見于軟弱基座層很薄的條件下(圖8.10(b))。圖8.10受軟弱基座控制的滑床面示意圖1—軟弱基座蠕動；2—沉降裂隙；3—單薄的軟弱基座

8.2.3邊坡變形破壞的地質力學模式

根據(jù)巖體變形破壞的力學機制，邊坡變形也可概括為下列幾種基本的地質力學模式，即蠕滑(滑移)-拉裂(creep-slidingandfracturing)；滑移-壓致拉裂(slidingandcompressioncracking)；彎曲-拉裂(bendingandfracturing)；溯流-拉裂(plasticflowingandfracturing)和滑移-彎曲(slidingandbending)。蠕滑(滑移)-拉裂這類變形，以圖8.11為例，演變過程可劃分為三個階段：表層蠕滑(圖8.11(a))；后緣拉裂(圖8.11(b))；潛在剪切面剪切擾動(圖8.11(c))。圖8.11傾內薄層狀體邊坡中蠕滑一拉裂演變過程圖

滑移-壓致拉裂主要發(fā)育在坡度中等至陡的平緩層狀體邊坡中。坡體沿平緩結構面坡前臨空方向產(chǎn)生緩慢的蠕變性滑移?；泼娴逆i固點或錯列點附近，因拉應力集中產(chǎn)生與滑移面近于垂直的拉張裂隙，向上(個別情況向下)擴展且其方向逐漸轉成與最大主應方向趨于一致(大體平行坡面)，并伴有局部滑移。這種拉裂面的形成機制與壓應力作用格里菲斯裂紋的形成擴展規(guī)律近似，所以它應屬壓致拉裂?；坪屠炎冃问怯蛇吰聝热踅Y構面處自下而上發(fā)展起來的(圖8.12)。這類變形演變過程可分為三個階段：卸荷回彈階段(圖8.12(a))；壓致拉裂面自下而上擴展階段(圖8.12(b)，(c))；滑移面貫通階段(圖8.12(d))。圖8.12滑移-壓致拉裂變形演變圖

滑移-彎曲發(fā)育在傾向坡外層狀體邊坡中?；泼嫫街钡幕?彎曲變形可劃分如圖8.13所示的三個演變階段：輕微彎曲階段(圖8.13(a))；強烈彎曲、隆起階段(圖8.13(b))；切出面貫通階段，滑移面貫通并發(fā)展為滑坡(圖8.13(c))，多為崩滑。彎曲-拉裂主要發(fā)育在由直立或陡傾坡內的層狀巖體組成的邊坡中，層面走向與邊坡走向夾角應小于30。演變可劃分為如圖8.14示的三個階段：卸荷回彈陡傾面拉裂階段；板梁彎曲，拉裂面深向擴展、后向推移階段；板梁根部折裂、壓碎階段。圖8.13滑移一彎曲變形演變圖式圖8.14彎曲一拉裂(厚層板梁)演變圖

溯流-拉裂主要發(fā)育在以軟弱層(帶)為基座的軟弱基座型邊坡中。其演變過程如圖8.15所示。軟弱基座傾向坡內的陡坡發(fā)生變形時表現(xiàn)為另一種形式，其演變過程依次為前緣溯流-拉裂變形和深部溯流-拉裂變形。在同一邊坡變形體中，也可能包含有兩種或多種變形模式，它們可以不同方式復合。同樣，某一變形模式也可在演化過程中轉化為另一種模式。圖8.15平緩軟弱基座邊坡溯流—拉裂演變圖式

8.3巖質邊坡穩(wěn)定性分析

在進行巖坡穩(wěn)定性分析時，首先應當查明巖坡可能的滑動類型，然后對不同類型采用相應的分析方法。嚴格來說，巖坡滑動大多屬空間滑動問題，但對只有一個平面構成的滑裂面，或者滑裂面由多個平面組成而這些面的走向又大致平行且沿著走向長度大于坡高時，也可按平面滑動進行分析，其結果將是偏于安全的。在平面分析中常常把滑動面簡化為圓弧、平面、折面，把巖體看作剛體，按莫爾-庫侖強度準則對指定的滑動面進行穩(wěn)定驗算。目前，用于分析巖坡穩(wěn)定性的方法有剛體極限平衡法、赤平投影法、有限元法以及模擬試驗法等。但是比較成熟且在目前應用得較多的仍然是剛體極限平衡法。在剛體極限平衡法中，組成滑坡體的巖塊被視為剛體。按此假定，可用理論力學原理分析巖塊處于平衡態(tài)時必須滿足的條件。本節(jié)主要討論剛體極限平衡法。8.3.1邊坡穩(wěn)定性評價及預測方法匯總表

目前，進行邊坡穩(wěn)定性評價和預測的方法有多種，見表8.1。由于邊坡的變形破壞與邊坡巖體的結構類型有直接的關系，下面分別簡要地介紹具有不同巖體結構類型的邊坡的穩(wěn)定性計算。

表8.1邊坡穩(wěn)定性評價及預測方法匯總表

8.3.2圓弧法巖坡穩(wěn)定性分析

對于均質的以及沒有斷裂面的巖坡，在一定的條件下可看作平面問題，用圓弧法進行穩(wěn)定分析。圓弧法是最簡單的分析方法之一。在用圓弧法進行分析時，首先假定滑動面為一圓弧(圖8.16)，把滑動巖體看作為剛體，求滑動面上的滑動力及抗滑力，再求這兩個力對滑動圓心的力矩?？购突瑒恿刂龋礊樵搸r坡的穩(wěn)定安全系數(shù)：如果>1，則沿著這個計算滑動面是穩(wěn)定的；如果<1，則是不穩(wěn)定的；如果=1，則說明這個計算滑動面處于極限平衡狀態(tài)。由于假定計算滑動面上的各點覆蓋巖石重量各不相同。因此，由巖石重量引起在滑動面上各點的法向壓力也不同?？够χ械哪Σ亮εc引起法向應力的力的大小有關，所以應當計算出假定滑動面上各點的法向應力。為此可以把滑弧內的巖石分條，用所謂條分法進行分析。

(8.1)

如圖8.16所示，把滑體分為n條，其中第i條傳給滑動面上的重力，它可以分解為兩個力：一是垂直于圓弧的法向力；另一是切于圓弧的切向力。圖8.16圓弧法巖坡分析由圖8.16可見(8.2)

圖8.17對于各種不同計算指標的均質巖坡高度與坡角的關系曲線8.3.3平面滑動巖坡穩(wěn)定性分析

1.平面滑動的一般條件巖坡沿著單一的平面發(fā)生滑動，一般必須滿足下列幾何條件：（1）滑動面的走向必須與坡面平行或接近平行(約在±20°的范圍內)；（2）滑動面必須在邊坡面露出，即滑動面的傾角必須小于坡面的傾角；（3）滑動面的傾角必須大于該平面的摩擦角；（4）巖體中必須存在對于滑動阻力很小的分離面，以定出滑動的側面邊界。

2．平面滑動分析大多數(shù)巖坡在滑動之前會在坡頂或坡面上出現(xiàn)張裂縫，如圖8.18所示。張裂縫中不可避免地還充有水，從而產(chǎn)生側向水壓力，使巖坡的穩(wěn)定性降低。這在分析中往往作下列假定：圖8.18平面滑動分析簡圖

圖8.18不同邊坡幾何要素的P值圖8.19不同邊坡幾何要素的S值

圖8.20不同邊坡幾何要素的Q值8.3.3雙平面滑動巖坡穩(wěn)定性分析

圖8.21雙平面抗滑穩(wěn)定分析模型8.3.4力多邊形法巖坡穩(wěn)定性分析

圖8.22用力多邊形進行巖坡穩(wěn)定分析(a)當巖坡穩(wěn)定分析時對巖坡分塊；(b)第i條巖塊受力示意圖；(c)第i條巖塊的力多邊形；(d)整個巖塊的力多邊形8.3.5力的代數(shù)疊加法巖坡穩(wěn)定分析圖8.23巖條受力圖8.3.6楔形滑動巖坡穩(wěn)定性分析

圖8.25楔體系數(shù)K的曲線

8.3.7傾倒破壞巖坡穩(wěn)定性分析

圖8.26巖坡的傾倒破壞

根據(jù)破壞的形成過程，可將其細分為彎曲式傾倒、巖塊式傾倒和巖塊彎曲復合式傾倒(如圖8.27)，以及因坡腳被侵蝕、開挖等而引起的次生傾倒等類型。圖8.27傾倒破壞的主要類型(a)彎曲式傾倒；(b)巖塊式傾倒；(c)巖塊彎曲復合式傾倒

圖8.28階梯狀底面上巖塊傾倒的分析模型

圖8.29第n塊巖塊傾倒與滑動的極限平衡條件(a)作用于第塊巖塊上的力；(b)第塊巖塊的傾倒；(c)第塊巖塊的滑動表8.2第塊巖塊作用力、的位置表達式

8.4巖質邊坡加固簡介

經(jīng)過對邊坡進行穩(wěn)定性分析，若邊坡不穩(wěn)定或有潛在失穩(wěn)的可能，而邊坡的破壞將導致道路阻塞、建筑物破壞或其他重大損失時，一方面加強觀察、檢測，同時應根據(jù)巖體的工程性質、環(huán)境因素、地質條件、植被完整性、地表水匯集等因素進行綜合治理，采用加固措施來