岩质边坡变形破坏模式（共3篇）
岩质边坡变形破坏模式 篇1
摘要：大量现场观测资料表明, 斜坡变形按其地质特征和力学机制可划分为4种基本模式, 即滑移—拉裂, 滑移—压裂, 弯曲—拉裂, 塑流—拉裂, 介绍了各变形模式的形成条件、演进图式, 并讨论了各模式的空间结合和发展过程中的转化。
关键词：岩质边坡,破坏,模式
我国是个多山地多丘陵的国家, 随着西部如火如荼的工程建设, 特别是在西南地区, 必然会遇到很多岩质边坡, 而对这些边坡进行稳定性评价时, 不可避免的要涉及到变形破坏机制问题, 因此有必要对其做一个总结。
1 岩质边坡变形破坏的基本类型
地质观察和模拟试验表明, 边坡岩体变形过程中, 必将出现一系列新的表生结构面和褶皱, 它们可以由原有的结构发展而成, 也可以是新产生的[1]。边坡在达到最终破坏前总要经历或长或短的变形阶段, 主要方式为卸荷回弹和蠕变这两个过程。
岩质边坡的稳定性很大程度上取决于岩体内的破裂面和不连续面的存在及其性质, 而且岩体的主要力学性质是随着这些破坏面的状态、形状和空间分布而变化的。因此, 岩质边坡与土质边坡不同, 它的稳定性主要是通过分析岩体中的结构不连续面来进行评价的。
边坡的破坏有各种各样的原因, 产生破坏后的形态和作用也极不一致, 因而岩质边坡的破坏形式的分类也是多种多样的。但大体可以分为3种基本破坏类型, 即崩落 (塌) 、滑落 (坡) 和 (侧向) 扩离, 就岩体破坏机制而言, 崩塌以拉断破坏为主、滑坡以剪切破坏为主、扩离则主要由塑性流动破坏所致[2]。
2 岩质边坡常见的变形破坏模式
根据岩体变形破坏的力学机制, 岩体变形可以概括为下列几种基本的变形破坏模式, 即滑移—拉裂、滑移—压裂、弯曲—拉裂、塑流—拉裂。在同一边坡变形体中, 也可能包括有两个或多个变形模式, 它们可以不同方式组合, 而且某一变形模式还可在演化过程中转化为另一种模式[2]。
2.1 滑移—拉裂破坏模式
边坡岩体沿下伏软弱面向坡前临空面方向滑移, 并使滑移体拉裂解体 (见图1) 。它受已有软弱面控制, 其进程取决于软弱面的产状和特性。当滑移面向临空面方向倾角足以使上覆岩体的下滑力超过该面的实际抗滑阻力时, 则该面一经被揭露临空, 待后缘拉裂面一经出现即迅速滑落, 蠕变过程极为短暂。
2.2 滑移—压裂破坏模式
这类变形破坏主要发生在坡度中等至陡平缓层状体斜坡中, 坡体沿平缓结构面向坡前临空方向发生缓慢的蠕变性滑移。滑移面的锁固点或错列点附近, 因拉应力集中生成与滑移面近于垂直的拉张裂隙, 向上扩展且其方向逐渐转成与最大主应力方向区域一致并伴有局部的滑移, 滑移压裂变形是由边坡内软弱结构面处自下而上发展起来的。如图2所示为滑移—压裂变形演变图: (1) 为卸荷回弹阶段, (2) , (3) 为压裂面自下而上扩展阶段, (4) 为滑移面贯通阶段。
2.3 弯曲—拉裂破坏模式
这类破坏主要发育在陡立或陡倾层状岩体组成的陡坡中, 一般都发生在边坡前缘, 陡倾的层状岩体在自重弯矩作用下, 于前缘开始向临空方向做悬臂梁弯曲, 并逐渐向坡内发展, 弯曲的板梁之间互相错动并伴有拉裂, 弯曲体后缘出现拉裂缝, 形成平行于走向的反坡台阶和槽沟, 板梁弯曲激烈部位往往产生横切板梁的折裂。图3为弯曲—拉裂变形各阶段示意图。
2.4 塑流—拉裂破坏模式
这类破坏主要发育在以软弱层 (带) 为基座的软弱基座型边坡中。下伏软岩在上覆岩体压力作用下产生压缩变形, 使得软岩 (土) 或压碎物质向临空方向塑流挤出, 导致上覆较硬层拉裂、解体和不均匀沉陷。图4为塑流—拉裂变形发展各阶段示意图。
2.5 复合变形破坏模式
岩质边坡变形破坏虽然往往以某一破坏模式为主, 但由于边坡岩体结构和外形的复杂性, 有的边坡可出现两种或多种变形模式, 并以一定的方式组合在一起, 譬如坡体前部、后部不同变形模式的组合, 坡体浅部、深部不同变形模式的组合等。另外在岩质边坡变形发展过程中, 由于变形、应力集中和累进性破坏, 坡体中原有结构面的特性和产状不断有所变化。某些新的拉裂面、剪切面的形成与发展, 使变形的基本条件发生了变化, 其结果有时可能使变形模式转化。譬如塑流—拉裂转化为滑移—拉裂、弯曲—拉裂转化为滑移—拉裂等, 此外还有其他形式。值得注意的是许多转化实例表明, 滑移—拉裂或滑移—压裂往往是最终使大规模坡体失稳的主要变形形式[3]。
3 结语
岩质边坡变形破坏模式的研究已有许多优秀成果, 限于资料和水平, 文中只作了一个简要的介绍, 未作深入的研究和探讨。这些模式有助于确定斜坡可能的变形形式、判断其发展阶段和预测它的发展趋势, 也有助于设计合理可行的物理模拟和稳定性计算方案, 并且还可期望应用于其他类型的岩体稳定性问题和区域构造稳定性分析评价中。
参考文献
[1]崔政权, 李宁.边坡工程——理论与实践最新发展[M].北京:中国水利水电出版社, 1999:64-69.
[2]张倬元, 王士天, 王兰生.工程地质分析原理[M].北京:地质出版社, 1994:321-338.
[3]徐邦东.滑坡分析与控制[M].北京:中国铁道出版社, 2001:25-29.
[4]陈勇.顺层岩质边坡大锚杆加固施工[J].山西建筑, 2007, 33 (24) :93-94.
岩质边坡变形破坏模式 篇2
目前国内外学者对反倾边坡的研究取得了一定的研究成果［19］,但各研究成果均建立在相邻岩层等厚分布这一假定条件下,而实际层状反倾边坡中相邻岩层厚度一般存在一定差异,因此需要验证这一假定条件的适用性。基于此,本文采用二维离散元软件UDEC进行相邻岩层不同厚度比值条件下的反倾边坡数值模拟分析,并依托工程实例进行进一步验证。
1变形破坏特性的数值模拟分析
研究选用二维离散元软件UDEC模拟反倾边坡变形破坏。首先利用离散元UDEC建立反倾边坡的简化计算模型,然后通过对比边坡在相邻岩层不同厚度比值[( 1. 0∶ 0. 1) ~ ( 1. 0∶ 1. 0) ]条件下的变形破坏特征差异来确定岩层等厚度特性假定条件的适用性。
1. 1简化模型
为节省模拟计算时间,采用了如图1所示的简化分析模型。其中 α 为边坡坡度( 70°) ,θ 为岩层倾角( 70°) ,d1、d2为两相邻岩层厚度。
1. 2边界条件及参数
计算模型( 图1) 中坡面为自由边界,两侧为水平约束边界,底部为垂直向边界。不考虑构造应力, 仅考虑自重应力。
计算模型中岩土体均按弹塑性材料考虑,破坏准则采用莫尔—库仑强度准则。岩土体物理力学参数取自室内试验及现场原位试验( 表1) 。
1. 3模拟方案
为研究相邻岩层不同厚度比值( d1/ d2) 对反倾边坡倾倒变形的影响,本次模拟方案先固定一组岩层厚度( d1) 为1. 0 m,然后对另一组岩层厚度( d2) 分别选取0. 1、0. 2、0. 3、…、1. 0 m共计十种不同层厚值。研究模型假定两组岩层互层分布,并利用二维离散元软件UDEC分别对上述十种不同岩层厚度比值( d1/ d2) 条件下反倾边坡进行数值模拟计算。
1. 4变形破坏特性分析
采用UDEC分别对上述十种不同相邻岩层厚度比值条件下反倾边坡进行数值模拟分析,通过迭代20万次计算得出了相邻岩层不同厚度比值条件下的模拟结果。限于篇幅,本文仅列出边坡水平方向位移云图( 图2 ~ 图11) 。
从图2 ~ 图11可以看出,相邻岩层厚度越相近( 即d1/ d2比值越小) ,边坡越易发生弯曲倾倒变形; 相邻岩层厚度差异较大时,边坡弯曲倾倒变形主要发生在边坡中前部,随着相邻岩层厚度差异逐渐减小,边坡弯曲倾倒变形区域逐渐扩大,且向坡顶方向扩展。当d1/ d2比值位于( 1. 0∶ 0. 1) ~ ( 1. 0∶ 0. 7) 范围内时,边坡弯曲倾倒破坏主要发生于边坡中前部; 当d1/ d2比值位于( 1. 0∶ 0. 8) ~ ( 1. 0∶ 1. 0) 范围内时,边坡弯曲倾倒破坏延伸至坡顶。
在上述水平位移云图对比分析的基础上,为进一步揭示边坡弯曲倾倒变形特征随相邻岩层厚度比值变化规律,在坡面及坡顶等距离布置了20个位移监测点。通过对比各监测点水平位移值( 图12) 分析发现,依据相邻岩层厚度比值可将反倾边坡倾倒变形特征及发育规模分为三类:
( 1) 当相邻岩层厚度比值位于( 1. 0 ∶ 0. 8) ~ ( 1. 0∶ 1. 0) 区间内时,边坡弯曲倾倒变形位移值最大,其倾倒变形区分布于整个坡面,坡脚至坡顶均有弯曲倾倒变形;
( 2) 当相邻岩层厚度比值位于( 1. 0 ∶ 0. 4) ~( 1. 0∶ 0. 7) 区间内时,边坡弯曲倾倒变形位移值较大,弯曲倾倒变形区分布于边坡中前部,坡脚至3 /4坡高区域为主要变形区域;
( 3) 当相邻岩层厚度比值位于( 1. 0 ∶ 0. 1) ~ ( 1. 0∶ 0. 3) 区间内时,边坡弯曲倾倒变形位移值最小,弯曲倾倒变形区分布于边坡前部,坡脚至1 /2坡高区域为变形发育区。
2工程实例验证
为验证上述研究结论,以硝洞槽-郑家大沟岸岸坡为工程实例,综合现场变形调查及室内数值模拟对结论进行验证。
2. 1工程概况
硝洞槽-郑家大沟岸坡位于重庆巫溪县,为一大型层状反倾岩质岸坡,岸坡高约600 m、宽近700 m, 坡体中前部地势较陡,后部地势相对较缓,岸坡体地层岩性主要为三叠系下统薄—中厚层状灰岩。
2. 2岩层等厚度特性统计
现场调查及平硐揭露结果表明,岸坡体岩层为薄层、中厚层互层( 图13) 。通过对平硐31组相邻岩层厚度测量数据统计结果( 图14) 表明,岩层厚度比值主要位于1. 0∶ 0. 3 ~ 1. 0∶ 0. 8间,其平均值为1. 0 ∶ 0. 594,故将该岸坡相邻岩层厚度比值视为1. 0∶ 0. 6。
2. 3工程实例数值模拟分析
采用1. 0∶ 0. 6作为相邻岩层厚度比值,并利用UDEC软件进行岸坡数值模拟,岩土体物理力学参数采用表1数据。通过迭代计算得出了岸坡倾倒变形破坏水平方向位移云图( 图15) ,结果表明岸坡主要弯曲变形区域主要发生在坡脚至中后部,且弯曲倾倒区未延伸至坡顶。
为验证等厚岩层假定条件适用性,对岸坡数值模型另采用1. 0∶ 1. 0作为相邻岩层厚度比值重新进行数值模拟( 图16) 。从图16可知,岸坡弯曲倾倒变形区较图15大,覆盖于整个岸坡坡面,且弯曲倾倒区延伸至坡顶后部。
现场变形调查表明,岸坡中前部为弯曲倾倒现象发育明显区( 图17) ,往坡顶方向弯曲倾倒变形现象逐渐减弱,顶部未见倾倒变形。因此,选用相邻岩层厚度比值为1. 0∶ 0. 6的数值模拟结果更加真实可靠。
3结论
通过对反倾层状岩质边坡在相邻岩层不同厚度比值条件下的离散元数值模拟对比分析以及工程实例验证,本文主要得出如下结论:
( 1) 相邻岩层厚度越相近,反倾边坡越易发生弯曲倾倒变形; 随着相邻岩层厚度差异逐渐减小,边坡弯曲倾倒变形区域逐渐扩大,变形程度加深,且向坡顶方向扩展。
( 2) 相邻岩层厚度比值位于( 1. 0∶ 0. 8) ~ ( 1. 0∶ 1. 0) 区间时,边坡弯曲倾倒变形分布于坡脚至坡顶,边坡弯曲变形规模最大; 相邻岩层厚度比值位于( 1. 0∶ 0. 4) ~ ( 1. 0∶ 0. 7) 区间时,弯曲倾倒变形区分布于坡脚至3 /4坡高区域; 相邻岩层厚度比位于( 1. 0∶ 0. 1) ~ ( 1. 0∶ 0. 3) 区间时,弯曲倾倒变形区分布于坡脚至1 /2坡高范围,边坡弯曲变形规模最小。
( 3) 等厚层状特性这一假定条件对于研究反倾层状边坡存在一定的适用范围,仅当相邻岩层厚度比位于( 1. 0∶ 0. 8) ~ ( 1. 0∶ 1. 0) 时反倾边坡才能视为等厚层状分布,当相邻岩层厚度比大于1. 0∶ 0. 8时,应将边坡视为非等厚层状分布考虑。
岩质边坡变形破坏模式 篇3
1 高边坡的破坏类型
1.1 滑坡
1) 形成原因:由于公路路堑古老滑坡前挖方, 挖掉部分抗滑体, 仅做坡脚挡墙, 不能满足稳定要求;滑坡后部汇水面积大, 两道地表排水沟已破损;公路切坡切断了顺倾岩层;原公路切坡, 挖掉部分抗滑体, 致使坡体失去支撑而滑动;滑坡后部汇水面积大, 地表排水沟已严重损坏;原公路切坡, 挖掉部分抗滑体, 使坡体失去支撑滑动, 治理工程没有保证滑坡的稳定;治理后的山坡上有蓄水池, 漏水;地下水发育。2) 主要危害:将直接威胁公路行人、行车安全;现阶段影响公路养护。表层蠕滑如果牵引后部山体滑动, 严重时可中断交通。
1.2 崩塌
1) 形成原因:岩石边坡高、陡;组成边坡的岩石结构面 (如节理、裂隙、层面、断层面不整合面等) 发育, 且有倾向临空的不利结构;有爆破等振动力源或裂隙水影响。2) 主要危害:飞快的坠落、崩落或滚石, 可破坏公路边沟、路面, 影响行人、行车安全, 大的崩塌可能堵塞交通。
1.3 危岩、落石
1) 形成原因:岩石边坡高、陡;组成边坡的岩石结构面 (如节理、裂隙、层面、断层面不整合面等) 发育, 且有倾向临空的不利结构面;有爆破等振动力源。2) 主要危害:飞快的坠落、崩落或滚落, 可破坏公路边沟、路面, 给行车安全带来严重威胁, 大块的落石可能堵塞交通。
1.4 坡面冲刷
1) 形成原因:坡面较缓, 受水面积大;局地降雨量大, 是形成冲刷的必要条件;坡体土质疏松, 在径流作用下, 松软物质易被带走;坡面无防护。2) 主要危害:冲沟、冲槽布满坡面, 或平行排列, 或呈鸡爪状。如果坡体具有垂直裂隙, 还可能形成落水洞, 进而造成坍塌。
1.5 坡面剥落
1) 形成原因:坡面较陡, 为坡面物质提供动力条件;风化严重, 使坡面岩体肢解成鳞片状碎块、细粒, 是形成剥落的必要条件;坡面裸露, 无防护工程坡体, 岩石质地松软, 易风化。2) 主要危害:在坡脚形成坡积体, 严重时堵塞公路边沟, 在降雨强度大或暴雨时边沟水漫上路面, 将影响行车安全。
1.6 坡面溜坍
1) 形成原因:坡体具有“二元结构”, 上部由全风化残积土构成, 质地松软, 下部由较坚硬的岩石组成;软弱岩土下部坡面较缓;本地区降雨量大, 有条件软化二元结构界面。2) 主要危害:浸染下部岩石, 封闭地下水出路;在坡脚形成坡积体, 严重时将堵塞公路, 养护工作量大, 并将影响行车安全。
1.7 坍塌
1) 形成原因:地形条件, 具有良好的临空条件, 给坍塌发生提供活动空间;坡体受水后强度降低;坡体物质条件通常由质地松软的土体组成;水的作用。2) 主要危害:坍塌体堆积于坡脚, 后部形成新的临空条件, 可能牵引后部坡体的继续坍塌或整体滑动 (滑坡) , 直接威胁行车安全。
2 高边坡加固措施
2.1 支挡工程
1) 抗滑桩。抗滑桩是承受侧向荷载用以整治滑坡的支撑建筑物, 它穿过滑体在滑床的一定深度处锚固, 抵抗滑坡推力的作用。它埋入滑面以下的部分称为锚固段, 埋置于滑面以上的部分称为受力段。桩的最小宽度一般不宜小于1.5 m, 截面尺寸为2 m×2.5 m, 2.5 m×3.5 m, 2 m×3 m, 3 m×4 m 等, 尤以2 m×3 m者最为多见。抗滑桩的基本应用条件是:滑坡具有明显的滑动面;滑面以下为较完整稳固的基岩或土层, 能够提供足够的锚固力。2) 预应力锚索。通过预应力锚索对边坡岩体中不稳定岩体施加预应力, 一方面增加不稳定边坡岩体本身的抗滑力, 另一方面, 对可能滑动面上的正应力增加, 而使摩阻力增大, 以达到边坡岩体稳定的目的。预应力锚索对处理单斜构造岩石边坡有较好的效果, 但难以准确计算被锚固体的下滑力和张拉控制应力。其最大特点是锚桩在抗滑桩上的锚点下移, 使抗滑桩悬臂所产生反向弯矩减小。然而这种方法一定要结合工程实际情况, 选准各项参数, 进行动态设计, 否则会产生难以估量的影响。它适用于下滑力大于500 kN/m的边坡。
2.2 防护工程
1) 工程防护。a.圬工骨架植草防护。圬工骨架植草防护按骨架材料可分为浆砌块石骨架植草防护和预制混凝土块骨架植草防护, 按骨架形状和受力方式又可分为人字形、拱形和方形骨架等。框格内宜采用植物防护或其他辅助防护措施。框格的大小应视边坡的坡度、土质确定, 并应考虑与景观的协调。b.喷浆或喷射混凝土防护。适用于岩性较差、强度较低、易风化或坚硬岩层风化破碎、节理发育、其表层风化剥落的边坡;或当边坡因风化剥落和节理切割而导致大面积碎落, 以及局部小型坍塌、落石时, 可采用局部加固处理后, 进行大面积喷浆处理, 也适用于上部岩层风化破碎下部岩层坚硬完整的高大边坡。不能承受侧向压力, 边坡必须是稳定的。c.喷锚防护。适用于岩层风化破碎严重、节理发育, 在破碎岩层较厚的情况下, 喷锚防护具有较高的强度, 较好的抗裂性能, 能使坡面一定深度内的破碎岩层得以加强, 并能承受少量的破碎体所产生的侧向压力。2) 植物防护。a.种草。适用于边坡稳定、坡面冲刷轻微的路堤或边坡, 一般要求边坡坡度不陡于1∶1, 边坡地表水径流速度不超过0.6 m/s, 长期浸水边坡不适用。根据施工方法不同, 分为种子撒播法和喷播法。b.铺草皮。适用于各种土质边坡, 特别是坡面冲刷比较严重、边坡较陡, 坡面迁流速度达0.6 m/s的。c.植树护坡。植树应在1∶1.5或更缓的边坡上, 或在边坡以外河岸及漫滩处。
2.3 排水系统设计
排水是该区防治边坡病害的一种主要措施。它可分为地表排水和地下排水。边坡体以外的地表水, 应予拦截引离, 边坡体的地表水要注意防渗, 并尽快汇集引出。地下水的排出工程措施, 有渗沟及平孔等。路堑边坡排水采用排水沟、截水沟、平台排水沟、急流槽等设施, 概率流量计算采用15年重现期内任意30 min的最大暴雨强度, 各类路基排水沟的内沟顶高出设计水位20 cm以上。
3 结语
边坡工程作为公路建设的一部分, 需根据工程的具体情况综合考虑, 因地制宜地选择安全可靠、经济合理、外形美观的工程措施, 并安排适宜的治理时机, 确保公路的行车安全和运营效益。
参考文献
[1]李天斌.岩质工程高边坡稳定性及其控制的系统研究[D].成都:成都理工大学博士学位论文, 2002.
[2]何福道.高速公路边坡防护与加固初探[J].云南交通科技, 2001, 17 (4) :13-14.
[3]唐军峰.浅谈高等级公路边坡病害及综合处治[J].西部探矿工程, 2004 (5) :27-28.
[4]荆改凤.病害边坡原因分析及防治对策[J].山西建筑, 2007, 33 (26) :166-167.