2019巖土工程師基礎(chǔ)知識點：邊坡巖體的變形和破壞

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邊坡巖體的變形和破壞

邊坡形成后，由于坡體的主應(yīng)力分異，使巖體原始平衡狀態(tài)遭到破壞。在這種新的應(yīng)力條件下，坡體將發(fā)生局部的或整體性的變形和破壞，以達到新的平衡。

從邊坡形成時起，邊坡即處在不斷的變化過程中、通過變形發(fā)展為破壞。其中穩(wěn)定是相對的、暫時的，僅是在一定的條件下(地質(zhì)環(huán)境中)存在著。

邊坡變形破壞的發(fā)展歷史可以是漫長的(如自然斜坡和發(fā)展演化過程)，或是短暫的(如人工邊坡的形成)，其發(fā)生條件和影響因素卻常常相當(dāng)復(fù)雜。

盡管如此，斜坡變形與破壞卻始終決定于坡體本身所具有的應(yīng)力特征和坡體抵抗變形破壞的能力，這兩方面的相互關(guān)系和發(fā)展變化，是斜坡發(fā)展演變的內(nèi)在矛盾。而坡體中由于應(yīng)力分異所出現(xiàn)的應(yīng)力集中帶，又有較低抵抗變形能力的軟弱面，當(dāng)其在空間構(gòu)成不利于穩(wěn)定的組合時，則是以上矛盾發(fā)展變化的焦點。此處常常發(fā)展成為坡體中變形與破壞的控制面，它是工作中研究的重點部位。

巖質(zhì)斜坡的變形與破壞可分作變形和破壞兩種形式。前者屬于變形的范圍，從坡體中未出現(xiàn)貫通性的破壞面為特點;而后者在坡體中已形成貫通性的破壞面，且以一定加速度發(fā)展位移。

【例題13】在邊坡工程中，下列哪些是實際工作中研究的重點對象()。

A.坡形

B.原始應(yīng)力狀態(tài)

C.巖體的變形特征

D.巖體的結(jié)構(gòu)特征

答案:D

(一)邊坡巖體的變形

變形與破壞之間是一個發(fā)展過程，其間存在著量、質(zhì)轉(zhuǎn)化的關(guān)系。近年來巖體破壞機制及蠕變理論的研究，已經(jīng)充分揭示了它們之間存在的客觀規(guī)律，為斜坡巖體穩(wěn)定研究奠定了理論基礎(chǔ)。因此，必須研究巖體變形破壞的整個過程，并且重視這一演變過程中變形形式的研究。這對于定性地揭示坡體應(yīng)力與結(jié)構(gòu)強度的矛盾關(guān)系，鑒定現(xiàn)有條件下坡體的穩(wěn)定情況，預(yù)測斜坡巖體破壞的可能性，是有重要意義的。斜坡巖體的變形可以劃分為松弛張裂和蠕動。

【例題14】斜坡巖體的變形可劃分為()。

A. 松弛張裂和蠕動

B. 松弛張裂和松動

C. 蠕變和蠕動

D.松動和破壞

答案:A

1. 松弛張裂

在斜坡形成的初始階段，往往在坡體中出現(xiàn)一系列與坡面近于平行的陡傾張開裂隙，使斜坡巖體向臨空方向張開。這種過程和現(xiàn)象稱為松弛張裂(也稱松動)。

存在于坡體的這種張裂隙可以是應(yīng)力重新分布產(chǎn)生的，也可以是沿原有的陡傾裂隙發(fā)育而成。外形略呈弧形彎曲，僅有張開而無明顯相對滑移，張開度及分布密度由坡面向深處逐漸減弱。理論實踐證明。僅有松弛張裂變形形式的坡體，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系處于穩(wěn)定破裂階段或者減速蠕變階段。由此，在保證坡體應(yīng)力不會增加且結(jié)構(gòu)強度不下降的條件下，其變形不會繼續(xù)發(fā)展，坡體穩(wěn)定不會發(fā)生變化。松弛張裂主要有下列幾種情況。

(1)回彈裂隙

在斜坡形成后，由于側(cè)向應(yīng)力削弱，巖體向臨空方向回彈，這種現(xiàn)象猶如木桶因松箍而掀縫一樣，使原來被壓緊的裂縫張開(圖17-1-6)。很明顯，因這種原因張開的裂隙的特點是愈近頂面，張開程度愈大，向深處或向坡里張開程度逐漸減小。

(2)坡面、坡頂張力帶裂隙

較陡斜坡的坡面、坡頂張力帶中，抗拉強度弱的巖體(如半巖質(zhì)塊體，表層風(fēng)化巖體)以及具有與斜坡走向近于平行的陡立軟弱面的坡體，在坡面、坡頂張應(yīng)力作用下形成張開裂隙。這種裂隙主要分布在陡坡的前緣，不會深入到坡體內(nèi)部(圖17-1-3)。

(3)坡腳應(yīng)力集中帶的張裂隙

在坡腳應(yīng)力集中帶當(dāng)應(yīng)力超過此處巖體或與坡面平行時，則產(chǎn)生與坡面近于平行的張裂隙。其分布從坡面向坡體內(nèi)和向下方向逐漸稀疏、削弱。當(dāng)坡體中有緩傾角軟弱面時，在平行于坡面的最大主應(yīng)力(σ1)作用下產(chǎn)生平行坡面的剪應(yīng)力，將使被分割的巖體沿軟弱面向外滑移，而張裂隙向上逐漸尖滅或分支。

上述分析表明，卸荷裂隙的形成機制有可能是多種多樣的。生產(chǎn)實踐中，把發(fā)育這種岸邊裂隙的坡體稱之為斜坡卸荷帶(可稱之為松動帶)，其深度通常用坡面與卸荷帶內(nèi)側(cè)界線之水平間距來表示。

斜坡的松弛張裂，一方面使巖體強度降低，另一方面使各種外營力更易深入坡體，增加了坡體內(nèi)各種營力的活躍程度，它是斜坡變形破壞的初始階段。所以在邊坡穩(wěn)定性分析中劃分卸荷帶，確定卸荷帶的范圍和卸荷帶中的坡體特征，對于評價斜坡巖體的穩(wěn)定性具有重要意義。

2.蠕動

經(jīng)松動后，斜坡巖體在重力作用下向臨空方向較長期的緩慢變形稱之為斜坡巖體的蠕動。研究表明，蠕動的形成機制為巖石的粒間滑動(塑性變形)或巖石裂紋微錯，或由一系列裂隙擴展所致。它是在應(yīng)力長期作用下，巖石內(nèi)部的一種緩慢的調(diào)整性變形，實際上是巖石趨于破壞的一個演變過程。坡體中由自重應(yīng)力引起的剪應(yīng)力與巖體長期抗剪強度相比很低時，它只能使坡體減速蠕動;只有坡體應(yīng)力值接近或超過巖體的長期抗剪強度時，坡體才能進入加速蠕動。因此可以認為，坡體導(dǎo)致最終破壞總要經(jīng)過一定過程，或非常短暫，或經(jīng)過一個相當(dāng)長的時間。

按照巖體蠕動的特征，它大致可以分為兩種基本類型：表層蠕動和深層蠕動。

(1)表層蠕動

斜坡上部的巖體在重力的長期作用下，發(fā)生向臨空方向的緩慢變形，構(gòu)成一個剪變帶，其位移由坡面向內(nèi)逐漸降低直至消失，這便是表層蠕動。松散巖體及土質(zhì)斜坡中，這類蠕動甚為明顯，表現(xiàn)為當(dāng)坡體剪應(yīng)力足夠產(chǎn)生滑動面之前，在剪變帶內(nèi)會緩慢發(fā)生塑性變形。

巖質(zhì)斜坡中的表層蠕動，常稱為巖層未端撓曲現(xiàn)象，系指陡立層狀結(jié)構(gòu)面較發(fā)育的斜坡巖體(頁巖、片巖、灰?guī)r等層狀巖石或陡傾節(jié)理發(fā)育的花崗巖)，在重力長期作用下，沿軟弱面錯動和局部破裂而成的撓曲現(xiàn)象，多發(fā)生于上述巖石和巖體所組成的斜坡上。當(dāng)軟弱面愈密集，傾角愈陡且走向近于平行于坡面時發(fā)育尤甚。坡體表面蠕動使松動裂隙張開向縱深發(fā)展。由于撓曲使坡角應(yīng)力集中加大，有時影響深度竟達數(shù)十米。

在重力作用下，由于坡面蠕動所產(chǎn)生的撓曲與構(gòu)造撓曲之區(qū)別在于：前者常沿軟弱面兩側(cè)拉開，并出現(xiàn)張裂，層面兩側(cè)相對滑動方向為斜坡上側(cè)向下，而下側(cè)向上滑動，其撓曲分布局限一定深度;而構(gòu)造撓曲不具備以上性質(zhì)。正確區(qū)分這兩種不同成因撓曲的重要意義在于，經(jīng)過重力長期作用形成的蠕動坡體僅具有較低的穩(wěn)定性，常常要采取開挖或昂貴的工程處理措施，應(yīng)該引起重視。

(2)深層蠕動

深層蠕動主要發(fā)育在斜坡下部或坡體內(nèi)部。按照其形成機制的特點可分為軟弱基座蠕動和坡體蠕動兩類。

1)軟弱基座蠕動

坡體基座產(chǎn)狀較緩并且具有一定的相對軟弱巖層，在坡體上覆巖層重力作用下，致使基座部分向臨空方向蠕動，并引起上覆坡體變形與解體，是軟弱基座蠕動的特征。當(dāng)軟弱基座塑性較大時，坡腳主要表現(xiàn)為向臨空方向的蠕動和擠出，見圖17-1-7;而當(dāng)軟弱基座具有一定脆性時，則可能通過密集的張性破裂使軟弱層錯位變形，見圖17-1-8。這兩種變形方式都是由坡面逐漸向深處發(fā)展的。

由于軟弱基座的蠕動變形，將引起上覆坡體發(fā)生變形或解體。當(dāng)上覆巖體具有一定柔性時，軟弱層會出現(xiàn)“揉曲”，脆性層中會出現(xiàn)張性裂隙;當(dāng)上覆巖體整體呈脆性時，則可因軟弱基座蠕動而產(chǎn)生不均勻沉陷，使上覆巖體破裂解體。

2)坡體蠕動

坡體沿緩傾角的軟弱結(jié)構(gòu)面，向臨空方向緩慢移動的現(xiàn)象，稱為坡體蠕動。這種現(xiàn)象在卸荷裂隙較發(fā)育的具有緩傾角軟弱面的坡體中比較普遍，通常是在蠕滑型裂隙基礎(chǔ)上發(fā)育而成。

形成坡體蠕動的基本條件是坡體具有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面并發(fā)育有其他陡傾裂隙。緩傾角軟弱面(如夾泥)，抗滑性能差，便易在坡體重力作用下產(chǎn)生緩慢的移動變形，這樣坡體便發(fā)生微量轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)折處首先遭到破壞，實際上，轉(zhuǎn)折處也正是應(yīng)力集中處。圖17-1-9充分反映了在蠕動轉(zhuǎn)折處的破壞過程，首先出現(xiàn)的張性羽裂將轉(zhuǎn)折端切斷(切角滑移階段);然后繼續(xù)遭到破壞，形成次一級剪切面，并伴隨有架空現(xiàn)象(次一級剪面開始形成階段);再進一步發(fā)展，則形成連續(xù)滑面(滑面形成階段)，一旦滑面上的下滑力超過抗滑力，即導(dǎo)致坡體破壞。

【例題15】斜坡上部的巖體在重力的長期作用下，發(fā)生向臨空方向的緩慢變形，構(gòu)成一個剪變帶，其位移由坡面向內(nèi)逐漸降低直至消失，這種變形稱為()。

A. 表層蠕動

B. 深層蠕動

C. 軟弱基座蠕動

D. 坡體蠕動

答案:A

【例題16】形成坡體蠕動的基本條件是坡體()并發(fā)育有其他陡傾裂隙。

A. 具有大傾角軟弱結(jié)構(gòu)面

B. 具有緩坡角且有一定坡高

C. 具有緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面

D. 具有大坡角且有一定坡高

答案:C

(二)斜坡巖體的破壞

斜坡巖體中出現(xiàn)了與外界貫通的破壞面，使被分割的巖體以一定的加速度脫離母體，稱為斜坡巖體的破壞。

自然斜坡的形成過程往往比較緩慢，在坡體中應(yīng)力的改變是漸變的，所以在發(fā)生破壞之前總要經(jīng)過松動，蠕動等變形階段，而人工邊坡由于坡體應(yīng)力的變化和附加載荷(如壩肩推力等)的出現(xiàn)可以是很迅速地，因此可能出現(xiàn)兩種情況。當(dāng)迅速形成坡體應(yīng)力超過邊坡體極限強度時，足以構(gòu)成貫通性破壞面時，斜坡破壞便迅速發(fā)生，蠕動時間極短暫;反之，若應(yīng)力小于坡體極限強度，而大于長期強度，在發(fā)生破壞之前總要經(jīng)過一段較長時間的蠕動過程。此外，自然營力對坡體破壞的影響也很大。當(dāng)某些營力突然加劇，(如地震、空隙水壓力)可使一些原來并無明顯蠕動跡象的斜坡突然遭到破壞。

斜坡的破壞形式很多，現(xiàn)將分別簡述崩塌，滑坡。

1.崩塌

崩塌是巖質(zhì)斜坡破壞的一種形式。斜坡前緣的部分巖體被陡傾角的破裂面分割，以突然的方式脫離母體，翻滾而下，巖塊相互撞擊破碎，最后堆積于坡腳而且形成巖堆，稱為崩塌。其規(guī)模相差懸殊，從大規(guī)模的山崩直至小型塊石墜落。

從形成機理分析，崩塌的形成在于坡體沿陡傾軟弱結(jié)構(gòu)面張裂的同時，坡腳巖體發(fā)生變形(如基座蠕動)，使上部割裂巖體失去支持而發(fā)生翻倒。

崩塌主要發(fā)生在60°以上陡坡的前緣斜坡上。高而陡的斜坡通常由陡傾角裂隙發(fā)展而成，或由于基座蠕動造成的沉陷解體形成。這些裂隙在表層蠕動的作用下進一步加深加寬，并促使坡腳主應(yīng)力增高，坡體蠕滑進一步加劇，下部支持力減弱，引起崩塌。故崩塌在高陡斜坡上具有更好的發(fā)育條件。

由于崩塌形成的巖堆給后側(cè)坡腳以側(cè)向壓力，再次發(fā)生崩塌的突破處將上移;所以崩塌具有在斜坡上逐次后退，規(guī)模逐漸變小等發(fā)展趨勢。

剝落是組成邊坡的巖石具有薄層狀或頁片狀結(jié)構(gòu)面，如頁巖、片巖、強烈風(fēng)化的片麻巖和劈理發(fā)育的粉砂巖等等。由于這些巖石性質(zhì)軟弱、結(jié)構(gòu)面密集，經(jīng)受長期不斷地風(fēng)化作用，巖體呈片狀破裂，當(dāng)受雨水沖刷和其他外營力作用之下，邊坡表部巖體呈片狀層狀沿斜坡表面剝落，堆積于坡腳。剝落現(xiàn)象一般規(guī)模小，速度緩慢，如果這種現(xiàn)象是單一的，沒有其他因素的特殊影響，則不致造成嚴重的災(zāi)害。但對渠道或溢洪道的邊坡應(yīng)給予注意，因剝落的碎屑物質(zhì)堆積在坡腳會堵塞水流，可能引起其他不良現(xiàn)象。

【例題17】斜坡前緣的部分巖體被陡傾角的破裂面分割，以突然的方式脫離母體，翻滾而下，巖塊相互撞擊破碎，最后堆積于坡腳而且形成巖堆，這種現(xiàn)象稱為()。

A.崩塌

B.滑塌

C.剝落

D.滑坡答案:A

【例題18】從形成機理分析，崩塌的形成在于()。

A. 坡體沿陡傾軟弱結(jié)構(gòu)面張裂

B. 坡腳巖體發(fā)生變形

C. 高陡斜坡上

D. 坡體沿陡傾軟弱結(jié)構(gòu)面張裂的同時，坡腳巖體發(fā)生變形

答案:D

2.滑坡

滑坡是斜坡上的巖土體在自然或人為因素的影響下失去穩(wěn)定，沿一定的破壞面整體下滑的現(xiàn)象，是一種常見的斜坡失穩(wěn)而產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害。要及時地識別滑坡，以確定斜坡是否會發(fā)生滑坡，有否有滑坡的存在，則首先應(yīng)該了解滑坡的構(gòu)造形態(tài)。

(1)滑坡的構(gòu)造形態(tài)

通常一個比較典型的滑坡由滑坡體、滑動面、滑坡壁、滑坡裂隙、滑舌、滑坡鼓丘等幾部分構(gòu)造形態(tài)要素組成。

滑坡體：指斜坡上沿滑動面向下滑動的巖土體，或者說是滑坡的整個滑動體。這部分巖土體雖然經(jīng)受了滑動，但其內(nèi)部還保持原有的層位關(guān)系，以及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、裂隙節(jié)理的特點�；�坡體的表面起伏不平，裂隙縱橫;原有樹木傾斜或倒伏，形成馬刀樹、醉漢林;封閉洼地積水或成沼澤，常長有喜水植物�；�坡體與周圍不動巖土體的分界線，稱為滑坡周界。

滑動帶(面)：滑坡體與其周圍未滑動巖土體之間的分界面稱為滑動面�；�坡體底部產(chǎn)生剪切、揉皺的，厚數(shù)厘米至數(shù)米的地帶稱為滑動帶�；瑒用嬉韵路�(wěn)定的巖土體稱為滑坡床(滑床)�；瑒用娴男螤铍S著斜坡巖土體的成分和結(jié)構(gòu)的不同而異，在均質(zhì)粘性土和軟巖中，滑動面近于圓弧形;滑坡體如沿巖層層面或構(gòu)造面滑移時，呈直線或折線形。滑坡面一般是由直線和圓弧復(fù)合而成，其后部經(jīng)常呈弧形，前部呈近似于水平的直線。滑動面大多數(shù)是由粘土夾層或其他軟弱巖層所組成，如頁巖、泥巖、千枚巖、片巖等，或者是由巖層面、裂隙節(jié)理面等組成。由于滑動時的摩擦，滑動面常是光滑的，有時可見滑動擦痕;滑動帶中巖土十分破碎，而且通常是潮濕的，有的甚至達飽和狀態(tài)，并在坡腳處常有泉水涌出。

滑坡壁(滑坡后壁)：滑坡體滑落后，滑床上方未滑動部分巖土體所形成的弧形陡壁。實際上是滑動面在坡上出露的界面，有時在較新的滑坡后壁上可見到滑動擦痕�；�坡后壁左右呈弧形向前伸展呈“圈椅”狀，平面上多呈椅狀。

滑坡臺階：滑坡體上由于各滑體滑落速度差異而形成的階梯狀臺坎稱滑坡臺階。一般呈反坡狀。

滑坡裂縫：滑坡體在滑動過程中，由于各部位的移動速度不均勻，在滑體內(nèi)部或表面所產(chǎn)生的裂縫稱為滑坡裂縫。按受力狀況不同可分為滑體上的拉張裂縫，兩側(cè)的剪切裂縫，下部的鼓脹裂縫、扇形張裂縫等。

滑坡舌：又稱滑坡頭，系指滑坡體最前部沖出滑床的部分。

滑坡鼓丘：滑坡體在下滑的過程中，如果受到阻礙，便會形成隆起的小丘，即稱滑坡鼓丘。

主滑線(滑坡主軸)：滑坡體滑移速度最快部分的連線稱之為主軸線。它代表了滑坡滑動的方向，可以是直線，亦可是折線。

應(yīng)該指出，滑坡的典型構(gòu)造形態(tài)只有新產(chǎn)生的滑坡或形成不久的滑坡才具備。發(fā)生時間較久的滑坡，由于水流沖刷、風(fēng)化以及人為活動等因素的影響，使滑坡的地表形態(tài)遭受破壞，以致不易識別出來，但只要仔細調(diào)查，分析對比周圍的地形地物，也可正確識別出來。

(2)滑坡的分類

由于自然條件千變?nèi)f化，滑坡的成因、形態(tài)、滑動的過程亦各有特點，為了便于滑坡的識別和治理，考慮滑坡巖土體的組成、滑動速度、力學(xué)特征、滑體形態(tài)、滑體規(guī)模、滑體厚度、發(fā)展階段等因素，對巖質(zhì)滑坡進行分類。

【例題19】“馬刀樹”是下列哪種地質(zhì)災(zāi)害造成的后果()。

A.崩塌

B.滑坡

C.泥石流

D.滑塌

答案:B

【例題20】當(dāng)滑坡體厚度6～20m左右時，屬于()。

A.淺層滑坡

B.中層滑坡

C.深層滑坡

D.小型滑坡

答案:B

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