2019巖土工程師基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：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(dá)到新的平衡。

從邊坡形成時(shí)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(duì)的、暫時(shí)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(zhǎng)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(shí)，則是以上矛盾發(fā)展變化的焦點(diǎn)。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(diǎn)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(diǎn);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(shí)際工作中研究的重點(diǎn)對(duì)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(gè)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(jī)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(gè)過程，并且重視這一演變過程中變形形式的研究。這對(duì)于定性地揭示坡體應(yīng)力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(cè)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(dòng)。

【例題14】斜坡巖體的變形可劃分為()。

A. 松弛張裂和蠕動(dòng)

B. 松弛張裂和松動(dòng)

C. 蠕變和蠕動(dòng)

D.松動(dòng)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(dòng))。

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(duì)滑移，張開度及分布密度由坡面向深處逐漸減弱。理論實(shí)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(huì)增加且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不下降的條件下，其變形不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，坡體穩(wěn)定不會(huì)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(diǎn)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(qiáng)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(huì)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(shí)，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(shí)，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(jī)制有可能是多種多樣的。生產(chǎn)實(shí)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(dòng)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(qiáng)度降低，另一方面使各種外營(yíng)力更易深入坡體，增加了坡體內(nèi)各種營(yíng)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(duì)于評(píng)價(jià)斜坡巖體的穩(wěn)定性具有重要意義。

2.蠕動(dòng)

經(jīng)松動(dòng)后，斜坡巖體在重力作用下向臨空方向較長(zhǎng)期的緩慢變形稱之為斜坡巖體的蠕動(dòng)。研究表明，蠕動(dòng)的形成機(jī)制為巖石的粒間滑動(dòng)(塑性變形)或巖石裂紋微錯(cuò)，或由一系列裂隙擴(kuò)展所致。它是在應(yīng)力長(zhǎng)期作用下，巖石內(nèi)部的一種緩慢的調(diào)整性變形，實(shí)際上是巖石趨于破壞的一個(gè)演變過程。坡體中由自重應(yīng)力引起的剪應(yīng)力與巖體長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度相比很低時(shí)，它只能使坡體減速蠕動(dòng);只有坡體應(yīng)力值接近或超過巖體的長(zhǎng)期抗剪強(qiáng)度時(shí)，坡體才能進(jìn)入加速蠕動(dòng)。因此可以認(rèn)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(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

按照巖體蠕動(dòng)的特征，它大致可以分為兩種基本類型：表層蠕動(dòng)和深層蠕動(dòng)。

(1)表層蠕動(dòng)

斜坡上部的巖體在重力的長(zhǎng)期作用下，發(fā)生向臨空方向的緩慢變形，構(gòu)成一個(gè)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(dòng)。松散巖體及土質(zhì)斜坡中，這類蠕動(dòng)甚為明顯，表現(xiàn)為當(dāng)坡體剪應(yīng)力足夠產(chǎn)生滑動(dòng)面之前，在剪變帶內(nèi)會(huì)緩慢發(fā)生塑性變形。

巖質(zhì)斜坡中的表層蠕動(dòng)，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(zhǎng)期作用下，沿軟弱面錯(cuò)動(dòng)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(shí)發(fā)育尤甚。坡體表面蠕動(dòng)使松動(dòng)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(shí)影響深度竟達(dá)數(shù)十米。

在重力作用下，由于坡面蠕動(dòng)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(duì)滑動(dòng)方向?yàn)樾逼律蟼?cè)向下，而下側(cè)向上滑動(dòng)，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(zhǎng)期作用形成的蠕動(dòng)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(dòng)

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

1)軟弱基座蠕動(dòng)

坡體基座產(chǎn)狀較緩并且具有一定的相對(duì)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(dòng)，并引起上覆坡體變形與解體，是軟弱基座蠕動(dòng)的特征。當(dāng)軟弱基座塑性較大時(shí)，坡腳主要表現(xiàn)為向臨空方向的蠕動(dòng)和擠出，見圖17-1-7;而當(dāng)軟弱基座具有一定脆性時(shí)，則可能通過密集的張性破裂使軟弱層錯(cuò)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(dòng)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(shí)，軟弱層會(huì)出現(xiàn)“揉曲”，脆性層中會(huì)出現(xiàn)張性裂隙;當(dāng)上覆巖體整體呈脆性時(shí)，則可因軟弱基座蠕動(dòng)而產(chǎn)生不均勻沉陷，使上覆巖體破裂解體。

2)坡體蠕動(dòng)

坡體沿緩傾角的軟弱結(jié)構(gòu)面，向臨空方向緩慢移動(dòng)的現(xiàn)象，稱為坡體蠕動(dòng)。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(dòng)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(dòng)變形，這樣坡體便發(fā)生微量轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)折處首先遭到破壞，實(shí)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(dòng)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(jí)剪切面，并伴隨有架空現(xiàn)象(次一級(jí)剪面開始形成階段);再進(jìn)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(zhǎng)期作用下，發(fā)生向臨空方向的緩慢變形，構(gòu)成一個(gè)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(dòng)

B. 深層蠕動(dòng)

C. 軟弱基座蠕動(dòng)

D. 坡體蠕動(dòng)

答案:A

【例題16】形成坡體蠕動(dòng)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(dòng)，蠕動(dòng)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(qiáng)度時(shí)，足以構(gòu)成貫通性破壞面時(shí)，斜坡破壞便迅速發(fā)生，蠕動(dòng)時(shí)間極短暫;反之，若應(yīng)力小于坡體極限強(qiáng)度，而大于長(zhǎng)期強(qiáng)度，在發(fā)生破壞之前總要經(jīng)過一段較長(zhǎng)時(shí)間的蠕動(dòng)過程。此外，自然營(yíng)力對(duì)坡體破壞的影響也很大。當(dāng)某些營(yíng)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(dòng)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(jiǎn)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(jī)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(shí)，坡腳巖體發(fā)生變形(如基座蠕動(dòng))，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(dòng)造成的沉陷解體形成。這些裂隙在表層蠕動(dòng)的作用下進(jìn)一步加深加寬，并促使坡腳主應(yīng)力增高，坡體蠕滑進(jìn)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(shì)。

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(qiáng)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(zhǎng)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(yíng)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(yán)重的災(zāi)害。但對(duì)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(huì)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(jī)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(shí)，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(shí)地識(shí)別滑坡，以確定斜坡是否會(huì)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(gè)比較典型的滑坡由滑坡體、滑動(dòng)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(dòng)面向下滑動(dòng)的巖土體，或者說是滑坡的整個(gè)滑動(dòng)體。這部分巖土體雖然經(jīng)受了滑動(dòng)，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(diǎn)�；�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(zhǎng)有喜水植物�；�坡體與周圍不動(dòng)巖土體的分界線，稱為滑坡周界。

滑動(dòng)帶(面)：滑坡體與其周圍未滑動(dòng)巖土體之間的分界面稱為滑動(dòng)面。滑坡體底部產(chǎn)生剪切、揉皺的，厚數(shù)厘米至數(shù)米的地帶稱為滑動(dòng)帶。滑動(dòng)面以下穩(wěn)定的巖土體稱為滑坡床(滑床)。滑動(dòng)面的形狀隨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(dòng)面近于圓弧形;滑坡體如沿巖層層面或構(gòu)造面滑移時(shí)，呈直線或折線形�；�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�；瑒�(dòng)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(dòng)時(shí)的摩擦，滑動(dòng)面常是光滑的，有時(shí)可見滑動(dòng)擦痕;滑動(dòng)帶中巖土十分破碎，而且通常是潮濕的，有的甚至達(dá)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(dòng)部分巖土體所形成的弧形陡壁。實(shí)際上是滑動(dòng)面在坡上出露的界面，有時(shí)在較新的滑坡后壁上可見到滑動(dòng)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(tái)階：滑坡體上由于各滑體滑落速度差異而形成的階梯狀臺(tái)坎稱滑坡臺(tái)階。一般呈反坡狀。

滑坡裂縫：滑坡體在滑動(dòng)過程中，由于各部位的移動(dòng)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(huì)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(dòng)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(shí)間較久的滑坡，由于水流沖刷、風(fēng)化以及人為活動(dòng)等因素的影響，使滑坡的地表形態(tài)遭受破壞，以致不易識(shí)別出來，但只要仔細(xì)調(diào)查，分析對(duì)比周圍的地形地物，也可正確識(shí)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(dòng)的過程亦各有特點(diǎn)，為了便于滑坡的識(shí)別和治理，考慮滑坡巖土體的組成、滑動(dòng)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(duì)巖質(zhì)滑坡進(jìn)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(shí)，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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