工程地質學概論第八章斜坡變形破壞工程地質研究賈洪彪中國地質大學工程學院3/18/20251第八章斜坡變形破壞工程地質研究第一節概述第二節斜坡及斜坡中的應力第三節斜坡運動的根本形式第四節崩塌第五節滑坡第六節影響斜坡穩定性的因素第七節斜坡穩定性評價方法第八節斜坡變形破壞預測預報第九節斜坡變形破壞的防治3/18/20252第一節概述3/18/20253灑勒山滑坡灑勒山滑坡位于甘肅省東鄉族自治區的灑勒山。1983年3月7日發生，僅數十秒就使3個村莊蕩然無存，死237人，傷22人，壓死牲畜數百頭，大牲畜僅存4頭。滑下巖土近4億立方米，使一個水庫被填，一個水庫進水渠道被淤，三千畝農田被毀。該滑坡滑動速度之快、規模之大、災害之重，在中外滑坡史上均為罕見。3/18/20254灑勒山滑坡全貌灑勒山滑坡3/18/20255灑勒山滑坡物質根底－－垂直節理及裂隙發育的新老黃土動力根底－－山高坡陡觸發因素－－降雨、融雪觸發因素－－不科學的水利建設3/18/202561995年6月10日二道橋溝失穩1995年10月29日三道橋溝發生滑坡，致使長江斷航12d巴東縣黃土坡滑坡3/18/202573/18/20258斜坡的類型很多：自然斜坡、礦山邊坡、河岸及庫岸岸坡、鐵路邊坡、公路邊坡、基坑邊坡……地質災害中斜坡災害僅次于地震，據統計，80年代各國損失：美國：15億＄/年日本：150億＄/年意大利：114億＄/年印度：>10億＄/年中國：30－50億人民幣/年僅1981年四川省普降暴雨,造成大小滑坡數萬處,直接經濟損失3億人民幣。3/18/20259發育情況特大型崩塌51處、滑坡140處、泥石流149較大型崩塌2984處以上、滑坡2212處以上、泥石流2277處以上分布—滑坡、泥石流危害較大的省區有：四川、云南、陜西、寧夏、甘肅、貴州、湖北、遼寧、北京、河北、江西和福建主要危害平均每年死亡達928.15人有400多個市、縣、區、鎮受到嚴重侵害山區干線鐵路受到嚴重危害：寶成線、成昆線、寶蘭線3/18/2025103/18/2025113/18/202512第二節斜坡及斜坡中的應力一、斜坡〔slope〕1.斜坡的根本要素(1)坡面AC(2)坡肩A(3)坡頂AB(4)坡腳C(5)坡高H(6)坡角(7)坡體MMH

ABC3/18/2025132.斜坡剖面形態內凹型外凸型直線型復合型3/18/202514二、斜坡中的應力H131、斜坡周圍主應力跡線發生明顯偏轉：愈接近臨空面,最大主應力1愈接近平行于臨空面，3與之正交,向坡內逐漸恢復到原始狀態。原始應力狀態：重分布應力的特點：3/18/202515(1)坡腳附近最大主應力顯著增高,且愈近外表愈高;最小主應力顯著降低,于外表處降為零,甚至轉化為拉應力。

這一帶是坡體中應力差或最大剪應力最高的部位，形成最大剪應力增高帶，往往產生與坡面或坡底面平行的壓致拉裂面。12.在臨空面附近造成應力集中,但在坡腳區和坡頂及坡肩附近情況有所不同:3/18/202516(2)在坡頂面和坡面的某些部位,坡面的徑向應力和坡頂面的切向力可轉化為拉應力,形成張力帶,易形成與坡面平行的拉裂面。13.坡面處由于側向壓力趨于零,實際上處于兩向受力狀態,而向坡內逐漸變為三向受力狀態。3/18/2025174.與主應力跡線偏轉相聯系,坡體內最大剪應力跡線由原來的直線變成近似圓弧線,弧的下凹方向朝著臨空方向。3/18/2025181.巖體初始應力的影響三、影響斜坡應力分布的因素水平剩余應力的大小使坡體中主應力跡線的分布形式有所不同，明顯改變了各應力值的大小，使張力帶的影響最大。3/18/202519(1)坡高：坡高不改變應力等值線圖象,但應力值隨坡高而線性。2.坡形的影響(2)坡角：坡角變化明顯改變了應力分布圖象。隨坡角變陡，張力帶的范圍有所擴大，坡腳應力集中帶最大剪應力值也隨之增高。3/18/202520(3)坡底寬度：當W<0.8H時,坡腳最大剪應力隨底寬而急劇。當W>0.8H時，則保持為一常值（稱為“殘余坡角應力”）(4)坡面形態：平面上的凹形坡，應力集中明顯減緩。圓形和橢圓形邊坡，坡腳最大剪應力僅為一般斜坡的1/2。當水平應力坡形于橢圓形礦坑長軸時，應力集中較緩和。3/18/2025213.斜坡巖土體特性和結構特征的影響:巖土體的變形模量對均質坡體的應力分布無明顯影響.泊松比可改變主應力和剪應力的分布,引起張力帶變化。隨著，坡面和坡頂的張力帶逐漸擴展，而在坡底那么反之，，張力帶收縮。結構面的產狀、性質的差異，使斜坡中的應力分布出現了不連續性，在不連續面或軟弱面的周邊形成應力集中帶或發生應力滯。113/18/202522第三節斜坡運動的根本形式崩塌〔falling〕滑坡〔sliding〕表層流動〔surferflow〕3/18/2025233/18/202524一、斜坡的變形〔deformation)1、實質斜坡受到侵蝕卸荷作用和開挖卸荷等作用所產生的應力釋放效應，而引起的斜坡表層巖土體的彈塑性回彈和蠕變位移。2、類型(1)拉裂(回彈)tensilecrack(2)蠕滑

creepslip(3)彎曲傾倒3/18/202525(1)拉裂(回彈)tensilecrackA、斜坡形成過程中，在坡面和坡頂形成的張力帶中拉應力集中形成拉張裂縫。B、卸荷回彈或初始應力釋放時產生拉裂面。

卸荷、初始應力釋放側應力減弱巖土體松動產生張裂面3/18/202526(2)蠕滑creepslip斜坡巖土體在自重應力為主的坡體應力長期作用下,向臨空面方向的緩慢而持續的變形。a.表層蠕滑：斜坡淺層巖土體在重力的長期作用下，向臨空面方向緩慢變形構成一個剪變帶，其位移由坡面向坡內逐漸降低直至消失。b.深層蠕滑：主要發育在斜坡下部或坡體內部。按其形成機制特點可分為兩種：①軟弱基座蠕滑②坡體蠕滑〔受軟弱結構面控制〕兩種深層蠕滑的區別：①不是沿一個統一的滑動面，受軟弱基座控制②有統一滑動面，受軟弱結構面控制張裂隙灰巖砂巖粘土巖3/18/202527

(3)彎曲傾倒由陡坡或直立板狀巖體組成的斜坡,當巖層走向與坡面走向大致相同時，在自重的長期作用下，由前緣開始向臨空方向彎曲、折裂，并逐漸向坡內開展的變形，稱為彎曲傾倒。陡坡>60o緩慢的不連續變形多數導致崩塌,少數導致滑坡3/18/2025283/18/2025291.崩塌陡坡上的巖土體所產生的以下落運動為主〔移動、滾動、跳躍〕的破壞現象。〔土崩、巖崩〕二、斜坡的破壞3/18/2025302.滑坡斜坡巖土體依附于內在的或潛在的軟弱結構面，在外力作用下，失去原來的平衡狀態，產生了以水平運動為主的滑動現象。3.兩者的區別：①運動方式②破壞形式③地形條件④是否脫離母體，存在滑動面⑤規模、速度3/18/202531三、斜坡變形破壞的地質模型1、建立地質模型的目的把握斜坡變形破壞的根本規律，預報斜坡變形的開展趨勢及可能的破壞方式，進行穩定性評價。是影響斜坡穩定性各種因素的綜合表達，能反映斜坡變形破壞的整個過程。2、地質模型3/18/202532一、崩塌產生的條件1.地層巖性條件：厚層狀硬脆性巖體2.巖體結構條件：節理裂隙〔二組或二組以上陡傾節理〕3.地形條件：地形切割強烈，高差大4.外力條件：風化作用、靜水壓力、震動……第四節崩塌3/18/202533二、崩塌的類別滑移式崩塌ψ>φ,b/h>tgψ傾倒式崩塌ψ<φ,b/h<tgψ滑移傾倒式混合崩塌ψ>φ,b/h<tgψ3/18/202534一、滑坡的基本要素1.滑動面：形態：平面的、圓弧面（曲面）、折線狀滑動面上部或下部經常具有一定厚度的揉皺的結構擾動滑動帶。第五節滑坡3/18/2025352.滑坡體3.滑坡周界4.滑床5.滑坡前緣〔滑坡舌〕6.滑坡壁7.主滑線8.滑坡臺階9.滑坡洼地〔湖〕3/18/20253610.滑坡裂縫：滑坡體在滑動過程中各部位受力性質和移動速度不同，受力不均勻而產生的力學性質不同的各種裂縫。拉張裂縫剪切裂縫3/18/202537產生、開展、演化、消亡1.蠕動擠壓階段（準備階段）蠕滑階段2.滑動階段3.劇滑階段4.穩定階段周期性的活動特點二、滑坡運動的階段性3/18/2025381.意義不當的開挖不當的棄土不當的地表排水三、滑坡的識別3/18/2025393/18/2025402.識別方法：航片解譯地面調查勘探面線點3/18/2025413/18/2025423/18/2025433/18/202544(1)地形地貌方面滑坡形態特征、階地、夷平面高程比照圈椅狀地貌——雙溝同源3.識別標志3/18/202545(2)地質構造方面:滑體上產生小型褶曲和斷裂現象滑體結構松散、破碎(3)水文地質方面結構破碎→透水性增高→地下水徑流條件改變→滑體外表出現積水洼地或濕地，泉的出現3/18/202546(4)植被方面馬刀樹、醉漢林3/18/2025473/18/202548(5)滑動面的鑒別勘探：鉆探變形監測：鉆孔傾斜儀3/18/2025493/18/2025501.按滑坡的動力學特征分類〔巴甫洛夫，1903〕(a)推動式滑坡(b)牽引式滑坡(c)混合式滑坡(d)平移式滑坡四、滑坡分類3/18/2025513/18/2025522.按滑動面與層面的關系分類(1)無層滑坡：均質、無層理的巖土體(2)順層滑坡：原生、次生的軟弱夾層存在，上部松散堆積物與下部基巖接觸帶(3)切層滑坡：多發生在巖層近于水平的平迭坡3/18/2025533.按巖土體類型分類(4)破碎巖石滑坡(5)軟硬互層巖石滑坡(6)軟弱巖石滑坡(7)堅硬塊狀巖石滑坡(1)粘性土滑坡(2)黃土滑坡(3)堆填土滑坡土體滑坡巖石滑坡3/18/2025544.按滑動面深度分類(1)淺層滑坡(<6m)(2)中層滑坡(6~20m)(3)厚層滑坡(20~50m)(4)巨厚層滑坡(>50m)5.按滑動次數分類(1)初生滑坡(2)再次滑坡3/18/202555第六節影響斜坡穩定性要素分析巖土類型及性質地震地質構造降雨、融雪、水庫蓄水地形人工開挖……植被風化作用內在因素外部因素……3/18/202556一、內在因素1.巖土類型及性質－－決定抗滑力的根本因素坡形相同的情況下：堅硬巖石斜坡>半堅硬巖石>松散土坡沉積巖：層理－－軟弱夾層巖漿巖：原生節理發育，與巖石強度和風化作用有關變質巖：由于礦物成分的差異導致工程地質性質的差異3/18/202557滑坡往往集中在某些特定的巖層中－－“易滑巖組如：西北的黃土分布地區、成都平原地區的成都粘土層、四川盆地的紅層地區〔砂、泥巖互層〕、青海、甘肅地區的第三系地層〔半成巖的砂、泥巖〕，川西北、陜南和甘南淺變質巖地區〔主要是千枚巖分布地區〕對于同一種成因類型的巖層，組成巖石的礦物成分及膠結物不同，其穩定性不同：硅質膠結>鈣質膠結>泥質膠結3/18/2025583/18/202559按結構面的產狀與臨空面的關系，可分為：(1)平迭坡：主要軟弱結構面為水平的(2)逆向坡：主要軟弱結構面的傾向與坡面的傾向相反(3)順向坡：主要軟弱結構面的傾向與坡面的傾向一致>時，穩定性最差，極易發生順層滑坡<時，穩定性較好3/18/202560(4)斜交坡：主要軟弱結構面與坡面成斜交關系。其交角越小，穩定性就越差。(5)橫交坡：主要軟弱結構面的走向與坡面走向近于垂直，穩定性較好，很少發生大規模的滑坡。3.地形地貌：斜坡坡度越大，切割深度越深，斜坡穩定性越差。3/18/2025611.地震：震中周圍烈度六度區以上產生附加應力2.降水：(1)水平推力－－側向水壓力(2)浮托力－－減小滑動面上的有效應力(3)軟化效應－－降低巖土體的抗剪強度二、外部因素3/18/2025623.水庫蓄水〔河流岸坡〕動水壓力沖刷、掏空作用4、風化作用5、人類工程活動3/18/202563自然歷史分析法工程地質類比法赤平投影分析法數學力學計算法第七節斜坡穩定性評價方法3/18/202564一、自然歷史分析法〔定性的方法〕區域地質背景分析影響因素預測開展趨勢1、從地質構造方面分析結構面的位置、性質、連通情況，結構面與臨空面的關系斜坡可能破壞的類型、規模等。3/18/2025652.從地形地貌方面分析地形地貌特征

斜坡穩定性狀態或滑坡的不同發育階段滑坡的微地貌調查

穩定性判斷的定量數值,如滑動距離、垂直位移高度和多級滑動面等。3.從作用在斜坡上的外力方面分析3/18/202566斜〔邊〕坡類型的類比破壞類型的類比穩定狀態的比照二、工程地質類比法〔半定量的方法〕3/18/202567當F>R時，即W?sin>Wcos

?tgtg>tg>時，滑塊處于不穩定狀態。N＝W?cos(正壓力〕R=Wcos?tg〔摩擦力〕+c?AF=W?sin〔下滑力〕三、赤平投影圖解法沿斜坡法線方向N方向，以塊體重心點O為頂點，作一個錐頂角為2的圓錐體，圓錐體的高為W?cos〔正壓力〕，底面半徑為Wcos?tg〔摩擦力〕，這樣的錐體稱為摩擦錐。3/18/202568當重力矢量W落在錐體外面時，>，滑體將發生向下的運動，否那么，處于穩定狀態。3/18/2025691、極限平衡計算方法—剛體極限平衡法極限平衡法、數值計算法、破壞概率法穩定性系數：平安系數：在巖土體穩定性評價中，由于邊界條件、荷載條件、巖土體強度等難以精確確定，通常在設計上考慮上述因素及建筑物重要性而綜合確定一經驗值。Kc>1四、數學力學計算方法3/18/202570(一)土質斜坡穩定性計算1。無粘性土坡2。粘性土坡圓弧法、條分法：瑞典條分法、Bishop法、Janbu法〔二〕巖質斜坡穩定性計算1。平面滑動：單平面、同向雙平面、多平面2。楔形體滑動3/18/202571折線形滑面的滑動情況：根據滑面縱剖面的起伏情況，取單位寬度考慮，把滑體劃分成假設干塊段，1，2，……n不考慮滑塊兩側的摩擦力剩余推力法〔不平衡推力法〕3/18/202572第i條塊的受力情況分析：自重Wi、水平地震力KcWi、側水壓力PWi、上一條塊的剩余下滑力Ei-1、本條的剩余下滑力Ei的反力、揚壓力Ui、法向反力Ni、切向反力Ti3/18/202573〔1〕根本荷載〔僅考慮重力〕3/18/2025743/18/2025753/18/2025763/18/202577當滑體中存在有地下水時，需要考慮邊界上的水壓力：3/18/2025783/18/202579編程迭代過程：3/18/202580?巖土工程勘察標準?3/18/202581圓弧滑動3/18/202582平面滑動3/18/202583折線滑動3/18/202584作業(0,200)(20,200)(40,168)(65,182)(95,179)(125,175)(160,150)(20,170)(40,152)(65,142)(95,135)(125,135)(40,190)(65,161)(95,155)(125,153)滑體天然密度2.15g/cm3，飽和密度2.70g/cm3滑面天然條件下，內摩擦角=25°，內聚力=30kPa，飽水條件下，內摩擦角=20°，內聚力=20kPa，試計算有水和無水時的滑坡穩定性系數。3/18/2025852、數值計算有限單元法〔FEM〕離散單元法〔DEM〕邊界元法〔BEM〕快速拉格朗日法〔FLAC〕非連續變形分析法〔DDA〕流形元法〔NMM〕無網絡伽遼金法〔FGGM〕有限體積法〔FVM〕3/18/2025863/18/2025873/18/2025883/18/2025893/18/2025903/18/2025913.破壞概率計算法K1.03/18/202592計算參數的隨機生成某參數的分布特征、均值和方差，利用蒙特卡洛模擬，可以得到一系列的隨機數據，使其滿足該參數的統計特征。隨機數生成方法物理方法數學方法同余法乘同余法3/18/202593一、預測預報的根本內容位置、規模、類型、運動速度、運動距離、發生時間區域性滑坡預測：以一個大的區域為依據對象，確定滑坡可能發生的區段范圍。空間預測按照預測范圍的大小可分為：地段性滑坡預測：以一個地段滑坡調查資料為依據，確定將來可能發生滑坡的大致位置、可能的類型等。場地性滑坡預測：針對某一特定場址，預測滑坡可能發生確實切位置、范圍大小、運動速度及類型。第八節斜坡變形破壞預測預報3/18/202594時間預報按照預測的時間長短關系，可分為：滑坡長期預報：對未來滑坡運動的趨勢作判斷，以確定滑坡活動的可能年份。滑坡短期預報：對滑坡活動的可能季節或月份作出預測。滑坡臨滑預報：對滑坡將要爆發的具體日期、乃至時分作出預報3/18/202595空間預測：主要是通過滑坡條件分析，確定出對滑坡作用有利的因素組合，根據這些有利因素組合來預測區域上某斜坡段將來產生滑坡的可能性，圈定出可能產生滑坡變形的范圍。空間預測的理論根底－－工程地質類比法：類似的工程地質環境可能發生類似的滑坡。二、空間預測3/18/202596迄今見于報道的預測方法可歸納為：統計學方法、敏感性制圖法、信息量法以及各種經驗方法。各種方法的共同之處：充分考慮各種地質環境因素的疊加作用來評價某特定地質環境中產生滑坡的可能性，以期在研究區圈出相對不平安的“危險區段〞。預測結果一般都采用預測分區圖的形式來表達。只是預測評價過程中所采用的疊加方式不同而已。3/18/2025973/18/2025983/18/202599巖土體蠕變〔流變〕理論：第1蠕變階段－－減速蠕變階段減速開展，斜率逐漸減小第2蠕變階段－－穩定蠕變階段等速開展，斜率大體不變第3蠕變階段－－加速蠕變階段CD段：變形迅速增大，但巖土體尚未破壞DE段：巖土體變形速率劇增，巖土體很快破壞三、時間預報3/18/2025100：例：某滑坡位移曲線上t1、t2、t3所對應的日期為：t1：1963年1月20日t2：1963年1月26日t3：1963年1月30日那么：t2－t1＝6天t3－t1＝10天tr-t1=18天tr＝1963年2月7日齋滕預報經驗公式3/18/2025101滑坡預報方法，目前主要集中在：〔1〕滑坡變形前兆的現象預報法〔2〕位移－時間曲線變化趨勢判斷法〔3〕齋滕法和改進的齋滕法〔4〕統計數學模型回歸模型、灰色理論模型、泊松旋回模型、生物生長模型梯度正弦模型、災變理論模型、灰色－災變耦合模型〔6〕非線性動力學模型預報法〔7〕降雨量參數預報法〔8〕聲發射參數預報法〔9〕多參數預報法3/18/2025102第九節斜坡變形破壞的防治一、原那么對于正在活動的滑坡，一般的工程布置應避開滑坡，尤其是一些大型滑坡或滑坡群所在地段應是工程避開的地方。當必須進行處理時，首先要查明滑坡發生的原因，了解當前滑坡活動的主要激發因素，從而采取正確的治理措施。處理時，原那么上應一次根治徹底，不留后患。對于區域性的國土規劃，開展區域性滑坡空間預測工作是減少滑坡災害的