影響巖土邊坡穩(wěn)定的因素及應(yīng)力分布特征

王強(qiáng)　馮濤

摘 要：邊坡包括天然斜坡和人工開(kāi)挖的邊坡，自然界中的山坡、谷壁、河岸等各種斜坡的形成，是地質(zhì)營(yíng)力作用的結(jié)果，人類工程活動(dòng)也經(jīng)常開(kāi)挖出大量的人工邊坡，如路塹邊坡，運(yùn)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，文章將對(duì)影響巖土邊坡穩(wěn)定的因素及應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，指導(dǎo)水利水電工程邊坡的設(shè)計(jì)與施工。

關(guān)鍵詞：臨空面；失穩(wěn)破壞；邊坡穩(wěn)定；應(yīng)力分布

1 邊坡穩(wěn)定的基本分析方法

水利水電工程中邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題，水庫(kù)庫(kù)岸邊坡的垮塌問(wèn)題，是水利工程設(shè)計(jì)中充分論證的問(wèn)題。對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，目的在于查明過(guò)程地段天然邊坡是否可能產(chǎn)生危害性的變形與破壞，論證其變形與破壞的形式、方向和規(guī)模；并事先采取防治措施，減輕地質(zhì)災(zāi)害，采取經(jīng)濟(jì)合理的工程措施使人工邊坡的設(shè)計(jì)達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的，以保證邊坡在工程運(yùn)營(yíng)期間不致發(fā)生危害性的變形和破壞。

邊坡工程地質(zhì)研究的目的是查明邊坡基本工程地質(zhì)條件，評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)其穩(wěn)定性，提出相應(yīng)有效的防治措施。在邊坡工程地質(zhì)研究中，應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性做專門(mén)評(píng)價(jià)。邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法可歸納為三種：一是工程地質(zhì)分析法；二是理論計(jì)算法，包括公式計(jì)算法、圖解法以及數(shù)值分析法；三是試驗(yàn)及觀測(cè)方法。前兩種方法應(yīng)用很普遍，第三種一般用在大型或者重要的水利工程之中，當(dāng)然，這些方法是互為補(bǔ)充和共同采用的。

2 影響巖土邊坡穩(wěn)定的因素

2.1 構(gòu)成巖體的巖石性質(zhì)

各類巖石的物理力學(xué)性質(zhì)不同，所以影響邊坡巖體的穩(wěn)定性及所能維持巖體穩(wěn)定最大坡角的程度也不同。

火成巖（巖漿巖）一般巖土性均一，力學(xué)指標(biāo)較高，新鮮完善者均能使邊坡保持陡立并處于穩(wěn)定狀態(tài)。但其中流紋巖和玄武巖常因原生節(jié)理發(fā)育而影響邊坡穩(wěn)定。凝灰?guī)r則因易風(fēng)化或有夾層存在而對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。

水成巖（沉積巖）中一般厚層且含硅質(zhì)較多的砂巖、礫巖、石灰?guī)r等的邊坡穩(wěn)定性較好，而含黏土礦物成分多的黏土巖、頁(yè)巖、泥灰?guī)r等，常發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。

變質(zhì)巖中片麻巖、石英巖等堅(jiān)硬巖石均較穩(wěn)定，而云母片巖、綠泥石片巖、千枚巖、板巖等穩(wěn)定性較差。在絹云母片巖、滑石片巖中還常見(jiàn)到蠕變現(xiàn)象。

2.2 巖體的結(jié)構(gòu)特征

巖土邊坡的失穩(wěn)破壞多數(shù)是沿各種軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生，此外在河谷邊坡上，有時(shí)兩側(cè)被沖溝切割而形成三面臨空的巖體時(shí)，則常由一組傾向河床的軟弱結(jié)構(gòu)面稱為滑動(dòng)面。

2.3 風(fēng)化作用活躍的程度

風(fēng)化作用活躍的地方：一是在坡體中溫度和濕度變化頻繁的部位，如坡面附近的濕度變化帶、高寒地區(qū)的晝夜或季節(jié)凍融帶、地下水位季節(jié)變動(dòng)等；二是坡體中抗風(fēng)化能力相對(duì)薄弱的部位。在寒冷地區(qū)，坡面附近溫度晝夜的變化，常使?jié)B入裂隙中的水反復(fù)凍融，從而擴(kuò)展裂隙，使巖體碎裂，成為可能發(fā)生滑塌式滑坡的重要因素。風(fēng)化作用沿易風(fēng)化巖石或斷裂破碎深入坡體、造成風(fēng)化夾層或囊狀風(fēng)化帶，它們常是導(dǎo)致斜坡變形破壞的主導(dǎo)原因。

2.4 地下水的作用

坡體中發(fā)育有強(qiáng)烈溶蝕，滲透變形或泥化作用等地下水作用的活動(dòng)帶時(shí)，這些部位常成為導(dǎo)致邊坡變形破壞的控制帶。邊坡在風(fēng)化過(guò)程中，由于強(qiáng)風(fēng)化層和殘積土層的透水性能差，因而在強(qiáng)弱風(fēng)化帶接觸部位可形成一個(gè)承壓的地下水活躍帶，具有較高孔隙水壓力，常常加大了在此軟弱結(jié)構(gòu)面的下滑力而導(dǎo)致坡體的下滑。

2.5 人為因素

在邊坡上部修建工程，一般增加了變形體的荷載，也增加了變形體的滑動(dòng)力；在邊坡巖體內(nèi)或附近進(jìn)行爆破，往往有與地震相似的影響，成為觸發(fā)邊坡破壞的誘因；在邊坡巖體坡腳處開(kāi)挖，會(huì)使變形體的抗滑力削弱，而造成變形體的失穩(wěn)。

3 邊坡應(yīng)力分布特征及結(jié)論

邊坡的變形與破壞，決定于坡體中的應(yīng)力分布和巖土體的強(qiáng)度特點(diǎn)。了解坡體中的應(yīng)力分布特征，對(duì)認(rèn)識(shí)邊坡變形與破壞機(jī)制很有必要，對(duì)正確評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定，制定切合實(shí)際的設(shè)計(jì)和整治方案有指導(dǎo)意義。

邊坡開(kāi)挖以后，上部巖體一部分被挖掉，由于卸荷作用，使巖體內(nèi)的應(yīng)力重新調(diào)整，從而出現(xiàn)應(yīng)力重分布的現(xiàn)象。在靠近邊坡坡面附近，最大主應(yīng)力方向近于平行臨空面。在陡峻邊坡的坡面和坡頂則會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，并形成拉應(yīng)力帶。在坡腳附近形成剪應(yīng)力集中帶，愈近坡腳應(yīng)力集中程度愈高。邊坡應(yīng)力分布特征主要與坡腳的坡形密切相關(guān)。通常，邊坡的坡形是指坡橫斷面的現(xiàn)狀。邊坡的坡形主要有直線坡，即一坡到頂型；折線形，就是下陡上緩型或者上陡下緩型邊坡；還有臺(tái)階坡型，因此在不同坡形的邊坡中，應(yīng)力分布特征圖也區(qū)分為這三種類型。理論分析和實(shí)際調(diào)查表明，邊坡坡腳處集中應(yīng)力可能導(dǎo)致邊坡的剪切破壞，邊坡坡頂?shù)睦瓘垍^(qū)可能引起平行坡面的拉張裂縫，因此，應(yīng)力集中區(qū)和拉張區(qū)的分布是邊坡分析中最值得注意的問(wèn)題。

不論邊坡采用何種坡形，其坡腳的應(yīng)力狀態(tài)是邊坡研究設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。但邊坡不同，各自的應(yīng)力狀態(tài)不同。直線坡的應(yīng)力集中區(qū)在坡腳處。折線坡有兩個(gè)重點(diǎn)應(yīng)力區(qū)：坡腳和變坡點(diǎn)。當(dāng)坡形為下陡、上緩時(shí)，坡腳是應(yīng)力集中區(qū)，變坡點(diǎn)是拉張區(qū)；當(dāng)坡形為上陡、下緩時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)在變坡點(diǎn)，消除了坡腳的應(yīng)力集中。同時(shí)由于應(yīng)力集中點(diǎn)向坡頂上移，降低了它的埋深，使集中的應(yīng)力值下降，對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。但是當(dāng)坡腳需要防護(hù)時(shí)，在坡腰處修建支擋防護(hù)工程是不方便的，也給下部緩坡增加了額外荷載，所以，在實(shí)際工程中不宜采用這種坡形。

臺(tái)階坡的應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為臺(tái)階上、下坡腳的集中應(yīng)力和平臺(tái)坡頂?shù)睦瓘?。雖然平臺(tái)的設(shè)置降低并分散了應(yīng)力在坡腳的集中，改善了邊坡力學(xué)特征。但是在平臺(tái)處，由于平臺(tái)后緣的剪切和平臺(tái)前緣的拉張互相交叉，使該處的應(yīng)力分布十分復(fù)雜，容易產(chǎn)生破壞。因此，要求平臺(tái)應(yīng)達(dá)到一定寬度。

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