岩石力学硕士研究生课程报告中南大学.docx

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岩石力学硕士研究生课程报告中南大学

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硕士研究生课程报告

题目顺层高边坡稳定性影响因素

及工程灾害防治

姓名曾义

专业班级岩土13级

任课教师阳军生张学民

中南大学土木工程学院

引言

近年来，随着铁路公路建设步伐加快，铁路公路等级不断提高，边坡防护建设工程中所遇到的岩土边坡安全稳定性问题也相应增多，并成为岩土工程中比较常见的技术难题。

由于工程建设的需要，往往在一定程度上破坏或扰动原来较为稳定的岩土体而形成新的人工边坡，因而普遍存在着边坡稳定的问题需要解决。

国家实施西部大开发战略以来，西部山区高等级公路得到迅速发展。

在山区修建高等级公路不可避免会遇到大量的深挖高填路基，就目前建设的高速公路情况看:

一般情况下，100km长的山区高等级公路，挖填方路基段落长度占路线总长度的60%以上。

已建高速公路最高的填方已达到50多米,最高的挖方边坡高度已超过100m。

尽管山区高等级公路的建设越来越倡导环境保护，尽量避免深挖高填，但路基作为公路的主要结构，其边坡稳定问题不可避免。

在山区复杂多变的地质条件下建设高等级公路，其边坡稳定性问题必将受到人们的普遍关注，高边坡岩土安全状况直接关系到公路交通运输安全。

虽然计算理论方法、地质探测技术、现代监测技术、边坡加固技术及施工技术不断的在进步，但顺层边坡稳定性问题和高边坡稳定性问题，时至今日依然是国内外学者研究的热点问题，并逐步涌现出许多的新的研究方向。

1、顺倾高边坡稳定性研究现状

随着人类工程活动的发展，对边坡问题的研究也在不断深入，归纳前人对边坡问题的研究大致可分为以下几个阶段：

人们对边坡稳定性的关注和研究最早是从滑坡现象开始的（张倬元等，2001）。

19世纪末和20世纪初期，伴随着欧美资本主义国家的工业化而兴起的大规模土木工程建设（如修筑铁路、公路，露天采矿，天然建材开采等），出现了较多的人工边坡，诱发了大量滑坡和崩塌，造成了很大的损失。

这时，人们才开始重视边坡失稳给人类造成的危害，并开始借用一般材料分析中的工程力学理论对滑坡进行半经验、半理论的研究。

20世纪50年代，我国学者引进苏联工程地质的体系，继承和发展了“地质历史分析”法，并将其应用于滑坡的分析和研究中，对边坡稳定性研究起到了推动作用（张倬元等，1994）。

该阶段学者们着重边坡地质条件的描述和边坡类型的划分，采用工程地质类比法评价边坡稳定性。

20世纪60年代，世界上几起灾难性的边坡失稳事件的发生（如意大利的瓦依昂滑坡造成近3000人死亡和巨大的经济损失）（张倬元等，1994）,使人们逐渐认识到了结构面对边坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征，初步形成了岩体结构的观点（孙玉科、李建国，1965;谷德振等,1979），并在应用赤平极射投影的基础上，提出了实体比例投影方法，用以进行边坡块体破坏的计算，定性判断边坡的稳定性（谷德振等，1979;孙玉科、古迅，1980;王思敬,1976）。

同时，我国学者结合露天矿边坡稳定性研究，在陈宗基教授的指导下，进行了比较系统的岩体力学性质的试验研究，包括大型现场试验及室内岩块试验，常规力学试验及流变力学试验，岩块力学试验及结构面力学试验，动力学试验及静力学试验等（孙玉科等，1998）。

这些工作推动了岩质边坡稳定性研究的发展。

20世纪70年代，边坡研究者从大量的工程实践和斜坡失稳事件中，逐渐认识到边坡稳定性研究必须重视其变形破坏过程和机制的研究，提出了累进性破坏的观点以及边坡变形破坏的机制模式（王兰生、张倬元等，1970），使边坡稳定问题的研究工作步入了地质分析和岩石力学分析相结合的时代。

这期间，成都理工大学的王兰生、张倬元等通过国内外大量的现场调研，深入研究了斜坡变形破坏演化机制的一般规律，提出了斜坡变形的6种主要模式，即蠕滑-拉裂、滑移-压致拉裂、滑移-拉裂、弯曲-拉裂、塑流-拉裂和滑移-弯曲，以及斜坡失稳的3种基本破坏方式，即崩落（塌）、滑落（坡）、（侧向）扩离（张倬元等，1994）。

这些变形破坏模式不但得到了普遍承认，而且被广泛地推广和应用，为推进边坡稳定性研究做出了重要贡献。

中国科学院地质研究所以金川露天矿为典型工程实例，对边坡的稳定性进行了长期、全面、系统的研究，将工程地质学与岩体力学密切结合，强调地质是基础及地质构造的控制作用，初步形成了岩体结构控制论的观点。

20世纪80年代，边坡稳定性研究进入了一个新的阶段。

1986年，在举行国际地质会议期间，国际工程地质协会（IAEG）成立，同时成立了“滑坡及其他块体运动委员会”，它是国际上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织。

国际岩石力学与工程学会（ISRM）、国际岩土力学与基础工程学会（ISSMFE）、国际大坝委员会（ICOLD）等均将边坡工程作为重要的专题进行学术交流和探讨。

这些国际组织在促进边坡工程研究方面起到了重要作用。

同时，我国改革开放政策的实施，使大批从事边坡工程研究的学者焕发了强大的活力，在水电、矿山、铁路、地矿等部门专门对滑坡和边坡稳定性设专题进行攻关研究。

数值和物理模拟手段被引入边坡研究中，人们借助有限元法、离散元法、地质力学模型试验等再现边坡变形破坏的全过程，从整体上、内部作用机理等方面对边坡进行全面的认识和评价；利用统计热力学理论、灰色系统理论、数量化理论、概率论与数理统计等，探索了边坡稳定性的预测预报方法。

可以说，这一阶段是边坡科学发展的髙峰期。

20世纪90年代以来，人类工程活动在发展中国家迅速增长，人工边坡的规模和髙度不断增大，边坡稳定问题越来越突出。

我国黄河小浪底水电工程、长江三峡工程、金沙江溪洛渡水电站和雅砻江锦屏电站等重大工程的建设或论证遇到了前所未有的高边坡稳定性问题。

因此，人们对工程边坡的勘察、设计、评价、监测和加固越来越重视。

“八五”和“九五”期间，国家专门立项开展了工程边坡稳定性及其加固配套技术的研究。

同时，非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性分析理论以及计算机技术的发展，为边坡稳定性问题的研究提供了新的途径和方法，多学科、多专业的交叉渗透研究已成为边坡研究的发展方向。

可靠性分析理论、模糊数学、块体理论、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论、突变理论、自组织理论以及各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究中。

边坡稳定性研究步入了定性与定量相结合、概念模型与仿真模拟相结合、监测与反馈分析相结合的新阶段，取得了大量有意义的成果。

目前，国内外对于顺层边坡的稳定性分析，主要采用理论计算法和工程地质类比法。

前者属于定量分析，主要包括极限平衡法和数值分析法，后者属于定性分析，其优点是能综合考虑各种影响因素，可快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价，但需要分析人员具有丰富的实践经验。

为了正确评价顺层边坡的稳定性，许多学者从不同角度采用不同方法进行了研究。

在研究方法上,从室内物理模型试验到原位原型试验、从定性到定量、从各类理论解析法到数值计算方法越来越多样化，也越来越先进。

但是在实际工程中较为常用、且通常认为较为可靠的方法仍是模型试验法或是现场试验加上数值分析法。

由于岩体工程的复杂性，模型试验法和数值分析法的综合应用就显得尤为重要。

2、分析总结顺倾高边坡稳定性影响因素；

影响顺倾高边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面，内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体结构、岩体初始应力等。

外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。

内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。

1）岩土性质和类型岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。

坚硬完整的块状或厚层状岩石如花岗岩、石灰岩、砾岩等可以形成数百米的陡坡，如长江三峡峡谷。

而在淤泥或淤泥质软土地段，由于淤泥的塑性流动，几乎难以开挖渠道，边坡随挖随塌，难以成形。

黄土边坡在干旱时，可以直立陡峻，但一经水浸土的强度大减，变形急剧，滑动速度快，规模和动能巨大，破坏力强且有崩塌性。

松散地层边坡的坡度较缓。

不同的岩层组成的边坡，其变形破坏也有所不同，在黄土地区，边坡的变形破坏形式以滑坡为主；在花岗岩、厚层石灰岩、沙岩地区则以崩塌为主；在片岩、板岩、千枚岩地区则往往产生表层挠曲和倾倒等蠕动变形。

在碎屑岩及松散土层地区，则产生碎屑流或泥石流等。

2）地质构造和岩体结构的影响在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性差。

断层带岩石破碎，风化严重，又是地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。

岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定性较好，但存在陡倾的节理裂隙，则易形成崩塌和剥落。

同向缓倾的岩质边坡（结构面倾向和边坡坡面倾向一致，倾角小于坡角）的稳定性比反向倾斜的差，这种情况最易产生顺层滑坡。

3）水的作用地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。

不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，而不透水的边坡，将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗流，将对边坡岩土体产生动水压力。

水对边坡岩体还产生软化或泥化作用，使岩土体的抗剪强度大为降低；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。

不同结构类型的边坡，有其自身特有的水动力模型。

4）工程荷载在水利水电工程中，工程荷载的作用影响边坡的稳定性。

例如，拱坝坝肩承受的拱端推力、边坡坡顶附近修建大型水工建筑物引起的坡顶超载、压力隧洞内水压力传递给边坡的裂隙水压力、库水对库岸的浪击淘涮力、为加固边坡所施加的力，如预应力锚杆时所加的预应力等都影响边坡的稳定性。

由于工程的运行也可能间接地影响边坡的稳定，例如由引水隧洞运行中的水锤作用，使隧洞围岩承受超静水荷载，引起出口边坡开裂变形等。

5）地震作用

碎裂状或碎块状边坡，强烈的震动（包括人工爆破）甚至可使之整体溃散，发展为滑塌式滑坡。

结构疏松的饱和砂土受震液化或敏感粘土受震变形，也可导致上覆土体产生滑坡。

我国岩质边坡工程实践中，为量化评价爆破的影响，根据经验采取降低计算结构面的抗剪强度的方法实施。

3、基于岩石力学课程中的结构面力学特性，分析雨水渗入顺倾层状边坡结构

面内时，对顺层边坡稳定性的影响。

大量研究与工程实践表明，边坡失稳事故大多与水有密切关系，水是影响岩质边坡稳定性的重要因素。

水对岩体的物理化学作用将引起岩石体积的膨胀或收缩，从而导致岩体松散破碎，强度降低。

对于顺层边坡，水作为层面间润滑介质的同时，还将造成软弱夹层强度急剧下降，从而大幅降低边坡的抗滑能力。

另外，地表水及地下水还会对边坡岩体产生附加荷载作用，在稳定性计算时，应根据层面的贯通性质、节理裂隙发育情况、地下水分布情况来考虑浮托力、裂隙静水压力和渗透动水压力作用。

4、如何进行顺倾高边坡的合理切坡和加固，有哪些常用加固措施？

順层岩质路堑边坡加固的目的是改善坡体的受力条件，最终使开挖坡体实现长期稳定，目前采取的支挡加固措施有直接加固法和间接加固两类，也可将二者结合起来进行加固处理。

图1给出了常用的一些加固技术，下面对其中的一些加固技术进行简述。

一抗滑挡墙

—抗滑桩

「悬臂桩

-直接加固

抗滑键

L锚索桩

一喷混凝土挂网加锚杆加固一锚索（锚杆）地梁加固

-微型桩加固

」清方减载

悬臂桩

-顺层清方

-放缓边坡

图1顺层岩质路堑边坡常用加固技术

1）抗滑桩（键）加固

抗滑桩是防治滑坡的一种支挡工程，目前在国内外广泛应用于边坡加固

它是一种侧向受荷桩，在滑坡推力或岩土侧压力作用下，桩依靠埋入滑动面或潜滑面以下部分的锚固作用和被动抗力，以及滑面以上桩前滑体被动抗力来维持稳定。

抗滑桩的种类有很多，按施工方法分有打入桩、钻孔桩、挖孔桩；按材

料分有木桩、钢桩和钢筋混凝土桩；按受力条件分有悬臂桩、锚索桩;按结构形式分有排式单桩、排架桩等。

国内最早应用抗滑桩是在20世纪50年代修建宝成

铁路的时候，其抗滑桩为钢筋混凝土挖孔桩，且主要用于整治少数岩石顺层滑坡。

在顺层路堑边坡加固过程中，抗滑桩一般布置在坡脚（图2-1），当边坡较高

且软弱层面出现在半坡上时，抗滑桩布置在半坡上（图2-2）。

当顺层推力较大，悬臂较长时，为改善悬臂桩的受力条件，减小桩的内力及桩的截面与埋深，需在桩的上部设置锚索，并且按锚索桩设计（图2-3）。

当软弱夹层位置确定且较薄、层面上下岩层较为完整时，也可在半坡上设置抗滑键（图2-4）。

布置在坡脚的桩，按悬臂桩进行设计，并进行抗弯、抗剪检算。

布置在半坡上的桩，在确保桩前边坡稳定的前提下，可按埋式桩进行设计；当假定滑面以上桩悬臂较长或软弱夹层较厚时，应进行抗弯、抗剪检算；当软弱夹层较薄且层面上下为较为完整的硬质岩时，桩可只进行抗剪断计算。

抗滑键可只进行抗剪断计算。

2）喷混凝土挂网加锚杆（索）加固

对于开挖后松散破碎的坡面，采用这种方法既可对坡面进行防护，也可加固坡体。

即先对开挖坡面挂网，然后喷一定厚度的混凝土，再施加一定长度的锚

杆（索）加固坡体。

锚杆（索）加固坡体的布置形式有多种，如图7-11所示

布置时应充分考虑软弱结构面的产状、分布情况及可能发生的破坏模式，可分散均匀布置，也可集中布置，但锚杆（索）应穿过软弱层面一定深度。

（a）（b）（c）

图3锚杆加固顺层路堑边坡坡面的布置图

图3-a）和图3-b）中的顺层边坡的每一层层面及层间充填特征基本相同，整个路堑边坡可均匀布置锚杆对所有层面进行加固，以避免边坡沿未加固层面发生顺层滑动。

图3-c）中的顺层边坡有确定的软弱层面，可针对该软弱层面进行重点加固，图中锚杆集中布置在软弱层面出露的部位。

3）抗滑挡墙

当路堑边坡高度不高且小于天然状态下顺层边坡的极限高度时，可在坡脚设置抗滑挡墙加固顺层边坡。

抗滑挡墙是依靠自重来抵抗顺层下滑力的，当顺层推力较大或边坡较高时，抗滑挡墙难以设计得经济合理，且存在开挖过程中边坡失稳的可能，因此一般要与桩结合使用。

单一的抗滑挡墙主要在边坡不高、顺层推力较小的顺层边坡中使用。

4）防排水工程

一般应在顺层边坡影响范围外侧及堑顶外设置截水天沟，使地表水在流进坡

面张裂隙之前就被排走。

同时，还应使用黏土、砂浆等对地表张裂隙进行封闭，并使边坡顶面有一排水坡度，使水无法在地面停留，避免水沿裂隙渗入坡体。

当地下水较发育时，可在边坡设水平排水孔，降低地下水位，以减小静水压力。

5、假设顺倾边坡高度100m，需对边坡变形进行实时动态监测，有哪些实用的现代实时监测方法。

顺层高边坡在施工开挖期间，由于边坡岩体原有的动态平衡被打破，将会产生一系列的边坡工程问题。

主要包括：

1）开挖卸荷使边坡岩体的应力场重新分布，原有的应力重新调整，在不同的部位产生应力集中或应力松弛。

应力松弛带的节理裂隙张开。

2）工程边坡的深挖卸荷，导致边坡产生卸荷回弹，岩体发生位移。

3）边坡的开挖爆破振动，不仅会产生爆破裂缝，而且还会使岩体中原有的节理裂隙扩张。

4）爆破影响带和应力松弛带的叠加和组合，在边坡岩体的一定深度范围内形成岩体的松弛带，从而导致这部分岩体的物理力学性能指标降低，局部稳定性变差。

5）开挖临空面形成后，层间层内错动带与挤压带、裂隙组合，可能在边坡中形成确定性、半确定性或随机分布的局部不稳定块体。

6）边坡开挖后引起地下水位和岩体渗流场的改变。

具体的监测方法应该在考虑监测原则的基础上，针对上述问题和监测项目的不同采用对应的方法，常用的监测方法有：

1.地表变形监测方法

采用大地测量法、GPS（全球定位系统）测量法监测边坡表面的三维位移（包括水平位移和垂直位移）。

大地测量法技术成熟，精度较髙，监控面广，成果资料可靠，便于灵活地设站观测等，但它也受到地形通视条件限制和气象条件（如风、雨、雾、雪）的影响，工作量大，周期长，连续观测能力较差（夏才初等，2001）。

GPS测量法是利用GPS卫星发送的导航定位信号进行空间后方交会测量，从而确定地面待测点的三维坐标，其精度目前已经达到了毫米级。

由于GPS监测不受天气条件的限制，可以进行全天候的监测，同时，观测点之间无需通视，且操作简单，定位精度髙。

2.深部变形监测方法

深部位移监测通常在钻孔中进行，既可监测边坡岩体不同深度的水平位移，也可监测不同深度的垂直位移或倾斜钻孔的轴向位移。

这种监测对于发现边坡的潜在滑动面并监测其发展变化具有重要意义，同时也可确定边坡的松弛深度。

一般采用钻孔测斜仪监测边坡的深部水平位移；采用钻孔多点位移计监测边坡深部的垂直位移或钻孔轴向位移。

3.松弛范围监测方法采用声波仪并配置换能器或地震仪监测由于开挖爆破振动和地应力释放引

起岩体扩容而在边坡表层形成的松弛带的范围。

主要用于边坡局部稳定性评价和作为锚杆锚索优化设计的科学依据。

4．简易观测法简易观测法是在变形体及建筑物的裂缝处因地制宜设置骑缝式简易观测标志，用长度量具直接观测裂缝变化与时间关系的方法。

结论

1.目前有关顺层滑坡形成机制方面的研究，平面滑动和楔体滑动的机理、分析方法都已成熟，但由于岩体工程的复杂性，模型试验法和数值分析法的综合应用就显得尤为重要。

2.影响顺倾边坡稳定性的因素主要有沿途性质和类型、地层构造和岩体结构影响，水的作用以及其它因素。

3.雨水渗入对岩体及结构面强度有重要影响，主要表现在润滑作用和渗流溶滤作用两个方面。

4.顺倾边坡的切坡根据岩层倾角以及其与边坡走向的夹角并考虑各种实际情况进行合理设计；其加固在实际工程中一般采用多种加固措施相结合的方案。

5.顺倾高边坡的实时动态监测方法有地表变形监测方法、深部变形监测方法简易观测、松弛范围监测方法等。

各种方法优劣不同，一般根据实际选取。

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