斜坡变形机制探讨

《工程地质分析原理》(地质出版社,成都理工大学张倬元、王兰生、王士天编著)是笔者最喜欢的之一,常读常新,其对斜坡变形机制的探讨可谓是经典。虽然国内外对斜坡变形机制的分类有多种多样,但该书的分类方法是斜坡变形机制分类江湖中的“武当、少林”,是笔者推崇的分类方法之一。基于此,笔者基于该书的变形机制分类方法,结合工程实践中遇到的案例与其它行业的称谓,对斜坡变形机制进行探讨,供大家参考。

岩土工程遵循定性分析为基础,定量分析为手段的理念或原则,即斜坡稳定性分析首先要对病害原因进行定性,准确掌握发病原因,在此基础上方能合理的定量开具“处方和药量”。在斜坡工程中就表现为首先要有一个全面掌握资料的全局观斜坡“地质模型”,在此基础上去掉对分析斜坡病害不重要的部分而保留实质核心内容,建立抽象的“概念模型”。只有以上这两部分的合理定性、建模,方能为下一步建立计算的“力学模型”或仿真的“数值模型”奠定基础,方能使计算和仿真最大限度的反映真实的坡体病害情况。因此,斜坡的变形机制在斜坡病害中具有奠基性的作用。

依据变形机制,斜坡变形分为蠕滑拉裂,滑移拉裂、弯曲拉裂、塑流拉裂、压致拉裂和滑移弯曲六类。

以上这六类斜坡变形都存在“拉裂”这一岩土体破坏的核心,就是“斜坡”岩土体的破坏是基本上没有压坏的,它都是通过强度更低的剪切或拉张而导致破坏的。即使岩体受到纯粹的压力,它也最终由压应力表现为剪应力或拉应力而导致岩体变形、破坏。

1、蠕滑拉裂:主要发生于均质或类均质体的潜在滑体,坡体变形表现为斜坡地表变形大而下部变形小的“类倒三角形”分布形态。所谓均质主要指黄土、粘土等单一土体,类均质主要指堆积体、半成岩和碎裂岩、糜棱岩等没有优势结构面的破碎岩体。

此类坡体首先表现为地表浅层的蠕滑,导致坡体后部拉裂,造成坡体前缘剪应力集中而变形,即一般情况下坡体先出现后缘拉裂和前缘剪切滑面。在后期的时效变形作用下,斜坡中部滑面逐渐贯通而导致滑坡发生。此类斜坡的滑面由最大剪应力控制,故滑面形态多为圆弧或类圆弧状,滑面是后期在斜坡变形过程中逐渐形成的,其病害在工程实践中多表现为多种类型的堆积层滑坡。

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图1 斜坡的蠕滑拉裂
2、滑移拉裂:主要发生于顺层斜坡或顺倾临空结构面贯通的切层斜坡,坡体变形表现为斜坡地表与坡体下部的变形近于一致的“矩形”分布形态。此类斜坡变形主要指沉积岩的顺层斜坡、岩浆岩等的似层状外倾斜坡、切层结构面贯通外倾的岩质斜坡等,即坡体变形有一个“先天的软弱夹层”,坡体利用该软弱夹层发生滑移变形。
此类坡体在斜坡倾角大于软弱夹层的综合内摩擦角时就会出现斜坡变形,斜坡变形时一般没有明显的抗滑段、主滑段或牵引段,而表现为斜坡某一部分在外因作用下出现整体滑移而导致与后部岩体拉裂后向临空面发生滑移。此类斜坡的发生由于受软弱夹层的控制,故滑面形态多为层状,其病害在工程实践中多表为顺层、似层状滑坡。
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图2-1 斜坡的顺层滑移拉裂(顺层滑坡)
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图2-2 斜坡的顺层滑移拉裂(顺层滑面
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图2-3 斜坡的切层滑移拉裂
3、弯曲拉裂:主要发生于陡立顺倾或反倾于坡内的层状与似层状软岩或较软岩,以及外倾追踪结构面发育的硬岩或较硬岩的岩质斜坡。这是由于软岩或较软岩延性较好,在陡倾或反倾层状岩体重力作用下,各个“层状悬臂梁发生延性弯曲而最终折断形成贯通性破坏面(滑面)。而硬岩或较硬岩由于刚度大无法发生延性变形,故往往利用岩体中的结构面发生“似弯曲折断”的贯通性破坏面(滑面)。
此类坡体首先在斜坡表层发生卸荷回弹出现拉裂,继而坡体在重力作用下不断使裂缝向深部发展,在多个“层状悬臂梁共同作用下就会出现一个贯通性的破坏面而出现“低头哈腰”形态。这类斜坡病害的一个重要特征就是拉裂缝呈上大下小的V形,并在折断面处尖灭,一般不会出现如滑移拉裂模式中的拉裂缝上下近于一致的形态。当折断面贯通后,上部弯曲岩体就会依附于该折断面发生类似于滑移或蠕滑拉裂模式式的滑坡。此类病害在工程实践中多表为倾倒体变形模式。
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图3-1 斜坡的弯曲拉裂形态及拉裂槽(较软岩)
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图3-2 斜坡的弯曲拉裂(30万方的大型倾倒体、较软岩)
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图3-2 斜坡的弯曲拉裂(较硬岩)
4、塑流拉裂:主要发生于斜坡体中存在较大厚度的软弱带(软弱岩体、断层破碎带)、采空区,造成上部岩土体在重力作用下挤压下部软弱带变形或向采空区缓慢变形,导致上部岩土体依附于后部陡倾结构面下错而发生病害。这类发生的一个主要基础是下部具有一定厚度的、可以用于压缩的软弱带或采空区,即底错带,类似于在软土上部加载填方的破坏形式。底错带过薄时上部岩体无法挤压下部软弱层故很难发生塑流拉裂变形。
此类斜坡病害首先发生在上覆岩体与底错带交界面部位,这是由于在上部硬岩或完整土体的重力作用下导致底错带发生变形,继而造成上部岩体依附于自身的结构面发生拉裂解体而与后部斜坡体脱离所致。此类病害初期往往竖向位移大于水平位移,在工程实践中称之为错落,往往会出现较大的下错后壁。错落病害若不加以处治,后期会利用底错带发生错落式滑坡,此时坡体的水平位移往往大于竖向位移。
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图4-1斜坡的塑流拉裂(变质砂岩错落体)
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图4-2斜坡的塑流拉裂(变质砂岩坡脚底错带)
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图4-3斜坡的塑流拉裂(黄土错落)
5、压致拉裂:主要发生于斜坡体中发育近水平状缓倾结构面或薄层状软弱夹层,在不利因素作用下发生上部岩体向临空面的缓慢蠕滑时,导致局部拉应力集中而形成与滑移面近于垂直的拉张裂缝。如果岩体中存在陡倾结构面,此时在拉应力作用下就会依附于陡倾结构面形成拉张裂缝。
此类斜坡在沟谷长期切割或坡体人工开挖作用下在不同性质的岩体中出现差异卸荷回弹,导致接触面部位岩体出现拉张裂缝。这种裂缝随着时效变形的发展而出现自下而上(有时也会出现由接触面自上而下)不断扩容、追踪贯通,最终由于累进性破坏而形成贯通性滑面其病害在工程实践中多表为平推式滑坡。
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图5-1斜坡的压致拉裂(平推式滑坡)
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图5-2 斜坡的压致拉裂(侧壁发现的滑面位置拉张扩容裂缝)
6、滑移弯曲:主要发生于长大、倾角较陡的顺层斜坡,且多出现在薄层状岩体中。这是由于顺层坡体长度较小或倾角较小时,很难提供较大的下滑力造成下部岩体发生剪切破坏;岩层厚度过大也往往由于其具有较强抗剪能力而能抵抗后部较大的下滑力,故也较难发生弯曲。
斜坡变形表现为后部坡体首先发生滑移拉裂变形,但由于斜坡前部临空欠佳而导致后部滑体对下部岩体发生挤压,导致下部岩体发生纵向弯曲破裂。对于平面型斜坡,下部出现扩容和层状岩体隆起最终在弯曲部位形成贯通切层剪切面,导致后部滑体沿该剪切面发生滑坡。对于陡下缓式斜坡,往往弯曲部位发生于层面转折处,且往往可能不在弯曲部位发生切层滑面而直接依靠原层面滑移,尤其是在水库蓄水作用下导致下部缓倾抗滑段岩体抗力减小更宜发生。
滑坡在整体上表现为以后部顺层滑移为主,下部切层变形为辅的变形模式。此类病害与滑移拉裂模式破坏的区别在于前部弯曲部位附近的滑动岩体与前部未动的岩体在产状有很大的差异。其病害在工程实践中多表为顺层溃曲式滑坡或上陡下缓式的顺层-切层滑坡。
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图6 斜坡的滑移弯曲
以上探讨是基于《工程地质分析原理》进行的,当然,不同的行业具有不同的斜坡变形机制分类,但不管怎么分类,均殊途同归,只要有利于斜坡病害的治理,都是好的分类,岩土工作者可根据具体的行业习惯或坡体变形特征选用即可。

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