边坡工程、稳定性及应用

边坡工程边坡工程第一部分边坡工程概述第一部分边坡工程概述1、边坡形态与分类、边坡形态与分类（1）成因）成因自然边坡和人工边坡（2）岩性岩性岩质边坡（由岩石构成，又分为顺层边坡、切层边坡和逆向坡） ；土质边坡（3）坡高坡高超高边坡：岩质边坡坡高大于 30m，土质边坡坡高大于 20m；高边坡：岩质边坡坡高 2030m，土质边坡坡高 1020m；中高边坡：岩质边坡坡高 820m，土质边坡坡高 510m；低边坡：岩质边坡坡高小于 8m，土质边坡坡高小于 5m；（4）坡度坡度缓坡：坡度小于 15；中等坡：坡度 1530；陡坡：坡度 3060；急坡：坡度大于 60 至垂直；倒坡：坡度大于 90 （5）安全性安全性稳定坡：稳定条件好；不稳定坡：稳定条件差或已发生局部破坏，须处理才能稳定；已失稳坡：已发生明显的破坏二、影响边坡稳定的因素二、影响边坡稳定的因素2.1、边坡形态：坡高与坡角、边坡形态：坡高与坡角公路边坡的坡高与坡角对于边坡的安全性有很大影响。坡高越低，坡角越缓，边坡越稳定；而公路边坡越高、越陡，因受重力作用和临空倾斜的影响，边坡易变形和失稳。2.2、岩石类型、岩石类型不同岩石类型的力学性质和变形习性存在很大差别。则由它们组成的边坡安全性亦不一样。一般来说，坚硬岩石可以构成高边坡，整体安全性较好，不易发生大规模滑坡灾害；而软弱岩石不易形成高边坡，即使能形成高边坡，其安全性也较差，泥岩、页岩、砂岩等层状构造岩体，容易产生顺层滑动。2.3、风化程度、风化程度风化程度是影响边坡变形与失稳的又一因素。根据野外观察和室内试验的结果，影响风化速度的因素主要有如下两个：(1) 边坡坡向与地层倾向：边坡坡向与地层倾向不同，其风化的速度亦不一样，当边坡坡向与地层倾向相同时，大气降雨趋于顺地层层面流失，雨水下渗量少，因此边坡整体风化程度偏低；反之，边坡整体风化程度较高。(2) 岩性：风化速度受岩性控制。不同岩石的风化速度不同，它们的风化程度亦不一样。加上其它各种因素的相互影响和共同作用，边坡变形破坏明显增加，说明岩石风化速度对边坡安全性的影响较显著。尤其是软质岩类岩石边坡与硬质岩类岩石边坡相比，发生边坡变形破坏的可能性较大，速度较快，即岩石以软岩为主的边坡，边坡比较容易失稳；反之，边坡的安全性较好。2.4、岩层产状、岩层产状岩层产状与边坡的空间几何关系对于边坡的安全性影响也十分显著：当岩层倾向与边坡坡向相反时，边坡相对较为稳定;当岩层倾向与边坡坡向一致或接近一致时，边坡安全性较差，一般不稳定，岩体易顺层垮塌和滑动，岩层层面构成了控制垮塌和滑坡的主要结构面（图1）图 1 顺层边坡示意图此时若地层倾角较大，岩性较坚硬时，边坡不稳定的破坏方式多表现为大块崩落和垮塌，当岩性松软时，边坡不稳定的破坏方式则多表现为小块散落；若地层倾角较缓，岩石力学性质较弱时，边坡多易发生整体滑坡，对公路工程造成极大的危害，工程治理难度大。图1 顺层边坡示意图当边坡的岩层倾向与边坡坡向相反或接近相反时(此时岩层走向与边坡走向一致或近于一致)，虽然局部受节理切割影响易造成零星垮落，但边坡的整体安全性较好，不易发生大规模的滑坡(图 2)图 2 切层边坡示意图另外当边坡的岩层倾向与边坡坡向斜交时，边坡的安全性介于上述两种情况之间。边坡以岩层倾向与边坡坡向相同为主，故边坡容易失稳。岩层倾向与边坡坡向一致，边坡安全性差，岩层倾向与边坡坡向相反，边坡安全性好。图 2 切层边坡示意图2.5、地质构造、地质构造2.5.1 节理节理节理是各种岩体中发育频度最高的一种地质构造，特别是当多组节理频繁交错时，岩体往往被切割的支离破碎，岩体工程地质节理的类型按成因可分为三种：岩浆岩中的原生节理、地表的风化节理和岩体中的构造节理。公路沿线的发育的节理主要为构造节理、风化节理。风化节理分布在岩体浅部，一般对边坡的整体安全性直接影响较小，但易造成岩体的风化破碎、散落和大气降水的大量入渗。风化节理受地形和原有结构面的控制，分布上往往呈不连续状或透镜体状，延续性差，一般为泥质充填，对边坡有一定危害。构造节理是地壳应力释放的直接结果，现场调查显示，当边坡中有发育好、延伸长、切割深的大型构造节理时，边坡的安全性不好。节理产状与边坡的几何关系对边坡安全性的影响比较复杂。当节理倾向与边坡坡向一致时，若节理倾角较大，边坡岩体容易顺节理面崩塌或塌滑；若节理倾角较小，节理沿平剖面延伸较长时，则极易产生大型滑坡灾害，从而造成边坡整体失稳。当节理倾向与边坡坡向正好相反时，节理对边坡整体安全性的影响骤然降低。节理倾向与边坡坡向一致且节理倾角较大，岩体易顺节理面塌滑。2.5.2 断层断层断裂构造对边坡的安全性影响较大，特别是断层倾向与坡向一致或小角度相交时，极易发生顺层滑坡。2.6、水文地质条件、水文地质条件水文地质条件对公路边坡安全性的影响很大，主要表现为降水量、降雨强度、地下水入渗量、地下水运动方式和地表水等对边坡安全性的影响。历时长的小降雨能有效的提高地下水入渗量，增加边坡的负荷，促使边坡岩层进一步风化以及降低岩体的抗剪强度；而历时短的强降雨往往是各类滑坡、泥石流和岩石崩塌发生的诱导因素。降雨后，雨水顺坡面松散的风化层迅速下渗到下伏基岩接触面附近，部分地下水继续下渗进入基岩层间裂隙中，容易引发边坡滑动。大气降水是崩塌滑坡产生的重要诱发因素。水对边坡岩体安全性的影响程度与组成边坡岩体的岩性有关，硬质岩由于它的力学性质较强，故岩体完整性比较好，水一般沿着岩层面流动，主要是通过减少岩层间的摩擦系数和内粘聚力来破坏边坡的安全性。而对于软弱岩体，由于岩体的力学性质较差，当岩体受水侵蚀时，岩体容易软化，岩体力学性质迅速降低，故在降雨时软弱岩体边坡的安全性较差。地下水对边坡的破坏机理：失稳破坏边坡岩土体内地下水的破坏作用表现在三个方而：降低滑面的正应力，减小摩阻力，进而降低了滑坡体抗滑力；动水压力沿边坡临空面产生的分量增大了坡体下滑力；孔隙水压力产生的“水楔作用”推动了坡体上裂隙的扩展进程。进而破坏岩体，使边坡发生渐进性破坏。破坏边坡滑塌体后缘及其以上岩土体泄水不畅，或者边坡顶部岩土体发育有张裂隙时，由于地表水的入渗使地下水位急剧上升，坡体内孔隙水压力快速增加，这在边坡变形过程中起着十分重要的作用。2.7、植被、植被植被类型和植被覆盖率对于边坡的安全性具有一定影响。坡面植被覆盖率越高，特别是植被类型是以根系发育较深的乔木为主时，越有利于表层风化层土壤的固定，越有效地抑制了坡面泥石流的发生，这样的自然边坡工程安全性较好; 反之，若坡面植被覆盖率越低，植被类型又是以根系发育较浅的草本或灌木为主时，松软的表土层在降雨时越易发生坡面泥石流，公路边坡的工程安全性越差。直接裸露的边坡相对有植被覆盖的边坡安全性要差。2.8、地震、地震2.9、其它人为因素、其它人为因素如边坡堆载加荷、坡脚开挖等。坡顶荷载增加下滑力，使边坡安全性降低。3、公路边坡工程研究的意义、公路边坡工程研究的意义公路路基边坡包括填方路堤边坡和挖方路堑边坡。是公路的重要组成部分。随着我国公路建设的飞速发展，高等级公路数量日益增多，并且逐步向山区延伸，跨越不同的地质地貌单元，将不可避免地出现大量的高填路堤和深挖路堑。一方面引起岩土体移动、变形、增加边坡的不稳定性。诱发边坡失稳；另一方面，由于植被和表土损失，易引起坡面土壤侵蚀，水土流失，山体坍滑，河流阻塞，水污染等人为灾害。据典型调查分析，长江中下游由于公路建设每年新增加水土流失 5 000 万吨以上，同时在营运期间因边坡坍塌、滑移，不仅带来交通中断，维护困难，投资增加，也使汽车运行速度下降到设计速度的70%90%。严重影响公路的运行效率。第二部分高切坡工程第二部分高切坡工程1、公路高切坡分类公路高切坡分类公路高切坡是指在公路工程活动中形成的高度大于 20m(岩质)或 10m(土质)并易于失稳致灾的陡高边坡。高切坡自形成之日起，在重力、风化、地震力和其它地质营力作用下，不断地发生变化，应力重新分布，并随着高切坡的演变，坡内岩土体发生不同形式的变形与位移。坡体在自重、水、震动力及其它因素作用下，常常失稳而发生滑坡或崩塌，并可进一步造成地质灾害。高切坡未防护或简单护面典型公路高切坡当前对高切坡的分类没有一个统一的标准，依据岩性可分为土质高切坡、岩质高切坡以及土石混合高切坡；依据坡度不同可分为平缓边坡(<15°)、陡坡边坡(15°35°)、急坡边坡(35°55°)及悬坡(55°90°)，还有依据高度、变形破坏形式、甚至依据变形发育阶段等进行划分。重庆交通大学的陈洪凯教授根据岩体结构面的控制性及现场易识性原则把公路高切坡分成三大类九小类：土体高切坡(散体型高切坡、破碎型高切坡)；岩体高切坡(顺层型高切坡、反倾型高切坡、顺层切割型高切坡、反倾切割型高切坡、块体砌筑型高切坡)和岩土复合型高切坡(顺层岩土复合型高切坡、切层岩土复合型高切坡)。2、公路高切坡变形与破坏公路高切坡变形与破坏公路高切坡的安全状态在空间上可分为整体稳定性和局部稳定性，在时间上可分为短期稳定性和长期稳定性，其稳定性并将不是一成不变。高切坡破坏是变形的继续，失稳是破坏的发展。高切坡的变形主要表现为卸荷回弹、蠕变及表层变形三种方式。1) 卸荷回弹：卸荷作用可引起卸荷面附近岩体内部应力重分布，造成局部应力集中效应，并且在卸荷回弹变形过程中，还会因差异回弹而在岩体中形成一个被约束的残余应力体系，使岩体产生不同程度变形。高切坡开挖是产生卸荷回弹的主要原因，这种变形往往具有迅速、短时间内很快发展至破坏的特点。2) 蠕变：是在坡体应力(以自重应力为主)长期作用下发生的一种缓慢而持续的变形，这种变形包含某些局部破裂，并产生一些新的表生破裂面。坡体随蠕变的发展而不断松弛，高切坡发生滑动、崩塌破坏前，都可能经历过蠕变。3) 表层变形：是指高切坡表部土层或强风化岩层出现自然破裂解体而剥落的现象，影响范围不深，一般数厘米至数十厘米。在重庆地区某些硬质粘土由于湿效应可引起表层剥落，泥岩由于风化作用等也有剥落现象。经剥落后的高切坡将表层剥落物质消除后，剥落又继续向深部逐层发展。高切坡的破坏形式很多，如崩塌、滑坡、倾倒、剥落、泥石流等，其中滑坡是高切坡破坏的主要形式，并且破坏性最大。3、公路高切坡破坏影响因素公路高切坡破坏影响因素高切坡的稳定受自然营力和人工活动的影响，其影响因素是多方面的，各因素的影响程度也是很复杂，主要有如下几个方面：1)岩体结构因素：在岩体强度及稳定性分析中，结构面被认为是特别重要的因素，结构面强度比岩体本身的强度低很多。由于软弱结构面的存在，岩体的整体强度大大降低，这增大了岩体的变形性能和流变性质以及加深了岩体的不均匀性、各向异性和非连续性等。大量的边坡工程失稳证明，一个或多个结构面组合边界的剪切滑移、张拉破裂和错动变形是造成边坡岩体失稳的主要原因。从公路高切坡稳定性考虑，应特别研究岩体结构面的成因类型、规模、连续性及间距、起伏度及粗糙度、表面结合状态及充填物、产状及其与高切坡临空面的关系等。2)结构面的抗剪强度：结构面的抗剪强度是影响和计算边坡稳定的重要参数。对它的测定和选用应仔细研究，并考虑其与潜在破坏条件相协调。3)地下水：水对高切坡岩体的稳定性的影响不仅是多方面的，而且是非常活跃的，大多数高切坡岩体的破坏和滑动都与水的活动有关。水作为自然界极其常见的流体，常常影响岩石的变形过程，在很多情况下会加速甚至诱发岩石的变形与破坏。水在岩石的作用与岩石的结构特征有很大关系，主要表现在两个方面，一是水的物理化学作用，其往往改变岩石的物质成分或结构，二是水的力学效应，这两种作用往往相互耦合，对岩石的受力过程产生复杂的影响。4)爆破震动：公路高切坡岩体在爆破震动的瞬时冲击作用下，由于爆破冲击波向四周扩散，当压缩波到达边坡自由面后，开始产生拉伸波，使岩体受到拉伸作用，可使原裂隙张开、扩展或产生新的裂隙，使岩体产生变形和破坏。5)其它因素：高切坡的几何形状、后期的风化作用等因素。4、高切坡破坏模式分类、高切坡破坏模式分类41 土