2019巖土工程師基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：影響邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)因素

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影響邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)因素

邊坡變形的發(fā)生發(fā)展是極其錯(cuò)綜復(fù)雜的，影響因素也很多的。概括起來可以分為兩個(gè)方面：

內(nèi)在因素，包括地貌條件、巖石性質(zhì)，巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造等。這些因素的變化是十分緩慢的，它們決定邊坡變形的形式和規(guī)模，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起著控制作用，是邊坡變形的先決條件。

外在因素，包括水文地質(zhì)條件，風(fēng)化作用，水的作用、地震及人為因素等。這些因素的變化是很快的，但它只有通過內(nèi)在因素，才能對(duì)邊坡穩(wěn)定性起著破壞作用，或者促進(jìn)邊坡變形的發(fā)生和發(fā)展。

邊坡變形，實(shí)質(zhì)上是內(nèi)在和外在的各種因素綜合作用的結(jié)果。因此，在分析邊坡穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)在研究各種單一因素的基礎(chǔ)上，找出它們彼此間的內(nèi)在聯(lián)系，才能對(duì)邊坡的穩(wěn)定性做出比較正確的評(píng)價(jià)。

【例題21】在影響邊坡變形的下列各種因素中，屬于內(nèi)在因素的是()。

A. 水文地質(zhì)條件

B. 水的作用

C. 地震

D.地貌條件

答案:D

(一)地貌條件

地貌是由于地球內(nèi)、外營(yíng)力作用而形成的地表起伏形態(tài)。地貌條件決定了邊坡形態(tài)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性有直接影響。邊坡的形態(tài)系指邊坡的高度、坡角、剖面形態(tài)、平面形態(tài)以及邊坡的臨空條件等。對(duì)于均質(zhì)巖坡，其坡度愈陡，坡高愈大則穩(wěn)定性越差。對(duì)邊坡的臨空條件來講，工程地質(zhì)條件相類似的情況下，平面呈凹形的邊坡較呈凸形的邊坡穩(wěn)定。此外，在邊坡傾向與緩傾角結(jié)構(gòu)面傾向一致的同向結(jié)構(gòu)類型地段，邊坡穩(wěn)定性與邊坡坡度關(guān)系不密切，而主要取決于邊坡高度。

【例題22】在邊坡傾向與緩傾角結(jié)構(gòu)面傾向一致的同向結(jié)構(gòu)類型地段，邊坡的穩(wěn)定性主要取決于()。

A.坡角

B.坡高

C.邊坡走向

D.結(jié)構(gòu)面傾向

答案:B

(二)巖石的性質(zhì)

巖石性質(zhì)的差異是影響邊坡穩(wěn)定的基本因素，就邊坡的變形破壞特征而論，不同的地層巖組有其常見的變形破壞形式。例如，有些地層巖組中滑坡特別發(fā)育，這是與該地層巖石的礦物成分、親水特性及抗風(fēng)化能力等有關(guān)，如第三系紅色頁(yè)巖、泥巖、裂隙粘土;二疊系煤系巖組，以及古老的泥質(zhì)變質(zhì)巖系(千枚巖、片巖等)都是易滑地層巖組。其次，巖組特征對(duì)邊坡的變形破壞有著直接影響，堅(jiān)硬完整的塊狀或厚層狀巖組，易形成高達(dá)數(shù)百米的陡立斜坡，而在軟弱地層的巖石中形成的邊坡在坡高一定時(shí)，其坡度較緩。由某些巖石組成的斜坡在于燥或天然狀態(tài)下是穩(wěn)定的，但一經(jīng)水浸，巖石強(qiáng)度將大減，斜坡出現(xiàn)失穩(wěn)，如此等等，充分說明巖石對(duì)邊坡的變形破壞有直接影響。

(三)巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造

巖體結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)面性狀及其與坡面的關(guān)系是巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的控制因素。

結(jié)構(gòu)面的傾角和傾向：同向緩傾邊坡的穩(wěn)定性較反向坡要差;同向緩傾坡中，結(jié)構(gòu)面的傾角愈陡，穩(wěn)定性愈好;水平巖層組成的邊坡穩(wěn)定性亦較好。

結(jié)構(gòu)面的走向：結(jié)構(gòu)面走向與坡面走向之間的關(guān)系，決定了失穩(wěn)邊坡巖體運(yùn)動(dòng)的臨空程度，當(dāng)傾向不利的結(jié)構(gòu)面走向和坡面平行時(shí)，整個(gè)坡面都具有臨空自由滑動(dòng)的條件，因此，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性最為不利。

結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和數(shù)量：邊坡受多組結(jié)構(gòu)面切割時(shí)，切割面、臨空面和滑動(dòng)面就多些，整個(gè)邊坡變形破壞的自由度就大些，組成滑動(dòng)塊體的機(jī)會(huì)也大些;結(jié)構(gòu)面較多時(shí)，為地下水活動(dòng)提供了較多的通道，顯然地下水的出現(xiàn)，降低了結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利。另外，結(jié)構(gòu)面的數(shù)量影響到被切割巖塊的大小和巖體的破碎程度，它不僅影響邊坡的穩(wěn)定性，而且影響到邊坡的變形破壞的形式。

對(duì)邊坡穩(wěn)定性有影響的巖體結(jié)構(gòu)還包括：結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性、粗糙程度及結(jié)構(gòu)面膠結(jié)情況、充填物性質(zhì)和厚度等方面。

地質(zhì)構(gòu)造是影響巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響的重要因素，它包括：區(qū)域構(gòu)造特點(diǎn)、斜坡地段的褶皺形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、斷層與節(jié)理裂隙的發(fā)育程度及分布規(guī)律、區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等。在區(qū)域構(gòu)造較復(fù)雜、褶皺較強(qiáng)烈、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較活躍區(qū)域，斜坡的穩(wěn)定性較差。斜坡地段的褶皺形態(tài)、巖層產(chǎn)狀、斷層及節(jié)理等本身就是軟弱結(jié)構(gòu)面，經(jīng)常構(gòu)成滑動(dòng)面或滑坡周界，直接控制斜坡變形破壞的形式和規(guī)模。對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行分析研究，是定性和定量分析評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。

【例題23】在下列哪種條件下，斜坡的整個(gè)坡面都具有臨空自由滑動(dòng)的條件，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性最為不利()。

A. 當(dāng)傾向不利的結(jié)構(gòu)面走向和坡面平行時(shí)

B. 當(dāng)傾向不利的結(jié)構(gòu)面走向和坡面相交時(shí)

C. 當(dāng)傾向不利的結(jié)構(gòu)面走向和坡面垂直時(shí)

答案:A

【例題24】在同向緩傾坡當(dāng)中存在著三組結(jié)構(gòu)面，斜坡的傾角為35°，已知結(jié)構(gòu)面M的傾角為20°;結(jié)構(gòu)面N的傾角為35°;結(jié)構(gòu)面F的傾角為60°;在三組結(jié)構(gòu)面中，對(duì)斜坡穩(wěn)定最不利的結(jié)構(gòu)面為()。

A. M

B. N

C. F

答案:A

(四)風(fēng)化作用

風(fēng)化作用，是各類巖石長(zhǎng)期暴露地表，受到水文，氣象變化的影響，發(fā)生物理和化學(xué)作用，出現(xiàn)各種不良現(xiàn)象，如產(chǎn)生次生礦物，節(jié)理張開或裂隙擴(kuò)大，并出現(xiàn)新的風(fēng)化裂隙，巖體結(jié)構(gòu)破壞，物理力學(xué)性質(zhì)降低等。顯然，巖石遭受風(fēng)化作用之后，邊坡的穩(wěn)定性大大降低，并對(duì)邊坡變形的發(fā)生和發(fā)展起著促進(jìn)作用。實(shí)際資料說明，巖石風(fēng)化愈深，邊坡的穩(wěn)定性愈差，穩(wěn)定坡角愈小。

巖石的風(fēng)化速度，風(fēng)化的深度和厚度應(yīng)取決于一系列的因素，如巖石的性質(zhì)，斷裂的發(fā)育程度，水文地質(zhì)動(dòng)態(tài)，水文、氣象，地形地貌及現(xiàn)代物理地質(zhì)作用等。在同一地區(qū)由于巖石性質(zhì)不同，風(fēng)化程度也不同。如粘土質(zhì)頁(yè)巖比硬砂巖易風(fēng)化，風(fēng)化較深，風(fēng)化層的厚度也較大，邊坡角較小，根據(jù)某些地區(qū)自然邊坡實(shí)際調(diào)查資料，粘土質(zhì)巖組成的邊坡坡角均緩于36°，而砂巖邊坡則較陡。

斷裂發(fā)育的破碎巖石帶比裂隙少的巖石風(fēng)化較深，風(fēng)化厚度也較大，在幾組斷裂面交會(huì)處常形成袋狀深化風(fēng)化帶，有些面成為邊坡變形的控制面。

具有周期性干濕變化地區(qū)(如水庫(kù)水位變動(dòng)區(qū)，地下水位季節(jié)變動(dòng)帶)的巖石易于風(fēng)化，風(fēng)化速度較快，邊坡穩(wěn)定性較差，而無干濕變化影響地區(qū)的巖石，風(fēng)化速度較慢，邊坡穩(wěn)定性高，位于沖溝、河谷的岸坡，由于剝蝕沖刷作用強(qiáng)烈，風(fēng)化層較薄，邊坡坡角較陡，有的可達(dá)45°～50°以上邊坡仍然穩(wěn)定，而愈接近山頂，風(fēng)化層的厚度愈大，邊坡坡度也較緩，常見為15°～20°之間。以上說明風(fēng)化作用對(duì)邊坡穩(wěn)定是不利的。

表中簡(jiǎn)要地闡述了風(fēng)化帶與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系。在這里必須指出，由于巖石性質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)和完整性不一，及各處風(fēng)化因素不同，因此，風(fēng)化帶的厚度和分布狀況都有極大的差別。同時(shí)，風(fēng)化作用的強(qiáng)度隨著巖石的埋深增大逐漸減弱的。所以，每一帶之間并不見明顯的分界線，而具有過渡性的漸變特征。

此外，自然界的風(fēng)化作用，總是不停止繼續(xù)進(jìn)行著，巖石性質(zhì)和邊坡的穩(wěn)定性也不斷在惡化，在研究風(fēng)化作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響時(shí)，必須考慮這些特點(diǎn)和它們的發(fā)展趨勢(shì)。

(五)水的作用

水對(duì)斜坡穩(wěn)定性有顯著影響。它的影響是多方面的，包括軟化作用、沖刷作用、靜水壓力和動(dòng)水壓力作用，還有浮托力作用等。

1.水的軟化作用

水的軟化作用系指由于水的活動(dòng)使巖土體強(qiáng)度降低的作用。對(duì)巖質(zhì)斜坡來說，當(dāng)巖體或其中的軟弱夾層親水性較強(qiáng)，有易溶于水的礦物存在時(shí)，浸水后巖石和巖體結(jié)構(gòu)遭到破壞，發(fā)生崩解泥化現(xiàn)象，使抗剪強(qiáng)度降低，影響斜坡的穩(wěn)定。對(duì)于土質(zhì)斜坡來說，遇水后軟化現(xiàn)象更加明顯，尤其是粘性土和黃土斜坡。

2.水的沖刷作用

河谷岸坡因水流沖刷而使斜坡變高、變陡，不利于斜坡的穩(wěn)定。沖刷還可使坡腳和滑動(dòng)面臨空，易導(dǎo)致滑動(dòng)。水流沖刷也常是岸坡崩塌的原因。此外，大壩下游在高速水流沖刷下形成沖刷坑，其發(fā)展的結(jié)果會(huì)使沖坑邊坡不斷崩落，以致危及大壩的安全。

3.靜水壓力

作用于斜坡上的靜水壓力主要有三種不同的情況：其一是當(dāng)斜坡被水淹沒時(shí)作用在坡面上的靜水壓力;其二是巖質(zhì)斜坡張裂隙充水時(shí)的靜水壓力;其三是作用于滑體底部滑動(dòng)而(或軟弱結(jié)構(gòu)面)上的靜水壓力。

當(dāng)斜坡被水淹沒，而斜坡的表部相對(duì)不透水時(shí)，坡面上就承受一定的靜水壓力。由于該靜水壓力指向坡面且與其正交，所以對(duì)斜坡穩(wěn)定有利。在水庫(kù)蓄水的條件下對(duì)庫(kù)岸穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)應(yīng)計(jì)入此靜水壓力。

巖質(zhì)斜坡中的張裂隙(或陡傾節(jié)理)，如果因降雨或地下水活動(dòng)使裂隙充水，則裂隙將承受靜水壓力的作用(圖17-1-11)。該裂隙靜水壓力Pw為(取單寬坡體)

式中H為裂隙水的水頭高;L為充水裂隙的長(zhǎng)度;Pw為水的密度;g為重力加速度。

這一靜水壓力對(duì)斜坡穩(wěn)定是不利的，由于它的作用使斜坡受到一個(gè)向著臨空面的側(cè)向推力。易發(fā)生失穩(wěn)。雨季時(shí)一些斜坡產(chǎn)生崩塌或滑坡，往往與裂隙靜水壓力的作用有關(guān)。

如果斜坡上部為相對(duì)不透水的巖土體，則當(dāng)河水位上漲或水庫(kù)蓄水時(shí)，地下水位上升，斜坡內(nèi)不透水巖土底面將受到靜水壓力作用，削減該結(jié)構(gòu)面上的有效應(yīng)力，從而降低了抗滑力，不利于斜坡的穩(wěn)定(17-1-12)。顯然，地下水位愈高，則對(duì)斜坡穩(wěn)定愈不利。

當(dāng)河水位或庫(kù)水位迅速消落時(shí)，由于地下水的滯后效應(yīng)，結(jié)構(gòu)面上存在較大的靜水壓力，岸坡破壞就比較普遍。

4.動(dòng)水壓力

如果斜坡巖土體是透水的，地下水在其中滲流時(shí)由于水力梯度作用，就會(huì)對(duì)斜坡產(chǎn)生動(dòng)水壓力。其方向與滲流方向一致，指向臨空面，因而對(duì)斜坡穩(wěn)定是不利的。在河谷地帶當(dāng)洪水過后河水位迅速下降時(shí)，岸坡內(nèi)可產(chǎn)生較大的動(dòng)水壓力，往往使之失穩(wěn)。同樣，當(dāng)水庫(kù)水位急劇下降時(shí)，庫(kù)岸也會(huì)由于很大的動(dòng)水壓力而致失穩(wěn)。

此外，地下水的潛蝕作用，會(huì)削弱甚至破壞土體的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)，對(duì)斜坡穩(wěn)定性也是有影響的。

5.浮托力

處于水下的透水斜坡，將承受浮托力的作用，使坡體的有效重量減輕，對(duì)斜坡穩(wěn)定不利。一些由松散堆積物組成庫(kù)岸的水庫(kù)，當(dāng)蓄水時(shí)岸坡發(fā)生變形破壞，原因之一就是浮托力的作用。

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