震区顺层高陡边坡特殊的复杂性使其成为道路及水利水电等工程中较难治理的边坡类型,探究其稳定性的影响因素有着十分积极的意义。
边坡的稳定包括有两方面内容,分别是:工程施工前自然状态下的边坡稳定状态和施工过程中和工程结束后营运期内的边坡稳定性状态。以现有关于边坡稳定性的研究中对边坡稳定性影响因素的各类总结为基础,结合背景工程的地质勘查资料,将边坡稳定性的影响因素分为边坡结构因素、岩体强度因素、外载作用因素及其他因素。边坡结构因素包括岩体结构特征、地下水条件、结构面特性、地形地貌特征(边坡几何形状)及地质构造特征等;岩体强度因素主要包括岩体抗拉、抗压及抗剪强度参数;外载作用因素包括地震作用、爆破、重力作用及开挖卸荷效应等;其他因素包括风化作用、降水、施工工艺及气温影响等。经过归纳总结得出了震区边坡稳定性的主要影响因素结构图(图7-1)。
图7-1 层岩体边坡稳定性主要影响因素
1.岩体结构
从上述章节的内容可知,岩体结构面的产状、结构类型及其与边坡倾角的关系是顺层岩体边坡稳定性的控制性影响因素。就顺层岩体边坡的倾向而言,顺层岩体边坡的稳定性优于缓倾顺层岩体边坡;就顺层岩体边坡的走向而言,边坡岩体的临空程度受控于坡面走向与岩层面走向的相互关系。所以,如果坡面走向平行于顺层岩体边坡的不利倾向的岩层面。边坡的整体稳定性将会受到严重的影响。此外,边坡受多组结构面切割也会使边坡岩体沿结构面的自由度增多,导致滑移体形成的概率增大;同时地下水的渗透侵蚀作用使得边坡岩体强度逐渐减弱,进而影响边坡的整体稳定性。
2.地下水作用
地下水作用对顺层边坡岩体稳定性的影响具有多面性及活跃性的特点。许多工程实例可以证明,大多数边坡岩体的变形破坏均与地下水作用有关。由于地下水的影响,顺层边坡岩体的自重会增大,从而造成重力的分力,即下滑力也增大,主要体现为静水压力及动水压力。其中,静水压力作用包括三方面内容,即作用于滑移体下部滑移面的静水压力,淹没边坡后坡面上的静水压力,岩体边坡后缘张拉裂缝富水后的静水压力。当顺层岩体边坡上部岩体为相对不透水结构时,地下水位的上升导致边坡岩体底部静水压力增大,使得构造出层面的有效应力减小,导致边坡的抗滑力逐渐减小,最终影响到顺层岩体边坡的整体稳定性。如果顺层岩体边坡上部岩体为透水结构,地下水位抬高时边坡岩体会在水力梯度的作用下形成动水压力。当动水压力方向平行于渗流方向且指向临空面时,将会对岩体边坡整体稳定性产生极为不利的影响。另外,地下水还具有侵蚀作用,会逐渐减弱顺层边坡的岩体强度,从而造成边坡的失稳破坏。
3.地应力(岩体构造应力)作用
岩体应力是影响结构稳定和破坏机制一个重要的内部因素。顺层岩体边坡的应力分布十分复杂。如果假定顺层边坡岩体为弹性均质且各向同性的材料,边坡坡面附近岩层的应力通常较低,而坡顶附近岩层一般属于拉应力集中区域。坡脚附近岩层属于剪应力集中区城。就人工边坡来说,由于开挖卸荷作用的存在,边坡岩体的原始应力被释放引起边坡应力场的重新分布,进而导致岩体的变形破坏。以上所述可以证明,顺层岩体边坡的失稳变形与地应力有着一定程度的联系。
4.岩性特征
岩体的结构类型、结构强度、抗风化能力及保持切坡高度的能力均受控于其岩性特征。因此,岩体的岩性特征是顺层边坡形成的物质基础,是边坡整体稳定性的直接影响因素。通常情况下,岩体根据强度的差别被分为软岩和硬岩两大类。其中:软岩边坡强度较弱,容易被风化侵蚀,使得边坡岩体出现较多节理及裂缝,削弱边坡的稳定性,极少可以形成较高的边坡体,即使形成较高的边坡体,也会因为极差的稳定性导致边坡的失稳破坏。硬岩边坡的强度较高,边坡岩体具有良好的完整性,整体稳定性较高,即使形成高陡边坡,发生滑坡的概率也会很低。软岩与硬岩互层的边坡,其岩层间会存在强烈的层间错动,软岩层在外力作用下易形成不稳定的软弱夹层,此类边坡的稳定性介于前两种边坡之间。由大量工程实例可知,边坡岩体的岩性特征较为复杂,存在许多岩性组合,各种组合形成的岩体边坡会具有不同的结构特性,从而会形成不同的边坡变形破坏模式。
5.地质构造特征
大量工程实例证明,如果边坡所在区域地质构造较为复杂,此边坡则会具有较差的稳定性,容易发生失稳破坏。地质构造特征主要包括节理、断层和岩层产状三方面内容,分述如下:
(1)节理,指的是岩体受到大于其自身强度的构造应力作用,岩体内部形成的裂缝极小或无裂缝。岩体中节理广泛分布,会将岩体割裂成由许多岩块组成的裂隙体系,破坏边坡岩体的完整性。
(2)断层,指的是岩体在构造应力作用下内部出现的相对明显的位移变化,位移变化使岩体的连续性及完整性遭到破坏。断层的存在使得岩体遭到分割。此段时期内边坡的稳定性会因此变得相对较差而容易产生失稳变形。(www.daowen.com)
(3)岩层产状,岩层产状对顺层岩体边坡的稳定性及其失稳破坏模式都有着十分重要的影响作用。在开挖卸荷作用完成后,边坡会形成临空面。由于顺层边坡的坡面走向与岩层走向基本保持一致。当岩层结构面出露于临空面时,就会容易造成顺层滑坡。当岩层倾角相对较缓时,岩体的下滑力相对较小。开挖后的边坡相对较稳定。大多数此类边坡具备普通边坡的失稳变形特征,也就是受节理裂缝及断层作用的小规模滑动变形,而少数此类边坡由于内部个别软弱层面的抗滑力极小而且受到地下水作用,会导致蠕滑型的顺层滑坡。当岩层倾角为中等倾角时,潜在滑移体的下滑力变大,顺层边坡以顺层滑动为主要破坏模式。当岩层倾角较陡,且边坡坡角等于岩层倾角时,边坡因为没有下滑空间而通常较为稳定,但是随着开挖的逐渐加剧,当边坡岩体相临空面的自重应力超过极限值时,则会发生倾倒破坏。
6.地形地貌
顺层岩体边坡的地形地貌是对其整体稳定性影响较为显著的因素。边坡岩体在不利的地形地貌影响下,其坡顶附近易受拉应力而产生张拉裂隙,同时在坡脚附近出现剪应力集中现象,导致剪切破坏带的形成,降低边坡稳定性。
7.地震作用
地震对边坡稳定性的影响很大,地震诱发作用下往往产生大规模边坡失稳,如汶川大地震触发了150多处滑坡。地震对顺层岩质边坡的破坏作用主要表现为:边坡岩体中的剪应力因地震波作用而增加,使得原生结构面、构造结构面和既有裂隙逐渐扩展延伸,甚至产生新的裂隙,边坡的承载能力和稳定性也会降低;地震产生的惯性力会对边坡形成下滑力,诱发滑坡体的出现;地震荷载作用在边坡中会造成位移、速度、加速度、应力和应变等响应的变化,而且不同力学性质的岩(土)体对地震的动力响应也会表现出不同的特征,这使得地震荷载作用边坡的稳定性分析更加复杂。
8.爆破荷载
开挖时实施的机械爆破在某些情况下是影响顺层岩体边坡稳定性最普遍的外部因素。因爆破动力产生的瞬间冲击作用,使得爆破源附近的边坡岩体在刹那间被急剧地压缩,而且因为爆破产生的冲击波向四周扩散,导致岩体介质发生变形,进而促使边坡岩体的剪应力增大。另外,当压缩波传播到边坡自由面时,被压缩的岩体逐渐向自由面方向运动扩张,进而造成自由面产生拉伸波,使得岩体受到拉力作用,又因为岩体内部抗拉强度远远小于其抗压强度,这就导致边坡自由面附近岩体节理及裂隙的张裂和扩张,或者有新的裂缝产生,从而造成该部分岩体抗剪强度的减小。当边坡岩体中含有软弱夹层或者填充有松散介质或水质的断层时,它们会在爆破的振动影响下发生液化。此外,爆破产生的剪切波还可能导致边坡岩层面间产生错动。因此,爆破荷载通过多种途径影响顺层岩体边坡的稳定性。
9.其他因素
1)风化作用
长期暴露在外界的岩体内部会受到各类化学及物理的风化作用影响,出现强度减弱、容重减小及结构面破坏等不良现象,同时,在边坡岩体表面会产生大量次生矿物,岩体内部的原有节理及裂隙张开并扩展,而且会产生新的风化裂缝,对边坡岩体的整体完整性造成严重的威胁。相关研究表明,岩体的风化程度对边坡的整体稳定性有着直接的影响,岩体风化程度越高,顺层岩体边坡的稳定性越差。
2)时间效应
因为边坡岩体中会普遍存在有软弱夹层,而软弱夹层的抗剪强度通常会随剪应力作用时间的推移而减弱,所以,软弱夹层中的蠕滑变形更为突出,由此往往引起整个边坡的蠕滑变形。当蠕滑剪力大于岩层面的长期抗剪强度时,边坡就会发生不稳定蠕变,最终处于加速蠕变进而发生顺层剧滑的现象。
3)气象影响
顺层岩体边坡稳定性受气象影响明显。受降雨量的影响,在湿润地区边坡稳定性较比在干旱地区差:低温环境下的顺层岩体边坡表面风化速度加快,同时岩体内部的节理裂隙会因水的冻胀作用进一步扩展;此外,温差的大幅度变化会加快岩体的风化及破碎,造成边坡的稳定性不断变差。
4)施工工艺及顺序
爆破开挖、机械开挖或两者结合使边坡施工工艺及工序会对边坡稳定性造成不同程度的影响。开挖扰动使得岩体内部原始应力发生巨大变化,并引起岩体内部结构的较大变形,导致岩层间发生错动分离。
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