黄土坡体节理发育特征和空间分区与边坡稳定性_唐东旗.pdf

第43卷第3期 2015年6月 煤田地质与勘探Vol. 43 No.3 Jun. 2015 COAL GEOLOGY 2.许昌学院土木工程学院，河南许昌461000; 3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054 摘要通过现场调查分析了黄土坡体节理发育特征，节理走向与边坡倾向主大角度斜支，节理走 向受边坡倾向的控制．根据对持坡不同区域受力分析，台坊、区土体主要受到温陷才主张作用，在斜 坡地带土体主要受水平卸荷所产生的推力作用，把斜坡区节理发育分为湿陷节理发育区、才主张节 理发育区、挤压节理发育区和开挖卸荷节理发育区．最后，对有无节理边坡进行了稳定性计算， 计算结果和理论分析一致． 关键词黄土节理；卸荷；节理分区；稳定性 中图分类号P642.22文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2015.03.017 Joint development characteristics, spatial division and stability of loess slope TANG Dongqi12, YAO Xiufang2, PENG Jianbing3, XU Jin2, GAO Junzhao2 1. School of Management, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441000, China; 2. School of Civil Engineering, Xuchang University, Xuchang 461000, China; 3. College of Geology Engineering and Geomatics, Changan University, Xian 710054, China Abstract The extensive development of vertical joints is one of the m勾orfeatures in the loess region. The joint destroys the integrity of the loess slope, reduces the slope stability. First of all, through the field investigation and analysis of the characteristics of loess joint development, it was found that joint strike crosses obliquely slope in- clination and is controlled by the latter. Secondly, according to the analysis of different regional stress of slope, soil of tableland ar巳ais mainly impacted by saturated yielding tension, and soil in the slope zone is mainly effected by thrust produced by horizontal unloading, joint development in slope area is divided into saturated yielding joint development area, tension joint development area, compression joint development area and the joint development area of unloading caused by excavation. Finally, calculation of stability was carried out for slopes with or without joints. The calculation results are in accordance with the theoretical analysis. Key words loess joint; unloading; joint zoning; stability 众所周知，黄土垂直节理发育［l］，尤以马兰黄土 最为普遍。黄土体中存在着两大类破裂形迹，一类是 非构造性破裂，另一类是活动构造破裂，垂直节理是 非构造破裂的一种形式。垂直节理的存在使边坡易于 渗水，造成坡体变形、崩塌和滑坡等。黄土滑坡陡坎多 被认为是黄土垂直节理拉张破裂面［2］。黄土边坡这种 广泛发育的、具有垂直特性的节理对边坡演化和稳定 性具有重要意义。 目前对于黄土节理的成因还存在较多争议，多数 认为是由于气候的干湿变化、冷热变化和植物根系穿 插所致。冯连昌［3］把黄土节理的产生原因解释为重力 收稿日期2013-11-10 作用所产生的水平张力所致；穆斯塔伐耶夫”］认为节理 只能在含水量相对较低时才会产生，实际上在含水量 较高时节理也很发育。王正贵等［5］通过现场调查和理 论解析后认为由于黄土地区特殊的气候条件和地层 条件所决定，孔洞结构是黄土垂直节理发育的根本原 因，但并没有说明这些孔洞是怎么产生的；骆进等［6] 通过对陕北黄土节理的现场调查和室内物理模拟试 验认为是黄土本身的湿陷性质导致节理产生，如果黄 土节理是按照这种方式产生的话，只要有湿陷性黄土 存在就会有节理出现，很难理解节理的发育深度是无 限制的，并且也很难解释黄土节理的近等间距出现的 基金项目湖北省教育厅科学研究计划资助项目（Q20122510）；国家自然科学基金重点项目（41130753 作者简介唐东旗1974一），男，河南西华人，博士，从事工程性黄土灾害机理研究.E-mail dqtang456 引用格式唐东旗，姚秀芳，彭建兵，等．黄土坡体节理发育特征和空间分区与边坡稳定性［J］.煤田地质与勘探，2015, 433 86-90. ChaoXing 第3期唐东旗等黄土坡体节理发育特征和空间分区与边坡稳定性 87 这种现象。 以上研究是在考虑了自然坡体状况下的节理发 育状况，而对斜坡节理发育成因缺乏整体性认识，特 别是对工程开挖后坡体节理发育特征缺乏分析，本文 基于此，对边坡在开挖状态夏坡体各部分的受力情况 进行了分析，提出了坡体节理分布的分区特征。 1 黄土节理发育类型 黄土地层中常存在大量不同规模、不同成因、不 同性质和不同时期的节理裂隙。目前黄土节理主要分 为构造节理、垂直节理、卸荷节理、湿陷节理、滑 塌节理以及风化节理，这些节理裂隙相互穿插、切割 形成了网格状的节理裂隙系统（2,7］。其中尤以卸荷节 理、湿陷节理和构造节理与坡体稳定性的关系最为 密切。 1.1 卸荷节理 卸荷节理是边坡开挖产生坡体应力场变化而在 黄土地层中形成的一种节理裂隙。黄土地层一方面受 黄土自身的重力作用而压密，自重应力向侧向扩展形 成侧向挤压，侧向压力的大小与其上覆土重成正比； 另一方面，黄土自更新世逐渐形成以来，特别是全新 世以来，受到同一区域主压应力的作用，可能加强某 个方向的侧向压应力，因而一般情况下黄土由于受这 两种力的作用而通常处于压缩状态。当黄土高原或平 原上出现细沟、河谷或人为开挖边坡而产生新鲜临空 面时，黄土中的侧向应力随即释放，因而在其临空面 一侧的黄土就会随着侧向压应力的释放而向自由空 间的方向松弛、移动，从而形成与黄土母体有分离态 势的黄土板块或碎块而产生卸荷裂憔（8-91图1）。卸荷 节理是坡体开挖后所形成的一种最为直接的节理裂 隙，属于张节理。这种节理在空间上呈上宽下窄，当 卸荷节理和其它层面或结构面组合则形成切割块体， 在重力或其它外营力作用下失去平衡时形成崩塌。越 靠近临空面则形成的卸荷节理越密集，向土体内部发 育程度低或不发育。 图1卸荷开裂（延长） Fig. I Crack caused by unloadingYanchang, Shaanxi 卸荷节理一般分布在黄土塘边、切沟、冲沟、洞 穴或人为挖掘的黄土路童、窑洞、基坑等陡坎临空面一 侧附近，在各种地层中均有分布。卸荷节理的存在破 坏了坡体的整体性，造成边坡不稳定性。 1.2 湿陆节理 黄土湿陷产生是由于黄土地面的不平整，降水形 成的汇水量及水的滞留时间不同，以及渗透系数的差 异，在水流下浸、侧浸或上浸情况下，渗透使一侧土 体湿陷沉降变形，和未产生湿陷的一侧土体产生拉 力，土体被拉开，在上下层之间形成裂隙。 黄土高原地区黄土的湿陷系数和湿陷层厚度总 的趋势是西北高、东南低。一般由地表水所引起的湿 陷节理发育在土体的浅部，由地下水上升引起的黄土 湿陷节理裂隙发育在土体深部。因而湿陷节理发育的 深度受黄土的湿陷深度、＊体入渗深度和地下水位的 控制。黄土地区不均匀的降水是造成湿陷节理发育的 主要原因 1.3 构造节理 黄土构造节理在很大程度上决定黄土地区的微 地貌形态特征。黄土塘、梁、捕以及黄土阶地的完整 程度，各种冲沟的发育密度及展布形态等都与黄土构 造节理发育有关。由于不同微地貌形态的节理裂隙发 育特征不同，因此可以说黄土的构造节理裂隙决定了 微地貌形态。 黄土构造节理受区域构造应力场控制，其节理 发育具有方向性强、力学性质清晰、区域性、位错 同步、系统性、贯穿性等特点（IO］，因此人们可以利 用构造节理的发育特征来反演区域现代构造应力 场。对于处于区域构造应力场中的黄土边坡来说， 发育的构造节理一方面为坡面的冲蚀下切打下基 础，另一方面也破坏了坡体的完整性，降低了坡体 的稳定性。 2 工程开挖边坡黄土节理发育特征 为了弄清开挖边坡对节理发育所起的作用，对 黄土高原地区进行了广泛的调查。在调查中发现， 边坡节理分布呈里疏外密状，靠近坡脚区域，节理 较为密集。在坡体被开挖后的转折端部位，节理纵 横发育，把坡体切割成较小块体（图2、图3）。在边 坡中部顺坡向所显示的节理发育分布状况和垂直 坡向上开挖边坡节理发育状况进行调查显示，节理 均呈现近直立状，斜坡上的节理倾角和坡脚倾角近 似一致（图4）。这些节理破坏了土体的整体强度， 降雨极易通过这些节理来渗入并冲蚀土体，加速坡 体破坏。 ChaoXing 88 煤田地质与勘探第43卷 图2坡体开挖后节理集中发育（山西柳林） Fig.2 Concentrated joint development a负erexcavation of slope 图3披顶被纵横交错节理切割破坏（山西离石） Fig.3 Slope top cut and destroyed by criss-cross joints 图4I顶坡公路边坡中部近平行等间距节理发育（陕西志丹） Fig.4 Development of nearly parallel and equally spacing joint 图5为边坡调查时进行边坡节理统计编制的节 理走向玫瑰花图。从节理统计玫瑰花图可知，边坡的 倾向和节理统计玫瑰花图中节理的优势走向分布范围 相差60。～90。，节理的走向和坡向呈近似垂直关系。 。。 270。 .90。 0 2 4 6 8 JO次 图5不同边坡倾向的节理走向玫瑰花图 Fig.5 Rose diagram of joint strike in different slope inclination 从节理倾角调查和统计结果来看（图哟，大部分 在70。～90。，这种节理走向和边坡大角度相交，对边 坡的切割作用为降雨入渗提供了良好的通道，从而使 得边坡土体易形成裂缝、陷穴和冲沟。 16 14 12 主里I 4 2 。 6仇707080 80-90 节理倾角耐。） 图6节理分布与节理倾角的关系图 Fig.6 Relationship between joint distribution and joint dip . 3 黄土节理的成因与空间分区 3.1 黄土节理成因 从对黄土坡体节理的野外调查和统计结果显示， 节理在斜坡上的展布形态在顺坡方向上节理由疏变 密，在斜坡转折端节理发育最为密集；节理展布角度 为70。～90。，在坡脚被开挖时，坡脚区的节理也最为 发育。形成这些分布特点主要有以下原因 a.坡体各个部分土体受力状态不同（图7）。在台 晾区土体受力呈现为三轴受力状态，土体只受自重应 力作用；在斜坡地带，土体上部受力和外斜坡部位受 力减弱或消失；在坡脚开挖区，由于受到开挖，造成 外部水平应力消失。 径向应力降低 三轴应力状态 外部向内的径向应力消失 图7坡体各部分单元体受力状态 Fig. 7 Stress state of different parts of slope b.在黄土摞上，由于摞面的高低不平，造成降 水在低洼区的汇集时间和汇水量都不同，同时由于黄 土渗透系数的差异，水体在下渗过程中不同层位的土 体产生不同的湿陷量。渗透性差的土体只在表层产生 湿陷，湿陷变形小，渗透性强的能够渗透到土体深部， 湿陷变形量大。变形小的土体将托住变形大的土体， 在两者之间产生垂直向下的拉力，由于黄土的抗拉强 度很低，因此很容易使土体被拉裂，形成湿陷节理。 c.在黄土塘边，地形由平整变为斜坡，在正常 ChaoXing 第3期唐东旗等黄土坡体节理发育特征和空间分区与边坡稳定性 89 情况下，下部土体主要受上覆土体自重应力作用，在 侧向上受到侧向的挤压力作用，这种力的大小取决于 上覆土体的重力大小。在地形转折端，地形发生变化， 侧向应力减小，和地形平整状态下的侧压力存在一个 压力差。这个压力差将向斜坡区域释放，在塘边土体 将出现向斜坡方向松动、位移，从而坡体被拉裂形成 节理，这也是晾边节理发育比较集中的原因。 d.在斜坡地带（图8时，地形呈现由低向高延伸， 在较高一侧的土体受到的自重应力比低一侧的高。那 么所产生的侧压力也大于低一侧的侧压力，就会出现 如塘边的受力情况，在侧向上产生压力差，促使上下 侧土体向临空区域移动，产生节理。所产生的节理在 走向上和坡面的走向基本一致，和边坡的倾向近于 垂直。 斜而 a）斜坡单元受）J分析 土条 b）平商单元受力分析 图8等间距节理单元土体受力分析 Fig.8 Force analysis of soil with equally spacing Joint unit e.在边坡的坡脚区域，根据边坡稳定性计算的 不平衡推力法，斜坡上的每一条块都将产生一个向 下的推力。这些条块的推力在坡脚产生应力集中， 若坡脚处土体被开挖，则产生的集中应力向开挖面 方向释放，土体向开挖面移动，产生节理，节理面 和开挖面近平行分布。在此处产生．的节理若和地层 层面或其它构造面相互切割，则造成开挖面处坡体 开裂、破碎。 在斜坡上很容易解释节理近似等间距发育的 特点（图8a）。这是由于在斜坡上，当上部条块土体 受到向斜坡方向水平侧压力减小的缘故，侧压力部分 卸荷，产生向斜面方向的推力，由于土体本身具有一 定抗拉强度，很薄的土体产生的侧向应力很难破坏土 体的抗拉强度。因此，只有聚集的推力大于土体抗拉 强度，坡体才能开裂产生裂隙，所以土体开裂必须要 有一定的距离。在非斜坡面上（图8时，受干湿变化、 冻结膨胀等作用引起土体的收缩和膨胀，这时的土体 受到侧向收缩的拉应力，只要拉应力大于土体的抗拉 强度则土体就会被拉坏，产生节理。但很薄的土体所 产生的拉应力很难造成土体被拉破。因此，也必须有 一定宽度土体的侧向拉应力聚集到一定程度才能致 使土体拉裂产生节理，当土体的性质不变的情况下， 将产生等间距节理。 3.2 黄土坡体节理发育分区 根据野外调查结果和对边坡节理的成因分析，边 坡节理发育可以划分为4个区（图9）。 〉、 湿陷节理发育区 拉张节理发育区 阳山 挤压节理发育区 开挖饵l荷节理发育区 图9坡体节理发育分区图 Fig.9 Zoning map of joints development in slope I区为湿陷节理发育区，在这个区内的节理发 育主要受黄土湿陷性质控制。湿陷节理的延展深度 受黄土的湿陷深度、水体入渗深度和地下水位的深 度控制。 II区为拉张节理发育区，此区在水平方向处于卸 荷状态，坡肩部位主要受拉应力作用，土体易被拉裂 破坏，造成节理易发育。由于下部为斜坡，临空区域 加大，当坡角过陡时，这个部位也是崩塌易发区。 III区为挤压节理发育区，侧压力部分卸荷，产生 向斜面方向的挤压力，当所产生的水平挤压力大于土 体的抗拉强度时则土体破坏，产生节理。 W区为开挖卸荷节理发育区，在坡脚区域，产 生应力集中，坡体开挖造成坡体的支撑力减小，并 且在坡脚产生的集中应力向开挖面方向释放，土体 向开挖面移动，产生节理，节理面和开挖面近平行 分布。 4 黄土坡体节理对边坡稳定性影晌 4.1 边坡基本特性 为了分析坡体节理对边坡稳定性的影响大小，本 次计算分别进行了黄土边坡无节理、表层有节理两种 状态。计算所采取的参数见表1。计算模型见图10, 节理区采用了弱化处理［11］。 4.2 FLAC30介绍 计算采用美国Itasca公司开发的FLAC30数值 表1土体物理力学参数指标 Table 1 The inds of soil physical and mechanical pa- rameters 体积模量剪切模量敬聚力内摩擦角密度p K/MPa G瓜1Pac/kPa ／（。）/kgm-3 非节理区9.85 3.76 3 480 22 l 610 节理带19而17.52 5 600 20 l 710 ChaoXing 90 煤田地质与勘探第43卷 图10计算模型 Fig. IO Calculation model 计算软件对两种状态下的边坡稳定性进行了计算分 析。FLAC主要用于对土质、岩石和其它材料的受力 特性和塑性状态分析。在建模过程中，主要根据多面 体单元结构来模拟实际的材料结构，以线性模型或非 线性本构模型来模拟材料在受到外力作用下的屈服 状态，采用“混合离散法”［12］来模拟岩土材料的塑性破 坏和塑性流动。计算所采取的破坏准则为莫尔－库伦 破坏准则。 4.3 计算结果分析 边坡受天然应力场的影响，在边坡内部形成了应 力增高带和应力集中区。根据前面对边坡节理的分布 区分析，边坡表层为应力环境较差区域，容易产生垂 直节理，从而造成坡体整体性遭到破坏，降低了坡体 稳定性。 从计算结果来看，坡体在无节理和有节理的状态 下边坡的安全系数分别为1.03和0.79，变化量达到 了23.3，这说明表层广泛发育的垂直节理弱化了坡 体的稳定性，更容易发生滑动破坏。从边坡的整体性 剪切强度可知，当边坡存在节理时，坡体裂隙增大， 使得作用在坡体上的法向应力降低，同时由于节理存 在，颗粒之间相互作用的内聚力减小或消失，造成了 抗剪强度逐渐减小。 从剪应变增量云图上可以看出（图11），在边坡没 有节理时，应变产生变化主要在坡脚位置，当边坡上 存在广泛发育的节理时，向上导通的区域明显增大， 接近上坡面。 5结论 a.通过野外调查发现，节理的分布与人类工程 活动和区域构造活动有关，在人类活动强烈的边坡转 折端是节理发育的密集区，节理走向与边坡倾向呈大 角度斜交。 b.分析了不同部位节理发育的成因，在台塘区 土体主要受到湿陷拉张作用，在斜坡地带土体主要受 水平卸荷所产生的推力作用。 c.根据对节理在不同部位的成因分析，把边坡 a）元节理 图11不同状态下边坡剪应变增盘云图 Fig. I I Shear strain increment cloud under different conditions 节理分为湿陷节理发育区、拉张节理发育区、挤压节 理发育区和开挖卸荷节理发育区。 参考文献 1］王景明，张骏．论黄土节理［刀，地球科学与环境学报，19852 33-44. 2］卢全中，彭建兵，陈志新，等．黄土高原地区黄土裂隙发育特 征及其规律研究［月水土保持学报，2005,195 193-196. 3］冯连昌中国湿陷性策’土［M］.北京中同铁选出版社，1982 4］穆斯塔伐耶夫．湿陷性黄土地基和基础计算［M］.北京水利电 力出版社，1984. 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