节理裂隙和边坡稳定性

节理裂隙和边坡稳定性

李勇飞 周予伟
(江西省交通设计院 南昌 330002)

摘 要：根据公路工程的特点，分析节理裂隙的力学性质和分类，及其对边坡的影响机制和产生边坡变形破坏的主要形式；介绍利用赤平极射投影方法，分析裂隙结构面和边坡的关系，从而定性评价边坡的稳定性。
关键词：岩土工程；节理裂隙；变形破坏；赤平极射投影；定性评价；边坡稳定性


0 前 言
对边坡稳定性的分析，特别是对高边坡的稳定性分析是公路工程地质勘察中的一项十分重要内容。而要正确分析边坡的稳定性，除了需要进行详细工程地质勘察外，还必需了解影响边坡变形和破坏的主要因素，以及其对边坡稳定性的影响。
节理裂隙是影响边坡变形和破坏的重要因素之一，在工程建设中，因为节理裂隙的影响而产生如滑坡、崩塌等边坡失稳的不良地质现象屡见不鲜。但是由于节理裂隙一般为小型构造，规模较小，且分布具有一定局部性；同时由于节理裂隙随着条件变化而不断发展变化，因此，它对边坡的影响也是一个不断发展的过程，对边坡的危害也往往具有一定的隐蔽性。因此，在工程地质勘察中，它不如软弱结构面、岩溶塌陷、古滑坡等大型地质构造那样被重视，往往很容易被忽视。为了加强对节理裂隙的重视和提高公路工程地质勘察质量，笔者根据多年从事公路工程地质勘察的经验，和参考有关资料，对节理裂隙与边坡稳定性的关系进行分析与总结。
1 节理形成及力学分类
节理是岩石中的裂隙，是一种没有明显位移的断裂构造。大量发育的节理常常引起岩体的不稳定，为工程建设带来隐患和灾害。根据节理形成的力学性质，可分为剪节理和张节理。
剪节理是由剪应力产生的一种破裂面。它一般呈闭合状，具有产状稳定，破裂面平直光滑，沿走向和倾向延伸较远，常形成共轭X型节理系和羽状微裂隙等特点。 剪节理一般均为构造裂隙，是在内动力地质作用下形成的节理，与区域构造和局部构造有一定的关系。因此，其具有发育的范围和深度较大，对边坡稳定性的影响也较大等特点。它一般切割岩体较深，且常常多条裂隙同时分布。当X型节理发育良好
时，将岩石切割成菱形、棋盘状或柱状等，而如果只
收稿日期：2005-03-30
有一组节理发育时，则多呈等距平行排列。
张节理是由张应力产生的一种破裂面。它一般多开口，产状不稳定，且延伸不远，节理面粗糙等特点。张节理常呈不规则的树状或网络状。张节理可能是构造节理也可能是非构造节理。构造性张节理与剪节理一样也是由内动力地质作用形成的，具有区域性和局布构造的特点；其发育的深度和范围较大，同时其对边坡稳定性的影响也较大。而非构造性张节理是在外动力地质作用下形成的，最常见的是由风化作用形成的风化节理。非构造性张节理具有产状和方位极不稳定，范围和深度有限等特点；其对边坡稳定性的影响与岩性和风化程度等有关。
由于地质体是经过漫长的地质作用逐渐形成的，每一个岩石或岩体均经历长期、多次的变形和破坏，因此，实际上，单纯由剪应力作用形成的剪节理或由张应力作用产生的张节理一般很少见到，剪节理和张节理常常相互被改造、破坏，互相交错、发展。同时在发展过程中，应力作用也会发生转化或变化，以致常常出现一些具有2种节理性质特点的过渡类型，表现为具有张剪性特点，随着裂隙的进一步发展，形成雁列节理。
2 变形破坏机制
边坡岩土体内的应力分布是决定边坡变形破坏的主要机制。根据边坡应力的分布特点，裂隙面的周围是一个应力集中的地带，是影响边坡应力分布的一个重要因素。
在公路建设过程中，边坡的开挖形成过程实际就是组成边坡岩土体内的应力重新分布过程。由于应力的重新分布和集中，打破了原来岩体中的应力平衡，当局部应力集中超过了该部位岩体的容许强度时，则引起局部产出剪切错动、拉裂，使岩体内原有的裂隙进一步延伸、扩展，而发生边坡变形。随着边坡变形的进一步发展，裂隙面不断扩大，当不断扩大的裂隙面相互贯通后，则使边坡岩土体的一部分从坡体中分开，在一定的条件下发生较大的位移，从而产生破坏。
边坡岩体中的节理裂隙发育的范围愈大，切割岩体愈深，则愈容易引起应力集中，产出变形破坏。
3 边坡变形破坏
不同原因引起边坡变形破坏的形式不一样。边坡变形是破坏的前奏，而破坏是变形的结果。下面主要从分析节理引起边坡变形的形式着手来说明其破坏过程和形式。由节理产生边坡变形的形式主要有拉裂和蠕动2种。
3.1拉裂
边坡岩体在局部拉应力集中部位和张应力带内，形成张裂隙的变形称为拉裂。产生拉裂变形的形式主要有3种。
3.1.1因拉应力集中产生的拉裂 在公路建设中，由于边坡开挖，使坡体水平应力显著降低，最小主应力（σ3）中的拉张应力在高边坡的坡面和坡顶附近形成一个张应力带，在张应力带内，拉应力较强，很容易产生与坡面平行的张裂面。如果在坡体中，本来存在有与坡面近于平行的节理裂隙时，则由于受应力集中的影响，节理裂隙极容易进一步发展，形成一些上宽下窄，不断向深处延伸的拉张裂隙，从而使边坡产生拉裂变形。
3.1.2因卸荷回弹产生的拉裂 边坡的开挖过程实际上是一个卸荷回弹的过程。随着边坡的开挖，边坡的侧应力不断被削减，产生卸荷回弹或水平地应力释放，同时在坡体中形成张裂面，即通常所说的卸荷裂隙。这种裂隙易沿原来的裂隙发展，形成与原始坡面相平行的裂隙，并逐步向深部延伸发展。
3.1.3因局部应力集中产生的拉裂 在边坡坡体中，如果存在与边坡倾向基本一致的近水平状的裂隙结构面时，则边坡常会沿该结构面产生一滑动趋势。在平行于坡面的最大主应力（σ1）的作用下，在缓倾角结构面的两侧会产生一些张裂隙。如果边坡中已经存在一些与坡面基本平行的裂隙时，则在σ1的作用下，该裂隙会进一步延伸扩大，而使边坡产生变形。
由于边坡岩土体的拉裂变形作用，使原来的整体性和连续性受到了破坏，强度降低；同时由于拉张裂隙的发展，为地表水和地下水的渗透提供了一有利的通道，使坡体进一步松弛破坏，拉张裂隙面逐渐扩展。而当裂隙结构面相互贯通后，则在坡体上形成一分割体，在一定的外部条件下产生边坡失稳破坏。
在高陡边坡中，若边坡岩体为厚层脆性岩石，且发育有陡张裂缝时，则随着边坡变形的进一步发展，分割体很容易产生以垂直运动为主的崩塌现象。
3.2受节理控制产生的蠕滑变形
当坡体中存在一些近水平或倾向坡外的裂隙面时，边坡岩土体在剪应力的作用下，会产生沿结构面局部向临空方向的剪切变形。这种蠕动变形的位移虽然小，但其实际是边坡失稳的初期阶段，在一定的触发因素条件下，如暴雨、地震、人类工程活动等，常迅速转变为加速蠕变，而形成滑坡现象。
如京福高速公路江西境内的岳口段的某一边坡，是一厚层状红砂岩为主的岩质边坡，岩层面平缓，但由于坡体中发育有倾向坡外的裂隙，边坡开挖引起边坡产生剪切变形，加上受施工爆破和降水的影响，使得该边坡在施工过程中产生较大面积的滑坡。
4 边坡稳定性分析
工程地质勘察过程中，要确定节理裂隙是否对边坡的稳定性造成影响，除了要大量收集和分析边坡所在地区的地质资料、边坡的岩土性质、裂隙发育程度外，还应对边坡稳定性状况、发展趋势以及节理裂隙对边坡的影响程度作出定性的评价和预测。分析节理裂隙对边坡稳定性的最常采用的方法是赤平极射投影法。
赤平极射投影分析法是利用节理裂隙线、面以及边坡在赤平极射投影图中的方位和相互间的角距关系等来初步判断边坡的稳定性。下为一组、二组、三组裂隙结构面构成的边坡的投影图及稳定性分析图。

图1 一组裂隙结构面构成的边坡
(a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；
(c)、(d)稳定结构；(e)不稳定结构

图2 两组裂隙结构面构成的边坡
(a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；(c)稳定结构


图3 三组裂隙结构面构成的边坡
(a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；(c)不稳定结构；(d)基本稳定结构(e)稳定结构
根据对上面投影图的分析，节理裂隙对边坡稳定的影响大致为四种情况。
4.1边坡为稳定结构
当裂隙结构面或结构面交线的倾向与边坡倾向相反时，边坡为稳定结构。图1中 (c)和(d)、图2中(c)、图3中(e)等均属于这种情况。
4.2边坡为基本稳定结构
当裂隙结构面或结构面交线的倾向与坡面倾向基本一致，但其倾角大于边坡坡角时，边坡为基本稳定结构。图1中 (b)、图2中(b)、图3中(b)和(d)等均属于这种情况。
4.3边坡为不稳定结构
当裂隙结构面或结构面交线的倾向与坡面倾向基本一致，但其倾角小于边坡坡角时,边坡为不稳定结构。图1中 (a)、图3中(c)等均属于这种情况。
4.4边坡亦为不稳定结构
当裂隙结构面或结构面交线的倾向与坡面倾向相交，且夹角小于45°，倾角小于坡角时，边坡为不稳定结构。图1中 (e)、图2中(a)、图3中(a)等均属于这种情况。
此外，在实际工作中还常采用工程地质类比法、实体比例投影分析法以及摩擦圆等方法进行对边坡稳定性的定性分析。

当然，节理裂隙的延展长度和深度、张开程度、填充情况以及裂隙的密集程度等均对边坡的稳定性都有着十分重要的影响。一般来说，延伸较长，深度较大的裂隙对边坡的稳定性影响就较大；张开型裂隙比闭合型裂隙对边坡的稳定性影响大；由矿物充填的裂隙比由泥质充填的裂隙对边坡的稳定性影响小；裂隙发育，密集程度大的边坡，比裂隙不发育，密集程度小的边坡更容易引起边坡的变形和破坏。
5 结 语
边坡岩体中裂隙形成的条件和发育情况是不太一样的，每条裂隙对边坡稳定性影响程度也不尽相同，有的在边坡的变形和破坏过程中起着主导作用，有的对边坡稳定性的影响不大。节理裂隙对边坡的影响不但具有不同的变形形式，而且还具有不同的变形性质，边坡稳定性的破坏往往是多条裂隙、多种变形和破坏共同作用的结果。同时影响边坡稳定性的因素很多，包括边坡岩土的类型和性质，岩层层面和软弱结构面，地质构造、水文地质条件以及地表水、大气的作用、岩石风化作用、地震、人为因素影响等；且节理裂隙对边坡稳定性的影响和破坏不是孤立的，单独的，而是和其它因素相结合，共同作用的结果。因此，对边坡稳定性的研究中，应综合各种因素，分析各种变形形式，并充分考虑它们之间的关系，而不能孤立地进行分析和研究；同时也应意识到，大型不良地质构造和现象固然会对边坡稳定性造成影响，但小型节理构造在一定的条件下也同样会对边坡稳定性带来危险甚至灾害，这正所谓“千里之堤，毁于蝼穴”。


参考文献：
[1] 李智毅、王智济、杨裕云编 工程地质学基础.中国地质大学初步社,1990.
[2] 朱志澄、宋鸿林主编 构造地质学.中国地质大学初步社,1990.
[3] 岩土工程手册.中国建筑出版社，1995.
[4] 工程地质手册(第三版).中国建筑出版社,1995.



















图1 一组裂隙结构面构成的边坡
(a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；
(c)、(d)稳定结构；(e)不稳定结构








图2 两组裂隙结构面构成的边坡
(a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；(c)稳定结构









图3 三组裂隙结构面构成的边坡
(a)不稳定结构；(b)基本稳定结构；(c)不稳定结构；(d)基本稳定结构(e)稳定结构