節(jié)理裂隙和邊坡穩(wěn)定性

李勇飛  周予偉
(江西省交通設(shè)計(jì)院  南昌  330002) 

摘  要：根據(jù)公路工程的特點(diǎn)，分析節(jié)理裂隙的力學(xué)性質(zhì)和分類(lèi)，及其對(duì)邊坡的影響機(jī)制和產(chǎn)生邊坡變形破壞的主要形式；介紹利用赤平極射投影方法，分析裂隙結(jié)構(gòu)面和邊坡的關(guān)系，從而定性評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：巖土工程；節(jié)理裂隙；變形破壞；赤平極射投影；定性評(píng)價(jià)；邊坡穩(wěn)定性

0  前  言
對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析，特別是對(duì)高邊坡的穩(wěn)定性分析是公路工程地質(zhì)勘察中的一項(xiàng)十分重要內(nèi)容。而要正確分析邊坡的穩(wěn)定性，除了需要進(jìn)行詳細(xì)工程地質(zhì)勘察外，還必需了解影響邊坡變形和破壞的主要因素，以及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。
節(jié)理裂隙是影響邊坡變形和破壞的重要因素之一，在工程建設(shè)中，因?yàn)楣?jié)理裂隙的影響而產(chǎn)生如滑坡、崩塌等邊坡失穩(wěn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。但是由于節(jié)理裂隙一般為小型構(gòu)造，規(guī)模較小，且分布具有一定局部性；同時(shí)由于節(jié)理裂隙隨著條件變化而不斷發(fā)展變化，因此，它對(duì)邊坡的影響也是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程，對(duì)邊坡的危害也往往具有一定的隱蔽性。因此，在工程地質(zhì)勘察中，它不如軟弱結(jié)構(gòu)面、巖溶塌陷、古滑坡等大型地質(zhì)構(gòu)造那樣被重視，往往很容易被忽視。為了加強(qiáng)對(duì)節(jié)理裂隙的重視和提高公路工程地質(zhì)勘察質(zhì)量，筆者根據(jù)多年從事公路工程地質(zhì)勘察的經(jīng)驗(yàn)，和參考有關(guān)資料，對(duì)節(jié)理裂隙與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行分析與總結(jié)。
1  節(jié)理形成及力學(xué)分類(lèi)
節(jié)理是巖石中的裂隙，是一種沒(méi)有明顯位移的斷裂構(gòu)造。大量發(fā)育的節(jié)理常常引起巖體的不穩(wěn)定，為工程建設(shè)帶來(lái)隱患和災(zāi)害。根據(jù)節(jié)理形成的力學(xué)性質(zhì)，可分為剪節(jié)理和張節(jié)理。
剪節(jié)理是由剪應(yīng)力產(chǎn)生的一種破裂面。它一般呈閉合狀，具有產(chǎn)狀穩(wěn)定，破裂面平直光滑，沿走向和傾向延伸較遠(yuǎn)，常形成共軛X型節(jié)理系和羽狀微裂隙等特點(diǎn)。 剪節(jié)理一般均為構(gòu)造裂隙，是在內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用下形成的節(jié)理，與區(qū)域構(gòu)造和局部構(gòu)造有一定的關(guān)系。因此，其具有發(fā)育的范圍和深度較大，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也較大等特點(diǎn)。它一般切割巖體較深，且常常多條裂隙同時(shí)分布。當(dāng)X型節(jié)理發(fā)育良好
時(shí)，將巖石切割成菱形、棋盤(pán)狀或柱狀等，而如果只
收稿日期：2005-03-30
有一組節(jié)理發(fā)育時(shí)，則多呈等距平行排列。
張節(jié)理是由張應(yīng)力產(chǎn)生的一種破裂面。它一般多開(kāi)口，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，且延伸不遠(yuǎn)，節(jié)理面粗糙等特點(diǎn)。張節(jié)理常呈不規(guī)則的樹(shù)狀或網(wǎng)絡(luò)狀。張節(jié)理可能是構(gòu)造節(jié)理也可能是非構(gòu)造節(jié)理。構(gòu)造性張節(jié)理與剪節(jié)理一樣也是由內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用形成的，具有區(qū)域性和局布構(gòu)造的特點(diǎn)；其發(fā)育的深度和范圍較大，同時(shí)其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響也較大。而非構(gòu)造性張節(jié)理是在外動(dòng)力地質(zhì)作用下形成的，最常見(jiàn)的是由風(fēng)化作用形成的風(fēng)化節(jié)理。非構(gòu)造性張節(jié)理具有產(chǎn)狀和方位極不穩(wěn)定，范圍和深度有限等特點(diǎn)；其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響與巖性和風(fēng)化程度等有關(guān)。
由于地質(zhì)體是經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)作用逐漸形成的，每一個(gè)巖石或巖體均經(jīng)歷長(zhǎng)期、多次的變形和破壞，因此，實(shí)際上，單純由剪應(yīng)力作用形成的剪節(jié)理或由張應(yīng)力作用產(chǎn)生的張節(jié)理一般很少見(jiàn)到，剪節(jié)理和張節(jié)理常常相互被改造、破壞，互相交錯(cuò)、發(fā)展。同時(shí)在發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)力作用也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)化或變化，以致常常出現(xiàn)一些具有2種節(jié)理性質(zhì)特點(diǎn)的過(guò)渡類(lèi)型，表現(xiàn)為具有張剪性特點(diǎn)，隨著裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，形成雁列節(jié)理。
2  變形破壞機(jī)制
邊坡巖土體內(nèi)的應(yīng)力分布是決定邊坡變形破壞的主要機(jī)制。根據(jù)邊坡應(yīng)力的分布特點(diǎn)，裂隙面的周?chē)�是一個(gè)應(yīng)力集中的地帶，是影響邊坡應(yīng)力分布的一個(gè)重要因素。
在公路建設(shè)過(guò)程中，邊坡的開(kāi)挖形成過(guò)程實(shí)際就是組成邊坡巖土體內(nèi)的應(yīng)力重新分布過(guò)程。由于應(yīng)力的重新分布和集中，打破了原來(lái)巖體中的應(yīng)力平衡，當(dāng)局部應(yīng)力集中超過(guò)了該部位巖體的容許強(qiáng)度時(shí)，則引起局部產(chǎn)出剪切錯(cuò)動(dòng)、拉裂，使巖體內(nèi)原有的裂隙進(jìn)一步延伸、擴(kuò)展，而發(fā)生邊坡變形。隨著邊坡變形的進(jìn)一步發(fā)展，裂隙面不斷擴(kuò)大，當(dāng)不斷擴(kuò)大的裂隙面相互貫通后，則使邊坡巖土體的一部分從坡體中分開(kāi)，在一定的條件下發(fā)生較大的位移，從而產(chǎn)生破壞。
邊坡巖體中的節(jié)理裂隙發(fā)育的范圍愈大，切割巖體愈深，則愈容易引起應(yīng)力集中，產(chǎn)出變形破壞。
3  邊坡變形破壞
不同原因引起邊坡變形破壞的形式不一樣。邊坡變形是破壞的前奏，而破壞是變形的結(jié)果。下面主要從分析節(jié)理引起邊坡變形的形式著手來(lái)說(shuō)明其破壞過(guò)程和形式。由節(jié)理產(chǎn)生邊坡變形的形式主要有拉裂和蠕動(dòng)2種。
3.1拉裂
邊坡巖體在局部拉應(yīng)力集中部位和張應(yīng)力帶內(nèi)，形成張裂隙的變形稱(chēng)為拉裂。產(chǎn)生拉裂變形的形式主要有3種。
3.1.1因拉應(yīng)力集中產(chǎn)生的拉裂  在公路建設(shè)中，由于邊坡開(kāi)挖，使坡體水平應(yīng)力顯著降低，最小主應(yīng)力（σ3）中的拉張應(yīng)力在高邊坡的坡面和坡頂附近形成一個(gè)張應(yīng)力帶，在張應(yīng)力帶內(nèi)，拉應(yīng)力較強(qiáng)，很容易產(chǎn)生與坡面平行的張裂面。如果在坡體中，本來(lái)存在有與坡面近于平行的節(jié)理裂隙時(shí)，則由于受應(yīng)力集中的影響，節(jié)理裂隙極容易進(jìn)一步發(fā)展，形成一些上寬下窄，不斷向深處延伸的拉張裂隙，從而使邊坡產(chǎn)生拉裂變形。
3.1.2因卸荷回彈產(chǎn)生的拉裂  邊坡的開(kāi)挖過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)卸荷回彈的過(guò)程。隨著邊坡的開(kāi)挖，邊坡的側(cè)應(yīng)力不斷被削減，產(chǎn)生卸荷回彈或水平地應(yīng)力釋放，同時(shí)在坡體中形成張裂面，即通常所說(shuō)的卸荷裂隙。這種裂隙易沿原來(lái)的裂隙發(fā)展，形成與原始坡面相平行的裂隙，并逐步向深部延伸發(fā)展。
3.1.3因局部應(yīng)力集中產(chǎn)生的拉裂  在邊坡坡體中，如果存在與邊坡傾向基本一致的近水平狀的裂隙結(jié)構(gòu)面時(shí)，則邊坡常會(huì)沿該結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生一滑動(dòng)趨勢(shì)。在平行于坡面的最大主應(yīng)力（σ1）的作用下，在緩傾角結(jié)構(gòu)面的兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一些張裂隙。如果邊坡中已經(jīng)存在一些與坡面基本平行的裂隙時(shí)，則在σ1的作用下，該裂隙會(huì)進(jìn)一步延伸擴(kuò)大，而使邊坡產(chǎn)生變形。
由于邊坡巖土體的拉裂變形作用，使原來(lái)的整體性和連續(xù)性受到了破壞，強(qiáng)度降低；同時(shí)由于拉張裂隙的發(fā)展，為地表水和地下水的滲透提供了一有利的通道，使坡體進(jìn)一步松弛破壞，拉張裂隙面逐漸擴(kuò)展。而當(dāng)裂隙結(jié)構(gòu)面相互貫通后，則在坡體上形成一分割體，在一定的外部條件下產(chǎn)生邊坡失穩(wěn)破壞。
在高陡邊坡中，若邊坡巖體為厚層脆性巖石，且發(fā)育有陡張裂縫時(shí)，則隨著邊坡變形的進(jìn)一步發(fā)展，分割體很容易產(chǎn)生以垂直運(yùn)動(dòng)為主的崩塌現(xiàn)象。
3.2受節(jié)理控制產(chǎn)生的蠕滑變形
當(dāng)坡體中存在一些近水平或傾向坡外的裂隙面時(shí)，邊坡巖土體在剪應(yīng)力的作用下，會(huì)產(chǎn)生沿結(jié)構(gòu)面局部向臨空方向的剪切變形。這種蠕動(dòng)變形的位移雖然小，但其實(shí)際是邊坡失穩(wěn)的初期階段，在一定的觸發(fā)因素條件下，如暴雨、地震、人類(lèi)工程活動(dòng)等，常迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧铀偃渥�，而形成滑坡現(xiàn)象。
如京福高速公路江西境內(nèi)的岳口段的某一邊坡，是一厚層狀紅砂巖為主的巖質(zhì)邊坡，巖層面平緩，但由于坡體中發(fā)育有傾向坡外的裂隙，邊坡開(kāi)挖引起邊坡產(chǎn)生剪切變形，加上受施工爆破和降水的影響，使得該邊坡在施工過(guò)程中產(chǎn)生較大面積的滑坡。
4  邊坡穩(wěn)定性分析
工程地質(zhì)勘察過(guò)程中，要確定節(jié)理裂隙是否對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響，除了要大量收集和分析邊坡所在地區(qū)的地質(zhì)資料、邊坡的巖土性質(zhì)、裂隙發(fā)育程度外，還應(yīng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性狀況、發(fā)展趨勢(shì)以及節(jié)理裂隙對(duì)邊坡的影響程度作出定性的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)。分析節(jié)理裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的最常采用的方法是赤平極射投影法。
赤平極射投影分析法是利用節(jié)理裂隙線、面以及邊坡在赤平極射投影圖中的方位和相互間的角距關(guān)系等來(lái)初步判斷邊坡的穩(wěn)定性。下為一組、二組、三組裂隙結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的邊坡的投影圖及穩(wěn)定性分析圖。

圖1  一組裂隙結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的邊坡
(a)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(b)基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；
(c)、(d)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(e)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

圖2  兩組裂隙結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的邊坡
(a)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(b)基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(c)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)

圖3     三組裂隙結(jié)構(gòu)面構(gòu)成的邊坡
(a)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(b)基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(c)不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)；(d)基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)(e)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
根據(jù)對(duì)上面投影圖的分析，節(jié)理裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響大致為四種情況。
4.1邊坡為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
當(dāng)裂隙結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線的傾向與邊坡傾向相反時(shí)，邊坡為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。圖1中 (c)和(d)、圖2中(c)、圖3中(e)等均屬于這種情況。
4.2邊坡為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
當(dāng)裂隙結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線的傾向與坡面傾向基本一致，但其傾角大于邊坡坡角時(shí)，邊坡為基本穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。圖1中 (b)、圖2中(b)、圖3中(b)和(d)等均屬于這種情況。
4.3邊坡為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
當(dāng)裂隙結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線的傾向與坡面傾向基本一致，但其傾角小于邊坡坡角時(shí),邊坡為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。圖1中 (a)、圖3中(c)等均屬于這種情況。
4.4邊坡亦為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
當(dāng)裂隙結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線的傾向與坡面傾向相交，且?jiàn)A角小于45°，傾角小于坡角時(shí)，邊坡為不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。圖1中 (e)、圖2中(a)、圖3中(a)等均屬于這種情況。
此外，在實(shí)際工作中還常采用工程地質(zhì)類(lèi)比法、實(shí)體比例投影分析法以及摩擦圓等方法進(jìn)行對(duì)邊坡穩(wěn)定性的定性分析。

當(dāng)然，節(jié)理裂隙的延展長(zhǎng)度和深度、張開(kāi)程度、填充情況以及裂隙的密集程度等均對(duì)邊坡的穩(wěn)定性都有著十分重要的影響。一般來(lái)說(shuō)，延伸較長(zhǎng)，深度較大的裂隙對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響就較大；張開(kāi)型裂隙比閉合型裂隙對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響大；由礦物充填的裂隙比由泥質(zhì)充填的裂隙對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響小；裂隙發(fā)育，密集程度大的邊坡，比裂隙不發(fā)育，密集程度小的邊坡更容易引起邊坡的變形和破壞。
5  結(jié)  語(yǔ)
邊坡巖體中裂隙形成的條件和發(fā)育情況是不太一樣的，每條裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響程度也不盡相同，有的在邊坡的變形和破壞過(guò)程中起著主導(dǎo)作用，有的對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響不大。節(jié)理裂隙對(duì)邊坡的影響不但具有不同的變形形式，而且還具有不同的變形性質(zhì)，邊坡穩(wěn)定性的破壞往往是多條裂隙、多種變形和破壞共同作用的結(jié)果。同時(shí)影響邊坡穩(wěn)定性的因素很多，包括邊坡巖土的類(lèi)型和性質(zhì)，巖層層面和軟弱結(jié)構(gòu)面，地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件以及地表水、大氣的作用、巖石風(fēng)化作用、地震、人為因素影響等；且節(jié)理裂隙對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響和破壞不是孤立的，單獨(dú)的，而是和其它因素相結(jié)合，共同作用的結(jié)果。因此，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的研究中，應(yīng)綜合各種因素，分析各種變形形式，并充分考慮它們之間的關(guān)系，而不能孤立地進(jìn)行分析和研究；同時(shí)也應(yīng)意識(shí)到，大型不良地質(zhì)構(gòu)造和現(xiàn)象固然會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響，但小型節(jié)理構(gòu)造在一定的條件下也同樣會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性帶來(lái)危險(xiǎn)甚至災(zāi)害，這正所謂“千里之堤，毀于螻穴”。