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黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理分析

总第115期 

2005年第11期 西部探矿工程 

WEST—CHINA卜=XPL0RATION ENGINEERING series NO.11 5 

Nov.2005 

文章编号:10¨。4—5716(2005)11—0109—03 中图分类号:TI)824.7 l 文献标识码:B 

黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理分析 

何红前,陈志新,叶万军,温克兵 

(长安大学地质_T-程与测绘_T-程学院,陕西西安710054) 

摘要:对黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理进行了分析,指出其破坏形式有坡面冲刷、坡面剥落掉块、坡体湿 

陷变形、崩塌、滑塌、泥流等几种,其中滑塌最常见。黄土高边坡变形破坏模式主要有滑塌、滑坡的破坏模式;崩塌破坏 

模式和坡面破坏模式等三种。 

关键词:黄土;高边坡;变形破坏;机理分析 

黄土(1oess)是一种第四纪松散沉积物,在世界上分布较广. 

在世界各国中以我国西北地区黄土地层最厚,最完整,发育好,地 

层全,分布连续,其特性较典型 。随着西部大开发的深入,这一 

地区的城市建设、公路、铁路、及水利工程必将得到发展。由于黄 土独特的物质组成、结构及所处的地貌和构造环境,使得在黄土 

地区进行各项工程建设时,都有不同程度地会遇到诸如崩塌、滑 

坡等边坡失稳破坏问题,影响工程施工的顺利进行或工程建筑 

物的正常使用。铁路、水利水电及公路等部门对30m以下的边 

坡都做过系统的研究,但对于30m以上的黄土高边坡设计标准 

基本为空白,有关其变形破坏机理、稳定性及可靠性分析评价等 

方面系统研究还较少,使得设计部门缺少高边坡设计依据。在黄 

土高边坡的工程设计中,基本上凭经验给出,缺乏理论指导。 

1 黄土高边坡的变形破坏形式 

黄土高边坡修建后,挖方边坡以一定的坡比暴露于自然界 

中,经受风化、雨水冲刷及湿陷变形等作用,从而改变边坡的原貌 

或失稳。根据野外调查及前人研究资料,概括总结出如下黄土高 

边坡几种主要的变形破坏形式。 

1.1坡面冲刷 

黄土具有干燥时强度高,浸水后结构破坏,牯聚力迅速减小, 

且变化幅度大的特点。而黄土地区降雨时间集中,又多以暴雨形 

式出现,所以,黄土高边坡极易受雨水及地表水的破坏,表现为击 

溅侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、跌水等形式。 

1.2坡面剥落掉块 

坡面剥落掉块多发生于边坡中部至坡脚。在坡脚处1~2m 

高的地方,普遍出现一条近似水平的压碎带,带内1~20em厚的 

土体如千层饼一样的片状或鳞甲状向外凹出剥落。除坡脚附近 由于压应力作用产生鳞片状和层状剥落外,古土壤反复饱水,干 

裂剥落也是主要原因。另外,坡面上的水分变化,开裂也可产生 

剥落,尤其在阳坡表现更为突出。坡面剥落破坏除在坡脚形成凹 

进的反坡地形进一步引起失稳外,对于坡体稳定的影响不大,但 

不加以保护,其在坡脚路旁的堆积对公路的养护也是值得注意 

的。 1.3坡体湿陷变形 对于 黄土或新近堆积黄土,由于其具有湿陷性,在水的作 

用下,坡面上形成了陷穴或整体下沉,破坏了坡面的整体性。据 

对陕北公路黄土高边坡调查,一些边坡的失稳就是冲刷和湿陷 

破坏坡面,最终失稳。 

1.4崩塌 崩塌多发生在施工阶段或形成较久的陡边坡上。沿坡顶坍 

塌或坡腰以及台阶顶部塌落。坡顶崩塌多出现在新黄土中,坡腰 

及坡脚崩塌多见老黄土中。 

1.5滑塌 

滑塌是黄土高边坡一种常见的破坏形式,在黄土厚度比较 

大 ,尤其是马兰黄土厚度超过30m的地带,黄土滑塌灾害十分 

普遍。它兼有崩塌和滑坡的特征,在破坏土体中局部可见滑动面 

但又不整体下滑,而是带有迅速崩塌破坏的特点,在高陡边坡顶 

部及中部皆有发生。黄土滑塌灾害与降雨无直接关系,这一点与 

黄土滑坡有很大不同。它兼有突发性、频繁性和群发性等特点, 

常给工程带来维修和维护上的麻烦及大量资金浪费,并诱发其 

环境地质问题。 

1.6泥流 泥流多发生在边坡的局部湿润地带或地下水出露部位,土 

工方便、经济易行等优点,可广泛应用于孤石、断裂带、破碎带、人 

工洞穴等地基非均质体的探测,以及混凝土厚度、钢筋混凝土中 钢筋位置及数量的检测。雷达技术的推广应用对提高工程勘察 

质量具有重要意义。需要注意的是探地雷达探测作为一种无损 

探测技术,由于不能直接观察地下物质,因而具有一定的局限性。 对于探地雷达图像的解释要充分消化吸收各种常规资料,对探测 

工程地点进行仔细观察,并在实践中不断积累经验,只有如此,才 

能更好的解释探地雷达图像,使其最大限度的接近于实际情况。 参考文献: [1]王兴泰.工程与环境物探新方法新技术[M].北京:地质出版社. 1996. Ez]李大心.探地雷达方法与应用EM].北京:地质出版社.1994. 

E3] 吕英明,等.探地雷达在非均匀地基勘察中的应用EJ].中 煤田地 质,1997,(1).

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体因饱和而产生塑性流动。这种变形破坏现象在黄土高边坡中 

不多见。 2黄土高边坡变形破坏模式 处于天然状态下的黄土经过开挖后形成高陡边坡.由于其应 

力凋整.将发生一系列的变形,如果边坡设计合理,则变形向趋于 

稳定方向发展,即减速变形.如果其设计值不能满足黄土自稳要 

求.或边坡中存在诸如不利结构面、地下水等因素,变形进一步发 

展.将会使边坡处于不稳定状态,甚至破坏。根据铜黄公路黄土 

高边坡的和陕西省内黄土高边坡的一些凋查,总结出黄土高边坡 

变形破坏的规律和模式。 

2.1滑塌、滑坡的破坏模式 (1)黄土高边坡开挖过程中的蠕动变形后缘拉裂。黄土中 

的天然应力场主要为自重应力,在开挖前.自重应力以垂直方向 

为主.由于人工迅速开挖,形成高陡临空面,其应力要进行调整. 

凋整的结果是应力的偏转,即形成平行于坡面的最大主应力和与 

之垂直相交的最小主应力,两应力的交线成为剪应力轨迹,最大 

主应力的偏转程度与坡高和坡型有着直接关系,其坡越高越明 

显,则剪应力在坡脚越集中,同时在坡脚形成较高的压应力集中。 

如锏黄公路K107+1,t0 ̄300处,其坡脚的黄土及古上壤有明显 

的压裂痕迹.使得土体呈鳞片状,平行于坡面开裂,局部以沿开裂 

面产生剥落。坡体设计和施工成高1O~1 5n 留有平台的多级坡 可以消除或降低这种影响。 

如果坡高较大,坡度较陡,则在坡面上部和坡肩部位形成拉 

应力,而黄土的拉应力强度很低.据前人的试验研究 、.葑土的 

极限抗拉强度变化较大.但其值一般较低(表1)。 

表I黄土极限抗拉强度a变化范围 

土样编 含水量 1: 度 极限抗拉强度。受裂隙影响极限仉 ( , ) (k /m。) (kPa) 慢度。(kPa) 

从表中可以看出Q黄土的极限抗拉强度的变化范围为 

10.5~46.5kPa。 土的极限抗拉强度为9. 1~29.0kt a,其主要 影响因素为含水量和土中的裂隙。特别是在坡顶如存在原生节 

理铀风化裂隙.则抗拉强度为零.所以在坡顶及坡肩易产生张裂。 

(:)黄土边坡的渐进破坏性 。黄土高边坡的失稳现象并不 

是在同一时间内滑动面上各点一起达到极限状态,最可能的模式 

是苊从一个局部开始破裂.-一般足在应力高、强度低的部位首先 

破裂.而一旦发生局部破坏.必然发生应力释放、应力转移和应力 

重新调整,而在破坏了的局域所受到的影响最大,该临域可能由 

原先没有超过强度值转变为超过强度值而发生破坏.使应力集叶1 

区向其它部位转移,这样在不断地发生应力释放、转移和凋整过 

程中。破坏面也在不断的延伸。这种过程继续进行。最后将有两 

种可能.一种是破坏面完全贯穿。滑体将在滑床上开始做加速运 

动。一种是破坏面没有贯穿.在伸展到某一区域后就停止扩展其 前方区域的应力应变均未超过强度值.此时就不会发生整体滑 

动。这种破坏模式称为逐渐发展的破坏或称为渐进性的破坏。 

引起渐进性破坏的原因可能是:①应力和应变分布的不均匀性; 

②发生应变软化特性;③应力释放.;④出现裂缝以及黄土在水作 

用下的软化;⑤土体中存在节理或不连续的结构面;⑥空隙水压 

力增长;⑦小地质掏造;⑧环境影响。 

(3)剪出口形成坡体突滑滑带不断发展.最终在剪出口贯 

通,边坡变形过程中积蓄的能量在此突然释放.坡度陡、位置高的 

边坡体以崩滑方式快速F滑,能量 坡体fj1』突然释放.导致滑体 

前部破碎,后部结构、形态相对完整。 (11)下卧层相对隔水,地表水入渗或沿裂隙灌入产生滑移破 

坏 这种模式仅为滑坡的一个模式。黄上中存在相对隔水层,其 

坡脚一些地段是相对隔水的泥岩、泥质砂岩及风化剥蚀面,相对黄 

土而言,这些层位其渗透系数很小,如果层位较低.又有适当的水 

源补给,则可能在这些层位之上形成黄土的饱和层。黄土的入渗 

系数较小,一般为10’~10 m1/S之间.黄土的役盖较厚.一般情 

况 ,在降水过程中,不叮能人渗到达卜部相对隔水层.但是由于 

张裂隙及一些大的空洞存在,在降水时地表水形成面流.会沿这些 

裂隙、-fLN直接灌入到达一定深度.加之地 水的侧向补给就会在 

该处形成地F潜水或上层滞水,使黄上呈观流塑或软塑状态。这 

样在坡体重力作用下就会沿着薄弱面产生滑动,使边坡破坏。 

在黄土中产生滑动并不完全是一圆弧面,而足前郜为圆弧 

面,后部追踪张裂破坏的上陡下缓的“I ”.形状其典型实例就是 

绛帐黄上高边坡的破坏,实际上陕北许多滑坡也是这种类型。 

2.2崩塌形成模式 

(1)高边坡形成后暴露地表.受到各种外部营力的作用,使坡 

形产生改变,最终下部形成反坡,如有不利的裂隙切割组合成块 

体,最终将产生崩塌破坏。形成反坡的原因如F:①边坡坡脚附 

近为古土壤层。②剪应力在坡脚集中.同时在坡脚形成较高的压 

应力集中。③在坡脚附近.由于其处f饱水带或潮湿带。在冬季 

冻结,春季消融,反复进行.在坡脚形成 进的反坡;④地表水的 

冲刷作用;⑤风化作用等。 

反坡形成后,下部失去支撑,坡体应力会进一步调整。加快变 

形,后缘裂隙张开,如果组合的块体一且形成,将产生崩塌。 

(:)新黄土单一结构黄土高边坡,当地表水没有排水设施的。 

大气降水或灌溉等地表水沿黄上垂直裂隙入渗,久而久之。形成 

黄土洞穴,从而造成边坡崩塌破坏。 

2.3坡面破坏模式 

坡面破坏主要表现为冲刷、湿陷和剥落。冲刷受坡比控制。 坡比直接控制着汇水面积和地表面流的流速,坡面上体的移动与 

水的厚度、流速及土粒的抗剪强度有关,一般情况下.坡面越大。 

其汇流水的厚度越大.冲刷力越强,而坡面越陡.其水流流速越 

大,因此.坡比似乎与坡面冲刷和稳定相互矛盾,也就是适当的坡 

比是决定坡面冲刷的关键。 

边坡愈缓愈稳定,但折学森教授在铜黄公路边坡做现场冲刷 

实验。时发现.黄土边坡坡度不直太缓.舀则易受到冲刷;同时d土 

不宜太陡,否则易使降雨对坡面上裂隙、节理产生冲刷作用,产生 

剥落或局部坍塌,他建议黄土边坡的坡度,一般以(】;0.4)~(】

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