边坡的稳定性分析

发布于：2022-10-24 13:53:24 来自：道路桥梁/道路工程 [复制转发]

知识点1：概述

边坡包括自然边坡和人工边坡，是岩石表面的天然地质和工程地质的作用范围内具有露天侧向临空面的地质体，它们是广泛分布于地表的一种地貌形态。在工程中常要遇到岩坡稳定的问题，例如在大坝施工过程中，坝肩开挖破坏了自然坡脚，使得岩体内部应力重新分布，常常发生岩坡的不稳定现象。又如在引水隧洞的进出口部位的边坡、溢洪道开挖的边坡、渠道的边坡以及公路、铁路、采矿工程等等都会遇到岩坡稳定的问题。如果岩坡由于力过大和强度过低，则它可以处于不稳定的状态，一部分岩体向下或向外坍滑，这一种现象叫做滑坡。滑坡造成危害很大，为此在施工前，必须做好稳定分析工作。

岩坡不同于一般土质边坡，其特点是岩体结构复杂、断层、节理、裂隙互相切割，块体极不规则，因此岩坡稳定有其独特的性质。它同岩体的结构、块体密度和强度、边坡坡度、高度、岩坡表面和顶部所受荷载，边坡的渗水性能，地下水位的高低等有关。

大部分岩坡在丧失稳定性时的滑动面可能有三种：一种是沿着岩体软弱岩层滑动；另一种是沿着岩体中的结构面滑动；此外，当这两种软弱面不存在时，也可能在岩体中滑动，但主要的是前面两种情况较多。在进行岩坡分析时，应当特别注意结构面和软弱层的影响。

软弱岩层主要是粘土页岩、凝灰岩、泥灰岩、云母片岩、滑石片岩以及含有岩盐或石膏成分的岩层。

结构面包括沉积作用的层面、假整合面、不整合面；火成岩侵入结构面以及冷缩结构面；变质作用的片理，构造作用的断裂结构面等。

结构面中如夹有粘土或其它泥质充填物，则就成为软弱结构面。结构面中的软弱充填物就容易软化，强度大大地降低，促使岩坡发生滑动。

知识点1-2：岩坡的破坏类型

岩坡的破坏类型从形态上来看可分为岩崩和岩滑两种。

1）岩崩。

岩崩一般发生在边坡过陡的岩坡中，这时大块的岩体与岩坡分离而向前倾倒，如图中(a)所示，或者坡顶岩体因某种原因脱落而在坡脚下堆积，如图中(b)、(c)所示，它经常产生于坡顶裂隙发育的地方。其起因或由于风化等原因减弱了节理面的凝聚力，或由于雨水进入裂隙产生水压力所致；或者也可能由于气温变化、冻融松动岩石的结果；其它如植物根造成膨胀压力、地震、雷击等都可造成岩崩现象。

图9-1 岩崩的类型

2）岩滑

岩滑是指一部分岩体沿着岩体较深处某种面的滑动。岩滑可分为平面滑动、楔形滑动以及旋转滑动。

平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿着某一软面(层面、断层、裂隙)的滑动，见图(a)，滑动面的倾角必大于该平面的内摩擦角。平面滑动不仅滑体克服了底部的阻力，而且也克服了两侧的阻力。在软岩中(例如页岩)，如底部倾角远陡于内摩擦角，则岩石本身的破坏即可解除侧边约束，从而产生平面滑动。而在硬岩中，如果不连续面横切坡顶，边坡上岩石两侧分离，则也能发生平面滑动。

楔形滑动是岩体沿两组(或两组以上)的软弱面滑动的现象，见图(b)。在挖方工程中，如果两个不连续面的交线出露，则楔形岩体失去下部支撑作用而滑动。法国马尔帕塞坝的崩溃(1959年)就是岩基楔形滑动的结果。

旋转滑动的滑动面通常呈弧形状，见图(c)，这种滑动一般产生于非成层的均质岩体中。

图9-2 岩滑的类型

岩坡的滑动过程一般可分为三个阶段。

初期是蠕动变形阶段，这一阶段中坡面和坡顶出现拉张裂缝并逐渐加长和加宽，滑坡前缘有时出现挤出现象，地下水位发生变化，有时会发出响声。

第二阶段是滑动破坏阶段，此时滑坡后缘迅速下陷，岩体以极大的速度向下滑动，此一阶段往往造成极大的危害。

最后是逐渐稳定阶段，这一阶段中，疏松的滑体逐渐压密，滑体上的草木逐渐生长，地下水渗出由浑变清等。

在进行岩坡稳定性分析时，首先应当查明岩坡可能的滑动类型，然后对不同类型采用相应的分析方法。严格而言，岩坡滑动大多属空间滑动类型，然后对只有一个平面构成的滑裂面或者滑裂面由多个平面组成而这些面的走向又大致平行者，且沿着走向长度大于坡高时，则也可按平面滑动进行分析，其结果偏于安全方面，在平面分析中，常常把滑动面进行稳定验算。

知识点2：影响边坡稳定性的因素

影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面。内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造、岩土体的结构、岩体的初始应力等。外部因素包括水的作用、工程荷载条件、地震、岩体的风化程度及人为因素。

内在因素对边坡的稳定性起控制作用，外部因素起诱发破坏作用。

1．岩土性质和类型

岩性对边坡的稳定及其边坡的坡高和坡角起重要的控制作用。

2．地质构造和岩体结构的影响

在区域构造比较复杂，褶皱比较强烈，新构造运动比较活动的地区，边坡稳定性差。断层带岩石破碎，风化严重，又是地下水最丰富和活动的地区极易发生滑坡。岩层或结构的产状对边坡稳定也有很大影响，水平岩层的边坡稳定性较好，但存在陡倾的节理裂隙，则易形成崩塌和剥落。

3．水的作用（静水压力、浮托力、动水压力）

地表水和地下水是影响边坡稳定性的重要因素。不少滑坡的典型实例都与水的作用有关或者水是滑坡的触发因素，处于水下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，而不透水的边坡，将承受静水压力；充水的张开裂隙将承受裂隙水静水压力的作用；地下水的渗流，将对边坡岩土体产生动水压力。水对边坡岩体还产生软化或泥化作用；地表水的冲刷，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。

4．工程荷载条件

在水利水电工程中，工程荷载的作用影响边坡的稳定性。例如，拱坝坝肩承受的拱端推力、边坡坡顶附近修建大型水工建筑物引起的坡顶超载、压力隧洞内水压力传递给边坡的裂隙水压力、库水对库岸的浪击淘涮力、为加固边坡所施加的力，如预应力锚杆时所加的预应力等都影响边坡的稳定性。由于工程的运行也可能间接地影响边坡的稳定，例如由引水隧洞运行中的水锤作用，使隧洞围岩承受超静水荷载，引起出口边坡开裂变形等。

5．地震作用

累积效应和触发效应。

6．边坡形态

边坡形态对边坡的稳定性有直接影响。边坡形态系指边坡的高度、长度、剖面形态、平面形态以及边坡的临空条件等。

7．地应力

地应力是控制边坡岩体节理裂隙发育及边坡变形特征的重要因素。此外，地应力尚可直接引起边坡岩体的变形破坏。

8．其它因素

气候条件、风化作用、植物生长以及其它因素都可能影响边坡的稳定状况。

知识点3：边坡稳定性分析与评价

边坡稳定性分析与评价的目的，一是对与工程有关的天然边坡稳定性作出定性和定量评价；二是要为合理地设计人工边坡和边坡变形破坏的防治措施提供依据。

边坡稳定性分析评价的方法主要有：地质分析法(历史成因分析法)、力学计算法、工程地质类比法、过程机制分析法、理论体边坡已有的变形迹象，阐明其形成演变机制。

1．边坡稳定分析方法简介

1）定性分析方法

主要是分析影响边坡稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的可能方式及工程的综合功能等，对边坡的成因及演化历史进行分析，以此评价边坡稳定状况及其可能发展趋势。该方法的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素，快速地对边坡的稳定性做出评价和预测。

①地质分析法（历史成因分析法）

根据边坡的地形地貌形态、地质条件和边坡变形破坏的基本规律，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性做出评价，对已发生过滑坡的边坡，则判断其能否复活或转化。

②工程地质类比法

其实质是把已有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验应用到条件相似的新边坡的研究和人工边坡的研究设计中去。它虽然是一种经验方法，但在边坡设计中，特别是在中小型工程的设计中是很通用的方法。

③图解法。

a.用曲线和诺谟图来表征边坡有关参数之间的定量关系，由此求出边坡稳定性系数，或已知稳定系数及其它参数（φ、c、r结构面倾角、坡角、坡高）仅一个未知的情况下，求出稳定坡角或极限坡高。这是力学计算的简化。b.利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分析软弱结构面的组合关系，分析滑体的形态、滑动方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算创造条件。常用的为赤平极射投影分析法及实体比例投影法。

④边坡稳定专家系统

专家系统Propecter，由斯坦福大学于70年代中期完成的。MIT在80 年代中期研制的测井资料咨询的专家系统也得到成功地应用。

2）定量分析方法

实质是一种半定量的方法，虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍依赖人为的判断。

①极限平衡法

极限平衡法在工程中应用最为广泛，这个方法以摩尔—库仑抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分为若干条块，建立作用在这些条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。

基于该原理的方法很多，如条分法、圆弧法、Bishop法、Janbu法、不平衡传递系数法等。

②数值分析方法

主要是利用数值分析方法求出边坡的应力分布和变形情况，研究岩体中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡的稳定性。这些数值模拟方法包括：有限单元法（FEM）、边界单元法（BEM）、离散元法（DEM）、块体理论（BT）等。

2．圆弧法岩坡稳定性分析

图9-3 圆弧法分析示意图

对于均质的以有及没有断裂面的岩坡，在一定条件下可看作平面问题，用圆弧法进行稳定分析。圆弧法是最简单的分析方法之一。

在用圆弧法进行分析时，首先假定滑动面为一圆弧，把滑动岩体看作为刚体，求滑动面上的滑动力及抗滑力，再求这两个力对滑动圆心的力矩。滑动力矩Ms和抗滑力矩MR之比，即为该岩坡的稳定安全系数Fs：

如果Fs>1，则沿着这个计算滑动面是稳定的；如果Fs≤1，则是不稳定的；如果Fs=1，则说明这个计算滑动面处于极限平衡状态。

由于假定计算滑动面上的各点覆盖岩石重量各不相同，因此，由岩石重量引起在滑动面上各点的法向压力也不同。抗滑力中的摩擦力与法向应力的大小有关，所以应当计算出假定滑动面上各点的法向应力。为此可以把滑弧内的岩石分条，用所谓条分法进行分析，得到假定滑动面上的安全系数为

图9-4 不同条件下均质岩坡坡高与坡角关系曲线

根据用圆弧法的大量计算结果，有人已经绘制了如图所示的曲线，该曲线表示当一定的任何物理力学性质时坡高与坡角的关系。在图上，横轴表示坡角a ，纵轴表示坡高系数H'，H90表示均质垂直岩坡的极限高度，亦即坡顶张裂缝的最大深度，用下式计算：

利用这些曲线可以很快地决定坡高或坡角，其计算步骤如下：

1)根据岩体的性质指标(c、、 )按上式确定H90；

2)如果已知坡角，需要求坡高，则在横轴上找到已知坡角值的点，自该点向上作一条垂直线，相交于对应已知内摩擦角的曲线，得到一个交点，然后从这一点作一条水平线交于纵轴，求得H'，将H’乘以H90'，即得所要求的坡高H

3)如果已知坡高H需要确定坡角，则首先用下式确定H'

根据H'，从纵轴上找到相应点，通过该点作一条水平线，相交于对应已知的曲线，得到一个交点，然后从该交点作向下的垂直线，交于横轴，求得坡角。

3．平面滑动稳定分析方法

1）平面滑动的一般条件

岩坡沿着单一的平面发生滑动，一般必须满足下列几何条件:

①滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行(约在的范围内)；

②滑动面必须在边坡面露出，即滑动面的倾角必小于坡面的倾角a，即<α；

③滑动面的倾角必大于该平面的摩擦角J ，即 >j；

④岩体中必须存在对于滑动阻力很小的分离面，以定出滑动的侧面边界。

2）平面滑动分析

大多数岩坡在滑动之前坡顶上或在坡面上出现张裂缝。张裂缝中不可避免地还充有水，从而产生侧向水压力，使岩坡的稳定性降低。在分析中往往作下列假定：

①滑动面及张裂缝的走向平行于坡面；

②张裂缝垂直，其中充水深度为Zω；

③水沿张裂缝底进入滑动面渗漏，张裂缝底与坡趾间的长度内水压力按线性变至零；

④滑动块体重量W、滑动面上水压力U和张裂缝中水压力V三均通过滑体的重心。

潜在滑动面上的安全系数，要按极限平衡条件求得。这时，安全系数等于总抗滑力与总滑动力之比，即

式中：L为滑动面长度(每单位宽度内的面积)，

W按下列公式计算，当张裂缝位于坡顶面时：

当张裂缝位于坡面上时：

将式无量纲化，得到

式中：

当张裂缝在坡顶面上时，

P、Q、R、S均为无量纲的，即它们只取决于边坡的几何要素，而不取决于边坡尺寸。因此，当黏聚力c=0时，安全系数不取决于边坡的具体尺寸。

下面几张图分别表示各种几何要素的边坡的P、S、Q的值，可供计算使用，两种张裂缝的位置都包括在Q比值的图解曲线中，所以不论边坡外形如何，都不需检查张裂缝的位置，就能求得Q值。但应注意，张裂缝的深度一律从坡顶面算起。

4．双平面滑动岩坡稳定性分析

岩坡内有两条相交的结构面，形成潜在的滑动面，如右图所示。上面的滑动面的倾角α1大于结构面内摩擦角φ1。设c1=0 ，上面的岩块体为主动滑块体。下面的潜在滑动面的倾角α2小于结构面的内摩擦角φ2，为被动滑块体。假设主动块体与被动块体之间的边界面为垂直，为极限平衡而所需施加的支撑力：

式中：1 、2 、以及3 分别为上面滑动面、下滑动面以及垂直滑动面上所用的摩擦角；W1和W2分别为单位宽度主动和被动滑块体的重量。

假定1=2=3= ，如果已知Fb、W1、W2 、a1 和 a2之值，则可以用下列方法确定岩坡的安全系数：首先用上述关于Fb 的公式确定保持极限平衡而所需要的摩擦角值，然后将岩体结构面上的设计彩的内摩擦角值与之比较，用下列公式确定安全系数：

5．力多边形法岩坡稳定性分析

两个或两个以上多平面的滑动或者其它形式的折线和不规则曲线的滑动，都可以按照极限平衡条件，用力多边形(分条图解)法来进行分析。

假定根据工程地质分析，ABC是一个可能的滑动面，将这个滑动区域用垂直线划分为若干岩条，对于每一岩条都考虑到相邻岩条的反作用力，并绘制每一岩条的力多边形。以第i条为例，岩条上作用着下列各个力，如图b所示，根据这些力，绘制力的多边形如图c所示。

如果绘制到最后一个力多边形是闭合的，则说明岩坡处于平衡状态，即稳定安全系数等于1，如图c中实线所示。如果绘出的力多边形不闭合，如图c中左边的虚线箭头所示，则说明该岩坡是不稳定的，因为为了图形的闭合还缺少一部分凝聚力。如果最后的力多边形如右边的虚线箭头所示，则说明岩坡是稳定的，因为为了多边形的闭合还少用一些凝聚力，亦即凝聚力还有多余。

用岩体的凝聚力c和内摩擦角进行分析，只能看到岩坡是稳定的还是不稳定的，但不能求出岩坡的稳定安全系数来。为了求得安全系数必须进行多次的试算。这时一般可以先假定一个安全系数，例如(Fs)1，把岩体的凝聚力c和内摩擦系数tg都除以(F2)1，亦即得到

然后用c1、1 进行上述图解验算。如果图解结果显示力多边形刚好是闭合的，则所假定的安全系数就是在这一滑动面下的岩坡安全系数；如果不闭合，则重新假定安全系数，(Fs)2 …… (Fs)n，用c2，2 …… cn，n 进行计算，直至闭合为止，求出真正的安全系数。如果岩坡有水压力、地震力以及其它的力也可在图解中把它们包括进去。