岩质边坡稳定性研究

韩维策

【摘要】岩质边坡与人类活动联系密切，其可靠性会直接影响到建筑主体工程的可行性论证、经济指标和正常使用。因此，加强对于建筑岩质边坡的稳定性及其控制方法的研究具有充足的必要性。本文首先阐述岩质边坡工程的特点及分类，岩质边坡变形破坏的基本模式，并探讨影响岩质边坡稳定性的因素。然后论述岩质边坡稳定性分析与评价方法。

【关键词】：岩质边坡 稳定性 评价

1岩质边坡概述

1.1岩质边坡的特点

边坡按地层岩性可分为岩质边坡和土质边坡，二者的基本物质构成并无实质性的区别，造成这种差别的原因在于其结构的不同。土质边坡主要是由岩石风化均质类介质组成，而岩质边坡是主要由岩体构成的复杂地质体。

岩体结构，一般是指硬质岩层(花岗岩、闪长岩、片麻岩、石灰岩、石英砂岩、矽质砾岩等)，也包括节理发育程度低、弱风化程度的硬质岩石及内摩擦角等于或大于45°的软质岩层(页岩、泥灰岩、云母片岩、千枚岩等)。

与土质边坡相比，岩质边坡呈现出以下特点：1、岩质边坡中存在着大量的裂隙、节理、断层等结构面，使其具有更加明显的结构性；2、自然状态下岩石类介质的强度较高，因此通常情况下岩质边坡的坡高比较大，边坡体内部应力场的变化也更复杂。

1.2岩质边坡变形破坏的基本模式

根据边坡中破坏面的发展情况，可将边坡的失稳过程分为边坡变形和边坡破坏两个阶段。在贯通性破坏面形成之前，边坡岩体出现的小变形或局部破裂，称为边坡变形;而当贯通性破坏面完全形成，并出现大的宏观位移时，称为边坡破坏。

此外，岩质边坡在自然形成的过程中存在着大量的裂隙、节理、断层等结构面，而这些结构面的力学特性相较于结构体的普遍偏低。因此，岩质边坡的破坏类型主要受控于这些存在于岩体中的断层、节理、层间挤压破碎带等岩体内部结构。

1.3影响岩质边坡稳定性的因素

影响岩质边坡稳定性的因素非常复杂，概括起来，各项因素有：

1.地形要素：容易汇集地面水和地下水的山间缓坡地段，易受水流冲刷和淘蚀的山区河流凹岩地段及下陡、中缓、上陡的地形易导致边坡的失稳。

2.岩体结构要素：岩体是有结构的，其变形和破坏由岩体结构控制。岩体结构是影响边坡稳定的主要因素。

3.地质构造要素：地质构造因素包括区域构造特点、边坡地段的褶皱形态、岩层产状、断层和节理裂隙发育特征以及区域新构造运动特点等。在区域构造复杂、新构造运动比较活动的地区，边坡的稳定性较差。

4.气候要素：气象条件影响边坡稳定状况的方式多种多样，有风化作用、降雨作用、风蚀作用以及冻融作用等。但较为突出的是降雨作用，尤其是暴雨。

5.地下水要素：地面水和地下水渗入滑坡体时，会湿润并软化滑动带，产生静水压力、动水压力和上浮力，这些外荷载均能促进滑坡活动。

6.地应力和地震要素：坡体中结构面周边会产生应力集中或应力阻滞现象，当应力集中的量值超过岩体的强度时，边坡岩体便会发生破坏。地应力是控制边坡岩体节理裂隙发育及边坡岩体变形破坏的重要因素之一。

7.人为因素：在堆放材料或建造建筑物、打桩、车辆行驶、爆破等引起的震动等影响下会改变边坡原有的平衡状态，尤其是周期性振动，以附加的动载作用于岩体，加大了下滑力，反复振动还会使岩体原有结构张裂、松弛，出现新的结构面，使岩体变形甚至破坏。

8.时间因素：蠕变是指荷载在常量的情况下，材料的变形随时间的发展过程。边坡岩体中的软弱夹层的抗剪强度往往随着剪应力作用时间的延长而降低，导致弱层蠕动变形就更为明显，具体表现为常引起蠕动边坡的变形、失稳。

2岩质边坡稳定性分析方法

2.1定性分析方法

定性分析方法包括过程机制分析法和工程地质类比法：

1.过程机制分析法是应用边坡变形、破坏的基本规律，通过追溯边坡演变的全过程，对边坡稳定性发展的总趋势和区域性特征作出评价和预测。

2.工程地质类比法是把已有的天然或人工边坡的研究或设计经验应用到条件相似的新边坡的研究或人工边坡的加固设计中。

定性分析方法的优点是能综合考虑各种影响边坡稳定性的因素、迅速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价，但无法具有针对性地精确描述边坡失稳过程的发展。因此，在岩质边坡稳定性分析的前期，根据边坡的工程地质条件，定性地初步判断边坡在荷载作用下的失稳机制，确定适宜的定量分析方法。之后，采用定量分析方法进一步地对边坡的稳定性进行更加深入、精确的分析和描述。

2.2定量分析方法

定量分析方法中，最重要的就是理论计算法，这种方法是将土力学、岩石力学、弹塑性力学、断裂力学、损伤力学等多种力学和数学计算方法应用于边坡稳定性的定量评价和预测。其主要包括极限平衡法和数值计算方法：

1.极限平衡法

极限平衡法是以Mohr-Coulomb抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分成若干垂直条块，建立作用在这些垂直条块上的力的平衡方程，求解稳定性系数，也可称之为垂直条分法。这种方法通过直接对某些多余未知量作假定，使方程式的数量和未知数的数量相等，从而使复杂的工程问题变为静定易解的。

但由于极限平衡法在分析中引入了诸多假定，使其未真实模坡复杂岩质边坡的非均质、各向异性的性态以及连续变形与非连续变形的破坏模式等原因，随着边坡工程规模的不断扩大，基于刚体假定和多个滑动面同时达到临界状态假定的传统极限平衡方法已无法全面地、可靠地评价大型岩质边坡的稳定性。

2.强度折减法

强度折减法首先对结构和地基进行应力应变分析，再根据所得到的位移场和应力场来分析边坡的稳定性。此方法能较为全面地考虑岩土体的复杂性、分析边坡的应力应变状态。不仅有助于对边坡变形和破坏机理的认识，同时，对于极限平衡法的局限性有很大的补充和改进。

所谓强度折减，就是在理想弹塑性有限元计算中，将边坡岩土体的抗剪切强度参数(即粘聚力c和内摩擦角φ，通过除以一个折减系数F的方式，逐渐降低，重新代入试算中，直至边坡达到极限平衡状态、发生剪切破坏为止。此时的折减系数即定义为边坡的稳定性系数FS，也可以理解为强度储备系数，并可同时得到边坡的破坏滑移面(塑性应变和位移突变的地带)。

有限元强度折减法的优势在于：它考虑了岩土体内部的应力应变关系，满足所有的静力许可，可以在岩土体未进行条分、不事先假定临界滑动面位置及形状的情况下，对任意几何形状或不均匀材料的边坡开展分析。因而，此计算方法可得到更接近实际情况的危险滑移面及相应的稳定性系数，同时，具有可根据塑性区的逐步发展观察边坡的渐进破坏过程等诸多优点。

3.结语

在进行边坡稳定性分析前，要详细调查地形、地质和水文条件，研究并确定滑坡的类型及其发展的阶段，分析形成滑坡的主、次因素及彼此的联系，对边坡的稳定性进行综合的分析与判断，为后续边坡防治提供参考。

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