边坡稳定性分析方法综述

天津大学网络教育学院专科毕业论文题目：边坡稳定性分析方法综述完成期限：2015年8月24学习中心：新疆伊犁教学中心专业名称：学生姓名：学生学号：指导教师：曹松荣边坡稳定性分析方法综述一、引言边坡包括天然斜坡和人工开挖的边坡。自然界中的山坡、谷壁、河岸等各种斜坡形成，是地质营力作用的结果。人类工程活动也经常开挖出大量的人工边坡，如路堑边坡，运河渠道、船闸、溢洪道边坡，房屋基坑边坡和露天矿坑的边帮等。边坡的形成，使岩土体内部原有应力状态发生变化，出现应力重分布，其应力状态在各种自然营力及工程影响下，随着边坡演变而又不断变化，使边坡岩土体发生不同形式的变形与破坏。不稳定的天然斜坡和人工边坡，在岩土体重力、水及震动力以及其它因素作用下，常常发生危害性的变形与破坏，导致交通中断，江河堵塞，塘库淤填，甚至酿成巨大灾害。在工程修建中和建成后，必须保证工程地段的边坡有足够的稳定性。边坡的工程地质问题，就是边坡的稳定性问题。边坡稳定性分析和边坡研究的核心，也是一个十分重要的岩土工程问题。在公路、铁路等交通设施的建设以及露天矿井、水利水电、深基坑开挖等大型的坝体工程中，都会遇到各种各样的边坡稳定性问题。边坡失稳轻则增加投资，延长工期，重则损毁建筑物，造成人员伤亡及财产损失等。研究边坡稳定性的目的，在于预测边坡失稳的破坏时间、规模，以及危害程度，事先采取防治措施，减轻地质灾害，使人工边坡的设计达到安全、经济的目的。本文从自然因素和人为因素分析了响边坡稳定性的因素，同时研究了边坡破坏机理及类型，并论述了边坡稳定三种方法，分别是定性分析法，定量分析法，不确定分析法。最后，根据实际情况分析了边坡防护及加固措施。二、影响边坡稳定性的因素边坡的稳定性因素是指在地质、水文、地貌、风化因素以及人类活动等的综合作用下所发生的一系列对边坡的正常运行产生影响的病害。造成边坡裂缝，如不及时治理裂缝，雨水量沿裂缝下渗，进一步造成路基的不均匀沉陷和路基路面对应位置裂缝的发展，进而影响到边坡的稳定（如边坡塌滑、崩裂等）。[1]1、地质条件坚硬岩石由于地质构造引起的失稳以崩塌和结构面失稳为主；软弱岩石是由于应力控制性失稳为主。所谓地质构造影响是指岩石结构面的发育程度、规模、连通性、充填程度及充填物成分和结构面的产出状态对边坡稳定性的影响。2、水文条件边坡水文地质条件的改变必然导致其地下水富集程度的改变。由于岩土体的力学性质受水的影响很大，地下水富集程度的提高一方面增大坡体下滑力；另一方面降低软弱夹层和结构面的抗剪强度，导致不少边坡失稳与边坡水文地质条件恶化有关。水对边坡稳定的影响可分为两个方面，一是水对岩土的软化、侵蚀，降低岩土力学性质；二是水对边坡的冲刷、冲蚀，直接破坏边坡。水对岩土的冲蚀、溶滤作用，弱化甚至破坏岩土的结构，降低岩土的抗剪强度，还可以引起岩土内含水量的增加，容重增大，这都对边坡有不利影响。水的静水压力、动水压力，增大了边坡不稳定岩体的下滑力和对岩石的软化作用。尤其是粘土质岩类遍水易于膨胀和崩解，软弱结构面在水的作用下，其抗剪强度大为降低。所以，很多边坡岩体的变形破坏多发生在降雨的过程中或降雨后不久。降雨对坡面的冲刷、冲蚀，会造成坡面破坏，水流对坡脚的冲刷，是很多边坡破坏最直接的因素。3、地貌因素不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力，并引起坡顶出现张裂缝，在坡脚产生强烈的剪应力，出现剪切坡坏带，这些作用极大地降低边坡的稳定性。边坡面的不利地貌因素与地质构造的不利组合还会导致结构面控制性失稳。4、风化作用风化作用使岩土体强度减小，边坡稳定性降低，促进边坡的变形破坏。大量调查表明，边坡岩体风化愈严重，边坡稳定性愈差，边坡稳定的坡角愈小。在同一地区，不同岩性，其风化程度也不一样，如粘土质岩石比硬砂岩易风化，因而风化层厚度较大，坡角较小，节理裂隙发育的岩石比裂隙少的岩石风化层深，常形成袋状深风化带，具有周期性干湿变化地区的岩石易于风化，风化速度快，边坡稳定性差。因此，在研究风化作用对边坡稳定．性的影响时，必须研究组成边坡岩体的各种岩石的抗风化能力和风化条件的差异，从而预测边坡的发展趋势，以便采取正确的防护措施。5、人类活动因素人类对边坡的不适当开挖、植被的破坏、地表或地下水动力条件的人为改变，都可能造成边坡破坏。影响边坡稳定性的人类工程活动因素有以下几方面。（1）削坡不当的削坡往往坡脚结构面或软弱夹层的覆盖层变薄或切穿，减小坡体滑动面的抗滑力，而边坡的下滑力却没有相应地减小，造成稳定性降低。当结构面或软弱夹层的覆盖层初切穿时，结构面与边坡面构成不利组合，边坡产生结构面控制型失稳。[2]（2）坡顶加载最常见的是在坡顶堆放弃（石）土，坡顶增加荷载一方面增加了坡体的下滑力；另一方面加大坡顶张拉力和坡脚剪应力的集中程度使边坡岩土体破坏，降低强度，因而引起边坡稳定性的降低。当坡顶弃放物为松散物时，情况更为严重。因为松散物减少大气降雨的地表经流，增加大气降雨的入渗量，也会降低边坡稳定性。（3）地下开挖主要包括采矿和开掘铁路、公路隧道，它引起的地表移动和边坡失稳常与下列情况有关：受地下开挖位置影响，地下开挖越接近边坡面，地表移动和边坡失稳越强烈，但其范围却显著减小；近地表的地下采掘往往引起小范围沉降和塌陷，边坡的变形和破坏是局部的；当地下开挖埋深较大时，地表移动和失稳的范围比较大，失稳往往是整体的。受地下开挖规模影响，地下开挖规模越大，边坡的应力场改变越大，在坡顶和坡脚引起的应力集中也越强烈，边坡的稳定性的降低也就越大。受边坡地质条件影响，地下开挖对边坡的影响程度受边坡地质条件控制，地下采掘工程平行于边坡走向，开挖活动往往切割边坡的锁固段，降低了边坡稳定性，甚至使其失稳。如果地下工程垂直于边坡走向，地下开挖对边坡的影响就要小得多。具有先沉陷、后开裂、再滑动的活动规律。地下开挖首先引起地表移动，当地表移动到一定程度时，边坡坡顶附近拉裂、出现拉裂缝，坡脚附近出现剪切带。当边坡岩土体破坏较严重时，拉裂缝与剪切破坏带贯通或近于贯通，边坡滑动面的抗滑力下降，边坡的稳定性显著降低，甚至失稳。三、边坡变形破坏机理和类型边坡的变形与破坏是边坡发展演化过程中两个不同的阶段，变形属量变阶段，而破坏则是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过程。1、边坡变形与破坏特征（1）边坡变形的基本类型卸荷回弹：在成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向(临空面)产生伸长变形，即卸荷回弹。天然应力越大，向临空方向的回弹变形量也越大。往往会伴随产生一系列的张性结构面。蠕变变形：边坡岩体中的应力对于人类工程活动的有限时间来说，可以认为是保持不变的。在这种近似不变的应力作用下，边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形。当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，则这种变形所引起的破坏是局部的。反之，这种变形将导致边坡岩体的整体失稳。这种破裂失稳是经过局部破裂逐渐产生的，几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形破坏过程。（2）边坡破坏的基本类型边坡形成过程中，边坡岩土体内原始应力重新分布，导致岩土体原有平衡状态发生变化。在此条件下，坡体将发生不同程度的局部或整体的变形，以达新的平衡。边坡变形与破坏的发展过程，可以是漫长的，也可以是短暂的。边坡变形与破坏的形式和过程是边坡岩土体内部结构、应力作用方式、外部条件综合影响的结果，因此边坡变形与破坏的类型是多种多样的。对边坡变形与破坏的基本类型的划分，是边坡研究的基础。边坡破坏的基本类型包括以下几个方面：坡面局部破坏坡面局部破坏包括剥落、冲刷和表层滑塌等类型。表层土的松动和剥落是这类变形破坏的常见现象。它是由于水的浸润与蒸发、冻结与融化、日光照射等风化营力对表层土产生复杂的物理化学作用所导致。边坡冲刷是当雨水在边被面上形成的径流，因动力作用携带走边披上较松散的颗粒，形成条带状的冲沟。表层滑塌是由于边坡上有地下水出露，形成点状或带状湿地，产生的被面表层滑塌现象，这类破坏由雨水浸湿、冲刷也能产生。上述这些变形破坏往往是边坡更大规模的变形破坏的前奏。因而，应对轻微的变形破坏及时进行整治，以免进一步发展。对于因径流引起之冲刷，应作好地面排水，使边坡水流量减至最少程度。对已形成之冲沟，应在维修中予以嵌补，以防继续向深处发展。对因地下水所引起的表层滑塌，应作好截断地下水或疏导地下水工程，琉于边坡，以制止边坡变形的发展。边坡整体性破坏：边坡整体坍滑和滑坡均属这类边坡变形破坏。土质边坡在坡顶或上部出现连续的拉张裂缝并下沉，或边坡中、下部出现鼓胀现象，都是边坡整体性破坏和滑动的征兆。一般地区这类破坏多发生在雨季或雨季后。对于有软弱基底的情况，则边坡破坏常与基底的破坏连同在一起。对于这类破坏，在征兆期应加强颈报，以防措手不及，—发生事故。在处理前必须查明产生破坏的原因，切忌随意清挖，以免进一步坍塌，造成破坏范围扩大。当边坡上层为土，下层为基岩，且层间接触面的倾向与边坡方向一致，有时由于水的下渗使接触面润滑，造成上部土质边坡沿接触面滑走的破坏。因此，在勘测、设计过程中必须要对水体在路基中可能起的不良影响充分予以重视。滑坡的有关内容已在第章中专门论述，在此不再重复。崩塌：斜坡岩土体被结构面分割的块体，突然脱离母体以垂直运动为主、翻滚跌跃而下的现象与过程。滑坡：斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面（带），产生以水平运动为主的现象，称为滑坡。倾倒破坏：由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走向与坡面走向近平行时，在自重应力的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的现象称为倾倒破坏（弯曲倾倒）。2、边坡变形破坏的分类边坡破坏的形式主要有崩落、滑坡、倾倒坍塌和滑动等。边坡岩体的破坏类型按破坏机理可分为六类。不同结构的岩体，破坏时破坏机理不同，破坏类型也不同。基本的破坏类型共有6种：①张破裂；②剪破坏；③结构体滚动；④结构体沿结构面滑动；⑤梁板溃屈和弯折破坏；⑥倾倒失稳。完整结构岩体在低应力条件下呈脆性张破裂，在高应力条件下呈柔性剪破坏或塑性流动变形。四、边坡稳定性分析方法边坡的失稳，均涉及到边坡岩、土体在剪切应力作用下的破坏。因此，影响剪切应力和岩、土体抗剪强度的因素，都影响边坡的稳定性。例如，构成边坡岩、土体的工程地质性质及其变化；边坡中断层、层面、不整合面等不连续面的产状与坡面倾向、倾角之间的关系；边坡尺寸和形态的改变；坡脚遭受水的侵蚀或人工开挖；边坡上天然或人工加载；边坡岩、土体中地下水位的升降，以及\o"地震"地震和爆破引起的瞬时振动等，均会在一定程度上改变边坡的稳定性。[3]边坡的稳定性通常以滑动面上的抗滑力与滑动力的比值，即抗滑稳定性系数来表示。这一比值越大，边坡越稳定；反之，边坡越不稳定。评价边坡稳定性的常用方法有下列三种。1、定性分析法定性分析法主要是通过工程地质勘察影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及边坡失稳的力学机制，调查已变形边坡地质体的成因及其演化史，从而给出被评价边坡的一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。其优点是能综合考虑边坡稳定性的多种影响因素，快速地对边坡的稳定状况及其发

展趋势作出评价；缺点是人为主观因素太多，不同经验水平的人在相同的环境地质等条件下也可能会得出完全不同的结论。2、定量分析法定量分析方法中运用最为广泛的是极限平衡法。把可能滑动的岩、土体假定为刚体，通过分析可能滑动面，并把滑动面上的应力简化为均匀分布，进而计算出边坡的稳定性系数。3、不确定分析法随着各种新型理论的引入及对边坡认识的深入，不确定性分析方法也更多的运用到了边坡的稳定性研究当中，其中有代表性的研究方法有可靠性评价法、模糊理论评价法、灰色系统理论评价法、神经网络评价法、突变理论评价法及分形理论评价法等等。进行了滑坡的破坏概率分析，能更准确、全面地判断滑坡的稳定性。五、边坡防护与加固措施当自然条件或其它工程需要使边坡处于不稳定状态时，则需要对边坡的变形破坏进行处治。目前可供采用的边坡加固措施很多，有削坡减载技术、排水与截水措施、锚固措施、混凝土抗剪结构措施、支挡措施、压坡措施以及植物框格护坡、护面等，在边坡处治工程中强调多措施综合治理的原则，以加强边坡的稳定性。1、边坡加固方法（1）混凝土抗滑桩抗滑桩是穿过滑坡体深入稳定土层或岩层的柱形构件，用以支挡滑体的滑动力，一般设置于滑坡的前缘附近，起稳定边坡的作用，用于正在活动的浅层和中层滑坡效果较好。为了能使抗滑桩更有效的防止滑坡，在设置时应将桩身全长的四分之一埋置于滑坡面以下的完整基岩或稳定土层中，并灌浆使桩和周围岩土体构成整体，并设置于滑体前缘部分．使其能承受相当大的压力。（2）混凝土沉井沉井是一种混凝土框架结构，施工中一般可分成数节进行，其结构设计是根据沉井的场地布置、受力状态及基坑的施工条件等因素决定。在高边坡工程中，沉井具有抗滑桩的作用和挡土墙的作用。沉井施工包括平整场地、沉井制作、沉井下沉及封底，且其中的沉井下沉和封底是沉井的施工难点。沉井下沉，是沉井的关键工序，其质量的好坏将直接影响工程的质量和进度，在下沉时，应尽量减少土体作用在沉井外壁的摩阻力；应在混凝土强度达到100％时方可开始挖土下沉；下沉过程中需控制防偏问题，并做好及时纠偏措施等。而封底如不成功，将会导致沉井内部出现渗漏。严重影响沉井寿命，因此，在封底前，应清洗基面；在混凝土强度达到70％时，应浇筑混凝土封底。（3）混凝土挡墙混凝土挡墙是借助自身的重量以支挡滑体的下滑力的一种有效防止滑坡的常用方法，并可与排水等措施联合使用。它能有效地从局部改变滑坡体的受力平衡，阻止滑坡体变形的延展，具有结构简单，能快速起到稳定滑坡作用等优点。在设计混凝土挡墙时。应根据最低滑动面的形状和位置来设计挡墙基础的砌置深度，并在墙后设置泄水孔，使其不仅能削弱作用于挡墙上的静水压力，还能防止墙后积水浸泡基础而造成的挡墙滑移。2、锚杆加固岩土锚固技术是把一种受拉杆件埋入地层中，以提高岩土自身的强度和自稳能力的一门工程技术；由于这种技术大大减轻结构物的自重、节约工程材料并确保工程的安全和稳定，具有显著的经济效益和社会效益，因而目前在工程中得到极其广泛的应用。岩土锚固的基本原理就是利用锚杆(索)周围地层岩土的抗剪强度来传递结构物的拉力以保持地层开挖面的自身稳定（见图4.1）。由于锚杆锚索的使用，它可以提供作用于结构物上以承受外荷的抗力；可以使锚固地层产生压应力区并对加固地层起到加筋作用，可以增强地层的强度，改善地层的力学性能，可以使结构与地层连锁在一起，形成一种共同工作的符合体，使其能有效地承受拉力和剪力。在岩土锚固中通常将锚杆和锚索统称为锚杆。图4.1岩土锚杆采用锚杆加固边坡，能够提供足够的抗滑力，并能提高潜在滑移面上的抗剪强度，有效地阻止坡体位移，这是一般支挡结构所不具备的力学作用。但当锚杆单独用于加固松散软弱岩土体时，锚固力难以发挥作用，在边坡加固中通常与其他支挡结构联合使用，例如锚杆与钢筋混凝土桩联合使用，构成钢筋混凝土排桩式锚杆挡墙，锚杆与钢筋混凝土格架联合使用形成钢筋混凝土格架式锚杆挡墙，锚杆与钢筋混凝土板肋联合使用形成钢筋混凝土板肋式锚杆挡墙，锚杆与钢筋混凝土板肋、锚定板联合使用形成锚定板挡墙，锚杆与钢筋混凝土面板联合使用形成锚板支护结构等。3、边坡种草防护（1）边坡种草防护使用条件：种草防护适用于边坡稳定，坡面冲刷轻微，且宜于草类生长的土质路提与路堑边坡，用以防止表面水土流失，固结表土，增强路基的稳定性。经常浸水或长期浸水的路堤边坡，种草不宜生长，不宜采用种防护。边坡上己扎根的种草防护，可容许缓流水短时冲刷。注意事项：选用草籽应注意当地的土壤和气候条件，通常应以容易生长、根部发达、叶茎低矮、枝叶茂密或有匍匐茎的多年生草种为宜，常用的月白茅草、毛鸭嘴、鱼肩草、果圆、雀稗、鼠尾草和小冠。最好采用几种草籽混合播种，使之生成一个良好的覆盖层。种植时草籽宜掺砂或与土粒拌和，使之播种均匀，播种时间以气候温暖、温度较大的季节为宜。（2）铺草皮防护使用条件：路基坡面上铺草防护，其作用与种草防护相同，前者使用时要求当地有足供挖取使用的草皮地段，但在边坡高陡和坡面冲刷较严重的地方，铺草皮较种草防护收效快。块状草皮的尺寸，一般为20cm×25

cm、25cm×40

cm及30cm×50cm几种；带状草皮一般宽25cm，长200～300cm；草皮厚度根据草根的深度而定，一般为6～10cm，干旱和炎热地方区可增加到15cm.挖草皮时，草皮两端斜切（横切面为平行四边形），铺草皮的方法有平铺草皮、平铺叠置草皮、方格式草皮、卵（片）石方格草皮。注意事项:草皮应选用根系发达、茎矮叶茅草、假俭草等，干枯、腐朽及喜水草种不宜采用，泥沼地区的草皮禁用；铺草皮前应将边坡表面挖松整平，如有地下水露头，应做好排水设施；铺草皮前应在春季或初夏，干燥地区在雨季进行，不宜在冬季寒冷天气施工；路堑边坡铺草皮，应铺过路堑顶部1m或铺至截水沟边。4、边坡种树防护在路基边坡上合理地植树，对于加固路基有良好的效果。也可和种草、铺草皮配合采用，使坡面形成良好的防护层。植树适用于土质边坡及严重风化的岩石边坡和裂隙粘土边坡。但对盐渍土、经常浸水及经常干旱的边坡及粉质土边坡不宜采用。六、工程实例1、工程概况福建温州高速公路K111+780-K112+200左幅高边坡位于宁海县境内,该路段属山岭重丘区,线路在山体中下部经过时都采用路堑形式处理,及对原有山体切削以修建路基,形成了陡坡,破面采用浆砌片石防护.随着时间的推移,边坡岩体表面的浆片石护面墙在风雨等自然因素的侵蚀下逐渐破坏并可能形成碎落块,对高速公路上的车辆和人员安全构成很大的威胁.为寻求合理有效的治理方案，以确保路段的运营安全,通过工程专业技术人员对该路段地质灾害情况的现场勘测调查,设计并确定了处理方案为采用SNS柔性防护。边坡区地层主要有志留系龙马溪组（S1l）和第四系（Q）。①志留系（S）。志留系地层分布于北东部和东部，呈南北向延伸，在本区出露的为罗惹坪组（S1lr）。下部为灰绿色、黄绿色细粒长石石英砂岩、粘土质粉砂岩、粉砂质粘土岩（或页岩），含生物碎屑泥灰岩；上部为灰绿色、黄绿色粘土质粉砂岩夹粉砂质粘土岩（或页岩）。②第四系（Q）。工作区出露的第四纪地层有残坡积层（Qel+dl），崩坡积层（Qcol+dl）、洪积层（Qdl+pl）、滑坡堆积层(Qdel)和人工堆积层（Qml）等类型，其中残坡积层分布最广，其岩性为碎石夹（及）土；崩坡积层为块石夹少量土；滑坡堆积层为碎块石夹（及）土和滑动岩体。除此以外，其他成因的第四系厚度较薄，一般厚度数十厘米至数米。高边坡区地下水主要有第四系孔隙水及基岩裂隙水。其中孔隙水主要赋存于第四系堆积物中，埋深浅，无承压，受大气降水补给，无统一地下水位，季节变化明显。基岩裂隙水主要赋存在砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩风化带和基岩裂隙中，地下水位埋深相对较大。这些过程的力学机制只有用岩石力学理论才能做出接近实际的解释，从而引进了岩石力学的有关概念及理论来分析研究斜坡岩体的变形破坏，并从实践中归纳出了有代表性的变形破坏机制模式。[5]，并将边坡地质体的形成演化机制与其变形破坏的全过程联系起来，使人们对边坡的稳定性研究工作纳入了科学的轨道。在这一时期，中国科学院地质研究所工程地质室提出的岩体结构理论及相应的边坡岩体工程地质力学方法，对边坡的稳定性研究或滑坡分析是一个具有创见性的重要发展。该分析方法的本质在于以岩体结构理论为基础，强调岩体中结构面特别是软弱结构面对边坡岩体变形及边坡失稳破坏的控制作用，运用赤平极射投影及实体比例投影的作图方法，确定边坡潜在不稳定块体可能的几何形态或滑移边界，及与现场滑坡条件相应的滑面岩体强度指标，定量地分析和评价边坡的稳定状态。目前，这种分析方法在我国的边坡工程设计及边坡稳定性分析中已经获得广泛的应用。2、加固措施防护是在边坡自身稳定的基础上进行的，首先应当考虑边坡的加固，加固的方法很多，较有效的方法有：抗滑墙、抗滑桩、预应力锚索、压浆锚柱等。这里值得一提的是：“边防排水”也应作为间接加固边坡的一种方法给予重视，边坡坍塌几乎都是在雨季出现，所以，其作用是显而易见的。对防排水系统的设置为坡顶截水沟按常规方式设置，而坡面碎落台水沟不必每台都设置，在第一台上设备一道水泥混凝土截水沟即可。以上各台浇筑坡度1.5%，厚度20CM的水泥混凝土封闭，在边缘设置拦水带，每25m左右设一道排水沟，将水排入第一台截水沟就能达到理想的排水效果，此外所设竖向排水沟还可以起到对边坡加肋的作用，取消高边坡碎落台上的截水沟可以避免由于施工质量不佳而造成的渗漏水现象。另一个非常值得重视的问题是，在土质或强风化岩石上边坡的坡角也就是路基侧沟边缘，应设置抗滑墙或抗滑桩，以避免牵引式滑坍的产生。”[1]3、防护措施以往的边坡的防护主要考虑防冲刷，防风化即可，现在的边坡防护还要考虑美观利用环保问题。为减少水对边坡的危害，就加上防渗水问题，根据以上几方面的要求，对边坡防护问题提出如下建议：下边坡。“下边坡采用菱形网格加植草防护并加密排水沟。”[2]上边坡。上边坡第一台，根据不同地质情况采用护面墙，浆砌片石护坡，窗孔肋式护坡，六角空心砖护坡等防护形式。以上根据不同地质情况，采用菱菜风格，窗孔肋式护坡，喷射混凝土等防护形式