边坡稳定性案例分析

边坡稳定性分析方法综述及案例研究摘要：本文首先介绍实际工程中边坡稳定性分析及处治技术研究的意义，其次介绍边坡破坏的形式及影响因素，并系统地介绍边坡稳定性分析的三大类方法及其原理。

最后结合工程实际案例，采用赤平投影方法和FLAC3D软件数值模拟对案例中涉及的边坡进行了稳定性评价，并提出合理的加固措施。

关键词：边坡稳定性，稳定性分析方法，赤平投影法，数值模拟，边坡加固ABSTRACT: This article firstly introduces the meaning of slope stability analysis in practical projects and study on treatment technology, then demonstrates the forms of slope failure and the influence factors. The article also introduces the three main methods on slope stability analysis and their theories systematically. In the end, according to a practical project, stereographic projection and numerical simulation through FLAC3D software are employed to conduct estimation of stability of a slope involved in the project, and thus the reasonable reinforcement measures.Key Words:slope stability analysis, stability analysis methods, stereographic projection, numerical simulation, slope reinforcement1 引言边坡是指地壳表面一切具有侧向临空面的地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总称。

坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体。

边坡工程的稳定性分析历来是工程界和学术界极为关注的研究课题, 而边坡稳定性分析和评价一直是边坡工程的核心问题。

边坡稳定分析涉及到水利水电工程、铁道工程、公路工程、矿山工程等诸多工程领域，能否正确评价边坡的稳定性并处治加固不稳定边坡常常是此类工程成败的关键, 也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节。

目前研究边坡稳定性的方法主要有三大类[1]，即定性类方法、定量类方法和非确定性方法。

定性类方法主要有过程机制分析法和工程地质类比法，定量类方法主要有刚体极限平衡法和有限元等数值方法，非确定分析方法较多，主要为可靠度法及与计算智能相结合的智能分析方法等新方法。

本文在介绍三大类边坡稳定性分析方法的同时，结合具体工程案例，对案例涉及到的边坡采用赤平投影法和FLAC3D软件进行了稳定性分析及数值模拟，最后对比并给出了该边坡的最佳加固方案。

2 边坡变形破坏基本原理2.1 边坡应力场的基本特征边坡成坡过程中，临空面周围的岩体发生卸荷回弹，引起应力重分布和应力集中等效应。

根据一些线弹性有限元计算成果，边坡成坡后，岩体的应力状态较前发生了以下几个主要方面的变化[2]。

⑴由于应力重分布，边坡周围主应力迹线发生明显偏转。

无论是在重力场条件下，还是在以水平应力为主的构造应力场条件下，其总的特征表现为越靠近临空面，最大主应力越接近平行于临空面，最小主应力则与之近于正交。

⑵由于应力分异的结果，在临空面附近造成应力集中带。

但坡脚区和坡缘（边坡面与坡顶面的交线）区情况有所不同。

坡脚附近最大主应力（相当于临空面的切向应力）显著增高，且越近表面越高；最小主应力（相当于径向应力）显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。

因而，这一带是边坡中应力差或最大剪应力最高的部位，形成一最大剪应力增高带，通常是边坡中最容易发生变形和破坏的部位，往往因此而产生与坡面或坡底面平行的压制拉裂面。

坡缘附近，在一定条件下，坡面的径向应力和坡顶面的切向应力可转为拉应力，形成一张力带。

因而，这些部位的岩体容易被拉裂形成与坡面近于平行的拉裂面。

⑶ 与主应力迹线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线由原先的直线变为近似圆弧线，弧的下凹面朝着临空方向。

⑷ 坡面处由于径向压力实际等于零，所以实际上处于单向应力状态（不考虑边坡走向方向的2σ时），向内渐变为两向或三向（考虑2σ时）状态。

2.2边坡岩体变形破坏基本形式边坡形成过程中，由于应力状态的上述变化，边坡岩土体将发生不同方式、不同规模和不同程度的变形，并在一定条件下发展为破坏。

斜坡破坏的基本类型按运动方式划分为崩落（塌）、倾倒、滑动（落）、侧向扩离和流动等5种基本类型，还可组合成多种复合类型，如滑坡-泥石流。

2.3 影响边坡稳定性的因素2.3.1岩土性质岩土的成因类型、组成的矿物成分、岩土结构和强度等是决定边坡稳定性的重要因素。

由坚硬(密实)、矿物稳定、抗风化性好、强度较高的岩土构成的边坡，其稳定性一般较好；反之就较差。

2.3.2岩体结构岩体包括结构面和结构体。

岩体中结构面的存在，降低了岩体的整体强度，增大了岩体的变形性能，加强了岩体的流变力学特性和其他时间效应，并且加深了岩体的不均匀性、各向异性和非连续性等性质。

大量的岩质边坡工程事故表明，不稳定岩体往往是沿着一个结构面或多个结构面的组合边界产生剪切滑移、张裂破裂和错动变形等而造成边坡岩体的失稳。

2.3.3水文地质条件水文地质条件包括地下水的赋存、补给、径流、排泄条件。

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程度，引起孔隙水压力上升，降低滑动面的有效正应力，导致滑动面的抗滑力减小。

此外，地下水的渗流将对岩土体产生动水力、水位的升高将产生浮托力、地表水对岸坡的侵蚀使其失去侧向或底部支撑等，这些都对边坡的稳定不利。

2.3.4地震作用地震对边坡稳定性的影响极大，地震往往伴随有大量的边坡失稳。

地震作用导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力，当水平地震附加力的作用方向不利时，边坡的下滑力增大，滑动面的抗滑力减小。

另外，在地震作用下，岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低，也对斜坡的稳定不利。

2.3.5地貌因素不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力，并导致坡顶出现张裂缝；在坡脚产生强烈的剪应力，出现剪切破坏带，这些作用极大地降低了边坡的稳定性。

平面上呈凹形的边坡较呈凸形的稳定。

2.3.6风化作用风化作用使岩土的抗剪强度降低，裂隙增加、扩大，影响斜坡的形状和坡度；并且透水性增加，使地面水易于浸入，改变地下水的动态等。

边坡沿裂隙风化时，可使岩土体脱落或沿边坡崩塌、堆积和滑移等。

2.3.7人类工程活动的影响随着人类工程活动规模的日益扩大，人类工程活动对边坡稳定性的影响越来越显著，不当的人类工程活动引起的边坡失稳事故频频发生，使得人们不得不重视人类工程活动对边坡稳定性的影响。

例如，不当的削坡往往使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，从而边坡的稳定性降低；坡顶加载既增加了坡体下滑力，又加大了坡顶张应力和坡脚剪应力的集中程度，使边坡岩土体破坏，降低强度；对于地下开挖，当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，如果地下开挖埋深较大，失稳往往是整体性的。

3 边坡稳定性分析的定性类方法边坡稳定性的定性类方法主要有过程机制分析法和工程地质类比法[2]。

3.1 过程机制分析法过程机制分析法应用边坡变形、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。

过程机制分析法主要包括：⑴根据阶段性规律预测边坡所处演变阶段和发展趋势，⑵根据周期性规律判定促进边坡演变的主导因素，⑶根据区域性规律阐明边坡稳定性分区特征。

3.1.1阶段性规律边坡可能具有的变形形式和破坏方式与斜坡外形特征、地质结构以及所处环境之间是密切相关的。

对于一个具一定外形和结构特征的斜坡，可以应用赤平投影方法综合分析坡体中起控制作用的结构面或软弱带的空间组合状况，即可大致确定斜坡的类型和可能的变形机制及破坏方式[4] [5] [6]。

通过现场调研，查明某一具体斜坡已有的变形迹象，阐明其形成演变机制，即可参照各类变形模式演变图式和阶段划分的地质依据，确定边坡所处演变阶段。

分析中应特别注意变形模式的转化标志。

对于一些重要的边坡，通过现场调研，查明边坡类型和变形机制模式，建立相应的力学和数学模型，采用物理和数值再现模拟，将模拟成果与实际调查情况进行对照，则可对边坡目前的演变阶段和发展趋势作出评价和预测。

3.1.2周期性规律促进斜坡变形破坏的各种因素，在地质历史进程中都有其各自的周期性变化规律。

例如河流由侵蚀变为淤积、由淤积再转为侵蚀；地震的周期性出现以及气象、水文动态的季节性变化和多年变化等。

因而斜坡演变也会具有周期性变化规律，并受到主导因素的周期性变化规律所制约。

追溯斜坡演变过程中的周期性规律，可以判定不同时期促进斜坡演变的主导因素。

3.1.3区域性规律在地质条件、地貌条件以及气候条件相似地区，斜坡演变规律会有相似性。

斜坡演变的区域性规律，实际上决定于动力环境的形成和演变特征。

在进行区域评价时，应注意环境动力因素的演变对斜坡演变的影响。

以近期地质构造活动为例，可以表现在地区近期的升降特征、地区构造最大主压应力方向及其变化、活断层断面特征及活动方式。

3.2 工程地质类比法工程地质类比法是指把所要研究的边坡与已取得勘察资料、建筑经验地质条件类似的边坡进行对照，并作出工程地质评价的方法。

主要是对已有边坡的岩性、结构、自然环境、变形主导因素和发育阶段等作全面分析，并与拟建边坡作出相似性的比较，评价拟建边坡的稳定性和发展趋势。

例如：从失稳边坡与稳定边坡在地貌上不同的特征来判断边坡的演变和稳定性；从边坡的结构和作用等因素的组合来判断边坡稳定性的变化趋向等。

3.2.1边坡稳定条件形态对比法稳定边坡形成要素一般有如下规律性，对于待分析的边坡可与之相比较并初步判断该边坡是否稳定。

1）自然边坡的外形受地质构造、岩性、气候条件、地下水赋存状况等因素影响。

因重力作用，通常稳定的高边坡比稳定的低边坡平缓。

2）影响边坡的重力、岩性、岩体结构、气候条件等因素相同时，人工边坡较自然边坡可维持较陡的坡度。

3）研究表明，对于同一种边坡的稳定自然边坡高度H和坡面投影长度L存在幂函数关系：b=aL(3-1) 参数a、b的取值与边坡岩性有关。