岩层边坡稳定性分析方法的探讨

胡开智

(黑龙江省嫩江高等级公路管理处，黑龙江 黑河 161400)

岩层边坡稳定性分析方法的探讨

胡开智

(黑龙江省嫩江高等级公路管理处，黑龙江 黑河 161400)

边坡失稳是公路工程建设中经常遇到的重要问题之一。随着近年来高速公路走进山区，岩石边坡失稳现象屡出不鲜，给工程建设带来了严重危害，给人民生命财产造成严重损失。在公路工程设计过程中，由于客观原因无法全面了解岩体的内部构造，在基础资料有限的前提下，如何恰当地对边坡的稳定性进行分析是个急待研究的课题。

岩石边坡；稳定性；形成原因；分析方法

1 岩石边坡破坏的类型及形成的原因

1.1 边坡失稳的外部因素

(1)边坡开挖或超挖，改变了边坡形态，破坏了原岩体的力学平衡条件，而又未能及时加固补强。

(2)人类活动的影响，包括施工用水、动荷载、爆破扰动等。

(3)施工过程中，临时荷载增大。

(4)自然因素影响，如地震、强降雨等。

1.2 边坡失稳的主要内因

(1)在一定深度范围内存在软弱结构面。结构面的抗剪强度指标较小，当底部开挖时支撑力减少，加之地下水的作用降低了滑动面的抗剪强度，因而造成边坡失稳。

(2)开挖过程中由于应力重分布使边坡岩体产生塑性变形。研究边坡失稳因素旨在通过必要的设计、施工手段对边坡失稳加以预防，确保工程施工和运营安全。而准确的稳定性评价结果、正确的设计方法是减少失稳诱因的关键所在。

2 边坡稳定性分析方法

2.1 工程地质法

该法实际上是一种经验方法，设计时对沿线的工程地质条件、岩体特点(结构、产状及岩性等)，进行综合调查，根据工程需求并参照当地已有老路边坡状况确定边坡率。

就岩层层面与路基边坡面两者间的走向关系，有逆向坡、横向坡和顺向坡之分。一般条件下，逆向坡有利于边坡的稳定，但还应结合其他地质条件如：边坡高度、岩石破碎程度等加以分析。顺向坡时一般对边坡的稳定性不利，但当岩层倾角ω<15°以及ω>50°时边坡亦基本属于稳定，当15°<ω<50°时边坡不稳定。横向坡的情况较为复杂，其边坡稳定性一般介于上述两者之间，视岩层与边坡走向的交角θ，边坡角α以及岩层倾角ω的三角关系而定。一般情况θ>50°时，边坡稳定；θ<50°时，视岩层倾角而定，根据经验公式：ω0=2.3(θ/10-0.35)-ω，由已知θ值解得ω0与实地ω值比较，如果ω<ω0表示边坡稳定，该边坡不稳定(ω=15°～50°)，或边坡有条件稳定(ω>50°)。

2.2 力学分析法

从简化计算、便于操作的角度出发，一般认为边坡失稳时岩体沿一斜面下滑，而对于层状构造的边坡岩体，这个滑动面的角度就是其岩层倾角。从而可以建立一个简单的力学模型，利用极限平衡原理进行边坡稳定性分析。

顺向坡时，如果边坡角α大于岩层倾角ω，部分岩体在自重及可能存在的裂隙水的作用下，沿层面滑动，此时滑动体的重力为

Q=0.5.γ.L.h. sin(α-ω)/sinα

代入静力平衡方程

K=Q.cosω.tanψ+cL/(sinQ.ω)

得到某一边坡高度时滑动稳定系数K值。对于高速公路，一般K≥1.35时认为边坡稳定。

实际工程中，单一顺向坡并不多见，多数情况下为横向坡，而且岩层往往具有两组或多组结构面。图1所示为两组结构面ΔABD和ΔBCD的滑动岩体，成半角锥体，其中岩层(主结构面)走向AB与边坡面的交角为θ，滑动岩体在重力作用下产生新的断裂面与层面交接线BD之倾角ω，同时坡角α方向一致。

图中BD=H/sinωCD=H/sinα由ΔBCD按正弦定律及ΔABC正切关系得

AB=H.sin(α-ω)/CD=H/(sinα.sinω.tanθ)

ΔABD面积F1=BD.AB/2

ΔBCD面积F2=H.BC/2

滑动岩体的锥形高度

Hz=CD.sin(α-ω)

滑动岩体的重力及其分布

Q=F1.Hz.γ/3

N=Q.cosω

T=Q.sinω

极限平衡状态下，抗滑力与滑动力相等，即：T=N.tanψ+F1.c1+F2.c2

式中：c1、c2为相应结构面的粘结力；ψ为其内摩擦角。

将相关数值代入，整理后得

H=3.sinα. (c1+c2.sinω.tanθ)/γ.cosω(tanω- tanψ).sin(α-ω)

由上式可知：当ω趋近于ψ或是趋近于90°时，H趋向于无穷大；c、ψ及增大，H随之增大，H随之增大；α=ω时，上图H为无穷大，边坡最稳定。

图1 两组结构面滑动图

力学分析结论虽然较为可信，但其准确性依赖于计算过程中各项岩土力学参数的选用。譬如软弱结构面上的c值，在很大程度上左右着计算结果。因而，在边坡稳定性分析的过程中，无论采用什么方法，准确的地质勘探资料十分重要。

3 保持边坡稳定的措施

(1)改变边坡几何形态。对于岩石质边坡通常采用在边坡的上半部分开始边坡坡度逐步放缓，或是从边坡上部到下部从上到下逐渐放缓边坡坡度。为了方便施工，要求控制边坡的变化点，越少越好，要在设计上合理布局，尽量减少边坡受雨水冲刷，从而保持边坡的稳定性，防止边坡失稳。

(2)边坡排水。为了防止水不能及时排除而对边坡产生渗透、加重边坡的重量、土体强度低、有效的阻止水对边坡的冲刷，要对边坡的地表水，地面水进行排除。在坡体四周修建环形排水沟，有支撑渗沟、边坡渗沟、暗沟、平孔等。

(3)支挡结构及内部加强的措施综合运用。在边坡脚处设置支挡结构物以保护边坡稳定。采用加筋挡土墙、重力式挡土墙、锚杆挡土墙等。支挡结构物的尺寸和位置应符合设计要求，严禁擅自减小结构尺寸、减短抗滑桩桩长、减短锚索长度等。

(4)改变边坡工程基底的状况。对边坡基底的强度进行加强，对边坡滑动面的摩擦力要进行加强或增强边坡的抗滑阻力，如对表层的松软土进行清理，边坡的设置最好处于土质良好的坚实的硬土层上。

(5)植物防护。对于土质边坡来说，植物防护是最便捷的防护方法。可以在边坡上种植草或铺草坪等。植物防护既可以对环境进行美化，又可以有效的防止边坡失稳。

4 结 语

基于岩土工程本身复杂的特点，目前还没有很精确的边坡稳定性分析理论。本文所提出的方法的出发点是，在公路设计过程中基础资料有限、岩石边坡出现频繁且岩层结构相对简单的情况下，如何利用简易的手段对岩体稳定进行分析和评价，以便能够较接近地估计实际工程量以及对施工和运营中可能发生的事故进行有效的前瞻并提出适当防治措施。

[1] 石豫川,冯文凯,冯学钢,等.国道108线某段缓倾角顺层边坡变形破坏机制物理模拟研究[J].成都理工大学学报(自然科学版)，2003，(4).

[2] 栾茂田,武亚军,年廷凯.强度折减有限元法中边坡失稳的塑性区判据及其应用[J].防灾减灾工程学报，2003，(3).

[3] 高永利，张振文，代凤红，等.基于人工神经网络的井泉滑坡稳定性[J].辽宁工程技术大学学报，2006，(S2).

Discussion on analysis method of rock stratum side slope stabilit

HU Kai-zhi

(Heilongjiang Nenjiang High-grade Highway Management Office,Heihe,Heilongjiang 161400,China)

Side slope instability is an important problem of road construction. With more and more highway come into the mountain area, the phenomenon of rock stratum side slope instability exists frequently, which brings serious harm to construction and people’s life and property. In the process of road design, the internal structure of rock stratum can’t be changed for some objective causes. So how to correctly analyze the stability of side slope should be researched immediately based on the limited basic data.

rock stratum side slope; stability; formation cause; analysis method

2015-08-19

胡开智(1975-)，男，高级工程师，研究方向：道路与桥梁工程。

U417

C

1008-3383(2016)02-0012-02