影响岩土边坡稳定的因素及应力分布特征

王强　冯涛

摘 要：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、河岸等各种斜坡的形成，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坡等，文章将对影响岩土边坡稳定的因素及应力分布特征进行分析，指导水利水电工程边坡的设计与施工。

关键词：临空面；失稳破坏；边坡稳定；应力分布

1 边坡稳定的基本分析方法

水利水电工程中边坡的稳定问题，水库库岸边坡的垮塌问题，是水利工程设计中充分论证的问题。对边坡的稳定性进行分析，目的在于查明过程地段天然边坡是否可能产生危害性的变形与破坏，论证其变形与破坏的形式、方向和规模；并事先采取防治措施，减轻地质灾害，采取经济合理的工程措施使人工边坡的设计达到安全、经济的目的，以保证边坡在工程运营期间不致发生危害性的变形和破坏。

边坡工程地质研究的目的是查明边坡基本工程地质条件，评价和预测其稳定性，提出相应有效的防治措施。在边坡工程地质研究中，应对边坡稳定性做专门评价。边坡稳定性的评价方法可归纳为三种：一是工程地质分析法；二是理论计算法，包括公式计算法、图解法以及数值分析法；三是试验及观测方法。前两种方法应用很普遍，第三种一般用在大型或者重要的水利工程之中，当然，这些方法是互为补充和共同采用的。

2 影响岩土边坡稳定的因素

2.1 构成岩体的岩石性质

各类岩石的物理力学性质不同，所以影响边坡岩体的稳定性及所能维持岩体稳定最大坡角的程度也不同。

火成岩（岩浆岩）一般岩土性均一，力学指标较高，新鲜完善者均能使边坡保持陡立并处于稳定状态。但其中流纹岩和玄武岩常因原生节理发育而影响边坡稳定。凝灰岩则因易风化或有夹层存在而对边坡稳定不利。

水成岩（沉积岩）中一般厚层且含硅质较多的砂岩、砾岩、石灰岩等的边坡稳定性较好，而含黏土矿物成分多的黏土岩、页岩、泥灰岩等，常发生边坡失稳现象。

变质岩中片麻岩、石英岩等坚硬岩石均较稳定，而云母片岩、绿泥石片岩、千枚岩、板岩等稳定性较差。在绢云母片岩、滑石片岩中还常见到蠕变现象。

2.2 岩体的结构特征

岩土边坡的失稳破坏多数是沿各种软弱结构面发生，此外在河谷边坡上，有时两侧被冲沟切割而形成三面临空的岩体时，则常由一组倾向河床的软弱结构面称为滑动面。

2.3 风化作用活跃的程度

风化作用活跃的地方：一是在坡体中温度和湿度变化频繁的部位，如坡面附近的湿度变化带、高寒地区的昼夜或季节冻融带、地下水位季节变动等；二是坡体中抗风化能力相对薄弱的部位。在寒冷地区，坡面附近温度昼夜的变化，常使渗入裂隙中的水反复冻融，从而扩展裂隙，使岩体碎裂，成为可能发生滑塌式滑坡的重要因素。风化作用沿易风化岩石或断裂破碎深入坡体、造成风化夹层或囊状风化带，它们常是导致斜坡变形破坏的主导原因。

2.4 地下水的作用

坡体中发育有强烈溶蚀，渗透变形或泥化作用等地下水作用的活动带时，这些部位常成为导致边坡变形破坏的控制带。边坡在风化过程中，由于强风化层和残积土层的透水性能差，因而在强弱风化带接触部位可形成一个承压的地下水活跃带，具有较高孔隙水压力，常常加大了在此软弱结构面的下滑力而导致坡体的下滑。

2.5 人为因素

在边坡上部修建工程，一般增加了变形体的荷载，也增加了变形体的滑动力；在边坡岩体内或附近进行爆破，往往有与地震相似的影响，成为触发边坡破坏的诱因；在边坡岩体坡脚处开挖，会使变形体的抗滑力削弱，而造成变形体的失稳。

3 边坡应力分布特征及结论

边坡的变形与破坏，决定于坡体中的应力分布和岩土体的强度特点。了解坡体中的应力分布特征，对认识边坡变形与破坏机制很有必要，对正确评价边坡稳定，制定切合实际的设计和整治方案有指导意义。

边坡开挖以后，上部岩体一部分被挖掉，由于卸荷作用，使岩体内的应力重新调整，从而出现应力重分布的现象。在靠近边坡坡面附近，最大主应力方向近于平行临空面。在陡峻边坡的坡面和坡顶则会出现拉应力，并形成拉应力带。在坡脚附近形成剪应力集中带，愈近坡脚应力集中程度愈高。边坡应力分布特征主要与坡脚的坡形密切相关。通常，边坡的坡形是指坡横断面的现状。边坡的坡形主要有直线坡，即一坡到顶型；折线形，就是下陡上缓型或者上陡下缓型边坡；还有台阶坡型，因此在不同坡形的边坡中，应力分布特征图也区分为这三种类型。理论分析和实际调查表明，边坡坡脚处集中应力可能导致边坡的剪切破坏，边坡坡顶的拉张区可能引起平行坡面的拉张裂缝，因此，应力集中区和拉张区的分布是边坡分析中最值得注意的问题。

不论边坡采用何种坡形，其坡脚的应力状态是边坡研究设计的重点。但边坡不同，各自的应力状态不同。直线坡的应力集中区在坡脚处。折线坡有两个重点应力区：坡脚和变坡点。当坡形为下陡、上缓时，坡脚是应力集中区，变坡点是拉张区；当坡形为上陡、下缓时，应力集中区在变坡点，消除了坡脚的应力集中。同时由于应力集中点向坡顶上移，降低了它的埋深，使集中的应力值下降，对边坡稳定有利。但是当坡脚需要防护时，在坡腰处修建支挡防护工程是不方便的，也给下部缓坡增加了额外荷载，所以，在实际工程中不宜采用这种坡形。

台阶坡的应力状态表现为台阶上、下坡脚的集中应力和平台坡顶的拉张。虽然平台的设置降低并分散了应力在坡脚的集中，改善了边坡力学特征。但是在平台处，由于平台后缘的剪切和平台前缘的拉张互相交叉，使该处的应力分布十分复杂，容易产生破坏。因此，要求平台应达到一定宽度。

参考文献

[1] 赵祥生，马少龙，邹湘华，修泽雷.秦巴地区碧口群时代层序、火山作用及含矿性研究[J].西北地质科学，1990（29）：1-144.

[2] 王雪野.耀州区斜坡变形破坏模式及其机理分析[D].西安：长安大学，2012.

[3] 姜立春，张吉龙，李建锋.露天铝土矿山内排土场滑坡破坏模式分析及工程防治[J].有色金属（矿山部分），2007（06）：27-31.