边坡稳定影响因素及稳定性分析方法

陆时万

（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550000）

0 引言

边坡是具有倾斜坡面的岩土体，有经构造运动、水流冲刷、风化剥蚀等作用形成的天然边坡，也有因人类活动如道路、工民建、水利水电等工程建设形成的人工边坡。21世纪以来，中国社会经济飞速发展，各类基础设施大规模修建。这过程中形成了大量的边坡，且边坡的高度、复杂程度越来越大，一度成为一个工程项目的重难点控制性工程，消耗了大量的财政投资。边坡稳定问题处理不当的话，不但会影响工程质量，增加工程投资，还会危及生命财产安全。

国内外对边坡稳定的研究已有一百多年历史，大致由最初的定性分析向定量分析发展，随着近代计算机技术的发展，也涌现出许多数值分析电算化方法。定性分析主要有工程类比法、地质历史分析法和图解法等[1]。定量分析主要有极限平衡法、强度折减法、有限单元法等。

1 边坡稳定影响因素

边坡失稳即是边坡土体在重力作用下，由于某些影响因素导致下滑力增大或者抗滑力减少，最终使边坡变形破坏的现象，一般形成滑坡。边坡的稳定受到内因和外因影响，内因主要为岩土体结构特性和水的作用；外因主要有人类生产活动、地震、风化作用及植物等[2]。

1.1 结构特性

岩土体的结构特性对边坡稳定起着决定性作用，主要表现在岩性、颗粒、排列、联结等方面。岩质边坡和土质边坡特性差别较大，若为岩质边坡，稳定性主要受结构面产状控制，若为土质边坡，稳定性主要受滑动面的抗剪强度指标c、φ值控制。

1.2 水的作用

水对边坡工程的影响是多方面且活跃的，大部分岩土工程问题都与水有关。水的影响作用包括软化、泥化、润滑和强化结合水膜等物理作用，也包括溶蚀、水化、水解、离子交换、氧化还原等化学作用，还包括静水压力、动水压力和超静孔隙水压力等水力学作用。

1.3 人类生产活动

人类大量的土地开发建设活动不可避免的对自然地面进行开挖，改变了坡高、坡度及植被情况，破坏了原有的平衡状态。

1.4 地震作用

地震短时内释放大量能量导致岩土体原有结构破坏，出现松动、破裂结构面、孔隙水压力上升、液化等不良影响。

1.5 风化作用和植物影响

风化作用使岩体强度降低，产生裂隙，增加地表水侵蚀通道，进一步加剧破坏。植物作用的影响有好有坏，一方面植物有利于水土保持，稳定坡面，阻止地表水下渗；另一方面植物根系往岩缝中延伸，会加剧裂隙的发展。

2 边坡稳定分析方法

边坡岩土性质多变，具有不确定性，不同地区、不同成分组成、不同历史成因的岩土体具有各自的特性。目前尚未有一套完善的边坡稳定分析方法，大多采用半经验半理论公式进行分析求解。在众多边坡稳定分析方法中，采用较多的同时也是理论基础的是极限平衡法，其他常用的有定性分析法和有限单元法。其他一些边缘理论如能量平衡法、灰色系统分析法、遗传算法、模糊理论分析法、可靠度分析法、快速拉格朗日法、流形元法等，由于采用的理论基础复杂、研究尚不成熟、难以被大众采纳，无法推广。

2.1 定性分析法

定性分析主要有工程类比法、地质历史分析法和图解法等。

工程类比法需要调查收集大量的已建边坡资料，包括边坡地质资料、坡高、坡度、稳定或滑动破坏情况等，形成图表等资料库[3]。将拟建边坡各项参数与资料库进行对比分析，选择能够保证边坡稳定的坡度及加固方式，受一定的人为主观因素影响。

地质历史分析法通过调查边坡岩体的地质历史，分析其成因、发育历史，推演可能的变形发展迹象和基本规律，评价和预测边坡稳定性的总体现况和发展趋势。

图解法是在试验、工程经验、地质学和力学的基础上，将边坡稳定各相关参数计算归纳制成图表，供实际工程需要时查用。图解法有诺模图法和赤平极射投影图法，常用的赤平极射投影图法是对比分析边坡临空面和岩体结构面的相互关系对边坡稳定性进行评价。

2.2 极限平衡法

极限平衡法作为理论基础，衍生出了许多稳定分析方法，主要有整体圆弧滑动法、瑞典条分法、简化毕肖普法、简布法和推力传递法等[4]。

整体圆弧滑动法认为滑动土体是一个刚体，沿圆弧滑面绕着圆弧中心点转动，滑动土体重力产生滑动力矩，滑面摩擦力σntanφ和黏聚力c产生抗滑力矩，抗滑力矩与滑动力矩的比值即为安全系数。由于σn难以通过积分求出，故该法通常只用于φ=0的饱和软黏土（不排水）的情况。

瑞典条分法滑动面也为圆弧，将滑动土体划分成竖直的有限长度的若干土条，进行每个土条的受力分析。瑞典条分法的假定条件是不考虑土条间的影响，即不计条间相互作用力，只考虑土条底部沿滑动面的摩擦力Wicosθitanφi和粘聚力cili。瑞典条分法运用时间长，积累了比较丰富的工程经验，计算得出的安全系数一般偏低10%～20%，对工程来说偏于安全，是工程上常用的方法

简化毕肖普法在条分法基础上作的假定为：土条间只存在水平作用力Pi而不存在切向作用力Hi，或者认为土条两侧切向力相互平衡相抵ΔHi=0。简化毕肖普公式中存在嵌套的安全系数，需要多次迭代求解，得到的安全系数结果略高于瑞典条分法，有2%～7%的误差。

简布法同样需要条分土体，不同的是它适用于任意形状的滑动面而不局限于圆弧。简布法的假定是土条与土条间的作用力的位置已知，于是可以利用闭合的力多边形建立所有平衡条件进行求解。简布法需要多次迭代计算，且需要计算多个不同的滑动面，最终找出最危险滑动面，工作量相当大，一般需要借助计算机编程计算。

推力传递法也适用于任意形状的滑动面，一般将滑动面近视简化为几段折线，在转折点处竖直条分土体，然后假定土条间的作用力的方向已知，一般为平行于上滑块滑动面。推力传递法划分的土条数量少，在明确滑动面的情况下计算次数少。从高到低计算每个滑块的剩余下滑力，都为含安全系数Fs的式子，最后假定最下面一个滑块的剩余下滑力为0，可解得安全系数。

2.3 有限单元法

极限平衡法不研究滑坡体内部的应力应变关系，只从滑坡体整体受力平衡方面分析。而有限单元法将土体划分为有限个微小单元，单元间以节点相互联系，建立起应力-应变本构模型，单元间满足平衡方程和变形协调相容方程，以弹塑性理论为基础分析边坡的失稳机制和整体稳定性。

有限单元法的求解，一种是先得出应力应变成果后，采用传统平衡分析法寻找安全系数最小的最危险滑动面；另一种是通过强度折减法进行分析，即将抗剪强度指标c、φ值进行逐步的折减，代入有限元进行计算，当计算得到边坡处于极限平衡状态时停止，此时的折减系数就是边坡安全系数[5]。

有限单元法考虑了应力应变问题，可做线性分析，也可做非线性分析，适用于任何形状的边坡体，可以模拟有无支挡结构的受力分析，模拟边坡失稳过程和滑移面形状，是被采用较多的一种数值分析方法。

3 实例分析

3.1 项目背景

某道路建设项目，全长1943.883m，拟建为城市次干路，道路宽度25m，双向六车道，主线设计速度为50km/h，匝道设计速度为30km/h。

根据调查和勘察资料，道路K0+940—K1+480左侧边坡，前200m（K0+940—K1+140左侧）主要由强中风化白云岩组成，后半段（K1+140—K1+480左侧）主要由红黏土和强中风化白云岩组成。由于红黏土与强风化白云岩界面平缓，且凹凸不平，所以不考虑岩土界面顺层滑动，强中风化界面不规则，不考虑强中风化界面滑动。本次采用K0+980断面计算整体顺层滑动稳定性，采用K1+220断面计算红黏土及强风化岩体圆弧滑动破坏可能性。

根据调查，边坡坡面方向146°，坡角45°，岩体层单斜产出，倾向120°、倾角26°；J3节理产状为125°∠85°，J4节理产状为290°∠82°。根据赤平投影分析，层面与坡面顺向，J3节理面与坡面顺向，J4节理面与坡面相反，J3节理面倾角较大，近于垂直，易于沿J3节理形成张裂隙。

3.2 顺层滑动稳定性计算

K0+980断面计算整体顺层滑动稳定性，层面之上重度G=16200kN/m，路面荷载Q=0kN/m，滑面按层面特征，考虑到降雨后层面抗剪强度降低，本次根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330—2013）表4.3.1按结合差的硬性结构面下限取值c=60kPa，φ=20°，滑面长L=72.0m，滑面倾角θ=26°。

该断面岩土体沿着已知的平面顺层滑动，可直接通过力学平衡原理，用抗滑力除以下滑力求得边坡稳定安全系数Fs。

经计算K0+980—K1+480左侧边坡1:1放坡情况下，顺层滑动基本稳定，可进一步采取措施增加边坡稳定性。如坡脚增设挡墙；对坡顶地面进行防排水处理，防止地表水沿滑动面下渗减小岩土抗剪参数。

3.3 圆弧滑动稳定性计算

K1+220左侧断面计算红黏土及强风化岩体圆弧滑动破坏可能性。

3.3.1 控制参数

计算目标：安全系数计算。滑裂面形状：圆弧滑动面。不考虑地震。

3.3.2 坡面信息

坡面线段数为2段。坡面线段参数如表1所示。

表1 坡面线段参数

3.3.3 土层信息

不同土性区域数为3个。土层信息如表2所示。

表2 土层信息

3.3.4 计算条件

圆弧稳定分析方法采用Bishop法；土条重切向分力与滑动方向反向时，当下滑力对待；稳定计算目标为自动搜索最危险滑裂面；条分法的土条宽度为1.000m；搜索时的圆心步长为1.000m；搜索时的半径步长为0.200m。

3.3.5 计算结果图

最不利滑动面：滑动圆心为（6.200，34.100）m；滑动半径为27.923m。

滑动安全系数Fs=0.748。

经计算K0+980—K1+480左侧边坡1:1放坡情况下，岩土整体圆弧滑动不稳定，应采取措施增加边坡稳定性。边坡不自稳的情况下，应先考虑放缓放坡坡率，降低边坡下滑趋势，增加滑动安全系数。若因某些客观条件使得用地范围受到限制时，可设置抗滑桩进行支挡加固，缩小占地范围，但需采取工程措施保证坡体稳定情况下开挖施工抗滑桩。同时可结合防排水、改变滑带土等措施对边坡进行处治[6]，防止地表水下渗是保证土体抗剪参数不减小，采用物理化学方法对滑带土进行改良，是增加土体抗剪参数，各种方法均可增加边坡滑动安全系数。

4 结语

边坡稳定影响因素中，岩土体的结构特性和水的影响是最显著的。边坡稳定分析方法一百多年来由定性分析向定量分析发展，近期借助于计算机技术发展了许多数值分析法。岩土体性质具有不确定性，难以采用某一个固定的数学公式进行描述，在大量工程实例基础上积累的经验方法是一笔宝贵财富，工程中定性分析法也被经常使用。极限平衡法是定量分析法中较多使用的方法，也是各种方法的理论基础。有限元单元法利用计算机技术对边坡建立本构模型，分析处理大量的应力应变变形协调数据，代替手工无法完成的繁杂工作，是今后边坡稳定分析方法发展的一个重要方向。