一、工作任务
通过边坡稳定性分析知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：
（1）掌握结构面、结构体、地应力的基本概念及岩体结构类型分类。
（2）掌握边坡变形破坏的基本类型及特征。
（3）掌握边坡应力分布的一般特征及稳定性分析方法。
二、相关配套知识
边坡包括天然斜坡和人工开挖的斜坡。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，随着边坡演变而不断变化，使边坡岩土体发生不同形式的变形与破坏。
（一）岩体结构与地应力
1.岩 体
从地质观点出发，岩体通常是指由各种岩石体自然组合而成的“岩石结构物”，具有不连续性、非均质性和各向异性的特点。从工程观点出发，则将与工程建筑有关的那部分岩体叫作工程岩体，有时简称岩体。岩体可分为地基岩体、边坡岩体和洞室围岩岩体等。
2.结构面
结构面是指岩体中力学性质不连续的界面，通常没有或只有低级的抗拉强度。结构面按成因可分为原生结构面、构造结构面和次生结构面。
原生结构面指岩石形成过程中产生的结构面。可分为：沉积岩形成时产生的沉积结构面，如层理、层面、软弱夹层等；岩浆岩形成时产生的火成结构面，如冷缩节理、侵入接触面等；变质岩形成时产生的变质结构面，如片理面。
构造结构面指地壳运动引起岩石变形破坏形成的破裂面，如构造节理、断层、劈理等。
次生结构面指地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀等作用形成的不连续界面，如风化裂隙、卸荷裂隙、爆破裂隙、泥化夹层、不整合接触面等。
3.结构体
岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体叫结构体。受结构面组数、密度、产状、长度等影响，结构体可以形成各种形状，常见的有块状、柱状、板状、锥状、楔形体、棱面体等。结构体形状、大小、产状和所处位置不同，其工程稳定性大不一样。
4.岩体结构及类型
岩体中结构面和结构体的组合关系叫岩体结构，其组合类型叫岩体结构类型。不同岩体结构类型见表4-1。
表4-1 岩体按结构类型分类
5.地应力
地应力也称天然应力、原岩应力、初始应力、一次应力，是指早期存在于地壳岩体中的应力。由于工程开挖，一定范围内岩体中的应力受到挠动而重新分布，称为二次应力或挠动应力，在地下工程中称围岩应力。
岩体是天然状态下在长期、复杂的地质作用下的产物，岩体中的地应力场是多种不同成因、不同时期应力叠加综合的结果。地应力包括岩体自重应力、地质构造应力、地温应力、地下水压力及结晶作用、变质作用、沉积作用、固结脱水作用等引起的应力。通常，构造应力和自重应力是地应力中最主要的成分和经常起作用的因素。
（二）边坡变形破坏的基本类型
边坡变形一般是指坡体只产生局部的位移和微破裂，岩块只出现微小变化，没有显著的剪切位移或滚动，因而边坡不致引起整体失稳。边坡破坏是指坡体以一定的速度出现较大的位移，边坡岩体产生整体滑动、滚动或转动。
1.张 裂
张裂是指边坡的侧向应力削弱后由于卸荷回弹而在边坡出现张裂隙的现象（图 4-1）。另外，由于坡脚软弱层的蠕变引起上覆岩体内部应力的调整，或者因震动使高陡边坡产生深层剪切蠕动，或者因边坡体压应力集中而产生压致拉裂等，均可引起边坡张裂变形。
2.崩 塌
崩塌指在陡坡地段，边坡上部的岩体受陡倾裂隙切割，在重力作用下，突然以高速脱离母岩翻滚坠落的急剧变形破坏现象（图4-2）。崩塌的实例表明，陡峻的块状和巨厚层状岩石边坡，具有与边坡面走向近乎平行的陡倾结构面时，最易于形成大规模的崩塌；而平缓的层状或软硬互层状岩体斜坡以小型崩塌或危石坠落为主。岩体的风化作用、破裂面中空隙水压力作用水沿细微裂隙的楔入作用、高寒地区裂隙中渗水的反复冻胀作用、地下开采以及地震和爆破引起的附加外力，都可以成为促进崩塌的外部因素。
3.倾 倒
倾倒是指边坡中的岩块，以某一点为转动轴心，向外侧临空面转动的现象。倾倒是边坡变形破坏的一种初始形式（图4-3）。由于岩块的倾倒，边坡岩体张裂隙发育，甚至呈松动、架空的现象;在一定的条件下，可发展为边坡的滑动或崩塌。影响倾倒发生的因素有：岩块的高宽比（几何形态）、岩层的产状、节理的切割程度、岩体的结构类型、裂隙水的作用和地震、爆破等动力效应。
图4-1 松弛张裂
图4-2 崩塌
图4-3 倾倒
4.蠕动（蠕变）
蠕变是指边坡岩体在以自重应力为主的坡体应力作用下一种长期缓慢的变形，可以分为表层蠕动和深层蠕动两种类型。
表层蠕动发生于具有塑性的薄层或软硬层相间的岩体组成的边坡中。在反坡向塑性岩层中，岩层向临空一侧发生屈曲，形成“点头哈腰”现象，但很少折裂，表现为挠曲型蠕动［图4-4（a）］。边坡为顺坡向的薄层柔性岩层时，则可以使表部岩层产生揉皱形弯曲，甚至产生岩层的倒转弯曲［图4-4（b）］。
图4-4 挠曲型蠕动变形边坡
深层蠕动是当坚硬岩层组成的边坡下部存在软弱垫层或软弱结构面时，由于软弱垫层的塑性流动蠕变或者坡体岩层沿软弱面发生缓慢的蠕变性滑移，上覆硬岩层因而出现张裂隙，软弱岩层则向临空侧挤出，甚至发生上覆脆性岩石缓慢解体而下沉挤入软层，出现不均匀沉陷的现象（图4-5）。蠕动变形只是边坡变形破坏的一个发展阶段或过程，是长期缓慢进行的。但蠕变的进一步发展在裂隙水作用、震动等外部因素的影响下，往往导致边坡急剧的变形破坏。
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图4-5 深层蠕动
5.滑坡（滑动）
滑坡是指边坡一部分岩体以一定的加速度沿某一滑动面发生剪切滑动的现象。滑动面可以是剪应力最大的贯通性剪切破坏面或带，也可以是岩体中已有的软弱结构面。按滑动面的形态，坡体滑动可划分为圆弧形滑面和平面两种基本类型（图4-6）。
图4-6 坡体滑动形式
滑动是边坡变形破坏中分布最广的一种，对各类工程建筑的危害很大。
（三）边坡稳定性分析
1.边坡应力分布的一般特征
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。边坡开挖以后，上部岩体一部分被挖掉，由于卸荷作用，岩体内的应力重新调整，从而出现应力重分布的现象。在靠近边坡面处，最大主应力方向与临空面近于平行。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。边坡坡脚处的应力集中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。
边坡应力分布特征主要与边坡的坡形紧密相关。通常，边坡的坡形是指边坡横断面的形状。边坡的坡形主要有直线坡（一坡到顶）、折线坡（下陡、上缓和下陡上缓两种）、台阶坡等几种。直线坡的应力集中区在坡脚处。折线坡有两个重点应力区：坡脚和边坡点。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载荷，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相互交叉，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。
2.边坡稳定性分析方法
1）工程地质分析法（定性评价）
（1）根据边坡的地貌形态演变预测和评价边坡的稳定性。如山坡表面比较平整顺直，坡脚没有地下水出露，树木生长亦较茂盛，则边坡较稳定。山坡表面不平整，有较多的大小台阶，树木歪斜倾倒，坡脚有泉水出露，则边坡可能不稳定。山上坡泉水较多，呈点状不规则分布，成为高地地下水排泄面时，说明地下水通道已被切断，山坡可能滑动。
（2）根据地层岩性、地质构造等地质条件分析边坡变形破坏的形式。通过分析边坡的地质结构特征，应用图解分析法（如赤平投影法）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情况，即可大致确定边坡可能的变形破坏形式。
（3）根据边坡变形体的外形和内部变迁迹象判断边坡的演变阶段。如边坡产生新的裂缝；虽有滑坡平台，但面积不大，有向下缓倾的现象；坡面未夷平，或者坡面有不均匀陷落的局部平台，参差不齐；老滑坡地表潮湿，地下水泉发育，且有新生冲沟；滑坡前缘土松散，有小坍塌，并处于当前河流冲刷条件下；在平洞勘探中，发现岩体中有明显的滑动面，并见有擦痕。在上述情况下，都可作为滑坡是否重新复活的一个根据。
（4）根据周期性规律判定促进边坡演变的主导因素。促进边坡变形破坏的各种因素，在地质历史进程中都有周期性变化规律，例如河流由侵蚀变为淤积，再侵蚀再淤积的规律，地震的周期性出现及气象，水文的季节性和多年性变化等。因此，边坡的演变和发展也会具有周期性变化规律，在某一个时期必然由某一主导因素所制约。
2）力学计算法（定量评价）
目前，边坡稳定性的力学计算，通常建立在静力平衡的基础上，按不同边界条件考虑力的组合，核算滑面上的下滑力和抗滑力的大小，进行稳定计算。
（1）土质路堑边坡稳定性的检验方法。
滑动破坏的滑面通常有平面、圆弧面及曲面三种形态。滑面的形状主要取决于土质的均匀程度、土的性质及土层的结构和构造。对不同的滑面形态，可采用不同的稳定性计算方法。
① 滑面为平面时土坡的稳定性计算。
由均质土或卵石土等构成的土坡和层状非均质砂类土构成的土坡，破坏时滑动面都近于平面形态。其稳定性计算详见土力学路基教材中的有关部分。
② 滑面为圆弧形时土坡的稳定性计算。
据大量观测资料，黏性土边坡滑动时的滑面近似圆柱面，在断面上可视滑面为一圆弧，称为滑弧。滑弧的位置在出现前并不确定，主要取决于土体的性质和边坡的形态等因素。在稳定性计算时需先假定若干滑面，经试算后，以稳定性系数最小的滑弧为可能的滑弧。圆弧形滑面土坡稳定性计算通常采用的方法为土力学中的条分法（图 4-7）。可用下式计算滑动土体的稳定性系数K：
式中 Ni——作用在每个小条底面上的正压力（kPa）；
Ti——作用在每个小条底面上的剪力（kN/m）；
φi——滑面上的内摩擦角（°）；
ci ——滑面上的黏聚力（kPa）；
li ——滑面上的分条弧长（m）；
位于滑弧圆心铅直线左侧土条底面的剪力（kN/m），可忽略不计。
图4-7 条分法
条分法简单明了，便于应用，但在考虑孔隙水压力作用及条间水平力的作用时还可采用毕肖普法计算。其计算方法可参阅各类设计手册。
（2）岩体边坡稳定性计算的分析方法。
① 单滑面型滑动破坏的稳定性计算。
对于局部不稳定岩体的平面滑动或边坡的顺层滑动破坏［图 4-6（b）］，可视不稳定岩体的边界条件和受力状态，进行稳定性计算。
② 楔形双滑面滑移破坏的稳定性计算。
对于边坡上不稳定的楔形滑动体，如为两组滑面（F1和 F2）、坡顶面（假设为一水平面）及坡面（假设为一垂直面）构成的一个不稳定的四面体（图4-8），则可按楔形双滑面滑移破坏的模式计算其稳定性系数。
图4-8 楔形双滑面破坏形式
上述两种典型的岩体边坡稳定性计算方法亦可参阅各类设计手册。
3）模型模拟试验
对一些地质条件复杂、工程载荷作用特殊或十分重要的边坡设计，必须运用各种岩石土力学的理论、技术和方法，进行边坡应力场、变形场、位移场和变形破坏模式的分析。采用的方法主要是物理模型试验和数值模拟相结合的方法。模拟试验按照研究要求不同有物理模型试验和运动学模型试验。前者用于定量研究，获取应力场或位移场的信息；后者多用于研究岩体破坏模式。
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