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1、边坡工程的稳定分析与设计 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所讲座内容 一、坡体地形地质环境 二、坡体形变渗流场 三、边坡工程勘察要点 四、边坡工程的设计与加固 五、边坡工程的锚杆设计 六、预应力锚索设计与施工 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所一、坡体地形地质环境 1地形地貌华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所地形是制约岸坡稳态的第一控制要素。岸坡变形的第一个起 因是地形的改造，而变形易发部位是地形坡度陡变部位，变形域 规模则取决于岸坡的高度。2区域构造与地震地质环境在边坡工程中，区域构造环境问题可涉及四级构造单元及其 后续各级构造。这个问题并没有
2、怎么引起工程师们的注意，特别 是土木工程师。当我们看到有些部位集中分布多个崩滑体时，第 一个要想到的是区域构造环境和地震地质环境。区域构造环境的分析要点是自老至新构造应力场的转化，包 括主应力的偏转(移)、压(剪)应力场向张(剪)应力场的转化、初始 应力释放环境、蠕(流)变环境以及对渗流场和风化作用的制约作 用(优势面)等。3边坡地质构造边坡地质构造是判断独立变形、运动单元的根本依据。具体 要点如下：华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所坡体结构控制岸坡的稳态或变形的地质构造效应有以下两层意思：（1）刚度效应坡体的整体刚度取决于节理裂隙的发育程度(当 然还有风化程度)；（2）变形、
3、失稳类型取决于各类地质结构面产状同坡面产状之 间的相互关系。其中刚度效应的表象是取决于刚度的变形差异， 总体上表现为沉陷伴随应力相对集中域。如果应力相对集中域里 不存在软弱夹层等低刚度层位，一般不会形成一定规模的崩滑事 件。其效应可分以下五种：节理裂隙序次，至少要进行以下三个序次的统计分析： 第一序次周边完整基岩的节理裂隙和劈理； 第二序次破碎岩体各独立块体的节理裂隙和劈理，含微构造、 显微构造系列； 第三序次新近出现的变形裂隙（缝）。1）顺向坡。构造界面倾向坡外。在众多地质界面中，层面是第 一控制界面，而坡体的变形、失稳型式是：华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所随着层面倾斜角
4、的加大，顺层滑移就更趋明显，但当倾斜 角不小于70度时，坡体的变形、失稳将转化为倾倒、崩塌型；顺层滑移的必备条件是控制界面上覆岩体在坡脚处临空、 被反倾向裂隙切断或挠曲（皱）。不同于其他类型滑坡，顺向坡上残留的滑体不多见或即使残 留但规模不大而且多处于非稳态或正在变形。2）由陡倾转缓倾顺向坡。自坡体向坡外方向，地层倾角由陡变 缓，陡倾部位是主滑体，缓倾部位对主滑体构成阻滑体，其阻滑 作用将取决于缓倾段的面积。在顺向坡中，横向复精皱（轴线垂直江河流向）是最易变形 的部位，特别是当层间分布有煤线或碳质页岩时；而纵向复把皱 （轴线平行江河流向）则决定治理方针甚至提示诸如抗滑桩的设 置部位。所以，对于
5、顺向坡，微构造研究也是主要的研究内容。3）逆向坡。逆向坡的稳态取决于岩体的总体刚度，而变形、失 稳控制界面是反倾向裂隙。华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所当坡体为石灰岩或石英长石砂岩等高刚度岩体时，岸坡的变 形、失稳是局部性的且规模不大，但以易风化碎屑岩为主体的岸 坡，岸坡的变形、失稳规模大，甚至也会出现滑移型失稳，但基 本上是坠溃型，反倾向裂隙的风化追踪会构成坡体变形、失稳主 控界面，进而出现以滑移为主要形式伴有崩塌、旋转等复杂的失 稳事件。 4）斜切坡。斜切坡往往形成高、陡稳态坡形，变形、失稳基本 上是局部性崩塌，除非存在几乎平行坡面且倾向坡外的断层或一 组倾向裂隙（裂隙走
6、向垂直地层走向）。5）水平层状结构岸坡。地层产状几乎水平或微倾坡外或微倾山 体。这类岸坡的变形首先是取决于刚度的铅直方向压缩。在这类 岸坡的变形、失稳形式中需要指出的特例是：当分布有富含蒙脱 石的泥岩和易风化长石砂岩时，上覆层位的变形、失稳规模可达 到几百万立方米甚至几千万立方米。节理裂隙层次同坡体结构之间的相互关系 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所物质结构水平结构顺倾向结构1顺倾向结构2垂直结构反倾向结构红 层张裂谷华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所张裂槽倾 滑倾 倒错 落顺向坡坠 溃4地层岩性华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所火成岩岸坡在微
7、、新状态下为均匀介质，其不均匀程度及刚度将随风化 程度与节理裂隙发育程度而变化，岸坡的变形、失稳主要是风化 带的崩(剥)落和水沙流，极少有大规模滑坡发生。火山灰堆积体 类似沉积岩特别是松散堆积体。当深挖高边坡涉及微新岩体时， 地应力场的调整效应是一个很重要的方面。地层岩性的岸坡变形、失稳效应最终反映在各层的刚度与抗剪 强度。如果坡体各组成层位的刚度比值大于13，该坡体可作为 准均质体考虑；若刚度比值不大于13，变形第一控制层位是刚 度比值最小的那一层位。分析塑性域扩展趋势时，各层抗剪强度 值都有影响，但控制层位仍然是刚度最小的那个层位。沉积岩岸坡（1）以碳酸盐岩为主体的岸坡这类岸坡的变形主控层
8、 位是泥、页岩夹层，变形表象是因刚度相差悬殊而出现 的变形差异，崩塌、倾倒和滑移等多种形式变形、失稳 都可出现，而在什么样的情况下是倾倒、崩塌或滑移则 取决于页岩夹层的空间分布格局。当不含泥、页岩夹层 时，碳酸盐岩岸坡可视为高刚度准均匀介质，其中的各 级风化带将反映在渐变的刚度上，故岸坡的变形、失稳 多局限在表层。深挖高边坡涉及微、新岩体时要考虑地 应力场调整。不同于火成岩微、新岩体的地应力场，在碳酸盐岩 微、新岩体中会出现喀斯特作用域和地下水深循环通道 ，该域已经释放有一定范围的初始地应力。华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所（
9、2）碎屑岩岸坡这类岸坡的特点是砂岩(含石灰岩、泥 灰岩)同泥、页岩交互出现。从变形角度立论，若砂岩 与泥、页岩准等厚度交互出现时，可视泥、页岩的刚度 为坡体的刚度；双层结构且上覆砂岩时，下伏泥、页岩 的刚度即成为控制性刚度，变形、失稳表象是砂岩层的 倾倒、倾滑、座(错)落以及座滑等，取决于下伏泥、页 岩的风化、剥落、掏(蚀)空带往坡体深部的延伸程度。以泥、页岩为主体的岸坡，鉴于表层风化速度快且 风化物随即以剥离或泥沙形式被地表径流冲蚀，故除非 下伏砂岩或灰岩等高刚度层位且倾向坡外，一般难以出 现大规模滑坡。5汇水域及地表、地下水文网 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所当一处坡体
10、具备变形、失稳条件时，导致其失稳的直接诱发因素 之一是水的作用，包括地表水和地下水的作用，其中地表水及大 气降雨又往往是该部位地下水的直接补给源，故对一处坡体的研 究，它的研究范围应该是地表水汇水域，如下图。地表水系的展 布格局往往提示变形域或崩滑体的分布轮廓，同时又往往是崩滑 体的解体边界。其次，一次大气降雨有多少渗人地下和渗入到什么深度（不一 定都渗人到地下水位而使地下水位回升）等，即大气降雨怎样改 变原有渗流场，都要通过该汇水域的水文计算才能推断。6人为改造在前面已经提到，一处岸坡的新的变形都是从改造地形而开始 的。所以，人类的改造活动对岸坡稳态的影响首先是不合理的开 挖、切脚。当然，人
11、为的诱发作用还有爆破、（给）排水和排污 失控以及乱砍滥伐和开垦等。二、 坡体形变渗流场 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所“地质体”是坡体形变渗流场的物质载体。所 谓地质体，是指那些具备相对独立地形有变形作用的 自然体，其规模大者可以是一个板块或大地构造单元 中的I级或II级等构造单元，小者可以是可独立变形 、运动的坡体或崩滑堆积体。若要对一处岸坡的稳态 进行评估或对今后的变形趋势进行预测，需要用具体 的特征参数建立各种变形影响因素之间的相互制约关 系，进而描述变形进程。为此，必须将前述的地形地质环境与条件转化为 可用数学物理模型进行描述的形变一渗流场这样一个 地质体。 1形变
12、场形变场由形变空间、形变主控界面、应力场和地震力等构成 。形变空间地壳表层是一个开放系统，而自然岸坡或人工边坡的坡体外 侧是无限形变空间。但在另一方面，对一个具体的坡体而言，形 变空间具有特定的含义： （1）均质坡体应力松弛域的下沉、倾倒、倾覆以及旋转，形变 空间除了坡外无限形变空间外，还有岩体自身的各类界面和风化 域。 （2）非均质坡体在具备均质坡体上述形变空间的同时，易变形 层位的存在使坡体的下沉、倾倒、倾覆以及旋转等形变优势化或 特性化，即易变形层位的分布格局(水平、顺向、逆向或斜切)决 定坡体的主要变形型式及变形域的规模。作为特例的切脚顺向坡，形变空间特指坡脚临空部位，或者说 该部位是
13、导致边坡滑移的初始形变空间。 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所当研究崩滑体的今后变形趋势时，形变空间的判 断具有特别重要的意义，同时有一定难度，因为形变 空间的函义同时包含两个方面的内容：华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所一是崩滑体是沿着原来的主滑带发生整体性滑移；二是崩滑体自身的变形同以滑移型式出现的整体性 失稳又有什么关系？其中，前一个问题是坡外无限形变空间问题，而 后一个问题是地质体自身的有限形变空间，二者的概 念截然不同。所以，边坡工程中很重要的研究内容是形变空间 的判断，而正是这个判断方能揭示坡体的变形、失稳 机理。 形变主控界面华 中 科 技 大
14、学 岩 土 工 程 研 究 所形变主控界面要分以下四个层次进行研究： （1）第一层次构造成因节理裂隙和断层、挤压带、劈理、层间 剪切(滑)带、层间揉皱带，而节理裂隙的基本格局是走向、倾向 及一对剪裂隙(平面)和反倾向裂隙(剖面)，但要注意不同构造期 的节理裂隙系统 ； （2）第二层次同边坡成型同步的卸荷松弛域，多数追踪初始构 造成因界面并使其规模扩大，但也会形成新的界面，使断续构造 界面相互连接贯通；（3）第三层次风化作用在脆性岩体中基本上追踪构造成因界面 发生，在泥质碎屑岩中还可产生风化裂隙；（4）第四层次变形裂缝、重力成因断层、蠕（流）变域。只有在对上述四个层次的界面系统进行细微的调查、归
15、类之 后才能判断那些直接控制坡体变形、失稳的界面组合模式，而这 个问题却往往被忽略。应力场 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所一般来讲，地壳的应力场自表层、浅部的自重应 力场向深部地壳构造应力场过渡，而自重应力场同构 造应力场之间的差别在于后者应力场的两个水平方向 主应力s2和s3大或者说三个主应力量级相当甚或水平主 应力s2或s3大于铅直方向主应力s1 。2渗流场 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所汇水域及地表、地下水文网对边坡稳定的影响趋势 华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所（一）地下水的补给、赋存和运移系统 华 中 科 技 大 学 岩 土
16、工 程 研 究 所坡体地处地表、地下水的排泄部位，除了碳 酸盐岩以外，碎屑岩、特别是第四系地层岸坡， 地表水改造坡体表面甚至形成各种类型冲沟网或 使坡体解体；地下水排泄（出露）部位又往往是 坡体变形、失稳起始点。所以，在对一处坡体进行研究时，必须查明 地下水的补给源，地下水的赋存条件或层位以及 该地下水的循环过程。一般而言，有以下四种情 况： （1）越流式补给主要是长石石英砂岩、岩溶地区和第四系地层 中的粉细砂、中粗砂层，往往以层间赋水形式出现，承压或间歇 型承压，地下水动态基本上不受坡体处大气降雨影响，且具有一 定的动贮量。华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所（4）江水波动域主要是松散介质岸坡，在汛期受江水瞬即补给 ，特大洪水往往形成负型，地下水位即地下水位外侧高内侧低但 塞水域限于沿江一带，对坡体的改造影响明显。 （2）上层滞水型这是完全受控于大气降雨的、浅层封闭或半封闭 型赋水，这类赋水层(域)往往是浅层变形、失稳的控制部位；岩 质岸坡中的卸荷松弛域也属于这种类型。（3）地下水赋水带(层)主要出现于第四系地
