第一章 绪论
1．1引言
边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。随着我国基础设施建设的蓬勃发展，在建筑、交通水利、矿山等方面都涉及到很多边坡稳定问题。边坡的失稳轻则影响工程质量与施工进度，重则造成人员伤亡与国民经济的重大损失。因此，边坡的勘察监测、边坡的稳定性分析、边坡的治理，是降低降低灾害的有效途径，是地质和岩土工程界重点研究的问题。
随着城市化进程的加速和城市人口的膨胀，越来越多的建筑物需要被建造，城市的用地也越来越珍贵。特别是对于长沙这样多丘陵的城市来说，建筑边坡成为了不可避免的工程。 1.2边坡破坏类型
边坡的破坏类型从运动形式上主要分为崩塌型和滑坡型。
崩塌破坏是指块状岩体与岩坡分离，向前翻滚而下。一般情况岩质边坡易形成崩塌破坏，且在崩塌过程中岩体无明显滑移面。崩塌破坏一般发生在既高又陡的岩石边坡前缘地段，破坏时大块岩体由于重力或其他力学作用下与岩坡分离而倾倒向前。崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方。主要原因有：风化等作用减弱了节理面的黏聚力，或者是雨水进入裂隙产生水压力，或者是气温变化、冻融松动岩石，或者是植物根系生长造成膨胀压力，以及地震、雷击等外力作用（图1-1）。
滑坡是指岩土体在重力作用下，沿坡内软弱面产生的整体滑动。与崩塌相比滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至可以延伸到坡脚以下。其滑动速度虽比崩塌缓慢，但是不同的滑坡滑动速度相差很大，这主要取决于滑动面本身的物理力学性质。当滑动面通过塑性较强的岩土体时，其滑动速度一般比较缓慢；相反，当滑动面通过脆性岩石，且滑动面本身具有一定的抗剪强度，在构成滑面之前可承受较高的下滑力，那么一旦形成滑面即将下滑时，抗剪强度急剧下降，滑动往往是突发而迅速的。滑坡根据滑动模式和滑动面的纵断面形态可以分为平面滑动、圆弧滑动、楔形滑动以及复合形。
当滑动面倾向与边坡面倾向基本一致，并且存在走向与边坡垂直或接近垂直的切割面，滑动面的倾角小于坡角且大于其摩擦角时有可能发生平面滑动。平面滑动可以分为单平面形、折线形、连续曲面形等。
单平面形滑动面为一平直面，它常常是地质上先期已经存在的软弱结构面，如岩层面、构造面（断层错动面、大节理面、片理面等），基岩顶面的剥蚀面、
不整合面、老地面、不同成因的堆积（坡积、崩积、洪积物）面等（图1-2）。常见的有三种情况:第一，堆积物（包括坡积、崩积、洪积物及人工堆积物）沿下伏的平直的基岩顶面，老地面或不同成因的堆积面滑动；第二，较坚硬的岩层（如砂岩、石灰岩等）或互层岩层沿下伏软弱岩层（如泥岩、页岩、泥灰岩等）或层向错动带滑动。其后缘破裂面符合与走向与层面走向一致的张裂面，或一组X节理面，所以呈直线；第三，半层岩地层，如第四纪初形成的河、湖地层，因含有遇水易膨胀的矿物（如蒙脱石），强度低，上覆岩层沿下伏受水软化的岩层滑动。
折线形滑动面为若干个平直面得组合，它可以是基岩顶面的剥蚀面、不同成因或成分的堆积面，也可以是基岩中层面或构造结构面得组合面，是最常见的滑动面形态（图1-3）。
连续曲面形滑动面为倾向沟谷等临空面得上陡下缓逐渐变化的软弱岩层或层间错动带，常常是向斜的一翼，形成大型或特大型岩石顺层滑坡（图1-4）。
圆弧滑动的滑动面为圆弧面或螺旋曲面，它不受地质上先期形成的软弱面控制，主要受控于坡形造成的最大剪应力面，与滑动过程同时形成，因此也有人称其为同生面（图1-4）。滑坡发生前在坡脚附近出现应力集中，剪应力超过该部位土体的抗剪强度造成坡体蠕动，应力调整，坡顶则产生拉力破坏出现张拉裂缝，一旦滑面中段全部出现剪应力大于土体的抗剪强度，滑坡将发生整体滑移。由于滑动面为圆弧型，故以旋转滑动为主。在有地下水活动的情况下，滑动面的一部分常符合与地下水位的波动线上，这类滑坡多出现在匀质土坡和强风化的破碎岩石斜坡。
楔形破坏一般发生在边坡中有两组结构面与边坡斜交，且相互交成楔形体。当两组结构面的组合交线倾向与边坡倾向相近，倾角小于坡面角而大于其摩擦角时，容易发生这类破坏（图1-5）。
由于边坡物质组成和坡体结构的特殊性和复杂性，但以破坏形式的发生往往较少，或者其规模相对较少，一般的边坡变形和破坏是上述几种基本破坏类型的复合，故称之为复合型破坏（图1-6）。复合型破坏可以简单的归纳为平面形和圆弧形的组合，由于其空间形态的组合变化，其复合形式更为多样和复杂。 1.3边坡滑动变形发育过程
边坡在发生滑动之前通常是稳定的，由于各种因素影响，边坡土体强度逐渐降低，或边坡内部剪切力不断增加，使边坡的稳定状况受到破坏。在边坡内某一部分因抗剪强度小于剪切力而首先变形，产生微小滑动，以后变形逐渐发展，直至坡面出现断续的拉张裂缝。随着裂缝的出现，渗水作用加强，变形进一步发展。后缘拉张裂缝加宽，开始出现不大的错距，两侧剪切裂缝也相继出现。坡脚附近的土石被挤压，滑坡出口附近潮湿渗水，此时滑动面己大部分形成，但尚未全部
贯通。．随着边坡变形的继续发展，后缘拉张裂缝进一步加宽，错距不断增大。两侧剪切裂缝贯通井撕开。边坡前缘的土石挤紧并鼓出，出现大量的鼓张裂缝，滑坡出口附近渗水混浊，这时滑动面已全部形成，接着便开始整体地向下滑动了。
边坡变形破坏的发生是一个长期的变化过程，按照滑坡的受力和变形特征将其分为蠕动阶段、挤压阶段、滑动阶段、剧滑阶段和稳定压密阶段（表1-1）。 1.4边坡稳定影响因素
1.4.1结构面在边坡破坏中的作用
边坡的稳定性随组成边坡的岩体中结构面（诸如断层、节理、层面等）的倾角而变化。如果这些结构面是直立的活水平的，就不会发生单纯的滑动，此时的边坡破坏将包括完整岩块的破坏以及沿某些结构面的滑动。另一方面，如果岩体所含的结构面倾向于坡面，倾角又在30o～70o之间，就会发生简单的滑动。因此，边坡中存在的各种形式结构面是影响其稳定性的首要因素。岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩土体的不均一和不连续性，使沿结构面周边出现应力集中和应力阻滞现象。因此，它构成了边坡变形与破坏的控制条件，从而形成不同类型的变形与破坏机制。 1.4.2边坡外形对边坡稳定性影响
边坡形态指边坡的高度、长度、坡角、平面形态、剖面形态以及边坡的临空条件等。边坡形态对边坡的稳定性有直接影响。不利形态的边坡往往在坡顶产生张应力，并引起坡顶出现张裂缝：在坡脚产生强烈的剪应力，出现剪切破坏带，这些作用极大地降低边坡的稳定性。一般来说，坡度越陡，边坡越容易失稳，坡度越缓，边坡越稳定：而坡高越大，对边坡稳定越加不利。平面上呈凹形的边坡较呈凸形的边坡稳定：同是凹形边坡，边坡等高线曲率半径越小，越有利于边坡稳定。
1.4.3地下水条件对边坡稳定的影响
滑坡的发生与地下水和地表水的关系紧密。绝大多数滑坡都或多或少有地下水的作用。地下水对边坡稳定性的影响可反映在以下几个方面：
a.静水压力
处于地下水位以下的透水边坡将承受水的浮托力的作用，使坡体的有效重量减轻；而不透水的边坡，坡面将承受静水压力，充水的张开裂隙也将承受裂隙静水压力的作用，这些都对边坡的稳定不利。地下水的存在使边坡上体的含水量增大，上体容重也随之增加，而且孔隙水压力也随之增大，从而引起剪应力增大和土体抗剪能力下降，使边坡稳定受到影响。
b.动水压力
地下水的渗透流动，将对坡体产生动水压力，在动水压力作用下，水流将带走边坡断层破碎带或其它软弱结构面中的细小颗粒，经过长期的渗流作用，上质边坡内部可能形成较为连贯的渗流通道，随着通道的不断扩大，坡体不断被淘空，最终将导致边坡失稳。
c.水的软化作用
水的软化作用指由于水的浸泡使边坡土体强度降低的作用。对于碳酸盐岩红粘性土边坡，在地下水的作用下，土体强度将比干燥时大为降低，浸水后的软化现象非常明显，严重影响边坡稳定。
此外，地下水的溶蚀和潜蚀也直接对边坡产生破坏作用。出露的地下水可能，冲刷边坡坡脚，并不断侵蚀掏空，使边坡不断崩垮，引起坡体整体失稳。 1.4.4各种外力作用多边坡稳定性的影响
区域构造应力的变化、地震、气候条件及人类活动等都会对边坡稳定性造成较大的影响。
边坡处于一定历史条件下的地应力环境中，特别是在新构造运动强烈的地区，往往存在较大的水平构造残余应力。因而这些地区边坡岩体的临空面附近常常形成应力集中，主要表现为加剧应力差异分布。在坡脚、坡面及坡顶张力带表现的最为明显。地震对边坡稳定性的影响较大，地震作用导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力，使边坡下滑力增大：而且，在地震力的作用下，边坡岩上体的结构发生变化甚至破坏，出现新的结构面或使原有结构面张裂、松弛，地下水状态也有较大变化，孔隙水压力增大，边坡岩上体强度降低，随着地震力的反复作用，边坡发生位移变形，最终导致破坏。
分化作用使坡体强度减小，坡体稳定性大大降低，加剧了斜坡的变形与破坏。坡体土风化越深，斜坡稳定性越差，稳定坡角越小。降水对滑坡形成也十分明显。降水是地下水的重要补给来源，降水量大的地区较降水量小的地区滑坡数量多，灾害严重。
人为因素在滑坡形成中的作用越来越大。开挖削坡、坡顶加载、爆破震动、地下开挖以及破坏坡面植被都会对边坡稳定产生影响。 1.5边坡稳定性分析与评价
边坡的稳定性分析一直是学者研究的热点问题，目前边坡稳定评价方法很多归纳起来有以下六类：
a.地质分析法。根据边坡的工程地质条件分析、判断边坡的稳定性。其不足之处是不能进行定量评价。
b.经验类比法。通过大量相似的两个或多个边坡进行比较，根据它们的属性推出其它属性的相似性的方法，这是一种定性评价方法。
c.结构分析法。通过大量的结构面统计，应用赤平投影、实体比例投影和摩
擦圆方法判断边坡稳定性，也是一种定性评价法，难以量化。
d.极限平衡法。该法把滑体视为刚体，分析其沿滑动面的平衡状态。常用方法有Fellenius法、Bishop法、Sarma法等，主要优点是简便，其缺点是把岩体作为刚体处理不能反映岩体内部的真实的应力—应变关系；稳定性系数是滑动面上的平均值，带有一定的假定性，也无法考虑累进性破坏对稳定性的影响；各种计算方法本省还有不同的假设，均有一定的适用范围和局限性，都是把超静定问题变为静定问题处理。
e.数值分析法。在边坡稳定性评价中常用的数值分析方法有有限元法、边界元法、离散元法等。这些分析方法本身具有较高精度，但受地质模型、简化的力学模型和力学参数等的影响，使“高精度”的计算结果难以作出“高准确”评价。
f．概率分析法。该法是以极限平衡原理建立状态方程，在定值稳定系数方法基础上计算边坡的不稳定性概率的方法。
边坡稳定性评价研究已取得很大进步，但任存在不少问题，无论那一种评价方法都有其适用性与局限性。近年来，非线性科学理论、非连续介质理论、可靠性分析理论以及计算机技术的发展为边坡稳定性问题研究提供了新的方法。多学科，多专业的交叉渗透研究已成为边坡稳定分析的发展方向。
一般而言对于土质边坡，由于边坡表面倾斜，在岩体自重及结构物的作用下，整个岩体都有从高处向低处滑动的趋势。如果岩体内某一个面上的下滑力超过抗滑力，或者面上的每点的剪应力达到抗剪强度，若无支挡就有可能发生滑坡。边坡失稳在力学上主要是一个强度问题，这时计算上可简化为一个静力平衡问题和一个岩土体屈服条件，常用极限平衡法。用极限平衡法分析边坡稳定时一般采用边坡稳定系数与（允许）安全系数（一般由规范规定）进行对比的方法来加以判断，当边坡稳定系数大于安全系数时边坡安全稳定，否则，就认为是不稳定的不安全的。 1.6边坡加固研究
在边坡的稳定性系数不能满足规范要求时，就需要采取工程措施提高安全系数，以满足安全使用的需要。卸荷、坡趾压载、排水是通常采取的措施。采用这些方法，在边坡稳定性分析方面不增加任何新的内容，可以按已有的分析方法进行分析和复核。当没采用上述措施或采取措施后仍不能使安全系数达到允许数值时，就需要使用结构性工程措施对边坡进行加固。
一些学者将土体的加固系统分为外部加固和内部加固两大类（表1-2）。在20世纪60年代以前，边坡加固主要依赖与外部加固。随着技术的进步，越来越多的内部加固措施在边坡工程中得到了应用。内部加固依赖于施加在坡体内的加筋构建，如锚杆、锚索、土工布等。这些构件通常应插入潜在滑动面以后的岩体中。
对于内部加固的结构，一些学者又将其分为铺设型和现场改良型。