边坡稳定分析与设计.ppt

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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

2、有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、失

3、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,随着层面倾斜角的加大，顺层

4、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，对于顺向坡，微构造研究也是主要

5、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（裂隙走向垂直地层走向）。,5）水平层状结构

6、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位是泥、页岩

8、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,（2）碎屑岩岸坡这类岸坡的特

9、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,当一处坡体具备变形、失稳条件时，导致其失稳的直接诱

10、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，人为的诱发作用还有爆破、（给）排水和排污失控以及乱砍滥

11、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

12、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

13、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 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

14、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

15、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 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

16、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

17、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层及崩滑体中，大体上以下伏基岩面为底板，在松散地层底部一定厚度赋水，补给源一是周边基岩裂隙水，二是大气降雨或地表堰塘渗水。地下水动态同大气降雨之间的相互关系取决于坡体的渗透性能，中、强透水介质中，地下水位变化直接受控于大气降水，但一般地，地下水位变化滞后大气降雨数小时至数日，在弱透水介质中这种关系不甚明显。,坡体渗流场地下水补给源的判断有以下三种情况：,3）同时有第1）和第2）两种

18、补给源，是一种最复杂的情况，多出现在岩溶地区和深大断裂或断裂、裂隙密集部位。判断这三种类型最简便的方法是钻孔分段、分层地下水位与水温及水化学成分的鉴定，故在岸坡稳态研究中“终孔混合水位”的概念是忌讳的。,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,1）渗流场面积同补给区面积相对应，即坡体渗流场的地下水直接由大气降雨渗入补给，故渗流场仅局限在浅层风化带中；,2）补给区面积大于渗流场面积，坡体渗流场的地下水可由外围地下水补给甚至越流式补给，坡体中地下水多呈现为脉状承压，在岩溶地区还会出现集中型甚至管道流；,（二）地下水动力学参数,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,对坡体地

19、下水的补给、赋存和运移条件的研究，其最终目标是要判断以下地下水动力学参数：,(1)集水结构 垂直岸线或同岸线大角度斜切的长而大或可追踪贯通的节理裂隙、断层、挤压破碎带和松动域，可汇集地表地下水。,(2)受(水)压结构(面)大致平行岸线或同岸线小角度斜切的长大或可追踪贯通的节理裂隙、断层、挤压破碎带和松动域。由于地表水位的波动，这一结构(面)始终处于静、动水压力周期性变化环境中，故构成岸坡的变形与失稳的第一控制界面。,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,水平地层(稳态),水平地层(泥岩侵蚀效应),水平地层(泥岩侵蚀效应),华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,陡倾顺

20、向坡(稳态),缓倾顺向坡(侵蚀性改造),切向坡(稳态),在非均质松散介质中，渗透系数剧变部位可以形成明显的静水压力或浮托力，而这两种力对该地质体的整体作用表象是似动水压力，而在准均匀介质中，地下水的作用则表现为有效应力场即孔隙水压力效应。,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,孔隙水压力效应也是一个复杂的过程：孔隙水压力的存在条件是饱水介质处于围压作用环境，而若不存在围压条件，孔隙水压力即消散。实践资料提示，在K=10-510-7cm/s介质中，孔隙水压力也在消散。,但实际调查必须注意的问题是介质的渗透各向异性和非均质程度，故若能进行渗透系数区划，可大体了解孔隙水压力、静水压力以

21、及浮托力等三种效应。,（3）动水压力形成条件,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,确定地下水流网系统(孔隙或裂隙系统)、渗透系数等。,（4）附加荷重效应,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,考虑到崩滑体等介质的渗透系数多居10-310-5cm/s间以及非均匀渗透性，地下水位的变化还往往表现为附加荷重的形式。,地表水体(如湖泊、水库等)自低水位至正常水位，然后自正常水位再到低水位，将直接干扰岸坡渗流场。如果水位快速降落，岸坡、松散介质中地下水位回升之后来，特别是在水库中水位同步降落，高、低水位之间的水体对下伏主滑带等变形主控界面是将产生额外增加的附加荷重，在主控界

22、面的正应力分量增大，相应地，沿变形界面的剪应力成分也增大，故地质体沿变形界面的抗滑强度也随之变化。在这样的情况下，额外增加了的水体荷重对该地质体的稳态是不利。,（5）物理化学效应,对于一个倾斜型主变形界面(如原主滑带或基岩面)上的地质体而言，影响甚至决定该地质体稳态的主控因素就是主变形界面饱水后的物理化学作用。饱水体的力学参数总是小于干燥体的力学参数。如果水化学作用兼而有之，特别是溶蚀而不是诸如钙化等胶结作用，c、f值会有根本性的变化。,三、边坡工程勘察要点,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,从力学角度考察，边坡工程介于地基工程与硐室工程之间。地基工程的主要指标是岩土地基的承

23、载力，而地基内任意点基本上处于三维应力状态；硐室则改造（释放）硐周初始地应力场但硐室尺寸不大，对初始应力场的改造空间有限。边坡工程则是开放系统，具备大体积岩体自由运动的空间，高陡人工边坡还涉及初始构造应力场。所以，边坡工程的地质勘察所涉及的内容要比地基工程或硐室工程丰富很多。,边坡工程勘察设计阶段,1基本资料及工程地质分段（区）,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,类似其他类型工程，边坡工程，公路(铁路)跨越不同的地形地貌类型及构造单元的线型工程的边坡设计，特别需要区域性地质、地震资料。区域性地质、地震资料的研究目标是了解各部位坡体的岩石类型及其组合、控制坡体变形、失稳的主要构

24、造、地表水的展布格局及水文地质类型以及地震等，进而进行工程地质分段(区)。各段(区)要分别编制相应的勘察要求，其目的是明确各部位地质勘察工作的内容与目标，防止或避免普通地质学调查。通过勘察，各不同类型段（区）要按边坡工程的难易程度进行“边坡工程适宜程度分区”。边坡工程适宜程度分区的依据是地形坡度及微地貌分区图；稳态分区图和水文地质分区图。,（一）地形坡度及微地貌分区图,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,地形坡度及微地貌分区图的编制依据是地形坡变，可按(用坡角表示)小于5度，510度，1015度，1520度，2030度及大于30度等六级进行分区。,（二）稳态分区-稳态的判别标志

25、是：,l）在自然状态下坡体整体稳定，不存在可导致坡体大体积变形、失稳的构造界面及这类界面的组合条件；,2）开挖边坡不会导致坡体大体积变形、失稳。根据坡体的稳态，可划分为稳定的、欠稳定的、不稳定的和警戒区等四级：,（4）警戒区正在变形中的坡体（变形体）和崩滑体等。,（l）稳定的坡体在自然状态下和开挖边坡后均处于稳定状态，基本上可不采取护坡措施。,（2）欠稳定的坡体在自然状态下稳定但在开挖边坡后可能导致局部性变形、失稳，需要采取支护措施。,（3）不稳定的坡体内存在着的地质结构面在开挖边坡后可能构成较大体积变形、失稳的控制界面（组合），支护工程量大。,（三）水文地质分区-两个层次,华 中 科 技 大

26、 学 岩 土 工 程 研 究 所,第一层次地下水补给源的判断有三种情况：（1）越流式补给指坡体地表水汇水域的外围补给源。这类情况主要地出现在岩溶地区和易风化（特别是层间风化）长石砂岩分布区，它们的水补给源较远甚至很远（如地下暗河）。（2）大气降雨补给指含水层或赋水域的面积同大气降雨补给面积一致或大体相当，换句话说坡体中的地下水补给源仅限于该部位的地表水汇水域。（3）混合补给除了第（2）补给源外还有周边裂隙水补给，或第（1）和第（2）补给源同时存在。,第二层次坡体各层（部位）赋水、透水性可按下述内容进行分析判断：1）在砂泥岩交互层中，砂岩是否顺层深化构成层间含水层。2）断层带、劈理带、裂隙密集带

27、以及剧烈揉格带。3）岩溶洞穴、溶隙。4）松散堆积层。,（四）边坡工程适宜程度分区,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,坡度、稳态及水文地质分区图是边坡工程适宜程度分区图的编制依据。边坡工程适宜程度可分以下五级（区）：,V区（回避区、警戒区）具备大体积变形、失稳的条件、如崩滑体和变形体等。,I区（适宜区）地形坡度（用坡角）小于10度，即基本上不形成人工边坡，或深挖边 坡的坡顶近水平，不存在斜坡一带常见的、平行坡面的主应力效应，这类主应力往往导致斜坡浅部倾覆、剪滑；地质条件稳定；不存在大的静、动水压力形成条件；边坡支护工程简单或不需支护。,II区（较适宜区）基本上类似I区，唯地形坡

28、度(坡角)1015度，仍不会形成高、陡边坡，但深挖边坡会揭露软硬相间层位或地下水位，需要一定的支护、排水工程量。,III区（限制区）地形坡度1525度，坡体地质结构复杂或遇见地下水处理问题，要求严格论证坡高、坡形以及支护排水措施,IV区（复杂区）地形坡度大于25度且地质结构复杂，开挖边坡会诱发坡体变形、失稳，支护工程量大。,2必须提交的成果,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,1）区域地质、地震环境论证报告；2）综合工程地质图（含地质剖面图）；3）边坡工程适宜程度分区图；4）分段控制结构（面）及其组合模式和边坡稳态分析模型；5）边坡设计基本参数，含可导致边坡失稳的各参数临界值；

29、6）可导致边坡失稳的主诱发因素。,四、边坡工程的设计与加固,1边坡工程设计与加固的顺应性与协调性准则,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,判断一处边坡是否安全，取决于对边坡所处自然环境与地形、地质环境的了解程度，以及能否把握住保持边坡安全的基本条件（或主导因素）。这个问题在地形地质情况复杂的地区更显突出、重要。改造自然的第一条基本准则是“顺应”，即充分利用自然界造就出来的稳定状态（简称稳态）条件，改造那些处于非稳态的自然条件使之处于新的稳态。,边坡工程设计与加固的顺应性与协调性准则所体现的基本思路是岩土工程问题需要从大局着眼，判断区域性环境对局部环境的主控成分（要素），然后对各

30、类问题逐一进行调查并作出结论或拟定“顺应”条件。,2边坡的设计与支护思路,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,以土质边坡为例，今设在该边坡上开辟一条公路或房基，在考虑顺应性与协调性准则的前提下容许的人工边坡、坡高与坡度应该怎么决定。,人工边坡是否遵循了顺应性准则，其参比识别标志是所谓的稳态坡形。处于稳定状态的自然边坡，是经历地质历史时期形变场、渗流场、热流场、化学场以及地表侵蚀等多种改造作用综合调整的结果，所以它是识别稳态坡形的第一依据坡形。,顺应性与协调性准则的实质是要充分利用自然界自身的稳定条件，改造不稳定部分，使边坡长期处于稳定状态。依山就势和因地制宜，可以说是实施顺应性

31、与协调性准则的具体体现。自然界是一个复杂系统，既合稳定成分也有不稳定成分，随着时间的推移，原来稳定的成分还会转化成为不稳定成分，或者说人类活动的干扰将会加速这类转化。所谓地质灾害或环境地质问题，是以人类的生存条件(环境)为主体而定义的。如何防止或避免这类环境地质问题即构成边坡设计的基本思路。,环境地质问题将起因于以下三个方面：,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,一是地形、地质环境中的不稳定成分直接转化为环境地质问题。比如，若一条公路穿越变形中的崩滑体，该崩滑体终会失稳。而这一趋势是客观存在的，公路建设会加速变形进程但不是导致其失稳的直接原因。,二是人类的工程活动诱发新的地质问

32、题发生。比如堆积在倾斜面的坡积层在自然状态下是稳定的，但将其长距离开挖至基岩面时，坡积层即开始变形甚至大面积下滑。当边坡揭露地下水面时也出现类似的地质问题。,三是诸如地震等或然性事件诱发坡体变形、失稳等。地震动所引起的崩、滑即属这一类。,所以，如何区别上述可导致环境地质问题的三种原因及它们之间的相互关系，是边坡的设计与支护工程首先必须答复的问题，而这些问题又将因坡体类型不同而不同。,（1）边坡的设计与支护基本要素(一)岩质边坡,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,地形要素诱发新的地质问题，首先是由于对原有地形的改造，特别是在山区。要使改造后的地形仍然处于稳定状态，人工边坡的设计

33、参比坡形就是该部位的自然稳态坡形。,地层岩性要素-从岩石类型可以推断边坡的变形、失稳型式。1）结晶岩宽厚风化层(壳)沿冲沟两侧岸坡的局部性崩塌，南方多成“崩岗”地形。2）石灰岩除了含夹层顺向坡可以发生滑移性失稳外，多呈现为崩塌或被溶隙切割而形成的分割块体的倾倒、倾滑以及空间挠曲、压裂等。3）砂、泥岩交互层主要表现为泥岩风化、侵蚀而导致上覆砂岩座落(滑)，故多呈台阶型地形。4）泥岩基本上是风化剥蚀、水土流失或泥石流；当其被深大冲沟切割时，两冲沟间岩体风化、松弛后有可能发生较大体积岩体滑移。5）膨润土蒙脱石等亲水矿物必然成为坡体变形、失稳控制层，在地层产状近水平的地区也是如此。,地质构造要素,1）

34、地层产状近水平坡体的变形、失稳主控界面是平行江河、沟谷的垂直裂隙同层面的组合，变形体的规模取决于侧向（垂直江河、沟谷）界面的间距。当下伏亲水矿物层或易风化层时，变形、失稳规模可达几百万甚至几千万立方米，重庆市和万县市即是如此。2）顺向坡当地层层面倾向江河时，顺层（面）的变形、失稳是基本型式，而变形、失稳规模的控制参数是层问摩擦角（f）同岩层倾斜角(as)二者的关系，即变形、失稳条件是：as f。3）反向坡当地层倾向山体时，坡作的变形、失稳控制界面是反倾向（即倾向江河）裂隙同层面的组合。在低刚度砂、泥岩交互层中呈现为坠溃型失稳。4）斜切坡坡体的变形、失稳型式及规模取决于走向裂隙与倾向裂隙产状同层

35、面产状之间的相互关系，在高刚度岩体中呈现为局部性崩塌，在低刚度岩体中可形成一定规模的崩滑或坠溃。,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,(二)土质边坡,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,1）冲洪积层变形、失稳控制层是层间粉细砂（即易液化层）、淤泥以及膨润土；当边坡切穿地下水面时，地下水渗出部位往往是边坡失稳的起跳部位。2）倾斜面上的崩坡积层这类层位需要特别谨慎，基岩面往往是地下水循环带，一旦揭露地下水必将导致大面积变形、失稳。3）崩滑体崩滑体首先必须论证其今后的演化趋势，分别论证浅层失稳与整体性失稳的条件。在对崩滑体的整体稳态进行充分论证之后，具体研究建筑物位置

36、或公路线路。不同于冲洪积层，崩滑体多疏松、架空，故边坡工程必须考虑上体的固结问题。崩滑体要按物质结构进行分区并利用以碎块石为主体的区域，回避以泥土为主体的部位，因为崩滑体的后期改造主要地出现在这类部位。4）地表地下水除了地震和大药量爆破等不合理的人类活动干扰外，影响边坡和崩滑体稳定的第一因素是水，故对地表水和地下水的研究进而建立渗流场模型，是边坡工程和崩滑体治理工程的第一任务。,具体地，要明确以下几个方面的问题：,1 地下水同大气降雨、洪水之间的相互关系；2 地下水的补给、赋存、运移及排泄；3 坡体的渗透系数分区；4 静、动水压力形成条件及量级；5 地下水的化学成分。据此，具体进行地表、地下水

37、排水型式及系统设计。,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,疏干坡体或崩滑体，固然是我们所期望的最终目标，但实际上不可能做到。我们所能做到的就是：坡体或崩滑体的地下水位要保持在一个水平，在这个水平下，该坡体或崩滑体的稳态能得以保证。必须强调的是：不要改变变形主控界面（如原主滑带或层间软弱夹层）处于季节性干、湿交替环境中。要保证：要么使其处于干燥或天然含水量状态，要么使其处于饱和状态（但必须论证饱水条件下坡体或崩滑体的抗滑安全余度）。,(2)边坡的支护,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,边坡的支护基本上是以下三个方面考虑：,1）对坡体上已经出现的松动带的处理。实际

38、上所有人工边坡都注意到了这个问题。故多采用挂网喷浆、锚固、清除等多种手段进行治理。,2）不使人工边坡导致坡体出现新的松动域。这个问题主要出现在深挖而且涉及初始地应力场边坡中。在这类场合，首先要进行地应力场研究，然后进行弹塑性有限元分析，大体评估可能的应力松弛带及其规模并用变形监测数据进行反分析。同有限元分析结果相比较，依次修正分析模型，最后推断可能的变形量量级与应力松弛带的规模，以作为锚固设计依据。在这一分析中，还要进行独立运动块体的判断甚至离散元分析，以确定局部补强方案。,3）不使人工边坡改变坡体初始渗流场。该个问题的难度较大，特别是地下水排水系统设计，主要是由于初始渗流场情况不明了。岩体渗

39、流场模型的建立依据主要是断层、劈理带、裂隙密集带以及松动、风化带等集水构造或部位的空间展布格局，然后进行水文地质钻探与试验，以获取必要的渗流场参数。故治理措施基本上是地表排水，人工边坡要及时挂网喷浆进行保护。,3土质边坡的抗滑措施,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,土坡增加稳定的常用两种方法是：利用一种外来施加的力系抵消或平衡下滑力；增加土体的内在强度以致斜坡在没有外来力系的帮助下保持稳定。在设计研究期间，两种方法都应予以考虑，以保证最好的技术经济效果。类似的方法也被用来整治施工期或施工后发生的滑坡。,增加潜在的或现有的滑坡的抗力的很多方法都是适用的。尽管这些方法的内容可以是

40、很广泛的，但可以把它们概括为两个基本原则：在滑坡的趾部施加抗滑力；增加滑动带土体的强度。下面介绍三种方法（扶壁或填土反压、桩系统和锚固系统）主要是在滑动体趾部施加抗力，而其余的方法(地下排水、化学处理、电渗排水和焙烧处理)是增加破坏带土体强度的主要方法。,（一）施加外力(1)扶壁或填土反压法,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,稳定斜坡的扶壁或填土反压设计包括一个基本原则，那就是提供足够的自重或在不稳定体的趾部附近人为地增强约束以防止坡体移动。根据未支挡前的斜坡几何形状和可利用的土的抗剪强度作的稳定分析预示出导致坍滑的各种力和土体中存在的抵抗移动的各种力。扶壁则在斜坡的趾部附近

41、提供一个附加抵抗分力以保证足够的抗破坏安全系数。作为设计的稳定体的任何抗滑结构的效能体现在该结构物对下述三种情况的抗衡作用：倾覆；沿基底面或基底以下的滑动；内部剪切作用。在抗倾覆分析中，把扶壁视为承重结构并对力系进行解析，以保证合力的适当位置。在基底面或基底以下的潜在滑动分析中，在设计和施工阶段都必需注意，确保扶壁具有足够的基础深度和保证扶壁置于其上的土层的规定质量。考虑内部剪切作用时，要求设计者必需验算扶壁或填土反压结构内不同高度处横断面的尺寸，保证抗滑结构不致受内部剪切而破坏。,(2)支承桩法,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,加筋土是由回填土和土工织物、土工格栅按一定的

42、设计组成的材料，能形成一个足够支承和约束大负荷的块体。加筋土挡墙的侧面通常是垂直的，且填料被充填在织物或素混凝土板的后面。加筋上在公路建设中正获得更多的用途，特别是用作扶壁式的挡土结构。和扶壁一样，加筋土是一种设置于稳定基础上的重力式结构，并且这种结构的设计必须能抵抗各种斜坡推动力，即能抗倾覆、抗内部剪切和抗基底面或低于基底面的滑动。通常采用的扶壁或支承结构的其他类型包括木材挡土墙；木的、金属的和混凝土的框架；毛石的和污工的挡土墙、钢筋混凝土挡土墙及不同型式的锚杆挡墙。,在城市地区减缓斜坡或填土反压都不适于解决路堑边坡的稳定问题。由于用地的限制和已有的结构物的存在，要求更紧密地注意拟定的稳定方

43、案所带来的可以接受的危险。一种实用的方法是用大直径的桩群作为预挖支承。需详细地预示出导致移动的力系，而抵消土体移动所必需的附加力由紧密排布的垂直桩墙来提供。现浇桩群可以设计成悬臂式或带锚杆的锚系式。两者中任一方式都要求桩的横断面能抵抗土体在开挖过程中的全部土推力。,(3)锚固法,在很多情况下，大的滑体移动往往在桩尖以下土体中发展成破裂面，所以，这种桩的所有设计方案都应该用实际的土参数慎重进行。甚至是最小的滑体，这些力也是较大的，因而，为防止土体滑动并充分发挥桩的效能，必须使它具有足够的横断面和锚固深度。,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,锚固系统是一种类型锚系墙，这种墙的许多

44、变换形式的设计是有用的。这种墙的设计都是利用拉杆系统传递荷载到滑体后面良好抗力区域，并使其承受作用在墙上的回填土压力这一基本原则的。拉杆包括先张拉或后张拉的钢束、拉杆或者是钢丝和某些形式的锚固桩或能发挥足够被动土压力的其他方法。,（二）增加滑体滑面本身强度(1)地下排水法,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,滑体的最有效处理措施之一是通过地下排水来增加土体的抗剪强度，即提高土体的c、f值，同时也可增加破坏面上的有效垂直应力，使总的抗滑能力提高。,破坏面上的有效垂直应力。,(2)化学处理法,该项技术包括用浓缩的化学溶液处理沿潜在滑动面的粘土矿物。用于离子交换的实际化学溶液是由被处

45、理土的粘土矿物和滑动土体中的主要地下水状况来确定的。为了借助于离子交换使粘土的性质产生化学变化，粘土矿物中的一些阳离子被注入的化学溶液中的不同阳离子置换出来。在饱和粘土中，阳离子通过土结构的迁移速度比水渗透的速度似乎快得多。阳离子置换可能导致土的剪切强度增到200300。虽然用各种方法处理的大多数粘土的剪切带初始强度是较低的，但是，强度相对的较小增加通常就足以使滑体稳定。,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,其他化学处理法有石灰或石灰土混合法、水泥砂浆和含钾溶液浆。试图增加土的抗剪强度最常用的化学处理主要是石灰。水泥灌浆法在某公路工程中得到应用，一段90m台阶形公路路堑开始向前

46、滑动，并威胁公路和公路边坡下大的供水水库。经调查分析表明道路基础区域由较厚的破碎块石、岩锥碎屑组成。在沿岩石空隙大的滑动面处设置了观测仪器，将大量的水泥浆灌注到该层的空隙中和周围区域，增加了斜坡基础的抗剪强度。虽然大量的浆液费用很高，但斜坡确实被稳定住了。,(3)高压喷射注浆法,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,利用钻机将带有喷嘴的注浆管钻进滑体滑动面的预定位置后，以高压设备使浆液或水以20MPa左右的高压流从喷嘴中喷射出来，冲击破坏土体。当能量大、速度快和呈脉动状的喷射流的动压超过滑体土体的结构强度时，土粒便从土体剥落下来，在喷射流的冲击力、离心力和重力等作用下与浆液搅拌混

47、合，并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列。浆液凝固后，便在土中形成一个固结体。固结体的形状和喷射流移动方向有关。一般分为旋转喷射（简称旋喷，主要用在地基加固）及定向喷射（定喷）。后者是喷嘴一面喷射一面提升，喷射方向固定不变，固结体形如壁状，特别适合于加固滑坡体，它不仅具有加固质量好、可靠性高、止水防渗、防止砂土液化、降低土中含水量和减少支挡结构上的滑体压力等特点，而且还具有不影响邻近建筑物、不对周围环境产生危害、不影响滑体上的建筑物、道路交通和节省钢材等特点。,(4)电渗法,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,电渗法可在现场有效地增加土体抗剪强度。这种方法虽然费用昂贵，

48、但它能够引起孔隙水在预先埋置的电极之间迁移，孔隙水的损失又可引起土壤固结并增加土的抗剪强度。国外一个开挖约45m深和面积约24mX12m的基坑以便设置桥基支撑的公路工程，四周边坡主要是饱和的稍均匀的粉砂土位于2.5:1的斜坡上。在开挖边坡时发生了滑坡。在考虑冻结、化学灌注、放缓边坡和挡墙等比较方案之后，选择了电渗作为最经济的方案。在三个月的时间里降低地下水位以保证施工的顺利进行，开挖边坡变陡到1:1，最后，成功地完成了这一工程。,(5)焙烧法,焙烧法的各种应用在早期被应用到公路滑坡和不稳定铁路路基的支撑工程中。,（三）综合治理法,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,在大多数的应

49、用中，是上述各种方法的综合应用。扶壁填土可与地下排水系统结合使用，增加抗滑力并使排水系统变得更有效，因此斜坡的稳定性随时间而增加。从竖井中抽水可在施工期间保持路堑稳定；而平孔排水常可作为长期措施，同时替代竖井抽水。如在平孔施工时，从两个竖井中抽水，以减少水压。为了保证重建路堤的完整性又铺设了数条护道，而水平排水孔仍继续减少土体中水的压力。这种整治法的长期效应要求水平排水孔在结构物的使用期间起到应有的作用。在其他边坡工程中，各种不同的化学灌浆方法结合使用以增加事先确定的滑动带的强度，用以稳定缓慢移动的滑坡。,各种方法综合应用中不管是在设计和施工阶段都代表了细致考虑和应用工程原则以达到经济合理的解

50、决办法的研究。在土工工程中，设计和实际施工多少总有点不一致，这是因为在施工期间，土体强度、地下水位和斜坡形态的各种综合作用在设计阶段不可能被充分考虑，因此仍可能发生斜坡破坏。,4岩质边坡的抗滑措施,华 中 科 技 大 学 岩 土 工 程 研 究 所,土和岩质的基本特征和性能的不同，因而岩质边坡设计完全不同于土质斜坡。岩石和土不同，土是一种相对匀质的、由非胶结颗粒组成的连续介质；岩体则是不匀质的和主要由不连续面分隔的分离岩块组成的非连续介质。坚硬岩体内空间几何形态和土与岩石组分的联结性质是完全不同的。土的破坏发生在土体内部而且破裂面的方向和土的性质变化无关。然而，坚硬岩体中的破裂面则沿预先存在的