岩质边坡类型、结构面特征及稳定性分析

【摘 要】边坡的稳定性受控于岩土体的基本特性和人为改造的程度两方面因素。由于地质体的复杂性、多变性和不均质性，因而道路工程边坡设计是预测性、风险性的设计。本文针对山区不同的边坡类型突出的边坡岩土体失稳问题，结合四川、重庆、云南等省山区道路工程建设项目边坡工程及滑坡灾害的勘查和治理，在研究山区地质背景和地质特征基础上，系统研究边坡岩体结构分类方法，以及开挖边坡岩体稳定性的岩体结构分析方法。

【关键词】地质灾害；岩体分类；结构特征；软硬岩层；结构面；稳定性

泥岩、泥质粉砂岩比较软弱，该类岩层具有透水性弱、亲水性强，遇水易软化、塑变，抗风化能力弱，易崩解等特性。从边坡角度来讲，多数边坡由软硬岩体构成，对边坡岩体的变形破坏起控制作用，岩质边坡软硬结构体构成，岩性层间结合差、软弱结构面发育，边坡开挖后极易发生山体变形、滑坡，特别是山前地带岩土质边坡、顺层岩质边坡及以岩层走向发育沟谷的一侧的边坡，多属顺层易滑地带。雨季经常诱发大量滑坡灾害，在道路等工程建设项目中，也经常诱发大量开挖边坡岩体失稳灾害。

开挖边坡岩土体失稳灾害的根本原因在于具有特殊的岩体结构特征和不利的岩体力学性质，其中开挖边坡岩体结构特征是控制开挖边坡稳定性的重要因素，边坡岩体的变形与破坏与边坡岩体结构面发育特征、结构面与开挖面的空间组合有密切关系，因此对边坡岩体结构、结构面特征的系统研究具有重要意义。

1.边坡岩体结构类型划分

边坡岩体的变形破坏与其岩体结构特征有密切的关系。根据岩体结构面、结构体特性，并充分考虑控制性结构面与边坡开挖临空面之间的空间组合关系，系统研究岩体结构类型的划分，给出各种岩体结构类型边坡稳定性分析模型，以便于在工程勘察设计中简便、快速应用。

针对岩体结构类型和边坡工程的特点，在边坡岩体结构类型划分中考虑如下因素：

1）岩质边坡的岩性特点及岩性组合特征

岩质边坡岩性组合最为显著的特点是不同力学性质的岩层互层，从边坡工程角度，开挖边坡工程的岩性组合主要有软质泥质岩为主的层状结构、软硬相间的砂泥岩互层结构和巨厚层硬岩为主的层状结构。

软质泥质岩为主的层状结构主要指开挖边坡岩体以软弱泥质岩为主，边坡岩体中夹少量薄层硬岩，但对整个边坡岩体性质影响不大。

软硬相间的互层结构指开挖边坡岩体为硬质岩（砂岩、灰岩、白云岩、硅质岩等）、软质岩（泥岩、页岩等）等各种力学性质岩层互层，在丘陵区软硬相间岩体结构互层最为普遍、最为典型的岩性组合形式。

巨厚层硬岩为主的层状结构主要指开挖边坡岩体中以巨厚层硬岩为主，但夹有软岩，软岩的空间位置和力学性质对坡体的变形和破坏有重要的影响。

2）岩体结构面发育情况

硬层岩层面、软岩夹层为延展性好的重要结构面，岩体中的外倾构造裂隙也对岩体稳定性有重要影响。

3）结构面（主要是层面）与边坡开挖临空面之间的空间组合关系

对于边坡工程来讲，结构面与开挖面之间的空间组合关系非常重要，不同的空间组合，其结构面控制作用和变形破坏模式也不同。层状岩层结构面与开挖面的空间组合关系对边坡岩体的稳定性有重要的影响。

4）软硬岩层水文地质结构特征

软硬岩岩体具有特殊的层状水文地质结构，而岩体中的上硬下软的岩类、软弱夹层在软弱面（带）具有浸水后强度大幅降低的特性，因此水文地质结构对边坡岩体稳定性具有重要影响。例如砂泥岩互层结构，砂岩类构造节理发育，常成为地表水和地下水渗透的通道，而软岩为相对不透水层，且具有浸水软化的特征，对边坡稳定极为不利。

2.不同岩质边坡类型稳定性分析

不同岩体结构类型边坡，开挖后具有不同的失稳破坏模式，本文在前面边坡岩体结构类型划分基础上，从岩体结构角度分析各种岩体结构类型边坡失稳破坏机理和稳定性分析方法。

2.1 近水平层状岩质边坡岩体失稳模式及稳定性分析

近水平层状岩层主要指构造作用轻微、岩层倾角平缓（一般

1）软质泥岩为主的岩体结构亚类---此类边坡以软弱泥质岩为主，开挖后主要为风化剥蚀灾害，不会形成大的岩体失稳灾害。

2）巨厚层砂岩为主的岩体结构亚类---边坡岩体以巨厚层砂岩为主，但岩性往往不均，其间多夹有较薄的泥质岩或粉砂岩夹层。图l是这类边坡典型坡体结构模型。边坡岩体的失稳破坏主要由重力和砂岩陡倾节理中裂隙水压力主导。

3）砂泥岩互层岩体结构亚类——该类斜坡为砂岩、粉砂岩、泥岩等不同力学性质岩层的软硬互层结构，软硬层性质存在较大差异，软弱结构面发育，层间错动普遍。

在四川、重庆地区近水平地层公路建设中，发现大量近水平岩层的软岩滑坡灾害，根据大量近水平岩层软岩滑坡的调查研究和勘察资料分析，此类滑坡破坏均为以软弱层面、软岩夹层为底滑面，陡倾节理为后边界的推移式顺层滑移。

该类滑坡失稳破坏一般经历如下阶段：

a边坡岩体拉裂变形阶段：

边坡岩体中软岩为隔水层，岩性软弱且具有长期的蠕变性，边坡岩体中砂岩为含水层和透水层。岩体中软岩在重力、水作用下容易产生变形，促进砂岩陡倾节理进一步张开、扩大，从而促进边坡岩体变形的不断发展，形成拉裂变形。

b暴雨条件下排水不畅在裂隙水压力作用下

快速滑动阶段：

在坡体的自重应力或开挖卸荷作用下，平行边坡走向的陡直裂隙不断发展扩大，为地表水的入渗创造了良好条件，地表水下渗不断软化坡体，促进坡体变形的不断发展；尤其是遇到特大暴雨时，由于坡体中水排泄不及，地下水位迅速上升，在后缘裂隙水压力，下部充水浮托力以及重力作用下，推动滑体变形快速发展，在公路边坡开挖作用下前缘失去支撑，在降雨作用下也常诱发工程滑坡发生。

c 快速滑动后稳定阶段：

滑坡快速滑动后，裂缝水压力迅速消散，滑坡失去推动力而趋于稳定，而且一般滑坡滑动后后缘形成拉裂槽，槽内逐渐为黏土填充后，不再具备积聚较高孔隙水压力条件，因此一般K期稳定性较好。

单纯考虑重力作用，此类边坡一般是不会产生滑移失稳灾害的，因此岩体稳定性分析必须考虑后缘裂隙水压力的影响。

采用极限平衡法进行稳定性分析时，稳定系数K可按下式计算：

式中：，为滑面BC上的粘结力和内摩擦角；A为滑面BC的长度；W为滑体ABCD的重力；为作用在裂隙AB上的水压力；为滑面BC的倾角；L为下部浮托力作用水平长度；a为浮托力作用系数；H为裂隙水压力作用高度。

对于滑体下部的浮托力，由于软岩岩体为网状裂隙含水岩体，地下水主要赋存在岩体构造裂隙中，因此不能全段计算基岩地下水浮托力，只考虑裂隙岩体段的作用力，为简化计算，采用浮托力作用系数a表示。

2.2 倾斜岩层软岩边坡失稳模式及稳定性分析

在倾斜地层中，岩层层面和岩体中的节理面是控制边坡岩体稳定的关键结构面，不同的开挖临空面和岩层倾向之间的空间组合形式，控制斜坡稳定的结构面不同，相应的边坡岩体失稳破坏模式也不同。

2.2.1顺层岩层软岩边坡

顺层结构开挖边坡指岩层倾向与开挖临空面方向基本一致的斜坡，由于软岩层间结合差且软岩夹层发育.边坡岩体开挖后经常诱发顺层滑移灾害。主要破坏模式有完全平面型顺层滑移、滑移～拉裂型顺层滑移、前缘剪出型滑移。不同倾角的顺层结构边坡，具有不同的滑移破坏模式。

顺层结构边坡几种典型破坏模式如下：

1）完全平面顺层滑移型破坏

这种破坏模式主要表现在岩体沿层面或软弱夹层发生整体滑移破坏，如图2中在公路开挖揭穿软弱层面后，上部岩体沿软弱层面发生顺层滑移。这种破坏主要苎亡生在岩层中等倾斜一陡倾，可按照直线滑动进行计算.计算公式可参考文献[6]。

2）滑移一拉裂破坏模式

在缓倾～中等倾斜地层中，当开挖坡角大于岩层倾角，容易产生滑移一拉裂破坏。边坡开挖后，岩体沿下伏软弱层面向临空面方向滑动，并使滑移体拉裂解体。边坡破坏进程取决于顺层岩质边坡结构面的产状和特性，后缘拉裂区范围取决于斜坡坡体结构、层面抗剪强度特征等。

滑移拉裂破坏边坡的计算较为复杂，存在一个拉裂破坏范围的确定问题，定义开挖松动区范围由边坡后缘拉裂缝组成的边界、开挖松动区底边界、松动区横向长度x和松动区岩体厚度hc组成，如图3所示。

假定岩体容重为，松动区后缘裂隙水压力为，滑带内摩擦角，凝聚力c。

则松动区岩体重量

当松动区岩体处于极限平衡状态时，滑体抗滑力，与滑体下滑力Fc和后缘裂隙水压力关系为：

即：

将G带入，得出：

若计算出

3）前缘剪出/溃屈型滑坡

在顺层边坡岩体结构地段，当岩层倾角和边坡倾角基本一致时，由于边坡高大，岩层倾角较大，当边坡的滑移控制面倾角明显大于该面的综合内摩擦角时，上覆岩体就具备了沿滑移面下滑条件。但是，由于滑移面未临空，使下滑受阻，造成坡脚附近顺层岩板承受纵向压应力，在一定条件下可使之发生弯曲变形，形成剪力破碎区，最终导致溃屈破坏，造成前缘剪出，其计算分析可参考文献[7]。

2.2.2反倾板状岩层岩质边坡

反倾结构边坡主要是沿结构面的失稳问题，岩层多呈板状岩体、层间裂隙十分发育，层间结合程度差，高陡斜坡在重力作用下，表部岩层向斜坡方向不断发生悬臂弯曲变形，在层面最大弯曲部位被折断，这种折断随时间推移不断发展，从而形成倾向坡外裂隙，斜坡岩体形成蠕滑——拉裂，最终导致山体滑坡，如巫溪两会沱水电站压力管槽开挖边坡发生蠕滑拉裂滑坡，该滑坡滑动面处于层面最大弯曲部位（见图4）。

2.2.3斜交结构岩质边坡

根据与公路路线交角的不同，斜交结构边坡有顺层斜交、反倾斜交、近于正交等各种形式。斜交结构的边坡破坏主要为各类结构面切割块体的失稳问题，一般来讲不会发生整个边坡的整体失稳。顺层斜交和反倾斜交结构岩体的失稳破坏，均为结构面切割楔形块体的失稳破坏，可参考文献[6]给出的赤平投影分析及极限平衡方法进行计算。

2.2.4近于正交边坡

当岩层倾向与开挖面方向近于正交时，岩层层面不再成为控制边坡稳定的主要结构面，边坡的破坏主要为一组倾向临空面节理切割岩体的变形破坏，可按照直线滑动模型进行计算。

2.3断（层）——褶（曲）破碎地层边坡岩体

断（层）——褶（曲）破碎地层边坡岩体，主要位于大的构造破碎带部位，岩体受构造影响呈碎裂结构，总体上已不具备层状结构岩体地质特征，控制边坡稳定性的结构面，为边坡岩体中的各类构造结构面，且多为岩体中的各级断层控制。

2.4上覆堆积层的边坡结构类型

很多斜坡区中下部都有崩坡积、坡残积物，其岩土分界面因坡势而外倾，公路边坡开挖切穿岩土分界面，则容易诱发上部覆盖土层沿岩土分界面的滑移失稳。

在四川、重庆等西南地区山区，当公路边坡开挖切穿土层与基岩的界面时，常诱发上部土层边坡的失稳破坏。

2.5风化损伤岩体——中风化岩体二元结构

在山区公路运营过程中，每年雨季经常发生边坡岩体失稳灾害，经调查分析，此类边坡有如下特点：

1）失稳边坡一般是开挖并防护完成2—3年以后发生；

2）失稳边坡失稳破坏的部位一般发生在边坡中上部。

通过对多个此类失稳边坡的调查分析，失稳边坡涉及多种结构类型。调查研究表明，边坡的失稳是由于长期运营中不同部位受风化影响程度的不同，形成了特殊的风化损伤岩体——中风化岩体二元结构。在边坡的中上部，尤其是靠近顶部的位置，温度场的变化影响较为强烈，且为地表水入渗区，岩体受风化损伤严重，表现为岩块结构疏松强度降低，结构面发育而无规律，容易被地表水下渗带来的泥质充填，在风化和充填双重影响下结构面强度大幅降低，有土坡类似特点，从而容易产生斜坡上部风化损伤岩体的失稳破坏，计算分析可采用极限平衡法。

3.结论

1）综合考虑边坡岩性特点及岩性组合特征、岩体结构面发育特征、控制性结构面与开挖边坡临空面之间的空间组合关系、岩体水文地质特征等，边坡类型划分为近水平层状岩层边坡岩体（倾角12°）、断（层）——褶（曲）破碎地层边坡岩体、堆积层岩土质边坡、风化损伤岩体——中风化岩体等5个大类以及11个亚类。给出了各类岩体结构特征、控制边坡稳定的主要结构面以及边坡岩体失稳破坏模式。

2）近水平砂泥岩互层状边坡和软硬相间的顺向岩质边坡岩体的失稳破坏是以软弱夹层或软弱层面为底滑面、陡倾节理为后边界的顺层滑移破坏。一般经历边坡岩体拉裂变形、暴雨条件下排水不畅导致裂隙水压力作用下快速滑动、快速滑动后稳定3个阶段。边坡岩体稳定分析中需考虑后缘裂隙水压力和下部地下水浮托力。

3）缓倾顺层结构边坡滑移一拉裂式破坏的拉裂松动区判定是边坡勘察设计中的主要问题，本文给出了相应计算方法。

参考文献：

[1]程强，寇小兵，黄绍槟.中国红层的分布及地质环境特征[J].工程地质学报，2004（1）：3440.

[2]孔纪名，陈自生.川东89.7暴雨过程中的红层滑坡[M]∥滑坡文集（9）.北京：中国铁道出版社。1989：36-42.

[3] 何昆.蒋楚生.云南元磨高速公路路堑高边坡及滑坡整治工作[J].路基工程，2004（1）：49-51.

[4] 谷德振.岩体工程地质力学基础[M].北京：科学出版社，1979.

[5] 孙广忠.岩体结构力学[M].北京：科学出版社，1988.

[6] 孙玉科.边坡岩体稳定性分析[M].北京：科学出版社，1998.

[7]朱晗迓，马美玲，尚岳全.顺倾向层状岩质边坡溃屈破.