巖土勘察中邊坡穩(wěn)定性分析與評價

0 引言

在各類巖土工程建設(shè)活動中，如道路修建、露天采礦、水利水電工程等，邊坡穩(wěn)定性問題至關(guān)重要。邊坡失穩(wěn)可能引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，不僅對工程建設(shè)本身造成破壞，導(dǎo)致工期延誤、經(jīng)濟損失，還可能威脅到周邊人員生命安全和生態(tài)環(huán)境。巖土勘察作為獲取邊坡巖土體基本物理力學(xué)性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵信息的重要手段，是進行邊坡穩(wěn)定性分析與評價的基礎(chǔ)。準確、全面的巖土勘察工作，能夠為邊坡穩(wěn)定性分析提供可靠的數(shù)據(jù)支持，使評價結(jié)果更加科學(xué)、合理，進而為工程設(shè)計和施工提供有力依據(jù)，保障工程的安全與穩(wěn)定。

1巖土勘察的主要內(nèi)容與方法

1.1巖土勘察的主要內(nèi)容

（1）地形地貌勘察。需詳細測繪邊坡所在區(qū)域的地形地貌特征，包括邊坡的形態(tài)、坡度、坡高、坡向等。通過地形地貌分析，初步判斷邊坡的穩(wěn)定性狀況，例如，高陡邊坡相對更容易發(fā)生失穩(wěn)。同時，了解周邊地形地貌與邊坡的相互關(guān)系，是否存在臨空面、沖溝等對邊坡穩(wěn)定性有影響的因素[1]

（2）地層巖性勘察。確定邊坡范圍內(nèi)巖土體的地層分布、巖石類型、土層性質(zhì)等。各類巖石和土層具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)，直接影響邊坡的穩(wěn)定性。例如，軟弱巖層如頁巖、泥巖等，抗風(fēng)化能力和抗剪強度較低，容易成為潛在的滑動面；而堅硬的巖石如花崗巖、砂巖等，一般具有較高的強度和穩(wěn)定性。對于土層，需關(guān)注其顆粒組成、含水量、塑性指數(shù)等指標，這些指標會影響土體的抗剪強度和變形特性。

(3）水文地質(zhì)勘察。研究邊坡區(qū)域的地下水類型、水位、水量、流向以及含水層和隔水層的分布等。地下水對邊坡穩(wěn)定性有顯著影響，一方面，地下水的靜水壓力會增加巖土體的重量，降低有效應(yīng)力，從而減小抗剪強度；另一方面，地下水的滲流作用可能導(dǎo)致巖土體的滲透變形，如管涌、流土等，進而破

壞邊坡的穩(wěn)定性。

（4）不良地質(zhì)作用勘察。調(diào)查邊坡區(qū)域是否存在不良地質(zhì)作用，如滑坡、崩塌、泥石流等。對于已有的不良地質(zhì)現(xiàn)象，要分析其成因、發(fā)展階段和穩(wěn)定性狀況。同時，判斷是否存在潛在的不良地質(zhì)作用隱患，以便提前采取相應(yīng)的防治措施。

1.2巖土勘察的主要方法

（1）工程地質(zhì)測繪。通過野外實地調(diào)查，對邊坡及其周邊區(qū)域的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)作用等進行詳細觀察和記錄。工程地質(zhì)測繪是巖土勘察的基礎(chǔ)工作，能夠為后續(xù)的勘察和分析提供宏觀的地質(zhì)背景資料。測繪比例尺根據(jù)工程的重要性和邊坡的復(fù)雜程度確定，一般在 1:500～1:5000 之間[2]。

(2）勘探與取樣。常用的勘探方法包括鉆探、坑探、槽探等。鉆探是獲取深部巖土體信息的主要手段，通過鉆孔可以采取巖芯和土樣，以便進行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗。坑探和槽探則適用于淺部巖土體的勘察，能夠直觀地觀察巖土體的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造。在勘探過程中，需合理布置勘探點，確保能夠全面反映邊坡的地質(zhì)條件。同時，對采取的巖土樣要妥善保存和運輸，以保證其原狀性。

（3）原位測試。原位測試是在巖土體天然狀態(tài)下進行的測試工作，能夠更真實地反映巖土體的工程性質(zhì)。常見的原位測試方法有標準貫入試驗、靜力觸探試驗、十字板剪切試驗等。標準貫入試驗可用于確定砂土和粉土的密實度、估算地基承載力等；靜力觸探試驗?zāi)芸焖佟⑦B續(xù)地測定土層的力學(xué)性質(zhì)；十字板剪切試驗主要用于測定飽和軟黏土的不排水抗剪強度。

（4）室內(nèi)試驗。是對采集的巖土樣進行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗，包括含水量、密度、比重、液塑限、壓縮性、抗剪強度等指標的測試。這些試驗結(jié)果是分析邊坡穩(wěn)定性的重要參數(shù)，例如，抗剪強度指標（黏聚力和內(nèi)摩擦角）直接用于邊坡穩(wěn)定性計算。

2邊坡穩(wěn)定性的影響因素

2.1 巖土體性質(zhì)

（1）巖土類型。各種類型的巖土體具有不同的物理力學(xué)性質(zhì)，對邊坡穩(wěn)定性影響顯著。例如，堅硬完整的巖石，如花崗巖、砂巖等，其抗剪強度高，邊坡穩(wěn)定性相對較好；而軟巖，如頁巖、泥巖等，遇水易軟化，抗剪強度降低，邊坡穩(wěn)定性較差。土體方面，黏性土具有一定的黏聚力，但其透水性較差，在飽水狀態(tài)下強度會大幅降低；砂性土透水性好，但黏聚力小，易發(fā)生流砂、管涌等破壞。

(2）抗剪強度指標。巖土體的抗剪強度指標，包括黏聚力和內(nèi)摩擦角，是衡量其抵抗剪切破壞能力的重要參數(shù)。抗剪強度越高，邊坡抵抗滑動的能力越強。這些指標受巖土體的顆粒組成、礦物成分、密實程度、含水量等因素影響[3]。

2.2 地形地貌

（1）邊坡坡度與高度。邊坡的坡度和高度直接影響其穩(wěn)定性。坡度越大，巖土體下滑力越大，穩(wěn)定性越差；高度越高，巖土體自重產(chǎn)生的下滑力也越大，對邊坡穩(wěn)定性不利。一般而言，高陡邊坡更容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

（2）地貌形態(tài)。地貌形態(tài)對邊坡穩(wěn)定性也有重要影響。例如，處于溝谷、陡坡轉(zhuǎn)折處等特殊地貌部位的邊坡，由于巖土體應(yīng)力集中，容易發(fā)生變形破壞。此外，邊坡的臨空面形態(tài)也會影響穩(wěn)定性，如臨空面為陡崖狀時，巖土體更容易發(fā)生崩塌。

2.3 水文地質(zhì)條件

（1）地下水。地下水對邊坡穩(wěn)定性的影響較為復(fù)雜。一方面，地下水的存在會增加巖土體的重量，使下滑力增大；另一方面，地下水會軟化巖土體，降低其抗剪強度。此外，地下水在巖土體中流動時，可能產(chǎn)生動水壓力，對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。當邊坡存在地下水滲流時，可能引發(fā)流砂、管涌等滲透破壞，進一步削弱邊坡的穩(wěn)定性。

（2）地表水。地表水的沖刷、侵蝕作用會改變邊坡的地形地貌，使邊坡坡度變陡、巖土體結(jié)構(gòu)變松散，從而降低邊坡穩(wěn)定性。長期的降雨會使地表水滲入地下，增加地下水位，加劇地下水對邊坡的不利影響。

2.4 地震作用

地震時產(chǎn)生的地震力會增加邊坡巖土體的下滑力，同時使巖土體結(jié)構(gòu)受到破壞，降低其抗剪強度。地震的震級、震中距、地震持續(xù)時間等因素都會影響地震對邊坡穩(wěn)定性的影響程度。在地震頻發(fā)地區(qū)，邊坡的抗震穩(wěn)定性分析尤為重要。

3邊坡穩(wěn)定性分析方法

3.1 定性分析方法

（1）工程地質(zhì)類比法。是根據(jù)已有的類似工程經(jīng)驗和地質(zhì)條件，對擬建邊坡的穩(wěn)定性進行分析評價。通過對比擬建邊坡與已穩(wěn)定或已發(fā)生失穩(wěn)的邊坡在巖土體性質(zhì)、地形地貌、水文地質(zhì)條件等方面的相似性，判斷擬建邊坡的穩(wěn)定性。該方法簡單易行，但依賴于豐富的工程經(jīng)驗和資料積累，準確性相對較低。在應(yīng)用時，需全面考慮各影響因素的相似程度，不能僅依據(jù)個別因素進行類比。

（2）赤平投影法。是一種將邊坡巖體的結(jié)構(gòu)面和坡面投影到赤平面上，通過分析它們之間的幾何關(guān)系來評價邊坡穩(wěn)定性的方法。該方法可直觀地判斷邊坡巖體的可能滑動模式，如平面滑動、楔形滑動、傾倒破壞等。通過測量邊坡巖體結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀，并繪制赤平投影圖，可分析結(jié)構(gòu)面與坡面的組合關(guān)系，評估邊坡的穩(wěn)定性。赤平投影法適用于分析塊狀巖體邊坡的穩(wěn)定性，但對于復(fù)雜的地質(zhì)條件和連續(xù)介質(zhì)邊坡，其分析結(jié)果存在一定局限性[4]

3.2 定量分析方法

3.2.1極限平衡法

極限平衡法是目前應(yīng)用最為廣泛的邊坡穩(wěn)定性定量分析方法。該方法基于剛體極限平衡理論，假定邊坡巖土體處于極限平衡狀態(tài)，通過分析滑體上的作用力，建立力和力矩的平衡方程，求解邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。常見的極限平衡法包括瑞典條分法、畢肖普條分法、簡布法等。

（1）瑞典條分法。將滑動土體分成若干垂直土條，不考慮土條間的相互作用力，假設(shè)滑動面為圓弧面。通過計算每個土條的下滑力和抗滑力，進而求出整個滑動體的穩(wěn)定系數(shù)。瑞典條分法計算簡單，但由于忽略了土條間的相互作用力，計算結(jié)果偏于保守。

(2）畢肖普條分法。在瑞典條分法的基礎(chǔ)上，考慮了土條間的切向力，假定土條間的切向力合力為零。該方法計算結(jié)果相對準確，適用于各種形狀的滑動面，但計算過程較為復(fù)雜，需要迭代求解。

3.2.2 數(shù)值分析法

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了廣泛應(yīng)用。常見的數(shù)值分析方法包括有限元法、有限差分法、離散元法等。

（1）有限元法。將邊坡巖土體離散為有限個單元，通過求解單元的平衡方程，得到整個邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變分布。有限元法能夠考慮巖土體的非線性本構(gòu)關(guān)系、復(fù)雜的邊界條件和幾何形狀，可分析邊坡在不同工況下的變形和破壞過程。通過有限元分析，不僅能得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，還能了解邊坡內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，為邊坡治理提供更詳細的信息。

（2）有限差分法。基于差分原理，將求解區(qū)域劃分為網(wǎng)格，通過差商代替微商，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程進行求解。有限差分法計算效率較高，適用于求解線性和非線性問題，在邊坡穩(wěn)定性分析中可用于模擬地下水滲流、邊坡變形等過程。

4具體工程案例分析

4.1 工程概況

某公路邊坡長度約為 600m ，最大高度達到 35m 坡度范圍在 35^°～45^° 之間。由于公路建設(shè)需要，需對該邊坡進行適當開挖，以滿足道路線形及場地平整要求。

4.2 地質(zhì)條件

通過鉆探、原位測試及室內(nèi)試驗等勘察手段，查明該邊坡巖土體主要由上部的黏土和下部的強風(fēng)化砂巖組成。黏土呈可塑狀態(tài)，天然含水量 23% ，天然重度 18.5kN/m³ ，黏聚力 22kPa ，內(nèi)摩擦角 14^° 。強風(fēng)化砂巖巖體破碎，巖芯呈碎塊狀，飽和單軸抗壓強度 q_u=4MPa ，經(jīng)換算及經(jīng)驗取值，其重度 22kN/m³ ，黏聚力 40kPa ，內(nèi)摩擦角 28^° 。

4.3 定性分析

通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，測量強風(fēng)化砂巖中主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀。選取其中兩組代表性結(jié)構(gòu)面與邊坡坡面進行赤平投影分析。結(jié)果顯示，部分結(jié)構(gòu)面與坡面的組合關(guān)系呈現(xiàn)出潛在的平面滑動趨勢，表明邊坡存在沿這些結(jié)構(gòu)面滑動的風(fēng)險。

4.4 定量分析

（1）計算模型建立。根據(jù)勘察資料，將邊坡簡化為二維模型，考慮黏土與強風(fēng)化砂巖的分界面以及潛在滑動面的可能位置。按照畢肖普條分法，將滑動土體劃分成若干垂直土條，土條寬度 b=3m 。各土層計算參數(shù)見表1。

表1土層計算參數(shù)

（2）考慮天然工況和暴雨工況。在暴雨工況下，黏土的飽和重度 20kN/m³ ，同時考慮孔隙水壓力的影響。穩(wěn)定系數(shù)計算公式如下[5]：

式中： T_i 一下滑力（ |kN ； R_i 一抗滑力 (kN) 。

對兩種工況下所有土條的下滑力和抗滑力進行累加，得到的結(jié)果見表2。

表2計算結(jié)果

4.5 邊坡穩(wěn)定性評價

綜合定性和定量分析結(jié)果，天然工況下穩(wěn)定系數(shù)F_s1=1.12 ，略低于永久性邊坡穩(wěn)定系數(shù)安全標準 1.2～ 1.5的下限；暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù) F_s2=0.93 ，遠低于安全標準。表明該邊坡在現(xiàn)狀條件下穩(wěn)定性較差，尤其在暴雨等不利工況下存在較高的失穩(wěn)風(fēng)險。建議在高速公路建設(shè)前，對邊坡采取有效的加固措施，如錨桿支護、抗滑樁設(shè)置以及完善排水系統(tǒng)等，以確保邊坡穩(wěn)定，保障高速公路的安全建設(shè)與運營。

5結(jié)論

綜上所述，邊坡穩(wěn)定性分析與評價是巖土勘察中的重要內(nèi)容，對工程建設(shè)的安全與穩(wěn)定具有關(guān)鍵意義。通過全面了解邊坡穩(wěn)定性的影響因素，合理運用定性和定量分析方法，并遵循科學(xué)的評價流程，能夠準確評估邊坡的穩(wěn)定性狀況。在實際工程中，應(yīng)根據(jù)具體情況選擇合適的分析方法和評價標準，并結(jié)合工程經(jīng)驗進行綜合判斷。

參考文獻：

[1」王宇江.基于巖土工程勘察結(jié)果的邊坡穩(wěn)定性分析[J].石材，2024(6):147-149.

[2］吳建來．巖土工程地質(zhì)勘察及邊坡穩(wěn)定性評價研究［J].福建建材，2023(6)：69-71.

[3］張偉．巖土工程勘察在礦山邊坡穩(wěn)定性評價中的應(yīng)用[J]．世界有色金屬，2023（7)：163-165.

[4］黎德波．巖土工程勘察中赤平投影判斷邊坡穩(wěn)定性分析的應(yīng)用［J].冶金與材料，2023，43（5)：178-180.

[5］李培順．港口巖土工程勘察中的填方邊坡穩(wěn)定性分析[J]．四川水泥，2022（5)：79-81.