平面滑动破坏失稳机理及稳定性分析

4.2.1　平面滑动破坏失稳机理

典型的边坡的平面滑动破坏通常是滑体沿与山坡倾向大致相近的单一滑面滑移，滑面可以是岩体内发育的构造结构面等，如岩层层面、层间软弱夹层和长大断层节理裂隙等。滑面的倾角缓于地形坡度，滑面在坡面上出露，滑体两侧一般临空或存在节理裂隙切割。

图4－15典型的边坡平面滑动破坏模式

发生平面破坏的条件是，见图4－15。①滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行(约在20°的范围之内)。②破坏面必须在边坡面露出，就是说它的倾角必须小于坡面的倾角，即ψf＞ψp。③破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角，即ψp＞φ。④岩体中必须存在对于滑动仅有很小阻力的节理面，它规定了滑动的侧面边界。

发生平面滑动的边坡通常为顺层岩石边坡，其滑动面一般为层理面或顺坡向软弱层(或结构面)，如泥岩层面，顺坡向软弱层(或结构面)的软化作用及路堑挖方卸载是导致坡体破坏的主要原因。其中路堑挖方卸荷造成了顺层坡体产生了大量临空面，对顺层边坡的应力场产生改变，在前段形成局部应力集中段。另外顺坡向层面的软化作用，是产生大规模滑动及分段滑动破坏的主要原因。下面以顺泥岩层滑动为例介绍暴雨诱发顺层滑坡机理，暴雨时大气降水难以尽快排出坡体，使得大量雨水下渗至相对隔水的泥岩顶面汇集，软化泥岩表层，降低其抗剪强度。且应力集中效应造成泥岩夹层产生顺层大变形，其强度迅速从峰值强度衰减至残余强度，产生应变软化现象。由此更加促进了前段应力集中段的坡体持续大变形，直至坡体前段首先产生滑移拉裂破坏。前段坡体破坏后，后段坡体产生临空断面，由此产生新的应力集中，最后至全部破坏。

4.2.2　平面滑动稳定性分析

大多数边坡在滑动之前会在坡顶或坡面上出现张裂缝，如图4－16所示。张裂缝中不可避免地充有水，从而产生侧向水压力，使岩坡的稳定性降低。在分析中往往作下列假定。

(1)滑动面及张裂缝的走向平行于坡面。

(2)张裂缝垂直，其充水深度为Zw。

(3)水沿张裂缝底进入滑动面渗漏，张裂缝底与坡趾间的水压力按线性变化(三角形分布)，如图4－16所示。

(4)滑动块体质量W、滑动面上水压力U和张裂缝中水压力V三者的作用线均通过体的重心。即假定没有使岩块转动的力矩，破坏只是由于滑动。一般而言，忽视力矩造成的误差可以忽略不计，但对于具有陡倾斜结构面的陡边坡则要考虑可能产生倾倒破坏。

图4－16平面滑动破坏分析简图

潜在滑动面上的安全系数可按极限平衡条件求得。这时安全系数等于总抗滑力与总滑动力之比，即式中，L为滑动面长度(m);c为滑面黏聚力(kPa);φ为滑面内摩擦角。

式(4.8)中L、U、V的计算公式为

W按下列公式计算:

当张裂缝位于坡顶面时，

当边坡的几何参数和张裂缝内的水深为已知时，用上列这些公式计算安全系数。但有时需要对不同的边坡几何参数、水深、不同抗剪强度的影响进行比较，这时用上述方程式计算很麻烦。为了简化可以将安全系数公式整理为无量纲的形式，即

当张裂缝位于坡面上时，

式中，

当张裂缝在坡顶面上时，

当张裂缝在坡面上时，

R、S的计算公式为

其中P、Q、R、S均为无量纲量，它们只取决于边坡的几何参数，而不取决于边坡的尺寸大小。因此，当黏聚力c=0时，安全系数Fs不取决于边坡的具体尺寸。

图4－17、图4－18和图4－19分别表示各种几何要素下边坡的P、Q、S的值，可供计算使用。两种张裂缝的位置都包括在Q比值的图解曲线中，所以不论边坡外形如何，都不需检查张裂缝的位置就能求得Q值，但应注意张裂缝的深度一律从坡顶面算起。

图4－17不同边坡几何要素的P值

图4－18不同边坡几何要素的S值

图4－19不同边坡几何要素的Q值

在工程实践中也会经常遇到非典型的平面破坏，即滑面是由两个或两个以上走向相近似、倾角不同的结构面组成的折线型滑面。如图4－20所示，边坡内有两条相交的结构面，形成潜在的滑动面。上滑动面的倾角α1大于结构面内摩擦角φ1，设c1=0，则其上岩块体有下滑的趋势，从而通过接触面将力传递给下面的块体，称上面的岩块体为主动岩块体。下面的潜在滑动面的倾角α2小于结构面的内摩擦角φ2，由于它受到上面滑动块体传来的力的作用也可能滑动，称下面的岩块体为被动滑块体。为了使岩体保持平行，必须对岩体施加支撑力Fb，该力与水平线成θ角。假设主动块体与被动块体之间的边界面垂直，对上、下两滑块体分别进行分析，可以得到极限平衡所需施加的支撑力，即式中，φ1、φ2、φ3为上滑动面、下滑动面以及垂直滑动面上的摩擦角;W1、W2为单位长度主动和被动滑动块体的质量。

为了简单起见，假定所有摩擦角是相同的，即φ1=φ2=φ3=φ。

如果已知Fb、W1、W2、α1和α2之值，则可以用下列方法确定岩坡的安全系数:首先确定保持极限平衡所需的摩擦角值φ需要。然后将岩体结构面上设计采用的内摩擦角值φ实际与之比较，用下列公式确定安全系数，即

在开始滑动的实际情况中，通过岩坡的位移测量可以确定出坡顶、坡趾以及其他各处的总位移的大小和方向。如果总位移量在整个岩坡中处处一致.并且位移的方向是向外和向下的，则可能是刚性滑动的运动形式。于是总位移矢量的方向可以用来定出α1和α2的值，并且张裂缝的位置可确定W1和W2的值。假设安全系数为1，可以计算出φ实际的值，此值即为方程的根。今后如果在主动区开挖或在被动区填方或在被动区进行锚固，均可提高安全系数。这些新条件下所需要的内摩擦角φ需要也可从式(4.21)得出。在新条件下的安全系数的增加也就不难求得。

图4－20折线型滑动的稳定分析模型

4.2.3　平推式滑坡致灾机理与稳定性分析

平推式滑坡是我国西南地区、三峡库区和山区高速公路建设中常见的一种十分特殊的平面滑动破坏灾害。这类滑坡的典型特征是一般发育于近水平或缓倾坡外的砂、泥岩互层状地层之中，岩层倾角一般不超过10°。勘察资料显示该类滑坡的滑带土内摩擦角往往大于滑面倾角，按照传统的极限平衡理论，这种滑面近水平，甚至反倾的滑坡是很难发生的。

目前，平推式滑坡特征主要研究滑坡的地质结构特征，其主要表现为滑坡多发育于软硬互层的地层中，且滑面形成于软硬岩(土)接触面的软岩(土)中，这方面国内外学者已形成了较为一致的观点。另外，针对平推式滑坡的裂隙扩展演化规律、变形破坏速率特征、地下水发育特征及变化情况均有涉及，但研究并不系统。

平推式滑坡形成的最主要条件包括三个方面:一是软硬互层岩体结构;二是软弱层隔水条件好;三是特定的诱发因素(降雨或地震)。近年来有学者发现滑带膨胀性、边坡的开挖等也是导致平推式滑坡发生不可忽视的因素。

认识平推式滑坡的致灾机理是开展此类灾害预测预报和进行防治的基础。近20年来，不同学者分别采用数值计算、理论推导、统计调查及案例分析等方法研究了平推式滑坡的致灾机理。平推式滑坡的产生，主要是由于特定类型的斜坡结构具有间歇裂隙充水承压型水动力特征(见图4－21)。在特大暴雨条件下，岩体在裂隙中充水的静水压力和沿滑移面空隙水扬压力的联合作用下，坡体就有可能被平推滑出。暴雨是诱发平推式滑坡的重要因素，暴雨产生的后缘静水压力是平推式滑坡体可能启动的关键因素。对于水平砂泥岩互层状岩体，在上覆岩层自重的作用下，由于水平方向变形不协调，砂岩将受应力而产生裂缝，因此水平砂泥岩互层岩体容易产生平推式滑坡。

图4－21间歇裂隙充水承压型斜坡水动力学模型示意图［28］

平推式滑坡是一类特殊的斜坡失稳模式，此类滑坡的启动判据是研究重点和关键。张倬元等［29］最早提出的平推式滑坡启动判据。按照图4－22所示的启动机制，以后缘拉裂缝(假定垂直)中充水临界高度(hcr)作为起动判据，在滑面缓倾外(或内)时，有式中，W为滑块单宽质量(t/m);α为滑移面顺滑动方向倾角(倾向坡外为正值，反之为负);L为滑块底面沿滑动方向长;φ为滑面内摩擦角，不考虑黏聚力c;γw为水的重度。

当α=0时，式(4.22)可简化为:

图4－22平推式滑坡启动机制分析图［29］

近年来，在平推式滑坡机理研究的基础上，许多学者进一步研究了平推式滑坡的启动判据，取得了一定的进展。总体上，平推式滑坡的启动判据可以归纳为三类。应用最多的一类是张倬元教授提出的裂缝充水临界高度;第二类是依据降雨条件与裂隙充水高度的关系提出的降雨判据(降雨强度和降雨时长);第三类是基于突变模型、分岔模型等非线性理论提出的平推式滑坡灾变的变形判据。

滑坡防治的工程措施很多，针对平推式滑坡致灾机理和破坏模式，制定防灾减灾策略，并实施有效的工程措施是平推式滑坡研究的最终目的。从上述平推式滑坡的降雨诱发机理可以看出，合理的排水设计是确保该类滑坡成功治理的关键。通常采用削方减载(下部压脚)、抗滑桩支挡、锚固支护，结合完善截排水系统进行综合整治。

尽管平推式滑坡灾害研究已经取得了显著的成果，但还不能满足当前防灾减灾的需求。由于平推式滑坡灾害形成环境和致灾机理的复杂性，许多理论、技术、方法仍处于资料积累、试验探索阶段。因此，在平推式滑坡灾害的发生机制与减灾方法等方面有待深入地研究。目前，平推式滑坡灾害研究存在的主要问题如下:

(1)平推式滑坡特征研究主要针对某一特定地区或某一具体滑坡，平推式滑坡综合性特征体系较少。综合性滑坡特征能够全面地反映平推式滑坡的地质结构，成因及发展演化过程，有助于快速识别平推式滑坡。

(2)平推式滑坡的形成条件目前主要是分析工程地质条件，自然条件(降雨、地震)的影响，而没有考虑工程活动作用。实际上边坡开挖以及爆破振动条件下也可能形成平推式滑坡，因此平推式滑坡的形成条件仍有待进一步探索和完善。

(3)平推式滑坡的致灾机理研究大多采用数值计算手段和理论分析方法，通过试验研究平推式滑坡机理成果较少。离心模型试验技术利用离心机产生n倍重力加速度，能够达到缩尺模型和原型二者的重力完全相等以保持其力学特性的相似性，因此平推式滑坡离心模型试验是值得研究的新课题。

(4)平推式滑坡的启动判据目前大多采用后缘拉裂缝中的临界水头，推导该判据的计算模型简单，且判据单一，结果存在一定的误差。因此，确定平推式滑坡的降雨判据、变形判据以及应力判据等综合判据是值得深入研究的课题。

(5)平推式滑坡防治的工程措施很多，但对平推式滑坡的预测预警、工程措施的适用性和有效性等问题的研究不够深入。因此，针对不同的平推式滑坡地质条件、滑坡机理制定防灾减灾策略，并实施有效的工程措施是值得深入研究的课题。