岩石力学之浅谈边坡
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通过10周的岩石力学课程学习，对岩石力学及岩土工程有了初略的了解。
首先，岩石力学是一门研究岩石在外界因素（如荷载、水流、温度变化等）作用下的应力、应变、破坏、稳定性及加固的学科。又称岩体力学，是力学的一个分支。研究目的在于解决水利、土木工程等建设中的岩石工程问题。它是一门新兴的，与有关学科相互交叉的工程学科，需要应用数学、固体力学、流体力学、地质学、土力学、土木工程学等知识，并与这些学科相互渗透。
岩石和岩体是岩石力学的直接研究对象。要学习和研究岩石力学，首先要建立岩石（或岩块）和岩体的基本概念。岩石是组成地壳的基本物质，它是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律凝聚而成的自然地质体。例如，我们通常所见到的花岗岩、石灰岩、片麻岩，都是具有一定成因、一定矿物成分及结构构造的岩石。岩体是地质历史的产物，在长期的成岩及变形过程中形成了他们特有的结构。
人类生活在地球上，很多活动都离不开利用岩石进行工程建设。随着我国经济建设的蓬勃发展，出现了大量岩石工程的建设与开发，从而岩石力学在建筑、矿山、水工、铁路和国防等领域得到日益广泛的应用和深入研究。
例如，在很多工程建设中，会遇到岩石边坡。如公路或铁路的路堑边坡，露天开采的矿山边坡，水利水电工程的库岸边坡，渠道边坡，隧道进出口边坡等。边坡稳定性问题是工程中常见的问题之一。众所周知，岩体常被各种方位的地质结构面切割成不同形状的块体。因此，工程实践中所遇到的岩坡，多为岩块组成。在一般情况下，结构面的强度远远低于完整岩体的强度，岩坡中结构面的规模、性质以及组合方式在很大程度上决定着岩坡失稳时的破坏形式。结构面的性质或形状稍有改变，则边坡的稳定性将会受到显著的影响。
我国位于世界两大地震带：环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震断裂带
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十分发育，是一个地震灾害严重的国家。同时，我国地形地貌复杂的地区，面积大，分布广，高山河谷数量众多，山地面积占国土面积1/4，从而客观上决定了我国有大量的自然边坡。大量的震害调查表明，地震诱发的边坡滑坡是主要的地震灾害类型之一[5]。在山区和丘陵地带，地震诱发的滑坡往往具有分布广、数量多、危害大的特点。目前边坡失稳的防治仍然是一项很艰巨的任务，对边坡的稳定性分析及处治技术进行深入研究具有重要的意义。 一、边坡稳定性的影响因素
边坡在形成的过程中，其内部原有的应力状态发生了变化，引起了应力集中和应力重分布等。为适应这种应力状态的变化，边坡出现了不同形式和不同规模的变形与破坏，这是推动边坡演变的内在原因；各种自然条件和人类的工程活动等也使边坡的内部结构出现了相应的变化，这是推动边坡演变的外部因素。
地层岩性：地层岩性及其组合是构成高边坡的物质基础,岩性决定岩石的强度，抗风化能力，岩体结构及所能保持的边坡高度。岩石软弱,风化深度大,构造破碎严重，当切坡高度、陡度达到一定值时会发生失稳现象。
地质构造：地质构造决定岩层的产状,节理裂隙的性质及发育程度, 断层破碎带的性质等，受构造的影响，如高边坡体上节理裂隙发育，岩体破碎，将严重影响高边坡的稳定性。地形地貌：地形地貌也是产生滑坡的重要条件。不利形态和规模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。
水文地质条件：水是造成边坡失稳的重要因素,地下水软化岩(土) 体，降低其强度,增大容重而增大了下滑力，产生静、动水压力，产生边坡的失稳。坡体内具丰富的地下水，岩性软弱,往往导致大规模变形，如坡体滑坡、边坡滑坡的
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产生。是否具地下水及地下水发育程度是评价边坡稳定的重要因素。
地震：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，当水平地震附加力的作用方向不利时，边坡的下滑力增大，滑动面的抗滑力减小。另外，地震作用下，岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低，也对斜坡的稳定性不利。
降雨：大气降水是滑坡致灾的主要外因。降水对滑坡的作用是一个动态过程，大气降水注入滑坡体，增加沿途的含水量、岩土体容重、软化岩体、降低岩体的抗剪强度。降水渗入到风华岩土体之下的基岩或断水层面变成润滑剂，降低了接触面的抗滑稳定性。
人为因素：边坡的不合理设计、爆破、开挖或加载,大量生产生活用水的渗入等都能造成边坡变形破坏，甚至整体失稳。 二、边坡岩体变形破坏的基本类型 (一)边坡变形的基本类型
边坡岩体变形根据其形成机理可分为卸荷回弹与蠕变变形等类型。 (1)卸荷回弹。成坡前边坡岩体在天然应力作用下早已固结，在成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向(临空面)必然产生伸长变形，即卸荷回弹。天然应力越大，则向临空方向的回弹变形量也越大。如果这种变形超过了岩体的抗变形能力时，将会产生一系列的张性结构面。另外，由层状岩体组成的边坡，由于各层岩石性质的差异，变形的程度就不同，因而将会出现差异回弹破裂(差异变形引起的剪破裂)，这些变形多为局部变形，一般不会引起边坡岩体的整体失稳。
（2）蠕变变形。边坡岩体中的应力对于人类工程活动的有限时间来说，可以
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认为是保持不变的。在这种近似不变的应力作用下，边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形。当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，则这种变形所引起的破坏是局部的。反之，这种变形将导致边坡岩体的整体失稳。当然这种破裂失稳是经过局部破裂逐渐产生的，几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形破坏过程。研究表明，边坡蠕变变形的影响范围是很大的，某些地区可达数百米深，数公里长。
(二)边坡破坏的基本类型
对于岩体边坡的破坏类型，不同的研究者从各自的观点出发进行了不同的划分。在有关文献中，对岩体边坡破坏类型作了如下几种划分：霍克(Hoek，1974)把岩体边坡破坏的主要类型分为圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和倾覆破坏4类。库特(Kutter，1974)则将其分为非线性破坏、平面破坏及多线性破坏3类。这两种分类方法虽然不同，但都把滑动面的形态特征作为主要分类依据。另外，王兰生、张倬元等(1981)根据岩体变形破坏的模拟试验及理论研究，结合大量的地质观测资料，将岩体边坡变形破坏分为蠕滑拉裂、滑移压致拉裂、弯曲拉裂、塑流拉裂、滑移拉裂5类。
从岩体力学的观点来看，岩体边坡的破坏不外乎剪切(即滑动破坏)和拉断两种型式。大量的野外调查资料及理论研究表明，除少数情况外，绝大部分岩体边坡的破坏均为滑动破坏。由于研究滑动破坏问题的关键在于研究滑动面的形态、性质及其受力平衡关系。同时，滑动面的形态及其组合特征不同，决定着要采用的具体分析方法的不同。因此，岩体边坡破坏类型的划分，应当以滑动面的形态、数目、组合特征及边坡破坏的力学机理为依据。根据这些特征将岩体边坡破坏划分为平面滑动、楔形状滑动、圆弧形滑动及倾倒破坏4类，其中平面滑动又据滑
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动面的数目划分出单平面滑动、双平面滑动与多平面滑动等亚类。 三、边坡工程稳定性分析方法 （1）边坡极限平衡法
极限平衡法是边坡稳定分析计算的主要方法，也是工程实践中应用最多的一种方法。它是在已知滑动面上对边坡进行静力平衡计算，根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理(即静力平衡原理)分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及利用边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。对于均匀土体可以通过经验或者优化的方法获得滑移面，因而十分适合土质边坡。 （2）边坡可靠性分析法
边坡工程是以岩土体为工程材料，以岩土体天然结构为工程结构，或以堆置物为工程材料，以人工控制结构为工程结构的特殊构筑物。这些构筑物都程度不同地存在组成和结构上的不均匀性，天然边坡尤为突出，因为构成边坡的地质体经受长期的多循环的地质作用，而且作用强度不一，且又错综复杂，致使它们的工程地质性质差异很大。现阶段边坡可靠度分析的常用方法有蒙特卡洛模拟法，可靠指标法，统计矩法以及随机有限元法。 四、边坡的处理措施 1 .边坡的防治措施
1)防治原则：边坡的治理应根据工程措施的技术可能性和必要性、工程措施的经济合理性、工程措施的社会环境特征与效应，并考虑工程的重要性及社会效应来制定具体的整治方案。防治原则应以防为主，及时治理。 2)防治措施。常用的防治措施可归纳如下： (1)消除和减轻地表水和地下水的危害
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①防止地表水入浸滑坡体。可采取填塞裂缝和消除地表积水洼地、用排水天沟截水或在滑坡体上设置不透水的排水明沟或暗沟，以及种植蒸腾量大的树木等措施。
②对地下水丰富的滑坡体可在滑体周界5m以外设截水沟和排水隧洞，或在滑体内设支撑盲沟和排水孔、排水廊道等。
(2)改变边坡岩土体的力学强度。提高边坡的抗滑力、减小滑动力以改善边坡岩土体的力学强度，常用措施有：
①削坡及减重反压：对滑坡主滑段可采取开挖卸荷、降低坡高或在坡脚抗滑地段加荷反压等措施，这样有利于增加边坡的稳定性，但削坡一定要注意有利于降低边坡有效高度并保护抗力体。
②边坡加固：边坡加固的方法主要有修建支挡建筑物(如抗滑片石垛、抗滑桩、抗滑挡墙等)、护面、锚固及灌浆处理等。支护结构由于对山体的破坏较小，而且能有效地改善滑体的力学平衡条件，故为目前用来加固滑坡的有效措施之一。
上述边坡变形破坏的防治措施，应根据边坡变形破坏的类型、程度及其主要影响因素等，有针对性地选择使用。实践证明，多种方法联合使用，处理效果更好。如常用的锚固与支挡联合，喷混凝土护面与锚固联合使用等。 2 .边坡处理的一般方法
对于潜在的大规模岩石滑坡，应当加强观察，确定它们的特性和估计它们的危险性。潜在的岩石滑坡，一方面可用仪器来监视；另一方面可通过边坡的表面现象来判断分析，例如，树木斜生，弧立的岩石开始滚动或滑动，坡脚局部失稳等等都是可能发生滑坡的预兆。
(1)用混凝土填塞岩石断裂部分：岩体内的断裂面往往就是潜在的滑动面。用混
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凝土填塞断裂部分就消除了滑动的可能。在填塞混凝土以前，应当将断裂部分的泥质冲洗干净，这样，混凝土与岩石可以良好地结合。有时还应当将断裂部分加宽，再进行填塞。这样既清除了断裂面表面部分的风化岩石或软弱岩石，又使灌注工作容易进行。
(2)锚栓或预应力锚索加固：在不安全岩石边坡的工程地质测绘中，经常发现岩体的深部岩石较坚固，不受风化的影响，足以支持不稳定的和某种危险状况的表层岩石。在这种情况下采用锚栓或预应力锚索进行岩石锚固，很为有利。 一般采用抗拉强度很高的钢杆来锚固岩石，其道理是很明显的。钢质构件既可以是剪切螺栓的形式，垂直用于潜在剪切面，也可以用作预拉锚栓加固不稳定岩石。过去锚栓的防锈存在严重的问题，但是目前已经取得了重大的进展。
(3)用混凝土挡墙或支墩加固：在山区修建大坝、水电站、铁路和公路而进行开挖时，天然或人工的边坡，经常需要防护，以免岩石坍滑。在很多情况下，不能用额外的开挖放缓边坡来防止岩石的滑动，而应当采用混凝土挡墙或支墩，这样可能比较经济。
常用的防护措施有：圬工防护、菱形网格护坡、六角空心砖护坡、喷射混凝土护坡、生物防护。
边坡是工程活动中的不可避免的地质环境。深入研究和防止边坡失稳在工程建设中具有重大意义。
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