宿晓萍，潘明远，王亭亭

（长春工程学院土木工程学院，长春130012）

0 前言

滑坡存在的地质条件复杂多样，几何形态也多种多样，是最常见的自然灾害之一。即使是边坡局部具有不稳定性，同样可能导致边坡整体失稳，甚而造成巨大的经济损失和人员伤亡。滑坡滑动通常是由于各因素共同作用而导致应力重分布，一般用安全系数来衡量。在公路开挖形成的边坡以及自然边坡的稳定性计算中，通常是通过岩质边坡稳定性分析对边坡平衡条件进行分析［1］。然而，岩质边坡内的滑动通常被认为是一种多因子影响的结果。早期研究认为岩质边坡的稳定性主要取决于岩体中的不连续面，而非岩石本身的强度。随后有研究表明边坡几何形态与边坡的滑动方向是使边坡破坏最大的因素，且边坡的破坏往往发生在不连续面产状的方向上［2］。因此，岩体的力学性质和物理特性可以通过交叉的不连续节理组决定。尤其是大地构造，如节理断裂，随岩体的强度特性和稳定性问题的研究具有重要意义。

1 研究区的区域地质

基于地貌的研究，研究区位于山地北边的一部分，地质研究表明，这一地区由一组镁铁质、超镁铁的变质岩和第四纪覆盖层组成。根据研究区岩石的研究，岩石单元由变质的玄武岩和变质的辉长岩以及变质的沉积岩（叶片状的千枚岩）组成，并经过了高度的风化。关于该地区的构造方面，明显存在逆断层和褶皱的影响。该区域的断层整体是沿着北西—南东方向延伸，方向为北北东—南南西。

岩质边坡滑动的危险评估是验证此区域内住宅楼稳定性的关键问题。为此，本文选择了该区域一个复杂的边坡进行研究，进行边坡稳定性参数的评价与各项参数的研究。这一复杂的边坡问题是研究区内最大的问题之一，本文还将利用概率分析法和灵敏度分析法计算对其产生影响的其他参数（例如边坡的产状和高度、不连续面的产状）以及一些地质力学性质（例如内聚力、内摩擦角和孔隙水压力）。

2 研究方法

本研究是通过执行标准的地质技术来实现的。将数据收集和分析分为4个步骤：野外调查，室内试验，稳定性分析和灵敏度分析。

2.1 野外调查

在边坡稳定分析中的重要一步是实地调查。因为不连续面在岩质边坡不稳定研究中起着非常重要的作用，根据国际力学岩石学会的力学标准（ISRM1978）对岩质边坡的特征进行了研究。首先，沿着沟内110不连续面通过测线法进行线性的统计，同时统计不连续面的产状、张开度、填充情况、粗糙度以及节理间距等。其次，识别、确定地质岩石类型和地质结构，沟倾向倾角以及地下水条件。最后，采集大量样本，为室内的实验做准备。

2.2 室内试验

基于莫尔—库伦准则，不连续面的剪切强度是研究岩质边坡稳定性最重要的参数之一，该参数可以通过内聚力和内摩擦角来计算得出。

其过程简要如下：计算岩土体参数，试验样本为2个钻井挖掘出的岩芯样本。样本是从同一个地区中被挖掘而出的，样本在105℃下烘24h。试验的岩心样本的直径为54～63mm，高度为63～150mm。样品在采集过程中利用塑料袋包装保存以保证其天然含水率。此外，一些样本是通过地质锤从沟渠内岩石的露头部分中未风化的部分中取得，这样可以评价岩石的类型和岩石参数。

根据规程ASTM D2938（2002），本文选取没有节理的样本进行无侧限抗压强度实验，实验是在保持了天然含水率条件下进行的。同样，根据规程ASTM D5607（1995）选取一个不连续面的样本进行直剪试验，用来确定剪切强度。样本分为2部分：一部分是在饱和条件下，即置于水中48h；另一部分是干燥条件下，即在105℃下烘24h。样品的剪切强度是在不同的正压力条件下重复进行剪切强度测定来衡量的。此外，测定岩石样本的强度参数，包括内聚力、内摩擦角、比重、无侧限抗压强度等。本例节理的特征见表1。

2.3 稳定性分析

通常，动态分析被认为是评价潜在的不稳定块体和山坡上的几何块体的一种普遍方法。动态分析是在没有外力作用在滑动面上时，处理边坡倾向倾角和不连续面之间的关系，从未计算出失效破坏的可能性。

一个不稳定块体运动的可能性可以通过运动分析进行评估。因此，本文采用了这种不稳定性分析机制。为了进行运动学分析，使用Wyllie and Mah（2004）的方法，运用Dip软件求得平面破坏、楔形体破坏以及倾倒破坏的可能性。利用Wyllie and Mah的方法对安全系数进行确定性分析，即采用为每个参数的常量和结果代表指定的值安全系数（FS）。具体用到的参数包括：不连续面产状、岩石的密度、边坡的产状、内聚力、内摩擦角和地下水条件。地震力作用在分析中没有考虑。此外，确定性分析、概率分析以及敏感度分析都是基于莫尔—库伦准则。

岩质边坡稳定性分析的主要问题是确定岩土体参数的不确定性，这与边坡的天然物质组成相关。不连续面的产状方向变化非常大，甚至岩体内部的节理组产状变化也很大。同时，沿着不连续面，岩体抗剪强度会随着节理的充填情况和粗糙程度的不同而不同。岩体剪切特性和外力条件，如水位和地震力等都随时间而变化。因此，选择一个恰当的有效参数值在利用确定性方法评价边坡稳定性的过程中是非常关键的。因此，本文旨在确定FS的概率。概率分析法可用来克服利用前述的确定性方法解决不了的问题。

概率分析是一个系统化的方法，通过建模确定不确定性和变化的评价参数。在这个分析中，FS表示为一个随机变量，可以取代失效的概率，从而评价边坡稳定值。概率分析包括2个步骤：首先，确定岩土参数的分析基本统计元素（平均值和标准偏差）和概率密度函数，用来预测岩土参数的随机数据；其次，在第一步结果的基础上进行不稳定的概率分析［3］。蒙特卡洛模拟方法是概率分析的基础方法，在使用统计分布的基础上确定控制滑动面稳定性的参数。因此，FS是通过数据分布中的随机数值所确定的。

对于每个参数，本文使用不同的值，利用概率统计方法来确定安全系数，因为该法解决了滑动分析高度不确定性的问题。这就需要用以下参数来分析：边坡高度、倾角和倾向、断层倾角和倾向、内部凝聚力及内摩擦角。在分析过程中，密度和边坡节理组的产状定位为某一常数，而其他数据所服从的正态分布情况通过野外调查、实验室数据和基本统计参数来获得。

考虑到在一些不连续面上没有物质的填充，同时为了明确在概率分析和敏感性分析法中无内聚力的情况，本文统一假设最小的内聚力值为零。不稳定概率在输入基本参数值后通过概率分析法求得。

2.4 灵敏度分析

如前所述，通过利用参数的范围以及FS概率分布可以预测边坡失效的可能性大小，而在灵敏度分析中，每一个参数的最大值和最小取值都是用来确定滑坡的临界条件。不同参数之间的关系以及它们对FS的作用将进行评估和讨论。由于只进行概率分析法并不能确定各参数之间的关系，因此，灵敏度分析是非常重要的环节。为解决这一问题，本文进行了灵敏度分析，共3个步骤［4－5］：

1）在所有的参数之间，比如边坡高度、边坡和节理组的产状、内聚力及其他所有的参数中，只选取一个参数为变量，其他参数都选做常量。这样在所有的统计因素都确定的情况下，FS可以通过这些因素而确定。这样，分别更换不同的参数为变量，多次进行这一运算过程。

2）为研究节理组产状、边坡高度、边坡产状对FS的影响，通过保持内摩擦角不变、改变内聚力的值来进行计算。每次分析都是其中的1个值在不断变化，另外2个选为常数。

3）类似的为研究节理组产状、边坡高度、边坡产状对FS的影响，通过保持改变内聚力的值不变，改变内摩擦角的值来进行计算。

以上3个步骤中，用到了野外和室内试验中参数的最小值、最大值、平均值和标准偏差。同时，在分析过程中，边坡和节理组的倾角认为是常数。随着参数值的变化，FS对不同参数的灵敏度不同，根据灵敏度的大小从而确定影响稳定性最大的参数。灵敏度分析结果如图1所示。

表1 节理组特征统计

2.5 结果与讨论

概率分析有效地确定不同破坏方式概率的大小，根据这一分析，虽然平面滑动和楔形体破坏的可能性都很高，但基于现场调查，平面滑动的可能性更大一些。因此，图1中的灵敏度分析是基于平面滑动的。灵敏度分析是为确定有效参数对FS的影响程度。

基于研究结果，坡角在降低到84°时，FS开始有大的变化，当降低到82°时，FS达到2.11（如图1（a））。FS的变化值和边坡高度之间呈线性关系，高度从20m降低到10m过程中，FS从0.53增加到0.91（如图1（b））。

根据图1（c），节理组的倾角在81°时，FS突然显著增大。在角度小于81°时，FS仅仅有很小的变化。同样，可以看到内聚力和FS之间的关系，在内聚力为0时，FS为0.12（如图1（d））。

内聚力的变化对FS的影响很小，增加内聚力只能得到FS较小的增加。根据图1（e）可以看出内摩擦角在可控范围内变化，对FS的影响不明显。而地下水对FS有相反的影响，当含水率达到27%时，FS突然降到0。

图1 平面滑动的灵敏度分析

3 结语

岩石和不连续面的岩土参数视为研究边坡稳定性的有效因素，但由于这些参数的不确定性，为其选择合适的量化值在岩石边坡的稳定性分析中成为重要的问题。本文基于灵敏度分析评估了不同的参数对边坡稳定性的影响，结果清楚表明：滑坡破坏存在着潜在的楔形破坏和平面破坏2种可能。通过使用敏感性分析有效地分析参数的影响。灵敏度分析的最终结果表明：内摩擦角对FS值没有显著影响，但改变破坏面的倾角FS表现出较大的变化，同时当改变含水率时，FS表现出的变化也很大。因此，在本文案例研究中，减少边坡倾角和控制水泄漏是提高边坡稳定最有效的方法。

［1］张勇慧，李红旭，盛谦，等.基于模糊综合评判的公路岩质边坡稳定性分级研究［J］.岩土力学，2010，10：3151－3156.

［2］张社荣，彭敏瑞，董绍尧.岩质边坡稳定性分析方法及工程应用［J］.中国农村水利水电，2007（4）：94－96.

［3］彭小云，高德彬，毕选生，等.高陡边坡稳定性的概率分析［J］.长安大学学报（地球科学版），2003（3）：67－70.

［4］佴磊，徐燕，代树林.边坡工程［M］.北京：科学出版社，2000.

［5］唐辉，陈洁，钱会.饱和指数在水－岩作用研究中的应用及其灵敏度分析［J］.水资源与水工程学报，2012，23（6）：180－183.