摘要：边坡失稳是一种渐变至突变的自然现象，如何将传统的力学模型与现代的数学方法相结合，达到对边坡失稳机制的定量研究，一直是困扰岩土工程界多年的问题。即只考虑地下水的水力作用或者物理化学作用两者之中的其一，其中地下水的水力作用主要考虑边坡后缘张裂缝的静水压力，而地下水的物理化学作用主要考虑地下水对滑面介质的应变和水致弱化性质，这使得应用突变理论来分析边坡系统的失稳机制存在一定的不足。
关键词：突变理论；顺层岩质边坡失稳；
对于岩体而言，由于自然界的各种地质作用，沿边坡的长度方向总是存在着一些大的节理裂隙和断层，将其切割为不连续体，使边坡成为长度有限的坡段。因此，对于顺层边坡的失稳破坏，考虑到边坡长度的影响，根据情况将其视为长度有限的板来进行研究，有时会得到更加符合实际的结果。
一、顺层岩质边坡的破坏模式
1.岩质边坡的破坏模式。在工程基本建设中，存在大量的高陡岩质边坡。确保边坡在施工阶段和运营阶段的稳定，对保证工程建设的顺利开展及充分发挥工程建设的功能，起到至关重要的作用。研究发现，岩体结构的复杂性、多样性，以及赋存环境的差异，决定了其失稳模式是多种多样的。研究某一岩质边坡的稳定性，首先通过判断在特定的地质条件下可能的失稳模式，在此基础上再针对已确定的失稳模式，通过数学力学和试验分析方法，确定边坡稳定的安全系数。尽管岩质边坡存在多种失稳模式，但在工程中常见的还是平面滑动，圆弧滑动、楔体破坏。典型的岩质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，如岩层层面、层间软弱夹层和长大断层节理裂隙等。在工程实践中也会遇到非典型的平面破坏，即滑面是由两个或两个以上走向近似、倾角不同的结构面组成的复合滑面。圆弧滑动，在工程实践中，经常能够见到在岩质边坡内发生弧形滑动破坏的现象。岩体中发生此类破坏模式的条件是，当岩体中的单个块体于边坡尺寸是极其小的，且这些块体由于其形状的关系不是相互咬合的。在这种情况下，大型岩质边坡的破坏就会以圆弧的模式出现。因此，在碎裂和散体结构的高度风化或高度蚀变的岩体中发生的滑动，其滑面通常表现为圆弧滑动。在岩质边坡的失稳模式中，楔块破坏是最常见的一种类型，在边坡失稳模式中占有重要位置。楔块是由两条或两条以上的结构面对岩体切割而形成的。滑体同时沿这两个面发生滑移，故其滑移方向必然是沿着该两个结构面的组合交线方向，且该交线的倾角必定缓于边坡坡角，并在坡面出露。由于滑体同时沿两个滑面滑动，其力学机制比较复杂，目前还没有成熟的分析手段。自然界中的岩体都是被一系列断层、层面、挤压带和节理裂隙等结构面切割，形成一个复杂的不连续地质介质。当边坡滑移时，失稳岩体将沿结构面或结构面与岩壳组合形成的滑面滑动。因此岩质边坡的各种破坏形态主要受结构面控制，把握结构面的几何特征，以及岩土特征，是正确判断边坡失稳模式的关键。
2.分析方法。岩质边坡稳定性的分析评价是一项复杂的系统工程。它涉及工程地质学、岩体力学及计算科学等多学科交叉的问题，一直是岩土工程研究的重要内容，到目前为止，也未能很好地解决。岩质边坡稳定性分析评价方法很多，但是最根本的方法就是结合边坡内在地质结构条件和外在的触发因素，对边坡的整体稳定，以及破坏模式进行定性或定量的判定，然后选择合适的工程支护措施，最后选择适当的方法进行稳定计算。岩质边坡稳定分析评价工作基本上遵循着一种模式。主要步骤如下：（1）通过工程地质勘察，以及现场或文字调研获取基础地质资料。（2）结合多种影响因素（岩体、水体、荷载历程、施工开挖等）对边坡总体稳定性进行定性或半定量评价。（3）对边坡失稳模式做出判别后，选择与边坡失稳模式相匹配的计算方法进行稳定分析计算。制定边坡加固及监测设计方案。
二、考虑突变理论的顺层岩质边坡失稳
1.力学模型。顺层岩质边坡，严重地影响了公路的安全，由砂岩及泥岩组成，二者呈互层状，岩层层面较清晰，倾角较缓（16°左右），滑坡后缘形成了宽大拉裂缝，为雨水的渗入提供了有利条件。设滑面带岩体为一均匀软弱夹层，且变形是均匀的，并忽略压缩变形，上部岩体为刚体。在某些区段介质强度较高，具有弹脆性（如坚硬的岩块或岩桥）或应变硬化（如硬黏土或疏松的砂土）特性，在承受的剪应力未达到峰值强度之前，其抵抗变形的能力随变形增大而增大，而另外一些区段由于介质破碎，强度较低，在水的泥化作用下，具有应变软化的性质，当剪应力达到滑面初始剪切强度时，岩体才会产生位移，其抵抗变形的能力随变形的增大而减小。因此，可假设滑面带岩体由弹脆性段和应变软化段组成。众所周知，材料在腐蚀介质和应力的联合作用下会产生裂纹，且裂纹会不断扩展，使得材料的强度降低，最后导致破坏，这一过程称为应力腐蚀。大多数滑面带介质由于地表水的渗入或地下水面的上升，将会使得介质的强度随含水率的增加而部分丧失，发生应力腐蚀。对于滑坡而言，腐蚀介质主要是水，所以又称之为水致弱化。质页岩强度随含水率变化的试验曲线。另外，边坡后缘张裂缝中充水后，如果内部的水得不到及时扩散，会在此处形成高压水流，产生很高的静水压力，不仅造成岩体的孔隙裂隙增加，具有将岩体“楔裂”趋势，给边坡造成一个明显的扰动，而且沿局部剪切化的水力势能使得边坡的滑动势能增加，极大地危害着边坡的稳定性。所以，本文考虑了地下水对滑面带介质的应变和水致弱化性质，以及地下水对边坡后缘张裂缝的水力效应，建立了适合顺层岩质边坡如下的力学模型。
2.滑坡失稳判据。岩体突发失稳时，弹性段的刚度小于或比较接近应变软化段的刚度。当弹性区段的刚度越小，应变软化区段的刚度越大时，系统易发生突发失稳。当软弱夹层的弹性区段较长，或者一段具有弹性性质另一段是理想塑性的，则系统不易产生滑坡。因此，在滑体介质强度较高的弹脆性区段内，地下水主要是通过物理化学作用渐进性软化滑面带岩体的强度，使弹性段岩体刚度降低。从外部因素上来看，主要是指降雨的作用。在降雨条件下，边坡后缘张裂隙之上的地表径流汇流于张裂隙中，随着后缘张裂缝冲水水位的升高，不仅使得内部的水得不到及时扩散，在此处形成高压水流，产生很高的静水压力。由于后缘张裂隙和潜在滑动面形成一个完整的截排水系统，且张裂隙充水高度和降雨强度有着直接关系，由此可见，在边坡岩体被渐进软化的过程中，剪切位移并非均匀增长，而是出现了突跳，呈现出阶梯状跳跃式上升，是由一系列阶步脉动滑移所组成。但有时出现了突跳并不意味着灾变，只有当曲线的拐点相当明显，使得在该点附近的变化确实引起巨大的响应变化，才认为边坡出现了灾变，此时把拐点的位移作为边坡岩体突发失稳的临界点是合理的。从应力和变形角度来看，这是每一个局部的锚固段被剪断的结果。上述的讨论都是针对顺层岩质边坡表层岩体滑移破坏的，而对于滑移面为深部岩层的边坡，其滑移破坏的机制和表层岩体是一样的。
在推导出顺层岩质边坡后缘张裂缝临界充水高度之后，由于后缘张裂隙和潜在滑动面形成了一个完整的截排水系统，且张裂隙充水高度和降雨强度的有着直接关系，从而导出了临界降雨强度表达式。在基于突变理论来分析顺层岩质边坡失稳机制时，需要把地下水对边坡两方面的作用综合起来考虑。
参考文献：
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