1 绪论
1.1 引言
边坡岩体稳定性研究是为各种工程建设服务的，尤其是在我国多山地区，该研究涉及很多工程领域的内容（孙玉科，1988）。我国西南及西北的铁路、公路穿山越岭，边坡稳定性对运输安全十分重要；水电工程多数修建在高山峡谷中，库岸边坡的稳定性对大坝安危有直接的影响；露天采矿工程中，开挖角的大小与矿山的经济效益以及安全生产都有着直接的关系（孙玉科，1988）。因此，研究边坡岩体的稳定性具重要的社会和经济效益。
岩体是在地质历史过程中形成，由岩石单元体（或称岩块）和结构面网络组成，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体（刘佑荣等，1999）。所谓结构面，是指具有极低的或者没有抗拉强度的不连续面（沈明荣，1999），包括多数节理面、弱层面、弱片理面、弱带和断层等（ISRM,1978）。结构面的存在使得岩体具有不连续性，因而这类岩体被称为不连续岩体，也被称为节理岩体（沈明荣，1999）。
谷德振（1979）根据规模将结构面分为五级：①Ⅰ级结构面，一般泛指对区域构造起控制作用的断裂带，在其走向上一般延展数十千米以上，纵深方向延伸至少可以切穿一个构造层，而且破碎带的宽度至少也在数米以上；②Ⅱ级结构面，一般指延展性强而宽度有限的区域性地质界面（如不整合面、假整合面、原生软弱夹层），也包括伸展数百米到数千米，延深数百米以上，宽度1米上下但不超过5米的，一般贯穿整个工程区域或切穿某一具体部位的断层、层间错动、接触破碎带、风化夹层等；③Ⅲ级结构面，包括走向上、纵深方向延伸有限，一般在数百米范围内的断层、挤压或接触破碎带、风化夹层，其宽度在1米左右或1米以下；也包括宽度在数十厘米以内的，走向和纵深延伸断续的原生软弱夹层或层间错动带等；④Ⅳ级结构面，延展性差，无论是走向上还是纵深方向的发展均是有限的，一般在数米范围内，无明显宽度；Ⅳ级结构面即岩体中断续分布的裂隙，主要指节理，亦包括层面、片理、原生冷凝节理和发育的劈理等；⑤Ⅴ级结构面，指延展性很差、无厚度之别、分布随机、为数甚多的细小结构面，主要包括微小的节理、劈理、隐微裂隙、不发育的片理、线理、微层理等。
通过上述划分可知，相对于铁路、公路、水电、矿山、土木等工程边坡的规模而言，Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级结构面规模大，它们的存在直接影响这些边坡岩体的整体稳定性。由于它们数量非常有限，通过地质勘查一般能把它们的空间延展情况和力学参数等调查清楚，所以这三类结构面也称为确定性结构面，研究它们对边坡岩体稳定性的影响往往采用确定性分析方法。Ⅴ级结构面主要影响岩块的强度（谷德振，1979），但对于一般浅层埋深的硬岩边坡而言，岩体的失稳往往沿着结构面发生，而不是岩块破裂，因此对于上述边坡工程而言，Ⅴ级结构面可以直接忽略。然而，Ⅳ级结构面的发育情况，直接反映岩体的完整性，控制着岩体的强度。由于结构面发育程度不同，特性的差异和组合状态也不同，这些都影响岩体的工程地质特性和受力后岩体变形、破坏的方式（谷德振，1979）。此外，实际边坡岩体中Ⅳ级结构面常常数量巨大，我们不可能把它们的几何特性（一般包括产状、尺寸、频率、粗糙度、成因以及填充材料等（Piteau,1970&1973））和力学参数一一调查清楚，它们的存在给边坡岩体的稳定性分析和治理方案设计带来了巨大的困难。本书研究对象——边坡岩体，主要是指包含Ⅳ级结构面的岩体。
研究结构面对边坡岩体稳定性的影响至关重要（张奇华，2010）。岩体稳定性计算分析方法较多，在某种意义上，能否较合理地分析结构面对岩体稳定性的影响，成为衡量某种方法是否适用于岩体稳定性分析的重要标准（张奇华，2010）。在众多的分析方法中，有限元法可以根据节理单元（Goodman单元）分析结构面的影响，但考虑的结构面数量有限；离散元法可以考虑结构面的影响，但岩石需被完全切割，且切割后的块体为凸体，与实际工程条件存在或多或少的差异；DDA和数值流形元法有其理论上的重大创新，在结构面大变形与不连续变形，乃至裂纹扩展等问题方面可获得满意解答，但目前尚未进入大规模应用阶段（张奇华，2010）；块体理论（石根华，1977&1981; Shi, 1982; Goodman et al.,1985；刘锦华等，1986）可用于分析结构面切割形成的各种块体的稳定性，是研究块体失稳的强有力工具，其本质是一种几何方法，然而该理论仅考虑块体的平动失稳，不能考虑块体的转动失稳（倾倒失稳）。
运动学是指从几何的角度（指不涉及物体本身的物理性质和加在物体上的力）描述和研究物体位置随时间的变化规律的力学分支。Goodman（1989）也在他的经典著作Introductionto Rock Mechanics中描述到：运动学研究物体的运动，而不涉及使其产生运动的力。运动学分析是调查岩体的失稳模式、确定节理边坡最大安全开挖角（maximum safe slope angle, MSSA）的有效手段（Um et al.,2001; Kulatilake et al.,2011）。类似于块体理论分析，运动学分析的本质也是一种几何分析方法，但相对于块体理论更易掌握，且其涉及边坡岩体的三种最常见的失稳模式：①平面失稳，如图1-1（a）所示；②楔形体失稳，如图1-1（b）所示；③倾倒失稳，如图1-1（c）所示。
图1-1 边坡岩体的失稳模式（Goodman,1989）