⑴ 桂林岩溶地基中的不良地质现象及治理<sup>[]</sup>
桂林是我国典型的岩溶地区之一，由于岩溶地质作用，桂林岩溶地基中广泛地发育有溶洞、土洞、塌陷、溶槽、溶沟等不良地质现象。
3.2.1桂林岩溶地基中的不良地质现象类型
桂林岩溶地基的组成主要有：红粘土、粉土、砂、卵砾石、石灰岩等，而根据成因，主要有残坡积（Qel+dl）和冲洪积（Qal+pl），其发育的不良地质现象主要有以下一些：
3.2.1.1溶洞
岩溶区溶洞的发育过程，实质上是水对方解石、白云石等碳酸盐岩的溶解作用。溶洞的发育必须具备有可溶性岩石、岩石中的通道、流动的水及具侵蚀性的水。
地质构造（褶皱、断裂）的性质、规模对溶洞的发育起着重要的控制作用。桂林岩溶区工程实践表明，地质构造不仅控制着溶洞发育的方向，而且还影响着溶洞发育的规模和大小。张性构造部位有利于溶洞发育，而压性构造部位则不利于溶洞的发育。
桂林市区内以及东郊一带的下伏基岩一般为上泥盆统融县组石灰岩（D3r）：一般灰色—灰白色，质纯层厚，块状构造，坚硬性脆，局部不规则裂隙发育。控制桂林市的主要地质构造（褶皱、断裂）均通过该组灰岩，且多为张性断裂，因张性断裂带受拉张应力作用，张裂程度较大，断裂面较粗糙，裂口较宽，断层岩多为角砾岩、结构疏松。断层岩粒径相差悬殊，胶结性差或未胶结，孔隙度高、透水性强、利于地下水的赋存、运移，常为岩溶水的有利通道，故通常岩溶作用和岩溶化程度强烈。沿断裂带发育的溶洞比较多，规模也比较大。桂林岩溶区的溶洞绝大部分发育在该组灰岩中。
市区南郊雁山区一带为中泥盆统东岗岭组石灰岩（D2d）：深灰—灰黑色，中—厚层状，主要矿物成分为方解石，该层溶洞的发育相对融县组石灰岩（D3r）要少。
市区北郊八里街一带基岩出露为下石炭统岩关组泥灰岩（C1y）：灰黑色，薄—中厚层块状构造，含有泥质和碳质，岩石中方解石（CaCO 3）含量相对少。由于泥灰岩呈韧性，岩石中发育的地质构造（褶皱、断裂）也多为闭合、压性构造，不利于地下水的运动，也不利于溶洞的发育，在该区极少见有溶洞、土洞及塌陷等不良地质现象。
3.2.1.2土洞
土洞是在有效覆盖土的岩溶发育区，其特定的水文地质条件，使岩面以上的土体遭到流失迁移而形成土中的洞穴和洞内塌落堆积物以及地面变形破坏的总称。土洞是岩溶区常见的一种岩溶作用产物，它的形成发展与土层的性质、水的活动、岩溶的发育等因素有关。桂林岩溶地基中的土洞，主要分布在残坡积（Q el+dl）和冲洪积（Q al+pl）的粘性土层中、尤其在残、坡积粘土中发育较多，土洞趋于圆形或近圆形，直径大多在1 m 以内，一般发育垂直深度在距离地面5～15 m 之间，洞内有时为软、流塑的粘性土所充填，很多情况下为空洞。
此外，桂林岩溶区的土洞发育具有以下特征：
（1）土洞多位于粘性土层中，在桂林漓江一级阶地中的粉土、砂砾石、卵石等地层中极少见。
（2）在溶沟、溶槽处，即靠近基岩面附近，经常有软粘土分布，其抗冲（侵）蚀能力弱，常常有土洞发育。
（3）由地下水形成的土洞多位于地下水变化幅度以内，且大部分分布在高水位与低水位之间。在最高水位以上及低水位以下，土洞少见。
3.2.1.3岩溶塌陷
岩溶塌陷是指分布在下伏溶洞和土洞之上的岩、土体覆盖层，在自然或人为等各种因素的作用下失去平衡而向下陷落的作用和现象。它是溶洞、土洞发育发展的最终结果，桂林岩溶塌陷主要分布在桂林漓江一级阶地中，其次为残坡积（Q el+dl）和冲洪积（Q al+pl）的粘性土层中。
岩溶区地基土层塌陷大多是局部性的，其平面范围较小，如桂林市西城区的调查显示：已发生的岩溶塌陷规模，平面范围小于3 m 的塌陷，占塌陷总数的75％。从已有土洞塌陷的剖面形态来分析，桂林岩溶区主要的土洞塌陷的剖面形态有以下4种：
（1）井状：塌陷坑壁陡立呈直筒状；
（2）漏斗状：口大底小，塌陷坑壁呈斜坡状，状如漏斗；
（3）碟状：塌陷坑呈平缓凹陷，面积较大，深度小，呈碟形；
（4）坛状：口小肚大、塌陷坑壁呈反坡状。
3.2.1.4红粘土软弱下卧层
桂林岩溶区的红粘土，一般呈现上硬下软的分布特征（广西岩溶地区也大都如此），尤其是靠近基岩附近，常分布有软、流塑粘性土，构成地基的软弱下卧层。桂林红粘土下伏基岩为微风化石灰岩，致密石灰岩的渗透系数可以达到3 ×10-12 ～6 ×10-10cm/s，而红粘土的渗透系数大约为10-8cm/s左右，因此致密石灰岩便成为红粘土的相对隔水层。石灰岩顶面分布的粘土长期处在水的浸泡之中，最后成为软塑、流塑状态，并构成地基软弱下卧层。
3.2.1.5基岩面起伏
由于岩溶作用的差异以及溶洞引起塌陷，石灰岩表面经常可以形成很大的起伏，在桂林岩溶区的工程勘察中常可见到，相隔5 m以内距离的两个钻孔，揭露石灰岩的基岩面高差达10 m以上，几乎形成直立的陡崖。
3.2.2桂林岩溶地基中的不良地质现象主要成因
桂林岩溶地基中的不良地质现象，主要影响因素是地基土层、地下水、地表水、人为因素等。
3.2.2.1 地基土层的影响
3.2.2.1.1地基土层组成结构
地基土体的组成结构不同，土体产生渗透破坏的形式及抵抗渗透变形的能力也不同。漓江阶地中的冲洪积（Q al+pl）砂土层，级配良好的砂土容易产生潜蚀和管涌破坏，其临界水力坡度相对较低，抵抗渗透变形的能力也相对较低，在相同水力条件下容易产生渗透变形，形成土洞及塌陷。漓江一级阶地具有混杂结构的覆盖层，其抗塌性能较差。由于此类结构较松散，且粗细颗粒渗透性能差异大，在其接触面上容易产生接触冲刷而形成土洞和塌陷。漓江两岸阶地中砂、卵石层往往是直接覆盖在基岩上，此时，最有利于地基塌陷的孕育；其次是粘性土、砂卵石层混层结构；再其次是均一的粘性土地层。
分布在红粘土底部的软塑状态且粘粒含量低的土，其抗剪强度较低，抵抗渗透变形及塌陷的能力也较低，容易形成土洞及塌陷。
3.2.2.1.2地基土覆盖层厚度
通过对桂林市西城区大量钻孔资料和地表测绘资料的统计分析表明，覆盖层厚度越小，岩溶塌陷越发育。厚度小于6 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的74％以上；厚度小于10 m 区域的塌陷个数占总塌陷个数的99％以上；覆盖层厚度大于10 m 时，基本上不会发生岩溶塌陷。
3.2.2.2地下水活动的影响
据统计，桂林市80％以上的岩溶塌陷（含土洞塌陷）是在地下水强径流带发生的。对于岩溶塌陷的发育，它是一种十分敏感和活跃的动力因素，其作用主要有以下几种：
3.2.2.2.1渗透潜蚀作用
潜蚀是在地表水或地下水的渗透作用下，土体中的细颗粒在孔隙通道中移动并被携出的现象。在岩溶区的土层中，当渗透水的水力梯度加大，水力流速加快，动水压力增强，且水力坡度达到某一临界值Jk时，土中细粒被渗流带走迁移，产生土洞甚至塌陷。太沙基（1933）根据单位体积的土体在水中的浮重和作用于该体积的渗透水相平衡原理，得到土体产生潜蚀作用的临界水力梯度Jk，其表达式与式（1.43）相同。
当土层中地下水渗流的水力梯度大于临界水力梯度Jk时，土层就有可能产生潜蚀破坏。例如，桂林市漓江一级阶地中的冲洪积的粉质粘土、粉土地层，其土颗粒相对密度一般为2.65～2.70，孔隙度n为40％～50％，那么其产生潜蚀的临界水力梯度为0.83～1.02，当地下水位急剧变化时，其水力坡度就可能超过临界水力坡度，土体将产生潜蚀破坏。据调查，桂林市漓江两岸大部分土洞及塌陷均发生在水位变化幅度较大的冬春两季，尤其是冬春之交。
例如，桂林理工大学（原桂林工学院）教四楼东侧一楼联合教室基础下榻，使基础与上部墙体脱离达5 cm，形成直径4 m 的凹塌区，墙体由一楼至三楼，裂缝宽2～15 mm，其原因是隔壁的厕所与化粪池长期漏水使地基红粘土湿化、软化直至潜蚀流失所致。此外，桂林理工大学原图书馆的墙体开裂，也是由于地表池内水渗漏产生潜蚀作用使地面变形所致。
3.2.2.2.2真空吸蚀作用
当岩溶地下水位下降至覆盖层底板以下、由有压力转为无压力时，在岩溶空腔中的水、气形成了负压，对盖层产生了附加吸力而使其遭到吸蚀剥落并向下迁移，最大压力约为1个大气压的压力。对于上覆土层中所含的水，负压使其增加了向下渗透的附加水头，从而加剧了对土体的潜蚀作用，加速了土体颗粒间联接破坏并导致土洞的形成与扩展。桂林岩溶区的溶洞以及发育在残坡积红粘土中的土洞，当地下水在溶洞土洞中运动时，往往可产生真空吸蚀作用。
3.2.2.2.3地下水位波动的崩解作用
地下水位的波动，使覆盖层中的水反复饱和与丧失，其结果使覆盖土层产生崩解、散体、剥落而向下迁移，形成土洞并向上扩展。
桂林岩溶区广泛地分布红粘土，红粘土含有较多的亲水矿物，例如：通过X 射线衍射分析，桂林市区残积红粘土矿物成分中，伊利石约40％～60％，高岭土20％～30％，伊利石/蒙脱石混层矿物10％～20％，它们的结构联结力较弱，易于水化，遇水易产生崩解。
3.2.2.3其他因素
人工爆破、人为大幅度降水、交通工具加载或振动、地下工程施工及基坑开挖等产生临空面而改变溶洞周围应力状态等，都有可能引起溶洞地基的塌陷失稳。
3.2.3地基不良地质现象的处理
在桂林岩溶区进行地基基础设计时，若想采取浅基础方案，一般应对地基中存在的不良地质现象进行处理，并有针对性地采取不同的处理措施。
3.2.3.1溶洞地基
当采用天然地基浅基础时，不论溶洞大小、形态、分布如何，一般不考虑溶洞的不利影响；当采用桩基础时，对于桩基础底面3倍桩径且5 m以下的溶洞，一般也不考虑溶洞的不利影响。若要对溶洞进行地基处理，一般采取灌注混凝土，或者采用高压旋喷桩处理。对于重要工程，或者是岩溶很发育，溶洞之间相互联系密切，呈串珠状，若灌浆或灌注混凝土，易产生流失，很难奏效，此时采用钢管护壁，如2005年施工的横跨漓江的南洲大桥岸上桩，采用Φ1700 mm 孔口护筒；在钻进过程中有严重漏浆时，孔口护筒接高，护筒必须跟进；在钻进过程中有严重漏浆和塌孔现象时，Φ1700 mm 护筒入土15 m 后，在护筒内再套Φ1600 mm 护筒，护筒跟至岩面。最终护筒与钢筋砼结合在一起，作为永久结构支撑在岩石上。在2001年竣工的桂林市解放桥也是采用此方法进行桩基础施工的。
3.2.3.2土洞或岩溶塌陷地基
对于土洞或岩溶塌陷地基的处理措施，主要可以分为以下几种情形：
（1）当采用浅基础形式，若土洞或塌陷范围不大，且埋深不超过5 m，无地下水或地下水埋深很大，一般可直接开挖，清除洞内软土或塌陷充填物，再回填粘性土、砂石等并分层夯实，也可直接回填混凝土，但此时应注意在回填物表面做30 cm 左右的褥垫层，以调整地基土差异引起的不均匀沉降。
（2）桂林岩溶区的绝大部分土洞分布深度以及塌陷深度是在地表5 m 以下，此时一般采用灌浆处理，此法占桂林岩溶地基处理措施的80％以上。
在土洞或塌陷范围的顶部地基基坑面上钻孔，可采用多个钻孔，一般直径为110～220 mm，将碎石、砾石灌入洞内，然后再灌入水泥浆，或直接灌入混凝土再进行压力灌浆。灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，浆液配置以先稀后浓为原则，灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa。例如桂林理工大学（原桂林工学院）新建图书馆、桂林旅游专科学校雁山校区等场地的土洞或塌陷处理，均采用此方法，处理效果很好。
对已查明的塌陷地段用钻机钻至软弱地层的底面，或用锥体挤密塌陷体形成空桩，然后用碎石加适量的干粉状水泥（配合比为6:1）充填挤密，同时对软弱地层予以挤密，然后采用压力灌浆，将水泥浆液充填到塌陷区深部的软弱地层及其孔隙，碎石水泥桩孔与压力灌浆孔交错布置，处理效果很好。实例如地处漓江一级阶地的桂林福隆园第一期拆迁回建房6号楼塌陷的处理。
3.2.3.3红粘土软弱下卧层
对于分布在红粘土之下，基岩面之上的红粘土软弱层，若拟采用浅基础方案，软弱下卧层验算不满足要求，此时可直接采取压力灌浆措施处理。先以Φ75～110 mm 钻具钻至基岩面或软弱土层底面，然后放入灌浆花管，（根据现场情况也可直接用钻机将灌浆花管打入到灌浆底部），然后用水泥砂浆灌注泵进行水泥压力灌浆。采用自下而上分段灌浆，灌浆段长1.0～1.5 m。灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，灌浆压力一般为0.20～0.30 MPa。桂林橡胶机械厂住宅楼场地的软弱土层即采用此方法处理。
3.2.3.4基岩面起伏
对于岩溶区基岩面起伏的情形，若采用天然地基浅基础，则应注意由于土层的厚薄不均引起的不均匀沉降，若采用桩基础，则在桩基础施工时应注意滑桩倾斜。
另外，在上泥盆统融县组石灰岩（D3r）中，常常发现分布有溶沟、溶槽、鹰嘴岩、孤石等，在有溶沟、溶槽、鹰嘴岩的地段桩基础的施工，应注意甄别孤石与完整石灰岩，避免误把孤石当成完整岩石而选为基础持力层。
3.2.4结论
桂林岩溶地基岩土层主要为红粘土、粉土、砂、卵砾石、石灰岩等，地基中发育的不良地质现象主要有溶洞、土洞、岩溶塌陷、溶沟等。不良地质现象一般由渗透潜蚀作用、真空吸蚀作用、地下水位波动的崩解作用以及人为因素等形成，若不采取相应的处理措施，将会影响建筑物的地基基础设计。
对岩溶发育的含溶洞岩石地基，一般采用灌注混凝土或采用钢管护壁处理措施；对土洞或岩溶塌陷地基，一般先在洞内灌入碎石、砾石，或灌入混凝土，然后再进行压力灌浆，灌浆所采用的水灰比为1:1～1:1.5，灌浆压力一般为0.15～0.30 MPa；对于分布在红粘土软弱下卧层，可直接采取水泥压力灌浆处理。
⑵ 岩石的水理性质有哪些
一、岩石水理性质指岩石与水接触后表现出的有关性质，即与水分贮容和运移有关的性质称作岩石的水理性质。它包括岩石的容水性、给水性、持水性、透水性。1．容水性容水性是在常压下岩石空隙中能够容纳若干水量的性能，在数量上以容水度来衡量。2．持水性在分子力和表面张力的作用下，岩石空隙中能够保持一定水量的性能，称为岩石的持水性。3．给水性饱和岩石在重力作用下能够自由排出若干水量的性能称为岩石的给水性。4．透水性反应岩石的透水能力，岩石空隙直径越大，透水性越强。根据透水性的好坏，可以将自然界的岩石分为透水层和不透水层。
二、 岩石的水理性质、
岩石的透水性：岩石能被水透过的性能称为岩石的透水性，衡量岩石透水性的指标为渗透系数。
岩石的软化性：岩石的软化性是指岩石浸水后其强度降低的性质，通常用软化系数表示水对岩石强度的影响程度，即水饱和岩石试件的单轴抗压强度与干燥岩石试件单轴抗压强度之比。岩石浸水后的软化程度，与岩石中亲水性矿物和易溶性矿物的含量、孔隙裂隙的发育程度、水的化学成分以及岩石浸水时间等因素有关。
岩石的膨胀性和崩解性：岩石的膨胀性和崩解性主要是松软岩石所表现出来的特征,尤其是含有大量黏土矿物(如蒙脱石、高岭土和水云母等)的软岩,遇水后更易产生膨胀和崩解。
岩石的膨胀性：是指软岩浸水后体积增大的性质，相应地会引起压力的增大。岩石遇水膨胀的特性可用膨胀应力和膨胀率两个指标表示，岩石的膨胀应力是指岩石与水进行物理化学反应后,随时间变化会产生体积增大现象,这时使试件体积保持不变所需施加的压力，而岩石增大后的体积与原体积的比率称为岩石的膨胀率。
岩石的崩解性：一般是指岩石浸水后发生的解体现象最石的吸水性和抗冻性遇水不崩解的岩石在一定实验条件下(规定的试样尺寸和实验压力)吸入水分的性能称为岩石的吸水性。通常以岩石的自然吸水率、饱和吸水率和饱水系数表示岩石的自然吸水率。
⑶ 软岩的水理特性分析
通过吸水率测试,最后统计得软岩岩组吸水率值见表4-6。除泥质粉砂岩试样在1.5%～6%之间相对较低外,其他几组吸水率指标很高,在10%～20%之间,说明软岩极易吸水的特性。
表4-6 软岩主要物理水理特性参数测试成果
注:软岩极易吸水,遇水后发生泥化、软化和崩解,岩石抵抗水的软化作用的性能主要取决于岩石中亲水性矿物和易溶性矿物的含量,以及岩石中孔隙与微裂隙的发育程度。
崩解试验研究表明:软岩中泥质含量对其崩解特性的影响很大,崩解度与泥质含量关系为:S=70ln(Wm)-215。根据崩解度及崩解物形态,枢纽区软岩可分为五类:炭质页岩与泥化夹层为A类,遇水极易崩解,破坏后含水量会显著增大,原岩强度完全丧失,属遇水极不稳定的岩石;泥质粉砂岩与煤属于B、C、D类,崩解性较差,属遇水较不稳定岩石。通过崩解试验分析,研究区内发育的几种典型软岩,均属于遇水不稳定岩石。
⑷ 有请地质专家：有一种岩石，受潮或遇水就软化为砂，这是什么岩，有什么价值
你说的不是岩石，是风化程度极高的风化岩，或是一种砂质土。由于缺乏生物作用，有机养分少，不利于种植。
⑸ 软岩的崩解试验
岩石的崩解性是指岩石试样经过干燥和湿润两个标准循环之后,抵抗软化及崩解的能力。质地疏松,含亲水性黏土矿物的岩石,在水中容易发生崩解脱落现象,据此可获得岩石在一定条件下的崩解量、崩解度、崩解时间和崩解状况等耐崩解性指标。
采样与岩矿鉴定位置相同,便于参照其鉴定结果来分析岩石的崩解机理。崩解试验主要为静水崩解(泡水试验),选取试样为不规则试样,试验过程中选取相同岩性不同工程部位的试样作为同一组,便于对比,试样编号及分类基本上与岩矿鉴定一致。试验前先将凸出的边棱和松动部分除去,并去掉表面附着物。同时对试样进行描述,描述内容包括试样的尺寸大小、结构、构造、裂隙及风化程度等特征(表4-3),表中仅给出了几组典型试样的描述。
表4-2 边坡岩体物理力学指标建议表
①课题组人员通过携剪、流变、颗分等试验(2004,2005)获得。
(据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,1994,略调整)
一组试验浸水时间为48h,试验前将样烘干,称得干质量Wd,试验过程中着重记录初崩时间,描述初崩时刻崩解现象,崩解过程中随时记录崩解现象(表4-4)。最后获取未崩解物W1,即可算得试样本次循环的崩解度S,见式(4-1):
复杂软岩特性及其高边坡稳定性研究:以四川岷江紫坪铺水电站为例
表4-3 崩解试验前试样描述
表4-4 崩解试验全过程的实时记录
续表
根据需要对不同岩组进行多次循环试验,浸泡48h为一次试验循环,每次试样均采用上次未崩解物来进行。选取依据:被选取为下次循环的试样大小要不小于原来试样的3/4。
炭质页岩与泥化夹层两个岩组均在第一次循环时已几乎完全崩解(图4-1),无满足要求的未崩解物,因而不需要再进行下一轮的崩解试验。
图4-1 炭质页岩、泥化夹层试样遇水崩解碎(泥)化现象
⑹ 地质灾害稳定性与危害性
一、地质灾害稳定性分析
（一）数值法
工程地质数值法，是采用弹塑性力学理论和数值计算方法，从研究岩土体应力和位移场的角度，分析评价岩土体在一定环境条件下的稳定性状态。近30多年来，数值法得到了迅速发展，并被广泛地应用于工程实践中，本文采用FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）软件进行斜坡稳定性数值分析。FLAC3D软件是美国ITASCA咨询集团开发，主要用于模拟岩土体及其他材料组成的结构体，在达到屈服极限后的变形破坏行为。该软件将流体力学中跟踪流体运动的拉格朗日法成功地用于解决岩石力学问题，它除了能解决一般的岩土问题之外，还能进行如高温应变、流变、或动荷载、水岩耦合分析等复杂的问题。
1.模型计算方法
FLAC3D软件是利用有限差的方法模拟计算由岩土体及其他材料组成的结构体在达到屈服极限后的变形破坏行为，包括静力计算和有限差强度折减计算两种方式。这两种计算方式得到的结果并不完全相同，本次同时选择这两种计算方式，对本区黄土滑坡和不稳定斜坡做验算分析。
静力计算的方法需要建立的模型以及所选参数必须使得模型计算的时候完全收敛，如果计算过程快速收敛，则认为模型是基本稳定的。但是，在做滑坡稳定性分析时候，由于影响滑坡稳定性的因素较多，比如坡高、坡度以及不同坡体的黄土体力学参数的不同，往往不能得到一个快速收敛的计算模型，因此通过静力计算的方式不能完全判断坡体的安全性。强度折减法是FLAC3D唯一的可以计算坡体安全系数的方法。因此，可以利用这一方法求出坡体的安全系数，然后结合静力计算的结果来判断坡体的稳定性。根据《滑坡防治工程勘察规范》（DZ/T 0218-2006），选择安全系数＜1.05判断为不稳定，安全系数1.05～1.15为较稳定，安全系数≥1.15为稳定，以此作为主要灾害点的稳定性判据。
有限差强度折减系数法的基本原理，是将土体强度参数内聚力（C）以及内摩擦角（ϕ）值同时除以一个折减系数Ftrial，得到一组新的Ctrial和ϕtrial值。然后，作为新材料参数带入有限差进行试算。当计算正好收敛时，也即Ftrial再稍大一些（数量级一般为10～3），计算便不收敛，对应的Ftrial被称为坡体的最小安全系数，此时土体达到临界状态，发生剪切破坏。计算结果均指达到临界状态时的折减系数：
Ctrial=C/Ftrial
tanϕtrial=tanϕ/Ftrial
2.模型类型及参数选择
选择摩尔库仑模式作为材料模型，根据勘查和力学性质测试结果，并考虑到调查区灾害的发生与降雨关系密切，故选择饱水状态下的物理力学参数作为计算参数：
体积模量：
K=4.5MPa
剪切模量：
G=2.1MPa
内聚力：
C=3.4×104Pa
内摩擦角：
ϕ=21.4°
3.黄土边坡分析
（1）模型建立及网格剖分
调查资料表明，30°～60°的黄土直线型斜坡发生变形破坏的可能性较大，考虑到建立模型的方便性，选择30°～70°之间的直线型边坡进行分析，同时建立一些阶梯状的边坡进行比较分析。
按照郑颖仁教授的观点，在做边坡模型的强度折减法求边坡安全系数的同时，要求所建立的模型坡角到最左侧的距离为1.5倍坡高，而坡顶到最右侧的距离为2倍坡高，这样计算的安全系数结果最为准确。
以坡高40m坡度45°的直线型边坡为例，建立模型并进行网格剖分。虽然调查区黄土为层状结构，不同时期黄土厚度和土力性质不尽相同，但勘查试验数据表明，其饱和抗剪强度差异不大。因此，假设黄土是均质的，整个模型的强度参数均一。定义模型右侧和底部为约束边界条件，坡面和坡顶为自动边界。
（2）常规模型和简化模型的对比分析
在调查区黄土边坡中，坡高的分布十分不均匀，从十数米，数十米到上百米不等，并且每种坡高都对应有不同的坡度。因此，分析黄土边坡稳定性时需要全面分析，研究不同坡高不同坡度情况下的各种边坡的安全稳定性。本次利用FLAC3D软件模拟了20～50m（每5m区分）坡高情况下30°～70°（每5°区分）所有坡体的稳定性情况。由于模型的不同网格数量以及节点数量不同，造成软件计算时间上由巨大的差异。郑颖仁教授所提出的常规模型在计算中有一定的道理，但也同样极大地增多了模型网格和节点数目，所以强度折减的计算时间非常长。因此，必须首先比较了一下常规模型和简化模型的计算结果。
首先，用常规模型分析40m坡高30°～70°之间所有坡体的稳定性情况。利用强度折减系数法计算各种坡度情况下的安全系数，可利用静力平衡计算和强度折减计算，来得到一定坡高各种不同坡度边坡的稳定性分析（表3-16）。将常规模型计算的坡度与安全系数关系进行拟合，可以得到坡度与安全系数的影响关系曲线（图3-10）。
图3-10 常规模型40m坡高不同坡度与安全系数的关系曲线图
表3-16 常规模型40m坡高不同坡度边坡稳定性计算汇总表
由于常规模型网格个数的节和点数较多，计算机处理的过程中数据量过分庞杂，计算速度慢，而黄土边坡的长宽高往往又比较大。这样我们如果利用郑颖仁教授的常规模型分析，效率不是很理想。因此，将边坡的模型网格进行简化处理，以这样的处理结果对比常规模型的计算结果。对比时仍然以 40m 坡高35°～70°为例分析，计算结果如表3-17，得简化模型的拟合曲线如图3-11。
图3-11 简化模型40m坡高不同坡度与安全系数关系曲线图
观察一下常规模型强度折减法求得的安全系数发现：而当坡体不稳定时，两种模型计算的安全系数相同；而当坡体稳定时，简化模型的安全系数计算结果要比简化模型的结果小一些，但是总体上坡体稳定性的结果影响不是很大。在实际工程应用中，我们为了安全考虑，完全可以考虑使用计算结果较小的简化模型进行分析计算。
表3-17 简化模型40m坡高不同坡度边坡稳定性计算汇总
（3）坡度与安全系数的关系
利用简化模型，分别结合静力计算方法和强度折减系数方法，分析计算了20～50m坡高情况下的各种坡度边坡的稳定性；同时得到固定坡高的情况下，坡度和安全系数的拟合关系曲线。通过坡度与安全系数的拟合曲线可以看出，固定坡高时，当改变坡度，安全系数随着坡度的增加而减小，坡体逐渐不稳定。而安全系数随着坡度变化呈现对数关系变化，拟合程度较高。
（4）土体强度参数的变化分析
根据勘查和试验测试数据，区内黄土的内聚力C值以及内摩擦角ϕ值变化较大（如表3-18），因此有必要研究一下强度参数的变化趋势对于坡体安全系数的影响。
表3-18 黄土物理力学指标统计表
以20m坡高60°边坡为例，固定模型的内聚力：
C=34kPa
然后改变土体的内摩擦角，利用强度折减系数法分别计算不同内摩擦角情况下的安全系数情况，得到结果如表3-19所示。由计算结果可以看出，随着内摩擦角的增大，安全系数逐渐增大。内摩擦角越小，潜在滑动带越向外扩展，危险滑弧越开阔，而坡体的稳定性越差（图3-12）。
表3-19 不同内摩擦角对安全系数的影响统计表
仍然以20m坡高60°边坡为例，固定模型的内摩擦角：
ϕ=21.3°
然后改变土体的内聚力，利用强度折减系数法分别计算不同内聚力情况下的安全系数情况，得到结果如表3-20所示。计算结果显示，内聚力越大，安全系数越高。但是潜在滑动面越向外伸展，滑弧越开阔，但是稳定性越高，这一点和内摩擦角的影响恰好相反（图3-13）。
表3-20 不同内聚力对安全系数的影响统计表
图3-12 滑弧随内摩擦角的变化趋势图
图3-13 滑弧随内聚力的变化趋势图
（5）边坡剖面形态的影响
研究区黄土边坡的剖面形态大致分为四类：直线型、阶梯型、凸型和凹型。调查结果发现凸型边坡和直线型边坡发生失稳变化的数目最多，可能性最大。因此有必要分析坡型的变化对于坡体稳定性的影响。在这里我们只对直线型和阶梯型边坡作对比分析。
以40m坡高45°边坡为例，分别建立直线型和阶梯型边坡，利用静力平衡和强度折减方法计算其各自的安全系数，并对照最大不平衡力曲线和坡体内部剪切应变云图分析这两种坡体的稳定性。计算结果发现直线型边坡明显发生破坏，坡体内部剪切应变呈带状分布，而阶梯型边坡的安全系数增大，静力计算时在4460时步收敛，坡体稳定（图3-14，图3-15；表3-21）。
图3-14 直线型边坡静力计算下的最大不平衡力曲线图
图3-15 阶梯型边坡静力计算下的最大不平衡力曲线图
表3-21 40m、45°直线型和阶梯型边坡对比分析表
4.主要灾害点稳定性分析
根据上述分析方法，对调查区的30个主要滑坡和不稳定斜坡点进行数值分析，求出坡体的安全系数，判断坡体的稳定性，分析结果列于表3-22。
表3-22 主要灾害点稳定性数值分析结果表
（二）极限平衡法
1.计算方法与软件选择
斜坡稳定性分析的方法较多，目前较成熟的主要有：瑞典条分法、毕肖普法、工程师团法、罗厄法、斯宾塞法、摩根斯顿法、简化法等，由于这些方法对土体进行了不同的假定，计算结果也各有差别。本次采用Geo-Slope软件对选择的30处滑坡和不稳定斜坡进行稳定计算。
Geo-Slope软件是一个集极限平衡法和有限元法于一体的计算软件，分成斜坡稳定性分析（Slope/w）、渗流分析（Seep/w）、应力分析（Sigma/w）、地震状态分析（Quake/w）和温度变化分析（Temp/w）等。本次主要采用边坡稳定性分析（Slope/w）模块来分析黄土斜坡的安全系数，Slope/w可以采用力的极限和力矩极限平衡来计算稳定系数，其稳定分析原理主要是采用条分法原理。即通过滑面将滑动土块分成n个垂直条块，滑面可以是圆弧滑面和各种复合滑面，Slope/w综合了瑞典条分法、毕肖普法、斯宾塞法、摩根斯顿法、简化法等各种方法，Slope/w考虑了条块间的作用力，使计算结果更趋于合理。Slope/w通过手动给定可能的圆心变化范围，给定多个搜索步长，自动搜索最危险滑面。Slope/w可以通过在土层中给出可能的孔隙水位置来计算孔隙水存在状况下的稳定性，也可以计算局部加荷条件下的稳定性。
现以毕肖普法为例，简单介绍极限平衡法的计算原理。
毕肖普主要采用力的极限平衡来计算安全系数。以毕肖普法为例，说明极限平衡法的计算原理，其计算图示如图3-16所示。其上作用的荷载有Wi，Ui，Qi，待求的反力及内力有Ni，Si及ΔEi。根据剪切面上的极限平衡要求，可列出下式：
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
图3-16 毕肖普法计算图示
将所有的荷载及反力、内力均投影在x’轴上，可写出：
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
上式可改为
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
将所有的分条的ΔEi迭加，由于∑ΔEi=0，得
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
可得
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
上式的Ni未知，我们利用分条上竖向力的平衡条件得出
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
解方程得：
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
代入式整理得
延安宝塔区滑坡崩塌地质灾害
上式两端都有k，因此在计算k时需要进行试算，一般首先假定右侧：k=1。
求出左端的k，再代入右端重新计算k值，直到假定的k值与计算出的k值非常接近为止。
2.主要灾害点稳定性分析
根据调查结果，调查区灾害的发生与降雨因素关系密切，故在参数选择上以饱水状态下的岩土体物理力学参数作为计算参数。根据《滑坡防治工程勘察规范》（DZ/T 0218-2006），选择安全系数＜1.05判断为不稳定，安全系数1.05～1.15为较稳定，安全系数≥1.15为稳定作为主要灾害点的稳定性判据。运用Geo-Slope 软件计算30个灾害点和不稳定斜坡的安全系数进行计算，计算结果如表3-23所示。
表3-23 主要灾害点安全系数计算一览表
续表
下面以赵家岸滑坡为例来说明采用Slope/w进行稳定性分析的具体实施步骤：
（1）剖面图引入：Slope/w可以直接从Autocad中引入斜坡剖面图，也可以直接给出比例尺画出斜坡的剖面图。为了计算剖面精确起见，根据实测剖面数据，直接输入数据点画出剖面图。
（2）选择分析方法设置：Slope/w可以选择极限平衡方法和有限单元法来计算，极限平衡法中可以选择毕肖普法、斯宾塞法、摩根斯顿法、简化法等各种方法来计算安全系数，有限单元计算时要引入斜坡内部应力状态函数来计算。本次选择极限平衡法计算。
（3）确定分块的数目和分块的容差。以确定分析计算的精确性，一般以软件默认的分块为30个，容差为0.01。
（4）划分土层并赋予每个土层力学参数。Slope/w主要以不同岩土性质的分界线来区分各岩土性质，把不同岩性分成不同的土层区，并用不同的颜色以示区分。给土层分区后，再赋予各土层力学参数，力学参数根据延安部分地区勘查数据给出。
（5）给定潜在圆弧滑面的圆心位置，给出圆心位置x和y方向上的增量步和圆弧半径范围和半径增量步，程序自动搜索潜在的最危险滑面，计算其安全系数。对赵家岸滑坡，搜索的最危险滑面如图3-17所示，从图上可以看出，赵家岸滑坡后壁最不稳定。
图3-17 赵家岸滑坡最危险滑面图
（三）类比法
工程地质类比法，是把已有的滑坡或边坡的稳定性研究经验应用到条件相似的对象滑坡或边坡的稳定性判定中去。在进行类比时，不但要考虑滑坡或边坡结构特征的相似性，还应考虑促使滑坡或边坡演变的主导因素和发展阶段的相似性。影响滑坡或边坡稳定性的因素可分为地形地貌、地质特征（地层岩性、岩土体结构面特征、构造节理等）、降雨、人类工程活动（开挖、加载、蓄水等）。这些因素对滑坡或边坡的稳定性是相互作用、相互影响的。在这些因素的相互作用下，结合坡体变形特征，判别坡体的稳定性。
1.地形地貌
通过对调查区灾害点坡度与坡高统计认为，调查区滑坡多发生于25°以上、坡高大于30m的斜坡，且集中坡度在30°～50°、坡高在40～120m的坡体上。在调查的滑坡中，原始坡型为凸型坡的，占滑坡总数的36.52%；直线型坡占滑坡总数的52.56%；合计占滑坡总数的89.08%，即调查区滑坡发育坡体以凸型、直线型坡为主，安全隐患斜坡坡度在40°以上，且集中于坡度为60°～90°、坡高大于20m的地段内，在地貌上大多位于冲沟两侧或坡体前部的人工斩坡、开挖地段。
2.地层岩性
调查区地层岩性主要由更新世黄土、新近纪泥岩、侏罗纪和三叠纪砂、泥岩及互层组成。由于更新世黄土（主要是晚更新世黄土）的湿陷性崩解性，以及红粘土及泥岩的相对隔水和遇水软化、强度降低的性质，使其成为斜坡失稳、发生滑坡、崩塌灾害的易发地层。基岩是全区的基座地层，构成黄土-基岩接触面滑坡的滑床；在基岩出露较高、风化强烈地段或砂泥岩互层地段，是岩质斜坡失稳形成地质灾害的易发区。在黄土斜坡地带，人工开挖形成高陡边坡，成为地质灾害潜在隐患地段。
3.岩土体结构面
调查区岩土体结构面主要是黄土内部顺坡披覆的古土壤层、黄土与红粘土层界面、黄土与砂、泥岩层界面、滑坡所形成的滑塌节理面、滑面以及坡体内部发育的构造节理面、垂直节理面、裂隙等。由于渗透性的差异，在性质差异较大地层岩性界面上形成了隔水层，汇聚的雨水使得上覆黄土、泥岩软化、泥化，抗剪强度降低，形成软弱带，诱发滑坡的发生；而滑坡体内部发育的滑塌节理面、滑面是诱发滑坡复活或发生滑塌的主要因素。这些结构面的存在对坡体的稳定性有着潜在的威胁，一旦条件成熟，可能引起滑坡或诱发滑坡复活而造成灾害的发生。黄土内部发育的构造节理及垂直节理、裂隙等是黄土边坡失稳的一个重要因素。黄土边坡常常沿这些内部节理面发生破坏，比如居民窑洞发育构造节理，则常常沿构造节理面发生塌窑事故。高陡边坡地带，土体常沿垂直节理发育并形成卸荷裂隙、拉张裂缝，形成危岩、危坡。受构造作用，岩体内部发育共轭节理，岩体被切割为不同大小、不规则的岩块，受物理风化作用，发育风化裂隙，使得岩体更加破碎，在边坡尤其是高陡地段易发生崩坠现象，造成灾害。在砂泥岩互层高陡边坡地段，泥岩抗剪强度较低，与砂岩强度差异较大，再加之易受风蚀作用，致使上部砂岩悬空、鼓胀外倾，形成危岩体，易发生倾倒、拉裂、鼓胀等形式的崩塌灾害。
4.人类工程活动
人类工程活动是诱发地质灾害发生的直接因素。人类工程活动主要以不合理的斩坡、开挖及修建蓄水库为主。由于受地形地貌因素的制约，调查区居民为了居住、生活及经济建设等的需要，工程活动强烈，进行大量的开挖、斩坡等，造成坡脚应力集中并急剧增大，原有的应力平衡状态遭到破坏而失去平衡，诱发坡体失稳而发生塌方事故。比如尚合年村滑塌，麻塔崩塌等灾害，均是由于不合理的开挖，造成边坡过陡，引起坡脚应力过于集中，在其他因素的影响下发生的塌方事故，造成伤亡及财产损失。再如延安市卫校东侧沟内滑坡，是由于人为不合理的斩坡、开挖坡脚，导致滑坡发生，将石砌挡墙推倒，滑体涌至居民屋墙。目前，坡体坡度约45°，处于不稳定状态，对居民生命财产构成直接威胁。而人工修建蓄水库，引起地下水位抬升，导致坡体容重增加，破坏了原有的应力平衡状态，且地下水导致坡体内部软弱带软化、泥化，抗剪强度降低，易诱发滑坡的发生或老滑坡的复活。赵家岸滑坡由于坡后库岸蓄水，导致地下水位上升，村民地基严重渗水，且地下水位达到了老滑面上部，并有泉水出露，滑坡体稳定性很差，有复活的危险，危及赵家岸村民的生命财产安全。
根据以上因素分析对比，结合坡体变形迹象及特征，对部分重大灾害点进行稳定性判别（表324，表3-25）。
表3-24 主要滑坡灾害点稳定性分析
续表
表3-25 主要不稳定边坡点稳定性分析表
（四）主要地质灾害稳定性综合评价
前面已经用数值分析法、极限平衡法和工程地质类比法对主要灾害点的稳定性进行了分析，三种方法分析的侧重点不一样。数值法主要是采用弹塑性力学理论和数值计算方法，从研究岩土体的应力和位移场的角度，分析评价岩体在一定的环境条件下的稳定性状态；极限平衡法主要运用极限平衡理论来评价斜坡稳定性；而工程地质类比法则是把已有的滑坡或斜坡的稳定性研究经验应用到条件相似的滑坡或斜坡的稳定性判定中去。影响斜坡稳定性的因素比较复杂。因此，本节将综合这三种方法的计算结果，来综合判断主要地质灾害点所处坡体的稳定性。
综合分析结果表明：30处滑坡和不稳定斜坡中，稳定的3处，占总数的10%；较稳定的7处，占总数的23.3%；不稳定的20处，占总数的66.7%（表3-26）。
表3-26 地质灾害稳定性综合评判表
二、地质灾害危害性评估
（一）评估标准
地质灾害的威胁对象包括人口和财产。人口可以直接用数量来表征；财产包括土地、牲畜、房屋、道路等。根据遥感解译和实际物价调查资料，建立主要经济价值评估标准（表3-27），按照威胁对象的危险程度和易损性，依据标准逐一累加计算。地质灾害灾情与危害程度分级标准按表3-28的规定评估。
表3-27 承灾体经济价值评价标准表
表3-28 地质灾害灾情与危害程度分级标准表
1）灾情分级：即已发生的地质灾害灾度分级，采用“死亡人数”或“直接经济损失”栏指标评估；2）危害程度分级：即对可能发生的地质灾害危害程度的预测分级，采用“受威胁人数”或“直接经济损失”栏指标评估。
（二）现状评估
1.滑坡
根据收集以往滑坡资料，以及本次实地调查结果，调查区近些年来有记载的、造成一定经济损失和人员伤亡的滑坡共有34处。在这34处滑坡灾害中，除1处较大级滑坡外，其余33处灾情均为一般级，总共造成5人死亡，以及102.6万元的财产损失。从已查明日期的滑坡来看，新滑坡灾害发生率为0.76处/年（表3-29）。
表3-29 滑坡灾害灾情与危害程度评价表
2.崩塌
崩塌发生后，其遗迹不易保存，地质历史时期的崩塌一般多不存在，对其发生时间尚难以进一步查明。据有时间记载的崩塌调查资料，可对近年来崩塌发生的频率给出基本的数据。从20世纪60年代以来，共发生有记载的崩塌灾害16处，其中较大级崩塌2处，一般级崩塌14处，死亡12人，经济损失48万元（表3-30）。由于调查根据灾情分级，区地质环境条件差，人口密集，尽管年发生频率低，亦应引起人们的特别关注，每一处都有可能带来生命财产的损失。
表3-30 崩塌灾害灾情与危害程度评价表
（三）预测评估
地质灾害危害性预测评估就是对可能危及居民生民财产安全、工程建设的地质灾害的危害性做出评估。本次评估分滑坡、崩塌以及不稳定斜坡三种类型，对其危害性进行预测评估。评估内容主要是受威胁人数以及由于财产损毁而可能造成的潜在经济损失。
1.滑坡
区内滑坡可分为古滑坡、老滑坡和新滑坡3类型，这些滑坡在自然和人为因素的双重诱发下，均存在复活的可能性。野外调查滑坡总共有293处，可分为活动滑坡和不活动滑坡。本节筛选出活动滑坡39处，占调查滑坡总数的13%，对其危害性进行预测评估。
通过对这39处滑坡的危害性预测评估，危害性大的有8处，危害性中等的有25处，危害性小的有6处。总共有约2098人受到滑坡威胁，潜在经济损失约2863万元（表3-31）。
表3-31 滑坡灾害危害性预测评估
续表
2.崩塌
调查区地质灾害以黄土滑坡为主，崩塌居次；调查中所指的崩塌，有崩塌隐患和已发生崩塌两种，这里所指的是已发生崩塌的潜在危害性预测。根据实地调查和以往资料调查结果，区内所发生的52处崩塌灾害中有14处目前还处于不稳定状态，存在潜在危险，占调查崩塌总数的27%。崩塌发生的坡面，在以降水为主的风化作用下，也被改造，且极易生长植被，也不易发觉。既成崩塌少，并不意味着崩塌的危害性小。崩塌的形成条件在调查区普遍存在，黄土深厚，直立性好，垂直节理发育，延河及其支流两岸黄土陡壁悬崖比比皆是，大多窑洞都是选择很陡的坡面（＞65°）水平掘进，窑洞前平房和院子都置于高陡黄土悬崖崩塌的威胁下。
这14处崩塌灾害中，危害性中等的有6处，危害性小的有8处，危害性大的暂无，这与崩塌灾害规模、影响范围较小有关。14处崩塌共威胁240人，潜在经济损失56万元（表3-32）。
表3-32 崩塌灾害危害性预测评估
3.不稳定斜坡
不稳定斜坡是一种潜在地质灾害，既有基岩斜坡，也有黄土斜坡，以及黄土-基岩斜坡，在调查区广泛分布。坡下多有居民居住，或为企事业单位办公、生产基地，是全区生产建设和人民生活的主要场所，从而构成潜在危害。不稳定斜坡只是对斜坡的稳定性做出不稳定的基本判断，但对其不稳定的变化模式没有给出确定的结论。这是由于潜在的变化存在许多不确定的因素，尚不能对其未来变化做出准确的预测。
在详细调查的51处不稳定斜坡中，有11处存在较大潜在威胁，占不稳定斜坡总数的22%。对其威胁人口和潜在经济损失进行估算统计表明，危害性较大的不稳定斜坡有3处，危害性中等的有8处，其他40处危害性较小（未列入）。总共威胁909人，潜在经济损失652万元（表3-33）。调查中只是有选择性地在不同地区选取了部分不稳定斜坡作为调查点，以反映不稳定斜坡的基本特征。实际上，未发生过崩滑灾害的不稳定黄土斜坡其危害性最难评估，对不稳定斜坡的预测评估工作有待于进一步的研究探索。
表3-33 不稳定斜坡危害性预测评估
续表