斜坡破坏是世界上最常见的地质灾害之一,其破坏性极强,影响范围广泛。中国幅员辽阔,人口众多,地形地貌多样,地质构造复杂,自古以来就是斜坡地质灾害频发的国家。由于我国经济建设高速发展以及对宜居地球的需求,斜坡破坏严重影响了工程建设及生命财产安全,研究斜坡破坏机理和防治极其重要。拱效应,定义为可变形土壤或岩石与其相邻不可变形部分之间的应力转换。以往的拱效应研究主要集中在边坡抗滑桩间的拱效应,而忽略了斜坡内拱效应的重要作用。许多斜坡的变形破坏反映了拱在斜坡稳定性中的作用。因此,亟需对拱效应在斜坡变形破坏中的作用进行系统研究,并据此为工程实践提供科学依据。本文从斜坡变形演化角度,在总结典型拱型斜坡和束口型斜坡形态特征并建立地质力学模型的基础上,采用物理模型试验,数值模拟试验和理论分析相结合的方法,观察并归纳斜坡变形演化过程中的各种物理参量的变化,重点揭示了基于拱效应的拱型斜坡和束口型斜坡的变形破坏机理,据此开展了此两类斜坡的稳定性分析并运用于工程案例。主要研究内容和成果概括如下:（1）构建拱型斜坡和束口型斜坡简化地质力学模型。基于典型拱型斜坡和束口型斜坡的资料收集,从地形地貌,岩土体性质,地质构造条件等方面分析了两类斜坡的形成条件和触发因素,归纳了两类斜坡的变形破坏过程。通过斜坡形态特征,岩土体组成,触发因素等方面,建立了拱型斜坡和束口型斜坡简化地质力学模型。对拱型斜坡地质模型,主要特点概况为:（1）拱型斜坡的屈服区域和非屈服区域之间存在不均匀或相对位移;（2）非屈服区域有支撑条件;（3）局部屈服部分是由于斜坡失去支撑,原因可能为道路开挖,矿山开挖或水流冲蚀;（4）斜坡多位于具有较低摩擦力的层理面上。对应拱效应的形成及破坏过程,束口型斜坡的形成演化过程可以分为:初始阶段,压实阶段,和破坏阶段。不同变形阶段,斜坡体内前缘的土体强度及整体位移也具有不同特点。（2）自主设计模型试验中多手机测量系统及多场监测系统。根据计算机视觉中的三维结构技术,设计并研发了一种多手机测量系统（MSM）用于模型试验中滑坡三维形态变形监测。该系统主要包含了九个同型号手机,USB扩展槽,控制电脑,群控软件及数据分析处理软件。通过对不同类型的滑坡模型在静态和动态下的测试,该系统的测量精度在1.1毫米,可以较好的满足滑坡模型试验的需求。相对于传统三维形态测量的方法,如三维激光扫描仪,该系统具有短周期监测,设备价格低,易搭建开展等特点。连同多手机测量系统,配套研发了一种用于滑坡模型试验中多场监测系统,该多场监测硬件部分运用了九个手机,一个数字摄像机,一个高速摄像机,一个红外相机模块,一个深部柔性测斜仪,一套光纤传感系统和若干土应力计以及数据测量仪器。多场监测系统包含了“点”,“线”,“面”信息的监测。其中“面”信息包括了表面温度,表面位移,表面应变,表面速度及三维形态监测,“线”信息包括了深部位移和深部应变监测,“点”信息包括了土应力监测。（3）通过自主研发的多场监测系统,研究了拱型斜坡的变形破坏特征。对拱型模型斜坡在人工开挖过程中的位移场,应变场,速度场,温度场,应力场信息进行监测收集,揭示在拱效应下拱型斜坡的变形特征及破坏过程等规律。（1）通过各种传感器或监测技术组成的多场监测系统,模型斜坡开挖破坏的完整过程的场信息被成功的记录,并提供了对破坏演化过程的定性解释。（2）位移场监测表明相对垂向位移主要发生在拱形屈服区和两个静止侧部之间。根据模型斜坡中的最大位移,识别出三个阶段的斜坡变形,分别为初始变形,匀速变形,加速变形阶段。（3）根据应变场监测,在开挖过程中,斜坡内的三角形应变区域逐渐扩大和延伸,保持了斜坡的稳定。观察应力场的变化,大、小主应力方向的变化表明自重应力转换过程是从中下部向两侧发生的。通过对位移场、应变场和应力场的监测,基于拱效应的拱型斜坡的演化过程与拱破坏相关的斜坡变形特征可通过拱圈来展示。（4）对于破坏过程中拱型斜坡速度的测量,拱形区域的破坏从右侧开始并扩展到整个区域。应用速度倒数法可以有效地预测斜坡破坏时间。此外,通过监测温度场和三维形态,破坏后的斜坡模型中的裂缝和破坏体积可以被详细测量。（4）开展了不同角度和不同压实度下拱型斜坡的模型试验,进一步总结归纳拱型斜坡变形破坏机理。（1）屈服区,包括拱圈边界处的大变形区和上部小变形区,以及两侧不屈服区都被观察在不同角度及不同压实度下的模型斜坡中,这是与拱效应相关的拱型斜坡变形特征。根据侧向阻力和总阻力的计算,拱效应对理解拱型斜坡的变形行为和破坏机制具有重要作用。关于最终破坏过程,斜坡破坏先发生坡脚破坏,随着拉裂在中心区域相继发生滑动破坏,最后膨胀破坏出现在坡底区域。（2）拱形斜坡的变形主要是由于支护损失和自重增加引起的,受坡角和相对密度的影响。在均匀变形阶段和加速阶段,从位移曲线上看,相对密度决定了加速阶段曲线的斜率,而斜率角度与匀速阶段和加速阶段的切换点有关。较大相对密度的斜坡往往会在屈服区的下部产生剪切应变。此外,随着坡角的减小,坡内应力重新分布的开挖宽度有增加的趋势。（3）在破坏中,相对密度较高的斜坡由于破坏体积大、势能累积,会产生较大的初始动能,可能造成严重后果。（5）开展了拱型斜坡的数值模拟及理论分析研究,对拱型斜坡的稳定性进行定量评价。通过离散元数值软件PFC3D,建立数值拱型斜坡并进行数值试验。数值模型与物理模型试验在开挖过程中位移的观察结果具有可接受的一致性。数值试验中可观察到斜坡内部接触力的偏转,有助于更好地理解拱效应在斜坡中的作用。以无应力面分析为基础及服从摩尔-库仑屈服准则,根据连续体理论建立拱型斜坡的静立平衡方程。通过在无应力面得到的边界条件,求解得到拱型斜坡临界开挖宽度和稳定拱曲线。根据已开挖宽度及临界开挖宽度,建立拱型斜坡的稳定性系数Fs,从而进行斜坡稳定性评价。通过理论推导公式,拱型斜坡的稳定性主要取决斜坡开挖宽度,边界条件,岩土体性质。其中边界条件主要为滑动面的抗剪强度,岩土体性质包含了岩土体的容重,摩擦角和粘聚力。五组模型试验结果与推导的理论分析进行对比验证,推导出的临界开挖宽度和稳定拱曲线适用于各种条件下斜坡模型试验的分析。因此,可以进一步用于现场拱型斜坡的稳定性分析。（6）通过物理模型试验研究了束口型斜坡在不同阶段下的变形破坏机理。通过后部加载方式来模拟束口型斜坡在压实阶段变形特性。通过数字图像监测,较大的位移发生在下部拱形中心区域,而在斜坡前端的两侧位移相对较小。在束口型斜坡中,不屈服部分为两翼,屈服部分为整个坡体,尤其在斜坡前缘。由于拱效应作用,下坡荷载转移到两侧翼。通过应力计监测,前缘应力在后部加载下急剧增大,加载过程中的应力变化行为可能是由于斜坡体和两个侧翼之间的压缩和剪切的综合作用。对应变形及应力的监测,模型试验的结果较好的验证了束口型斜坡在压实阶段推测的现象。通过使用倾斜台物理模型试验来开展束口型斜坡在破坏阶段的破坏过程。通过高速摄像机监测,在不同压实度,不同前缘宽度的束口型斜坡中,逐渐的拱形破坏过程被观测。此外,根据倾斜台在最终破坏时的抬升角记录得出前缘宽度窄、侧翼翼角小、相对密度高的束口型斜坡更加稳定。（7）开展了束口型斜坡的数值模拟及理论分析研究,对束口型斜坡的稳定性进行定量评价。束口型斜坡在后部加载下的数值模拟研究表明,由于受到两翼支持阻碍作用,明显的类似拱形的接触链接出现在斜坡前端,也验证了在压实阶段拱效应的形成,从而导致了应力集中出现在斜坡前端。基于料斗理论中最小设置斗口大小,建立束口型斜坡前端微小面积下的平衡方程,得到束口型斜坡的临界前缘宽度。进一步得到斜坡的稳定性系数,进行束口型斜坡稳定性分析。根据理论分析建立的公式,束口型斜坡的稳定性主要取决于斜坡边界条件和岩土体性质。其中边界条件主要为斜坡前缘宽度,两翼翼角,和滑动面的抗剪强度,岩土体性质包含了岩土体的容重和无侧限抗压强度。通过对比七组倾斜台模型试验的最终破坏角度与理论破坏角,理论推导公式基本符合试验观察结果。因此,可以进一步用于现场束口型斜坡的稳定性分析。（8）选择某假定斜坡和姜家坡斜坡分别作为典型的拱型斜坡和束口型斜坡,在归纳整体研究区工程地质条件的基础上,对两个斜坡进行稳定性评价。通过推导的拱型斜坡稳定性公式,在不考虑雨水作用下,得到了某斜坡的稳定性系数为1.7,而在降雨渗流条件,其稳定性系数降低为1.1。尽管斜坡处于安全状态,继续开挖过程需要谨慎考虑。如果计划进一步开挖斜坡底部,可采用适当的保护方法开挖,例如对已开挖斜坡底部填土压实以保护开挖部分或采用多次间隔开挖方法。通过推导的束口型斜坡稳定性公式,得到了姜家坡斜坡在非降雨条件下的稳定性系数小于1,分析的结果与实际情况不符合。这很可能是由于岩土体强度现场测量造成的偏差。在压密阶段,在斜坡前缘靠近两翼部位的岩土体强度会远大于其他部分岩土体强度。综合来说,束口型斜坡稳定性公式还需要通过更多的现场案例进一步验证和论证。本文的创新点如下:（1）根据典型斜坡建立了拱型斜坡和束口型斜坡两种地质力学模型。从拱效应的形成和破坏,束口型斜坡变形破坏过程可分为三个阶段,即初始阶段、压实阶段和破坏阶段。（2）设计了多手机测量系统和多场监测系统。记录模型斜坡变形和破坏过程中位移场、速度场、应力场、温度场、应变场等多场信息,从多个角度去观察与监测模型边坡变形和破坏特征。（3）通过观察拱型斜坡和束口型斜坡在屈服区与不屈服区的相对位移,证实拱效应对两种类型斜坡的边坡稳定性起重要作用。通过物理模型试验,揭示了拱型斜坡和束口型斜坡的变形特征和破坏机制。分别基于自由面理论和漏斗理论推导出拱型斜坡最大开挖宽度和束口型斜坡临界前缘宽度的解析解,理论分析经物理模型试验验证。