甘肃红层是具有鲜明工程特性的区域型特殊性岩土,一直是甘肃公路的主要建筑场地。随着甘肃省公路持续向红层地区推进,边坡变形破坏成为公路建设面临的主要工程地质问题之一。本文基于十多年公路工程勘察设计、施工建设和运营养护的实践,运用工程地质学、岩体力学、土力学和系统工程学等基本理论,通过地质调绘、室内试验、原位测试、数值模拟、理论计算和典型工程实例分析,以甘肃红层工程地质特性与边坡稳定性研究为目的,进行了以下七个方面的研究:1)为阐明红层在甘肃公路工程中的重要性,基于前人研究成果,通过32个公路项目的工程地质勘察成果总结,分析了甘肃红层的地质特征,发现甘肃红层地区的自然地质灾害具有普遍性和差异性、公路工程病害具有复杂性和长期危害性。2)针对甘肃省红层物理力学性能的复杂性,通过2000多组岩石试验成果的数理统计,分析了甘肃红层的物理力学和水理特性,发现了甘肃红层的岩石强度在分布区域和岩性类别两个方面存在明显的差异性,研究了甘肃红层物理力学指标间的相关性,建立了红层基本物理力学性质的推荐指标体系。3)根据典型隧道钻孔波速测试,初步总结了白垩系和第三系岩体波速特性;通过刘家峡大桥大型岩体综合性原位测试,发现甘肃省第三系宁夏组砂质泥岩属于塑-弹性岩体,其岩体抗剪强度大于混凝土与岩体接触面的;对比岩体和岩块的抗剪断试验结果发现,同样是切层抗剪断强度,岩体凝聚力是岩石的66.7%,岩体内摩擦角是岩石的63.46%;对比切层和顺层条件下的抗剪断强度试验成果还发现,宁夏组砂质泥岩在不同剪切方向下的内摩擦系数变化不大,但内聚力差别悬殊,表明其岩体抗剪强度存在明显的各向异性。4)从甘肃公路边坡支护的需要出发,将甘肃省红层公路边坡的结构类型划分为覆盖型红层边坡和岩质边坡两种,并将前者细分为黄土-红层边坡、粘性土-红层边坡、粘性土-碎石土-红层边坡、碎石土-红层边坡、砂土-红层边坡等5个类型,将后者分为整体结构和层状结构2个类型,并详细总结了各类边坡的变形模式和破坏机理。5)结合十天高速公路施工实践,分析了典型覆盖型红层边坡的渐进式破坏过程及其桩板墙失效的变形特征。通过地质模型和计算模型分析,揭示了覆盖型红层边坡“拉张裂缝切穿含水层-拉张裂缝充水-静水压力作用-边坡滑移”的渐进式变形破坏机理,提出了根据现场拉张裂缝状态快速估算边坡稳定性系数的方法。研究了覆盖层的抗剪强度特征及其影响因素,并建议覆盖型红层边坡稳定性计算宜采用残余强度。6)针对红层边坡顺层滑动的危害性,根据静力学基本原理,推导了顺层边坡极限平衡状态下的临界坡高、坡度和坡顶卸载平台宽度的计算公式,以及含软弱夹层顺层边坡整体滑移长度的计算公式。依托兰永一级公路施工过程的典型边坡顺层破坏实例,分析了采用坡顶卸载平台预防顺层滑动的有效性,并指出含软弱夹层边坡顺层滑动时滑面位置位于软弱夹层底面,并得到具体工程实例验证。7)针对影响桥台岸坡稳定性因素的复杂性,依托刘家峡大桥系统研究了红层库岸的岩体特征;根据极限平衡理论,考虑降雨、地震、库水位升降、桥台加载等因素组合的8种工况,采用Geo-slop软件分析了自然状态和开挖建桥后的桥台岸坡的稳定性,发现地震对库岸稳定性影响最大,其次是库水骤降;通过参数敏感性分析,发现岸坡稳定性随岩体内摩擦角和粘聚力增加而增加、水位下降速度越快岸坡稳定系数越低的基本规律;采用变形理论,通过7个阶段的FLAC模拟计算,发现库水上升过程桥台岸坡竖向位移增大、库水位的升降没有引起岸坡整体孔隙水压力场的大幅度波动,岸坡整体上均处于稳定状态。数值模拟计算评价结论与桥台岸坡的实际情况是一致的。