边坡岩体稳定性分析

第八章 边坡岩体稳定性分析斜坡(slope)：地表一切具有侧向临空面的地质体，包括天然斜坡和人工边坡。天然斜坡(简称斜坡）：自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。人工边坡(简称边坡）：经人工开挖或改造形成的斜坡。8.1 边坡岩体中的应力分布特征研究目的研究目的 研究边坡变形破坏的机理(包括应力分布及变形破坏特征)与稳定性，为边坡预测预报及整治提供岩体力学依据。其中稳定性计算是岩体边坡稳定性分析的核心。8.1 边坡岩中的应力分布特征一、应力分布特征岩体中开挖人工边坡开挖卸荷近边坡面一定范围内的岩体中应力重分布边坡岩体处于重分布应力状态。边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生变形和破坏。因此，研究边坡岩体重分布应力特征是进行稳定性分析的基础。v 边坡面附近：主应力迹线发生偏转。最大主应力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。v 坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力状态。(3)坡面附近：应力集中带。坡脚附近，最大剪应力增高，易剪切破坏；坡肩附近，拉应力带。边坡愈陡，范围愈大，坡肩附近最易拉裂破坏。(4)最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。二、影响边坡应力分布的因素(1)天然应力 水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧。(2)坡形、坡高、坡角及坡底宽度v坡高不改变应力等值线的形状，但改变主应力的大小。坡角影响边坡岩体应力分布图象。v坡底宽度对坡脚岩体应力有较大的影响。v坡面形状对重分布应力也有明显的影响。(3)岩体性质及结构特征v岩体变形模量影响不大，泊松比对边坡应力影响较大。泊松比的变化，可使水平自重应力发生改变。(4)结构面v使坡体中应力发生不连续分布，在结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传递，坚硬岩体边坡中明显。8.2 边坡岩体的变形与破坏岩体边坡的变形与破坏是边坡发展演化过程中两个不同的阶段，变形属量变阶段，而破坏则是质变阶段，形成一个累进性变形破坏过程。一、边坡岩体变形的基本类型二、边坡破坏的基本类型三、影响岩体边坡变形破坏的因素一、边坡岩体变形的基本类型 1、卸荷回弹、卸荷回弹成坡过程中，荷重不断减少边坡岩体在减荷方向(临空面)伸长变形卸荷回弹。天然应力越大，向临空方向的回弹变形量也越大。往往会伴随产生一系列的张性结构面。2、蠕变变形、蠕变变形当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，则这种变形所引起的破坏是局部的。反之，这种变形将导致边坡岩体的整体失稳。破裂失稳是经过局部破裂逐渐产生的，几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形破坏过程。二、边坡破坏的基本类型单平面滑动双平面滑动多平面滑动边坡破坏的基本类型楔形状滑动圆弧形滑动平面滑动滑坡倾倒破坏崩塌崩塌：斜坡岩土体被结构面分割的块体，突然脱离母体以垂直运动为主、翻滚跌跃而下的现象与过程滑坡：斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面（带），产生以水平运动为主的现象。倾倒破坏（弯曲倾倒）：由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走向与坡面走向近平行时，在自重应力的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的现象。崩崩塌塌单平面滑动单平面滑动多平面滑动多平面滑动圆弧滑动圆弧滑动楔形状滑动楔形状滑动倾倒破坏倾倒破坏三、影响岩体边坡变形破坏的因素1、岩性 决定岩体边坡稳定性的物质基础。2、岩体结构 岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素。3、水的作用 使岩土的质量增大、滑动面的滑动力增大；岩土软化、抗剪强度降低；对岩体产生动水压力和静水压力。4、风化作用 使岩体内裂隙增多、扩大，透水性增强，抗剪强度降低。5、地形地貌 直接影响边坡内的应力分布特征，进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。6、地震 产生地震惯性力 7、天然应力8、人为因素三、影响岩体边坡变形破坏的因素8.3 边坡岩体稳定性分析的步骤定性分析：在工程地质勘察工作基础上，对边坡岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。定量分析：在定性分析基础上，应用一定的计算方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评价。评价方法数学力学分析法模型模拟试验法工程类比法图解法块体极限平衡法弹性力学、弹塑性力学法有限元法等数值方法块体极限平衡法假设条件(1)边坡岩体将沿某一结构面（滑动面）产生滑移剪切破坏；(2)滑体为刚体 在滑动过程中相对位置不变化(3)滑动面上应力分布均匀；(4)不考虑滑体两侧的抗滑力。稳定性系数=滑动面上可能利用抗滑力/滑动力1 稳定 1 不稳定在多数情况下，计算的稳定性系数都有一定误差，因此，引入安全系数。块体极限平衡法步骤可能滑动岩体几何边界条件的分析受力条件分析确定计算参数计算稳定性系数确定安全系数，进行稳定性评价一、几何边界条件分析几何边界条件：构成可能滑动岩体的各种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临空面三种。滑动面：起滑动(即失稳岩体沿其滑动)作用的面，包括潜在破坏面。切割面：起切割岩体作用的面，由于失稳岩体不沿该面滑动，因而不起抗滑作用，如平面滑动的侧向切割面。临空面：临空自由面，为滑动岩体提供活动空间，临空面常由地面或开挖面组成。分析内容：查清岩体中的各类结构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面。分析目的：确定边坡中可能滑动岩体的位置、规模及形态，定性地判断边坡岩体的破坏类型及主滑方向。分析方法：赤平投影、实体比例投影等图解法或三角几何分析法。一、几何边界条件分析二、受力条件分析受力条件：在工程使用期间，可能滑动岩体或其边界面上承受的力的类型及大小、方向和合力的作用点。边坡岩体上承受的力常见有：岩体重力、静水压力、动水压力、建筑物作用力及震动力等等。1.地震作用地震作用水平地震作用：FEK=1G2.水压力水压力：包括渗透静水压力和渗透动水压力。静水压力水对岩体的静压力，数值上等于岩体受到的浮力。动水压力与水力梯度有关，数值上等于岩体受到的渗流阻力。VgUwJgVFwr三、确定计算参数从偏安全的角度起见，一般选用的计算参数，应接近于残余强度。研究表明：残余强度与峰值强度的比值，大多变化在0.60.9之间，因此，在没有获得残余强度的条件下，建议摩擦系数计算值在峰值摩擦系数的6090之间选取，内聚力计算值在峰值内聚力的1030之间选取。经验数据极限状态下的反算数据试验数据四、稳定性系数的计算和稳定性评价稳定性系数=可供利用的抗滑力/滑动力五、确定安全系数，进行稳定性评价边坡不稳定边坡稳定ssKK;q安全系数：根据各种因素规定的允许的稳定性系数。大小是根据各种影响因素人为规定的，必须1。影响因素：岩体工程地质特征研究的详细程度；各种计算参数误差的大小；计算稳定性系数时，是否考虑了全部作用力；计算过程中各种中间结果的误差大小；工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果。安全系数一般=1.051.5 8.4 边坡岩体稳定性计算sincosGLCtgGFFjjrs一、单平面滑动1、仅有重力作用时、仅有重力作用时滑动面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL 滑动力FrGsin稳定性系数滑动体极限高度Hcr为)sin(sinsin2gHCtgtgjj)sin()sin(cossin2jjjcrgCH当Cj=0，j时，1，Hcr=0tgtgj忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时2、有水压力作用、有水压力作用作用于CD上的静水压力V25.0wwgZV作用于AD上的静水压力U为sin21wwwwZHgZV边坡稳定性系数为cossin)sincos(VGADCtgVUGjj3、有水压力作用与地震作用、有水压力作用与地震作用边坡的稳定性系数coscossin)sinsincos(EKjjEKFVGADCtgFVUGFEK=1G水平地震作用 思考题思考题1、岩质边坡有那几种破坏类型，各有、岩质边坡有那几种破坏类型，各有何特征？何特征？2、按经验不利于岩质边坡稳定的条件、按经验不利于岩质边坡稳定的条件有那些？有那些？3、岩质边坡稳定性分析方法有那些？、岩质边坡稳定性分析方法有那些？极限平衡法的原理是什么？极限平衡法的原理是什么？计算题计算题1、在图中、在图中,坡高坡高 滑面滑面AC上的粘结力上的粘结力 ，内摩擦角，内摩擦角 岩岩体容重体容重 ，求此边坡的稳定系，求此边坡的稳定系数数 。,60,40,1500mHkPac800313/25mkNSF2、已探明某岩石边坡的滑面为、已探明某岩石边坡的滑面为AB,坡顶裂坡顶裂缝缝BC深深 ，裂缝内水深，裂缝内水深 ，坡，坡高高 ，坡角，坡角 ，滑坡倾，滑坡倾角角 ，岩石容重，岩石容重 ，滑面粘聚，滑面粘聚力力 ，摩檫角摩檫角 ，问此边坡稳，问此边坡稳定性系数定性系数mz15mZw10mH500600283/25mkNkPac800263、一岩质边坡坡角350，重度 ，岩层为顺坡，倾角与坡角相同，厚度t=0.63m，弹性模量E=350MPa，内摩擦角 ，则根据欧拉定理计算此岩坡的极限高度为多少？3/3.25mkN30