岩体力学在边坡工程中的应用课件

第八章岩体力学在边坡工程中的应用&边坡岩体中的应力分布特征边坡岩体中的应力分布特征&边坡岩体的变形与破坏边坡岩体的变形与破坏&边坡岩体稳定性分析边坡岩体稳定性分析&岩质边坡的加固措施岩质边坡的加固措施l l斜坡斜坡(slope)(slope)统指地表一切具有侧向临空面的地统指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。质体，包括天然斜坡和人工边坡。l l天然斜坡天然斜坡(简称斜坡）是指自然地质作用形成未简称斜坡）是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。经人工改造的斜坡。l l人工边坡人工边坡(简称边坡）是指经人工开挖或改造形简称边坡）是指经人工开挖或改造形成的斜坡。成的斜坡。l l研研究究目目的的：研研究究边边坡坡变变形形破破坏坏的的机机理理(包包括括应应力力分分布布及及变变形形破破坏坏特特征征)与与稳稳定定性性，为为边边坡坡预预测测预预报报及及整整治治提提供供岩岩体体力力学学依依据据。其其中中稳稳定定性性计计算算是是岩体边坡稳定性分析的核心。岩体边坡稳定性分析的核心。边坡岩体中的应力分布特征一、应力分布特征一、应力分布特征l l在在岩岩体体中中进进行行开开挖挖，形形成成人人工工边边坡坡后后，由由于于开开挖挖卸卸荷荷，在在近近边边坡坡面面一一定定范范围围内内的的岩岩体体中中，发发生生应应力力重重分分布布作作用用，使使边边坡坡岩岩体体处处于于重重分分布布应应力状态。力状态。l l边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生变形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。是进行稳定性分析的基础。边坡岩体中的应力分布特征(边坡面附近的主应力迹线发生偏转。最大主应边坡面附近的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。交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。(坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡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。内逐渐转为三向应力状态。(坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常形成拉应力带。形成拉应力带。形成拉应力带。形成拉应力带。(最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。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二、影响边坡应力分布的因素(初始应力初始应力初始应力初始应力 水平天然应力使坡水平天然应力使坡水平天然应力使坡水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧。体应力重分布作用加剧。体应力重分布作用加剧。体应力重分布作用加剧。(坡形、坡高、坡角及坡底宽度坡形、坡高、坡角及坡底宽度坡形、坡高、坡角及坡底宽度坡形、坡高、坡角及坡底宽度坡高不改变等值线的形状状，坡高不改变等值线的形状状，坡高不改变等值线的形状状，坡高不改变等值线的形状状，但改变主应力的大小；但改变主应力的大小；但改变主应力的大小；但改变主应力的大小；坡角影响边坡岩体应力分布图坡角影响边坡岩体应力分布图坡角影响边坡岩体应力分布图坡角影响边坡岩体应力分布图象；象；象；象；坡底宽度对坡脚岩体应力有较坡底宽度对坡脚岩体应力有较坡底宽度对坡脚岩体应力有较坡底宽度对坡脚岩体应力有较大的影响；大的影响；大的影响；大的影响；坡面形状对重分布应力也有明坡面形状对重分布应力也有明坡面形状对重分布应力也有明坡面形状对重分布应力也有明显的影响。显的影响。显的影响。显的影响。边坡岩体中的应力分布特征(岩体性质及结构特征岩体性质及结构特征岩体性质及结构特征岩体性质及结构特征岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡应力影响较大。应力影响较大。应力影响较大。应力影响较大。结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。边坡岩体中的变形与破坏一、边坡岩体变形的基本类型一、边坡岩体变形的基本类型 1、卸荷回弹、卸荷回弹在成坡过程中，由于在成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向体在减荷方向(临空面临空面)产生伸长变形，即卸荷产生伸长变形，即卸荷回弹。回弹。天然应力越大，向临天然应力越大，向临空方向的回弹变形量也空方向的回弹变形量也越大。往往会伴随产生越大。往往会伴随产生一系列的张性结构面。一系列的张性结构面。2 2、蠕变变形、蠕变变形、蠕变变形、蠕变变形边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形。形称为蠕变变形。形称为蠕变变形。形称为蠕变变形。当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，蠕变当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，蠕变当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，蠕变当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，蠕变引起的局部破坏。反之，将导致整体失稳。引起的局部破坏。反之，将导致整体失稳。引起的局部破坏。反之，将导致整体失稳。引起的局部破坏。反之，将导致整体失稳。几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形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。破坏过程。破坏过程。破坏过程。二、边坡破坏的基本类型二、边坡破坏的基本类型边坡岩体中的变形与破坏1、岩石崩塌：岩体在陡坡面上脱落而下的一种、岩石崩塌：岩体在陡坡面上脱落而下的一种边坡破坏形式。常发生于陡坡顶部裂隙的发育地方。边坡破坏形式。常发生于陡坡顶部裂隙的发育地方。原因：裂隙水压力、冻胀力致原因：裂隙水压力、冻胀力致2、平移滑动部分岩体沿着地质软弱面，如层面、平移滑动部分岩体沿着地质软弱面，如层面、断层、裂隙或节理面的滑动。断层、裂隙或节理面的滑动。3 3、旋转滑动、旋转滑动、旋转滑动、旋转滑动 由于外界条件干扰，在均质页岩由于外界条件干扰，在均质页岩由于外界条件干扰，在均质页岩由于外界条件干扰，在均质页岩或泥岩中产生新的圆弧破裂面，岩体沿此圆弧面产或泥岩中产生新的圆弧破裂面，岩体沿此圆弧面产或泥岩中产生新的圆弧破裂面，岩体沿此圆弧面产或泥岩中产生新的圆弧破裂面，岩体沿此圆弧面产生滑移。生滑移。生滑移。生滑移。4、岩块流动、岩块流动 高应力作用下，产生脆性破裂高应力作用下，产生脆性破裂（破坏）面。（破坏）面。不规则。不规则。5、岩层曲折、岩层曲折 在自重与裂隙水压力共同作用下岩在自重与裂隙水压力共同作用下岩层面发生层面发生岩石崩塌平移滑动旋转滑移岩块流动岩层曲折边坡破坏的基本类型边坡破坏的基本类型 主要受岩体的工程地质条件特别是岩体结构面的控制。常主要受岩体的工程地质条件特别是岩体结构面的控制。常见的破坏形式主要有以下四种：见的破坏形式主要有以下四种：1、圆弧形破坏、圆弧形破坏 在表土、废石堆或破碎或散体结构岩体中最常见。在表土、废石堆或破碎或散体结构岩体中最常见。7-1 边坡问题的评价边坡问题的评价二、边坡破坏的基本类型二、边坡破坏的基本类型 2、平面破坏、平面破坏 当结构面走向与坡面走向平行或近于平行，结构面倾向与当结构面走向与坡面走向平行或近于平行，结构面倾向与平面倾向一致时，如果结构面迹线在平面出露，则可能产生这平面倾向一致时，如果结构面迹线在平面出露，则可能产生这种破坏。种破坏。7-1 边坡问题的评价边坡问题的评价二、边坡破坏的基本类型二、边坡破坏的基本类型 3、楔体破坏、楔体破坏 在块状结构岩体中，当两组结构面与坡面斜交，切割成楔在块状结构岩体中，当两组结构面与坡面斜交，切割成楔形结构体，并且两结构面交线出露于边坡坡面时楔形结构体则形结构体，并且两结构面交线出露于边坡坡面时楔形结构体则可能沿结构面组合交线滑移。可能沿结构面组合交线滑移。7-1 边坡问题的评价边坡问题的评价二、边坡破坏的基本类型二、边坡破坏的基本类型 4、倾倒破坏、倾倒破坏 在层状结构岩体中，当结构面平行于坡面走向，倾向与边在层状结构岩体中，当结构面平行于坡面走向，倾向与边坡倾向相反，倾角较陡，且受垂直于坡面的结构面切割，则可坡倾向相反，倾角较陡，且受垂直于坡面的结构面切割，则可能发生倾倒破坏。能发生倾倒破坏。7-2 平面破坏分析平面破坏分析一、平面破坏的条件一、平面破坏的条件 1、边坡上有一组接近与边坡走向平行、边坡上有一组接近与边坡走向平行(在在200范围内范围内)的结构面；的结构面；2、这组结构面必须在坡面上出露，也就是说它的倾角小于坡面倾角，即、这组结构面必须在坡面上出露，也就是说它的倾角小于坡面倾角，即fp；3、结构面的倾角大于其摩擦角，即、结构面的倾角大于其摩擦角，即P0；4、在边坡上还必须存在一组与边坡接近正交的结构面（解离面、在边坡上还必须存在一组与边坡接近正交的结构面（解离面/切割面），切割面），而且这组结构面对结构体的抗滑力很小。而且这组结构面对结构体的抗滑力很小。7-2 平面破坏分析平面破坏分析二、平面破坏的力学模型二、平面破坏的力学模型 1、坡顶上有张裂缝、坡顶上有张裂缝 2、坡面上有张裂缝、坡面上有张裂缝 边坡稳定性分析一、单一平面滑动一、单一平面滑动单一连续滑动面WWcosWsin注：在实际观测中，顺层滑动体不是ABD楔体，而是AECD楔体。EBC楔体仍保留在原处不动。这说明靠近滑体的后部产生张应力，使滑体后缘产生了许多张裂缝CE。CBECBE稳定块体稳定块体K1K1，DCEADCEA滑动体滑动体张裂缝张裂缝CECE的理论深度：的理论深度：基本假设 1.滑动面和张性断裂面与边坡面走向平行。2.张性断裂是竖直向的，并注满水,水深为Zw。3.水沿张性断裂的底部进入滑面，并沿滑面渗透4.各个力都通过滑动面的形心起作用5.滑面的抗剪强度由粘结力和内摩擦角确定，符合库仑方程6.计算厚度为单位厚度，岩片两侧有释放面2 2、张性断裂边坡单面滑动、张性断裂边坡单面滑动张性断裂边坡单面滑动张性断裂边坡单面滑动边坡稳定性分析二、折线滑动法二、折线滑动法折线滑动法又叫不平衡推力传递法、传递系数法、剩余推力法。当滑动面为折线形时，可用折线滑动法。山区土坡往往覆盖在起伏变化的基岩上，土坡失稳多数沿这些界面发生，形成折线滑动面，对这类边坡的稳定分析可采用传递系数法。假定条间力的合力与上一土条底面平行，根据各分条力的平衡条件，逐条向下推求，直至最后一条土条的作用力由第i条块平行于底面方向力的平衡得：在滑动主轴方向的地质纵断面上，按照岩土性质及滑动面的产状将滑动体分成n个竖直条块，取单宽滑动体的任一条块分离体作极限平衡的静力分析。滑坡推力是滑坡体向下滑动的力与抵抗滑动力之差。通过计算的滑坡推力的符号判断稳定性。如果小于或等于零稳定；如果大于零不稳定。常用的传递系数法假定1、滑坡体整体下滑，不考虑条块之间的挤压变形。2、块条之间只传递推力，不传递拉力。3、块间作用力以集中力表示，作用线平行于前一块 的滑面方向，作用线在分界线的中点。4、顺滑坡主轴取单宽作计算的基本断面，不考虑条 块两侧的摩擦力。力平衡莫尔库仑准则（安全系数减少抗剪能力）安全系数的考虑方法1:安全系数加大自重下滑力，则：安全系数的考虑方法2:说明1、抗剪强度指标可用剩余抗剪强度剩余抗剪强度指标，或根据土的性质和当地经验确定。2、任何土条的滑坡推力如果为负，则推力不再向下传递，而对下一土条取推力为零。3、如果有逆坡时，倾角为负值，不乘K值。例题：某一堆积层滑坡体下卧基岩。各分块重量及计算参数均已知，外荷载（如车辆荷载）作用在第一块上，并已经包含在W1中。试计算滑坡推力并判断其稳定性。【解】对滑坡体从上到下逐块进行计算，分两种情况，K1时的临界状的滑坡推力6.2第一块第2块计算传递系数:第3块计算传递系数:注意：第3块为逆坡，倾角为负值第一项变成了抗滑力.注意：第3得出的说明前3块已稳定；计算第4块滑坡推力时按没有以上岩块计算。由计算得第4块滑坡推力为负值，说明在安全度K1情况下，边坡是安全的。三、Sarma法基本原理：边坡破坏的滑体除非是沿一个理想的平面或弧面滑动，才可能作一个完整的刚体运动，否则，滑体必须先破裂成多个可相对滑动的块体，才可能发生滑动，即，滑体内部要发生剪切情况下才可能滑动。稳定系数折减：Sarma法可以用于评价各种破坏模式下边坡稳定性，如平面破坏、楔形体破坏、圆弧面破坏和非圆弧面破坏等。的而且条块的分条是任意的，条块边界无需垂直，从而可以对各种特殊的边坡破坏模式进行稳定性分析。四、Janbu法假设条块上作用力有：垂直条块侧面上的作用力位于滑面之上1/3条块高度处；作用于条块上的重力、反力，作用于底面的中点。得：其中：令：，并引入修正系数f0f0的取值，d，L的取法如图：边坡稳定性分析三、三维楔形体法三、三维楔形体法双面滑移体稳定系数双面滑移体稳定系数其中：其中：N N1 1、N N2 2分别为分别为 Wcos Wcos 作用于作用于F1F1、F2F2上的法上的法向压力。由正弦定律得：向压力。由正弦定律得：N2N1结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End感谢你的到来与聆听学习并没有结束，希望继续努力Thanks for listening,this course is expected to bring you value and help