8.边坡岩体稳定性分析ppt.课件.ppt

1、第第8章章 边坡岩体稳定性分析边坡岩体稳定性分析8.1 概述概述8.2 边坡岩体中的应力分布特征边坡岩体中的应力分布特征8.3 边坡岩体的变形与破坏边坡岩体的变形与破坏8.4 边坡岩体稳定性分析步骤边坡岩体稳定性分析步骤8.5 边坡岩体稳定性计算边坡岩体稳定性计算斜坡斜坡(slope)统指地表一切具有侧向临空面的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。地质体，包括天然斜坡和人工边坡。 天然斜坡天然斜坡(简称斜坡）是指自然地质作用形成简称斜坡）是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。未经人工改造的斜坡。8.1 概述概述人工边坡人工边坡(简称边简称边坡）是指经人工坡）是指经人工

2、开挖或改造形成开挖或改造形成的斜坡。的斜坡。8.1 概述概述研究目的：研究边坡变形破坏的研究目的：研究边坡变形破坏的机理机理(包包括应力分布及变形破坏特征括应力分布及变形破坏特征)与与稳定性稳定性，为边坡预测预报及整治提供岩体力学依为边坡预测预报及整治提供岩体力学依据。其中据。其中稳定性计算是岩体边坡稳定性稳定性计算是岩体边坡稳定性分析的核心分析的核心。一、应力分布特征一、应力分布特征在岩体中进行开挖，形成人工边坡后，由于在岩体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖卸荷，在开挖卸荷，在近边坡面一定范围内的岩体近边坡面一定范围内的岩体中，中，发生应力重分布作用，使边坡岩体处于重分发生应力重分布作用

3、，使边坡岩体处于重分布应力状态。布应力状态。边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生变变形和破坏形和破坏。因此，研究边坡岩体重分布应力。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。特征是进行稳定性分析的基础。8.2 边坡岩体中的应力分布特征边坡岩体中的应力分布特征v (1)边坡面附近的边坡面附近的主应力迹线发生偏转主应力迹线发生偏转。最大。最大主应力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近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。于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。v (2)坡面上径向应力为零，为坡面上径向应力为零，为

4、双向应力状态双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力状态。向坡内逐渐转为三向应力状态。应应力力分分布布特特征征(3) 坡面附近产生坡面附近产生应力集中带应力集中带。在坡脚附近，。在坡脚附近，最大剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡最大剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常形成拉应力带。边坡愈陡，则此肩附近，常形成拉应力带。边坡愈陡，则此带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。 (4) 最大剪应力迹线为最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线凹向坡面的弧线。应应力力分分布布特特征征二、影响边坡应力分布的因素二、影响边坡应力分布的因素(1)天然应力天然应力 水平天然应

5、力使坡体水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧。应力重分布作用加剧。(2)坡形、坡高、坡角及坡底宽度坡形、坡高、坡角及坡底宽度v坡高坡高不改变应力等值线的形状，不改变应力等值线的形状，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象。坡角影响边坡岩体应力分布图象。v坡底坡底宽度对坡脚岩体应力有较大宽度对坡脚岩体应力有较大的影响。的影响。v坡面形状坡面形状对重分布应力也有明显对重分布应力也有明显的影响。的影响。8.2 边坡岩体中的应力分布特征边坡岩体中的应力分布特征(3)(3)岩体性质及结构特征岩体性质及结构特征v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

6、力影响不大，泊松比对边坡应力影响较大。这是由于泊松比的变化，可以使水应力影响较大。这是由于泊松比的变化，可以使水平自重应力发生改变。平自重应力发生改变。(4)结构面结构面结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面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递，这种情况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。在坚硬岩体边坡中尤为明显。8.3 边坡岩体的变形与破坏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，两个不同的阶段，变形属量变阶段变形

7、属量变阶段，而，而破坏则破坏则是质变阶段是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过，它们形成一个累进性变形破坏过程。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一、边坡岩体变形的基本类型 变形属量变阶段变形属量变阶段斜坡变形实际上在其形成过程中即已发斜坡变形实际上在其形成过程中即已发生，表现为生，表现为卸荷回弹卸荷回弹和和蠕变蠕变两种主要方两种主要方式。式。1.卸荷回弹卸荷回弹(unloading rebound)是斜坡岩体内积存的弹性应变能释放而是斜坡岩体内积存的弹性应变能释放而产生的。在高地应力区的岩质斜坡中尤产生的。在高地应力

8、区的岩质斜坡中尤为明显。成坡过程中斜坡岩体向临空方为明显。成坡过程中斜坡岩体向临空方向回弹膨胀，使原有结构松弛；同时又向回弹膨胀，使原有结构松弛；同时又可在集中应力和剩余应力作用下，产生可在集中应力和剩余应力作用下，产生系列新的表生结构面，或改造一些原有系列新的表生结构面，或改造一些原有结构面。结构面。8-6斜坡的蠕变是在坡体压力斜坡的蠕变是在坡体压力( (以自重应力为以自重应力为主主) )长期作用下发生的一种缓慢而持续的长期作用下发生的一种缓慢而持续的变形，这种变形包含某些局部破裂，并变形，这种变形包含某些局部破裂，并产生一些新的表生破裂面。坡体随蠕变产生一些新的表生破裂面。坡体随蠕变的发展

9、而不断松弛。的发展而不断松弛。2、蠕变变形、蠕变变形瓦伊昂滑坡失事前三年开始的长期观测，瓦伊昂滑坡失事前三年开始的长期观测，已发现该区有蠕变迹象。已发现该区有蠕变迹象。19631963年春季以前，大致保持等速蠕变，年春季以前，大致保持等速蠕变，同年春季、夏季测得的位移速率为同年春季、夏季测得的位移速率为0.14cm0.14cmd d左右。左右。9 9月月1818日连续大雨后，位移速度逐日迅速日连续大雨后，位移速度逐日迅速增大直至滑坡发生。蠕变波及范围可以增大直至滑坡发生。蠕变波及范围可以相当大。相当大。二、边坡破坏的基本类型二、边坡破坏的基本类型单平面滑动单平面滑动双平面滑动双平面滑动多平面滑

10、动多平面滑动边边坡坡破破坏坏的的基基本本类类型型楔形状滑动楔形状滑动圆弧形滑动圆弧形滑动平面滑动平面滑动倾倒破坏倾倒破坏8-1崩塌崩塌滑坡滑坡滑坡的表面形态及结构滑坡的表面形态及结构(国际滑坡编目小组国际滑坡编目小组)查纳滑坡 贵阳沙冲路滑坡贵阳沙冲路滑坡 龙羊峡库岸滑坡龙羊峡库岸滑坡2003年5月11日贵州省三穗县平溪特大桥滑坡致使35人死亡，毁坏桥墩2003年年7月月13日日 三峡库区沙镇溪发生千将坪滑坡，三峡库区沙镇溪发生千将坪滑坡，致使致使24人失踪。人失踪。滑坡壁滑坡壁滑坡周界滑坡周界 西藏易贡特大崩滑灾害西藏易贡特大崩滑灾害鸡扒子滑坡全貌鸡扒子滑坡全貌盐池河崩塌新滩滑坡全貌新滩滑坡

11、全貌坡面型泥石流坡面型泥石流沟谷型泥石流沟谷型泥石流三、影响岩体边坡变形破坏的因素三、影响岩体边坡变形破坏的因素1、岩性岩性 决定岩体边坡稳定性的物质基础。决定岩体边坡稳定性的物质基础。 2、岩体结构岩体结构 岩体结构及结构面的发育特征是岩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。体边坡破坏的控制因素。3、水的作用水的作用 使岩土的质量增大、滑动面的滑使岩土的质量增大、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。产生动水压力和静水压力。4、风化作用风化作用 使岩体内裂隙增多、扩大，透水使岩体内裂隙增多、扩大，透水性

12、增强，抗剪强度降低。性增强，抗剪强度降低。5、地形地貌地形地貌 直接影响边坡内的应力分布特征，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。进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。6、地震地震 产生地震惯性力产生地震惯性力 7、天然应力天然应力8、人为因素人为因素三、影响岩体边坡变形破坏的因素三、影响岩体边坡变形破坏的因素8.4 边坡岩体稳定性分析的步骤边坡岩体稳定性分析的步骤定性分析是在工程地质勘察工作的基础上，对边坡定性分析是在工程地质勘察工作的基础上，对边坡岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。定量分析是在定性

13、分析的基础上，应用一定的计算定量分析是在定性分析的基础上，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。方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评价。评评价价方方法法数学力学分析法数学力学分析法模型模拟试验法模型模拟试验法工程类比法工程类比法图解法图解法块体极限平衡法块体极限平衡法弹性力学、弹塑性力学法弹性力学、弹塑性力学法有限元法等数值方法有限元法等数值方法块体极限平衡法步骤块体极限平衡法步骤可能滑动岩体几何边界条件的分析可能滑动岩体几何边界条件的分析受力条件分析受力条件分析确定计算参数确定计算参数计算稳定性系数计算稳定性系数确定安全系数，进行稳定性评价确定安全系数，进行稳定性评价块体极限

14、平衡法块体极限平衡法假设条件假设条件(1)边坡岩体将沿某一结构面（滑动面）产边坡岩体将沿某一结构面（滑动面）产生滑移剪切破坏；生滑移剪切破坏；(2)滑体在滑动过程中相对位置不变化，即滑体在滑动过程中相对位置不变化，即为刚体；为刚体；(3)滑动面上的应力分布均匀；滑动面上的应力分布均匀；(4)不考虑滑体两侧的抗滑力。不考虑滑体两侧的抗滑力。稳定性系数稳定性系数=滑动面上可能利用抗滑力滑动面上可能利用抗滑力/滑滑动力动力 1 稳定稳定 1 不稳定不稳定在多数情况下，计算的稳定性系数都有在多数情况下，计算的稳定性系数都有一定误差，因此，为保险起见，引入一定误差，因此，为保险起见，引入安安全系数全系数

15、的概念。的概念。块体极限平衡法块体极限平衡法一、几何边界条件分析一、几何边界条件分析几何边界条件是指构成可能滑动岩体的各几何边界条件是指构成可能滑动岩体的各种边界面及其组合关系，包括种边界面及其组合关系，包括滑动面、切滑动面、切割面和临空面割面和临空面三种。三种。 滑动面滑动面是指起滑动是指起滑动(即失稳岩体沿其滑动即失稳岩体沿其滑动)作用作用的面，包括潜在破坏面。的面，包括潜在破坏面。 切割面切割面是指起切割岩体作用的面，由于失稳岩是指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。滑动的侧向切割面。 临空面临空

16、面指临空的自由面，它的存在为滑动岩体指临空的自由面，它的存在为滑动岩体提供活动空间，临空面常由地面或开挖面组成。提供活动空间，临空面常由地面或开挖面组成。几何边界条件分析的几何边界条件分析的内容内容是查清岩体中的各类结是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、切割构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面。面。几何边界条件分析的几何边界条件分析的目的目的是确定边坡中可能滑动是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。的破坏类型及主滑方向。几何边界条件的分析可通过赤平投影、实体比例几何边界条件的分

17、析可通过赤平投影、实体比例投影等图解法或三角几何分析法进行。投影等图解法或三角几何分析法进行。一、几何边界条件分析一、几何边界条件分析二、受力条件分析二、受力条件分析在工程使用期间，可能滑动岩体或其边界面上承在工程使用期间，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统称受的力的类型及大小、方向和合力的作用点统称为受力条件。为受力条件。边坡岩体上承受的力常见有：岩体重力、静水压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。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：水平地震作用：FEK= 1G2.水压力水压力

18、：包括渗透静水压力和渗透动水压力。：包括渗透静水压力和渗透动水压力。静水压力静水压力水对岩体的静压力，数值上等于岩水对岩体的静压力，数值上等于岩体受到的浮力。体受到的浮力。动水压力动水压力与水力梯度有关，数值上等于岩体与水力梯度有关，数值上等于岩体受到的渗流阻力。受到的渗流阻力。VgUwJgVFwr三、确定计算参数三、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，大多变化在度的比值，大多变化在0.60.9之间，因此，在没之间，因此，在没有获得残余强度的

19、条件下，建议摩擦系数计算值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在峰值摩擦系数的6090之间选取，内聚力计之间选取，内聚力计算值在峰值内聚力的算值在峰值内聚力的1030之间选取之间选取。经验数据经验数据极限状态下的反算数据极限状态下的反算数据试验数据试验数据四、稳定性系数的计算和稳定性评价四、稳定性系数的计算和稳定性评价稳定性系数稳定性系数=可供利用的抗滑力可供利用的抗滑力/滑动力滑动力五、确定安全系数，进行稳定性评价边坡不稳定边坡稳定ssKK;q安全系数安全系数：根据各种因素规定的允许的稳定性系数。：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

20、须大于大小是根据各种影响因素人为规定的，必须大于1。影响因素：影响因素：岩体工程地质特征研究的详细程度；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；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；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。工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果。安全系数一般安全系数一般=1.051.5 8.5 边坡岩体稳定性计算边坡岩体稳定性计算一、单平面滑动一、单平面滑动sincosGLCtgGFFjjrs1、仅有重力作用时、仅有重力作

21、用时滑动面上的抗滑力滑动面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL 滑动力滑动力FrGsin稳定性系数稳定性系数滑动体极限高度滑动体极限高度Hcr为为)sin(sinsin2gHCtgtgjj)sin()sin(cossin2jjjcrgCH当当Cj=0，j时，时，1，Hcr=0tgtgj忽略滑动面上内聚力忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时时图图8-8 8-8 平面剪切破坏平面剪切破坏滑动体滑动面GsinGcosGjGtancos注：在实际观测中，顺层滑动体不是注：在实际观测中，顺层滑动体不是ABD楔体，而是楔体，而是AECD楔体。楔体。EBC楔体仍保留在原处不动。这说明靠近滑楔体仍保留在原处不动

22、。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体的后部产生张应力，使滑体后缘产生了许多张裂缝CE。张裂缝张裂缝CECE的理论深度：的理论深度：245tan20jOrCZ2、有水压力作用、有水压力作用作用于作用于CD上的静水压力上的静水压力V25 . 0wwgZV作用于作用于AD上的静水压力上的静水压力U为为sin21wwwwZHgZU边坡稳定性系数为边坡稳定性系数为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边坡的稳定性系数coscossin)sinsincos(EKjjEKFVGADCtgFVUGFEK=

23、 1G水平地震作用水平地震作用二、同向双平面滑动二、同向双平面滑动第一种情况为滑动体内不存在结构面，视滑动体第一种情况为滑动体内不存在结构面，视滑动体为刚体，采用力平衡图解法计算稳定性系数为刚体，采用力平衡图解法计算稳定性系数第二种情况为滑动体内存在结构面并将滑动体切第二种情况为滑动体内存在结构面并将滑动体切割成若干块体的情况，这时需分块计算边坡的稳割成若干块体的情况，这时需分块计算边坡的稳定性系数定性系数1.滑动体为刚体的情况滑动体为刚体的情况ABCD为可能滑动体，根据滑为可能滑动体，根据滑动面产状分为动面产状分为、两个块体。两个块体。F为块体为块体对块体对块体的作用力，的作用力，F为块体为

24、块体对块体对块体的作用力，的作用力，F和和F大小相等，方向相反，大小相等，方向相反，其作用方向的倾角为其作用方向的倾角为。滑动面滑动面AB以下岩体对块体以下岩体对块体的的反力反力R1(摩阻力摩阻力) 与与AB面法线的面法线的夹角为夹角为1。)cossin)sincos2|222222|2222（FGLCtgFtgG2.滑动体内存在结构面的情况滑动体内存在结构面的情况在滑动过程中，滑动体除沿滑动面滑动外，被结构在滑动过程中，滑动体除沿滑动面滑动外，被结构面分割开的块体之间还要产生相互错动。面分割开的块体之间还要产生相互错动。采用分块极限平衡法和不平衡推力传递法进行稳定采用分块极限平衡法和不平衡推

25、力传递法进行稳定性计算。性计算。AB面BC面BD面1111tgNABCS2222tgNBCCS33QtgBDCS块体块体)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin1311312131111113112tgtgtgtgBDCtgtgWABCBDCWQ0cos)sin()cos(0sin)cos()sin(1111111111WSQNWSQS)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin2232322232222223222tgtgtgtgBDCtgtgWBCCBDCWQ块体块体块体三、多平面滑动三、多平面滑动边坡岩体的多平面滑动，边坡岩体的多平面滑动， 分为一般多

26、平面滑动和分为一般多平面滑动和 阶梯状滑动两个亚类。阶梯状滑动两个亚类。阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面组成，呈阶梯状，坡稳定性的计算思路与单平面组成，呈阶梯状，坡稳定性的计算思路与单平面滑动相同，即将滑动体的自重滑动相同，即将滑动体的自重 (仅考虑重力作用时仅考虑重力作用时)分解为垂直滑动面的分量和平行滑动面的分量。分解为垂直滑动面的分量和平行滑动面的分量。)sin(sinsin)sin(2)cos(2gHCtgtgtjj楔形体滑动的滑楔形体滑动的滑动面由两个倾向动面由两个倾向相反、且其交线相反、且其交线倾向与坡面倾向倾向与坡面倾向相同、倾

27、角小于相同、倾角小于边坡角的软弱结边坡角的软弱结构面组成。构面组成。四、楔形体滑动四、楔形体滑动首先将滑体自重首先将滑体自重G分解为垂直交线分解为垂直交线BD的分量的分量N和平和平行交线的分量行交线的分量(即滑动力即滑动力Gsin)，然后将，然后将N投影到两投影到两个滑动面的法线方向，求得作用于滑动面上的法向个滑动面的法线方向，求得作用于滑动面上的法向力力N1和和N2，最后求得抗滑力及稳定性系数。，最后求得抗滑力及稳定性系数。可能滑动体的滑动力为可能滑动体的滑动力为Gsin，垂直交线的分量为，垂直交线的分量为NGcos。将。将Gcos投影到投影到ABD和和BCD面的法线面的法线方向上，得法向力方向上，得法向力N1、N2稳定性系数计算的基本思路)sin(sincos)sin(sin,)sin(sincos)sin(sin21121122122121GNNGNN边坡的稳定性系数边坡的稳定性系数n边坡的抗滑力BCDABDsSCSCtgNtgNF212211sin212211GSCSCtgNtgNBCDABD 挡墙挡墙 措施：排水减荷加固措施：排水减荷加固 桩基桩基 锚杆锚杆 注浆注浆岩坡失稳两方面因素岩坡失稳两方面因素 下滑力增加下滑力增加 抗滑力降低抗滑力降低补充：岩坡加固措施补充：岩坡加固措施返回