1、第十章 地基岩体稳定性分析10.1 岩体地基承载力 一、岩体地基承载力的概念 二、由极限平衡理论确定承载力 三、由岩体强度确定极限承载力 四、软弱岩体承载力的确定一、岩体地基承载力的概念 地基承受荷载的能力称为地基承载力。地基岩体的承载力就是指作为地基的岩体受荷后不会因产生破坏而丧失稳定，其变形量亦不会超过容许值时的承载能力。地基承载力可以分为极限承载力和容许承载力两种，前者是指地基不致丧失稳定时的最大承载能力，后者是指地基有足够的安全度，其变形量亦控制在容许范围内时的承载力。在实际工程设计中，人们最为关心的就是地基的容许承载力，它又有基本值(f0)、标准值(fk)和设计值(f)之分。承载力基
2、本值是指按有关规范规定的特定基础宽度和埋置深度时的地基承载力，它可以根据某些试验指标按有关规范查表确定。承载力标准值是指按有关规范规定的标准测试方法测试确定的基本值并经统计处理后的承载力值。承载力设计值是在标准值的基础上按基础埋置深度和宽度修正后的地基承载力值或按理论公式计算到的承载力值。二、由极限平衡理论确定承载力 设在半无限体上作用着宽度为b的条形均布荷载q1 假设：破坏面由两个互相直交的平面组成q1的作用范围很长，两端面的阻力可以忽略q1作用面上不存在剪力对于每个破坏楔体可以采用平均的体积力 将岩基分为楔体x和y x楔体:y楔体作用于x楔体的水平正应力h 为最大主应力；岩体的自重应力v为
3、最小主应力。y楔体:h 为最小主应力；自重应力v加q1为最小主应力。2452245x2mommovhtgCtg楔体：245224521mommohVtgCtgqy楔体：245124522452251momommotgtgCtggbq q1=岩基的极限承载力qf 如果x楔体表面作用有q，基岩极限承载力qfqcmpmomomommoqNNCgbNqtgtgtgCtggbqf5.024524512452245242524524512452245425moqmomocmoptgNtgtgNtgN 承载力系数三、由岩体强度确定极限承载力 荷载作用下岩体压碎并向两侧膨胀而诱发裂隙，因此，可分为压碎区A和原
4、岩区B，A区受到B区的约束力ph的作用。均匀、各向同性不连续岩体的极限承载力约等于岩体的三轴抗压强度NtgtgCtgqmcmomcmommof124512452245223四、软弱岩体承载力的确定 对于强度较低的软弱岩基，如泥岩、页岩、板岩、煤层等，当荷载通过刚性基础传递到这类岩层上时，将在基础边缘附近产生应力集中。设条形基础宽度为b，当距离基础边缘为y处的基底接触压力qv足以使岩基发生破坏时的平均承载力qf为假设y处的最大应力足以使岩石发生脆性破坏，极限承载力为2ybybqqvf23ybybqmcf10.2 坝基抗滑稳定性分析 重力坝、支墩坝等挡水建筑物的岩基除承受竖向荷载外，还承受着库水形
5、成的水平荷载作用，因此，坝体和坝基便会产生向下游滑移的趋势。因而，在水利水电工程建设中坝基岩体抗滑稳定性研究是一项十分重要的内容。1、坝基承受的荷载、坝基承受的荷载(1)(1)坝体重力坝体重力22212121hhgHHHwhniiigAW1(2)(2)静水压力静水压力水平静水压力竖直静水压力ctghctghgHwv222121(3)(3)泥沙压力泥沙压力 当坝体上游坡面接近竖直面时，作用于单宽坝体的泥沙压力的方向近于水平，并从上游指向坝体，按朗肯土压力理论其大小为245210220tgghFs(4)(4)扬压力扬压力 (5)(5)岩体重力岩体重力(6)(6)地震作用地震作用 水平地震作用01G
6、FEK（4）坝基扬压力确定）坝基扬压力确定 定义：定义：在坝基底面和岩体深部滑移面上由于渗流等作用而产生的上抬的水压力，称为扬压力。它包括浮托力与渗透压力两部分。坝基底面上的扬压力坝基底面上的扬压力 坝基下无防渗排水措施BHBHuuuww21221 坝基下有防渗排水措施212211221)1(21BbbHBHuuuww)2(21221baHBHuuuww 空腹、宽缝重力坝和支墩坝 岩体深部滑移面上的扬压力岩体深部滑移面上的扬压力(5)(5)岩体重力岩体重力(6)(6)地震作用地震作用 水平地震作用01GFEK(7)(7)浪压力浪压力 当坝体迎水面坡度大于11，水深Hw满足hfHwLw2时，水深
7、Hw处浪压力的剩余强度pwwwLHchhW20)(21wwwwwHpHhhHgp作用于单宽坝体上的浪压力为二、坝基滑动破坏的类型及边界条件的构成二、坝基滑动破坏的类型及边界条件的构成滑动面的位置接触面滑动岩体内滑动混合型滑动沿倾向上游软弱结构面滑动沿水平软弱面滑动沿倾向下游软弱结构面滑动沿倾向上下游两个软弱结构面滑动（1 1）接触面滑动）接触面滑动 接触面滑动接触面滑动是坝体沿着坝基与岩基接触面发生的滑动。对于一个具体的挡水 建筑物来说，是否发 生接触面滑动，不单 纯取决于岩基质量的好坏，而往往受设计和施工方面的因素影响很大。因此，当坝基岩体坚硬完整，其剪切强度远大于接触面强度时，最可能发生接
8、触面滑动。(2)(2)岩体内滑动岩体内滑动 岩体内滑动岩体内滑动是坝体连同一部分岩体在倾斜荷载作用下，沿着坝基岩体内的软弱面发生的滑动破坏。该类型滑动破 坏主要受坝基 岩体中发育的结构面网络所控制，而且只在具备滑动几何边界条件的情况下才有可能发生。根据结构面的组合特征，划分为五种类型：1)沿水平软弱面滑动沿水平软弱面滑动 当坝基为产状水平或近水平的岩层而大坝基础砌置深度又不大，坝趾部被动压力很小，岩体中又发育有走向与坝轴线垂直或近于垂直的高倾角破裂构造面时，往往会发生沿层面或软弱夹层的滑动2)2)沿倾向上游软沿倾向上游软弱结构面滑动弱结构面滑动 坝基中存在着向上游缓倾的软弱结构面，同时还存在着
9、走向垂直或近于垂直坝轴线方向的高角度破裂面3)3)沿倾向下游软弱结构面滑动沿倾向下游软弱结构面滑动坝基岩体中存在着倾向下游的缓倾角软弱结构面和走向垂直或近于垂直坝轴线方向的高角度破裂面，并在下游存在着切穿可能滑动面的自由面4)4)沿倾向上下游沿倾向上下游两个软弱结构两个软弱结构面滑动面滑动 坝基岩体中发育有分别倾向上游和下游的两个软弱结构面以及走向垂直或近于垂直坝轴线的高角度切割5)5)沿交线垂直坝轴线的两个软弱结构面滑动沿交线垂直坝轴线的两个软弱结构面滑动 坝基岩体中发育有交线垂直或近于垂直坝轴线的两个软弱结构面，且坝趾附近倾向下游的岩基自由面有一定的倾斜度，能切穿可能滑动面的交线(3)(3
10、)混合型滑动混合型滑动 混合型滑动则是部分沿接触面、部分沿岩体内结构面发生的。它是接触面滑动和岩体内滑动的组合破坏类型。三、坝基抗滑稳定性计算三、坝基抗滑稳定性计算 计算的基础计算的基础：充分研究岩基工程地质条件的基础上并获得必要的计算参数 计算方法：计算方法：刚体极限平衡法数值模拟方法地质力学模型试验法类比法图解法（1 1）接触面抗滑稳定性计算）接触面抗滑稳定性计算 坝底接触面多为水平或近于水平HUVf)(HCAUVf)(我国坝工设计多采用第1式，计算中采用的摩擦 系数多采用原位测试峰值摩擦系数的折减值坝、闸基础底面与地基岩土体之间的力学参数地基土类型摩擦系数f卵石、砾石0.500.55砂0
11、.400.50粉土0.250.40粘土坚硬中等坚硬软弱0.350.450.250.350.200.25岩体分类混凝土与岩体抗剪断强度fC（Mpa）1.31.5 1.31.51.11.3 1.11.30.91.1 0.71.10.70.9 0.30.70.40.7 0.3 对f的折减要明显小于对C的折减 安全系数表 为增大坝基抗滑稳定性系数，将坝体和岩体接触面设计成向上游倾斜的平面UVHNcossin接触面上的正压力sincosVHFr滑动力CAUVHfCAfNFscossin抗滑力 如果坝底面水平且嵌入岩基较深，在计算抗滑稳定性系数时应考虑下游岩体的抗力(被动压力)被动楔体abd的受力分析0c
12、ossin0sincosNGpACNtgGprpmmrpsincoscossinVHCAUVHf稳定性系数HPCAUVfp)()()1(cosmrmmpptgGtgtgACpp 由于岩体抗力要达到最大值(即计算值)，抗力体必须要产生一定量的位移，因此，坝基可能滑动面的抗滑力和抗力体的抗力难以同步发挥到最大值。一般，抗滑力出现在前，经一段位移才能使抗力达到最大。也就是说要使岩体抗力充分发挥，坝体需沿滑动面产生较大的位移，这在一般的坝工设计中不允许 因此，在坝工设计中通常只是部分利用或不利用岩体抗力，其利用程度主要取决于坝体水平位移的允许范围 接触面的抗滑稳定性系数修正HPCAUVfp)(2)(2
13、)坝基岩体内滑动的稳定性计算坝基岩体内滑动的稳定性计算原则：首先应根据岩体软弱结构面的组合关系，充分研究可能发生滑动的各种几何边界条件 对每一种可能的滑动都确定出稳定性系数 然后根据最小的稳定性系数与所规定的安全系数相比较，进行评价。沿水平软弱结构面滑动沿水平软弱结构面滑动 稳定性系数：21)(UHPACUVfpjj 沿倾向上游软弱结构面沿倾向上游软弱结构面滑动滑动 抗滑稳定性系数sincossincos212rjrjGVUHACUUHGVfsincossincos1rjrjGVHACUHGVf 沿倾向下游软弱结构沿倾向下游软弱结构面滑动面滑动 沿两个相交软弱结构面滑动沿两个相交软弱结构面滑动
14、 一种沿分别倾向上下游的两个软弱结构面滑动 一种沿交线垂直坝轴线方向的两个软弱结构面滑动抗滑稳定性系数 前者抗滑稳定性系数可按照同向双平面滑动稳定性的计算方法 后者的抗滑稳定性系数为32222223111111cossincossinUHACUctgGVfUHACUctgGVfjrjjrj结构面、软弱面、断层的抗剪强度类型fC（Mpa）胶结的结构面0.800.600.2500.100无充填的结构面0.700.450.1500.050岩块岩屑型0.550.450.2500.100岩屑夹泥型0.450.350.1000.050泥夹岩屑型0.350.250.0500.020泥0.250.180.00
15、50.00210.3、坝肩抗滑稳定性问题 坝肩岩体在重力作用下的滑动对各种坝体都会产生危害，尤其是支墩坝、拱坝、连拱坝等对侧向变形反应敏感的轻型坝更容易造成危害。对于拱坝来说，研究坝肩抗滑稳定性问题不仅要研究坝肩岩体在重力作用下的稳定性，更要研究在拱坝传递来的水平推力作用下的稳定性。对于其他坝型，研究坝肩抗滑稳定性问题一般就研究岩体边坡在重力作用下的稳定性。拱坝通常修建在比较狭窄的峡谷中，坝体在平面上为弧形，两端嵌入坝肩岩体借助拱的作用把大部分水平推力传递给坝肩岩体，因此，坝肩承受的荷载一般较大。拱坝对坝肩岩体不均匀变形和过量变形比较敏感，于是通常要求坝肩岩体具有完整、均质、坚固等良好性能。岩体滑动的几何边界条件主要由岩体中方向不利的软弱结构面和岩体自由面组成。对于拱坝坝肩岩体来说，产状水平或近水平的软弱结构面，走向与河谷方向夹角小于45而倾向河谷的软弱结构面往往都是不利的。岩体自由面决定着最小主应力方向，因此它的方位对岩体的稳定性影响很大。岩体自由面的方向和位置由地形条件决定 平面稳定分析平面稳定分析AB面上的正压力：1sinUTABC面上的正压力：2UGr滑动力22221111)()sin(ACfUGACfUTFjjrjjscosTFr抗滑力稳定性系数cos)()sin(22221111TACfUGACfUTjjrjj
