1、 第七章第七章 岩石边坡工程岩石边坡工程本章内容：本章内容：7-1 7-1 边坡应力分布边坡应力分布 7-2 7-2 边坡变形及破坏的基本类型边坡变形及破坏的基本类型 7-3 7-3 边坡稳定性分析边坡稳定性分析 7-4 7-4 楔体破坏分析楔体破坏分析 7-5 7-5 边坡监测及加固边坡监测及加固1、前言边坡危害边坡危害：2002年年5月武隆，边坡坍塌死月武隆，边坡坍塌死79人人 1972年年6月香港，边坡坍塌死月香港，边坡坍塌死138人人滑坡危害：滑坡危害：1963年意大利，瓦依昂水库死年意大利，瓦依昂水库死2600人人 1983年中国，东乡县洒勒黄土滑坡死年中国，东乡县洒勒黄土滑坡死22
2、7人人 一些滑坡实例汉十高速公路滑坡三峡泄滩滑坡技术不成熟技术不成熟：勘察搞不清，设计凭经验，资金花费勘察搞不清，设计凭经验，资金花费大。大。云南元磨高速公路云南元磨高速公路147公里，公里，30米以上米以上高边坡高边坡370余个，修建时已滑余个，修建时已滑177次以上。次以上。边坡分类边坡分类：一般边坡：土坡、岩石边坡一般边坡：土坡、岩石边坡 高边坡：土坡（高于高边坡：土坡（高于15米）米）岩石边坡（高于岩石边坡（高于30米）米）成因成因：自然边坡，人工边坡自然边坡，人工边坡 a1=350，a2360，H=400m 每公里长的坡段可减少剥离量415 Mm37-1 边坡应力分布斜坡(slope
3、)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。天然斜坡(简称斜坡）是指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）是指经人工开挖或改造形成的斜坡。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。一 应力分布特征在岩体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖卸荷，在近边坡面一定范围内的岩体中，发生应力重分布作用，使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。边坡面附近的主应力迹线发生
4、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。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。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。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。v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
5、影响。(3)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。(4)结构面v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，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。7-2 7-2 边坡变形及破坏的基本类型边坡变形及破坏的基本类型l 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，它们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 边坡变形的基本类型u1、卸荷回弹、卸荷回弹在
6、成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向(临空面)产生伸长变形，即卸荷回弹。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u2 2、蠕变变形、蠕变变形边坡岩体中的应力对于人类工程活动的有限时间来说，可以认为是保持不变的。在这种近似不变的应力作用下，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。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。这种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
7、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n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n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，称为滑坡。n倾倒破坏：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称为倾倒破坏（弯曲倾倒）。边坡破坏图片三、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
8、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7-37-3 边坡稳定性分析边坡稳定性分析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。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。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n假
9、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)滑体在滑动过程中相对位置不变化，即为刚体；(3)滑动面上的应力分布均匀；(4)不考虑滑体两侧的抗滑力。n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n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，引入安全系数的概念。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n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，包括滑动面、切割面和临空面三种。n滑动面是指起滑动(即失稳岩体沿其滑动)作用的面，包括潜
10、在破坏面。n切割面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，如平面滑动的侧向切割面。n临空面指临空的自由面，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。n几何边界条件分析的内容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、切割面。n几何边界条件分析的目的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的破坏类型及主滑方向。n几何边界条件的分析可通过赤平投影、实体比例投影等图解法或三角几何分析法进行。二、受力条件分析n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为受力条件。n边坡岩体上承受
11、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。JgVFwrVgUw三、确定计算参数经验数据极限状态下的反算数据试验数据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之间选取四、稳定
12、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n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，必须大于1。n影响因素：n岩体工程地质特征研究的详细程度；n各种计算参数误差的大小；n计算稳定性系数时，是否考虑了全部作用力；n计算过程中各种中间结果的误差大小；n工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果。n安全系数一般=1.051.5 边坡不稳定边坡稳定ssKK;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n滑动面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL n滑动力
13、FrGsinn稳定性系数滑动体极限高度Hcr为)sin(sinsin2gHCtgtgjj)sin()sin(cossin2jjjcrgCHtgtgj忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时当Cj=0，j时，1，Hcr=02、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水平地震作用二、同向双平面滑动n第一种情
14、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n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定性系数n1.滑动体为刚体的情况滑动体为刚体的情况nABCD为可能滑动体，根据滑动面产状分为、两个块体。nF为块体对块体的作用力，F为块体对块体的作用力，F和F大小相等，方向相反，其作用方向的倾角为。n滑动面AB以下岩体对块体的反力R1(摩阻力)与AB面法线的夹角为1。)cossin)sincos2|222222|2222（FGLCtgFtgG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。采用分块极限平衡
15、法和不平衡推力传递法进行稳定性计算。2.滑动体内存在结构面的情况滑动体内存在结构面的情况AB面BC面BD面1111tgNABCS2222tgNBCCS33QtgBDCS块体块体0cos)sin()cos(0sin)cos()sin(1111111111WSQNWSQS块体块体块体)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin2232322232222223222tgtgtgtgBDCtgtgWBCCBDCWQ块体块体)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin1311312131111113112tgtgtgtgBDCtgtgWABCBDCWQ三、多平面滑动n边坡
16、岩体的多平面滑动，分为一般多平面滑动和 阶梯状滑动两个亚类。n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滑动相同，即将滑动体的自重(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。)sin(sinsin)sin(2)cos(2gHCtgtgtjjn楔形体滑动的滑动面由两个倾向相反、且其交线倾向与坡面倾向相同、倾角小于边坡角的软弱结构面组成。四、楔形体滑动BCDABDsSCSCtgNtgNF212211sin212211GSCSCtgNtgNBCDABDn边坡的抗滑力n首先将滑体自重G分解为垂直交线BD的分量N和平行交线的分量(即滑动力Gsi
17、n)，然后将N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力N1和N2，最后求得抗滑力及稳定性系数。n可能滑动体的滑动力为Gsin，垂直交线的分量为NGcos。将Gcos投影到ABD和BCD面的法线方向上，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 边坡监测与预报n目的：量测边坡岩体的变形或移动，分析其稳定性，进行预报n内容：地面和岩体内部的位移、边坡体内水压监测 裂缝监测方法n地面：目的：了解岩块间的相对运动岩体内部位移多点位移计 测 水平运动 钻孔测斜仪 测不同深度
18、的倾角变化水压监测立管式水压计：优点：工作可靠、使用方便、经济缺点：不适合渗透系数为10-7cm/s的岩土体目的：监测边坡疏干效果气动式水压计边坡维护n方法：疏水、加固、挡土墙或护坡(治滑坡六字方针：避、排、挡、减，固、植）n一 疏水：目的降低水压明沟疏水二 边坡加固增加摩擦力，直接提供抗滑力方法：预应力锚杆、抗滑桩最佳安装角摩擦角结构面倾角最小锚固段长度：抗滑桩原理：下滑力作用于桩体，一部分下滑力由桩体传至桩前的下滑体，增加抗滑力一部分由桩体传至滑动面以下的岩体中。滑滑坡坡体体江江岸岸抗抗滑滑桩桩滑坡工程滑坡工程n挡土墙在外力作用下向后移动或转动，挤压填土，使土体向后位移，当挡土墙向后达到一定位移时，墙后土体达到极限平衡状态，此时作用在墙背上的土压力叫被动土压力。抗滑桩受力计算：1 抗剪构件 2 抗弯构件3 弹性地基梁
