7高等岩石力学-岩石边坡工程

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1、1 辽宁科技大学 高等岩石力学 AdwancedRockMechanics 2 第七章岩石边坡工程 3 7 1边坡工程的影响与分类 4 首都钢铁公司水厂铁矿边坡 一 基本概念 水厂铁矿是一座大型变质岩型磁铁矿床 位于河北省迁安市 西至北京200km 西南至唐山80km 东南至迁安市20km 水厂铁矿整个露天采场上口尺寸3600m 400 1680 m 露天底尺寸180m 60m 采场边坡最高标高为 310m 最低开采标高 350m 采场封闭圈标高 80m 采场总体边坡角41 46 台阶坡面角65 5 高速公路滑坡 6 漫湾水电工程的滑坡 7 三峡船闸岩石边坡 8 西藏易贡巨型山体滑坡 9 一

2、基本概念 露天矿边坡 露天矿开挖形成的斜坡构成的采矿区的边界 最终帮边坡 工作帮边坡和台阶边坡 路堤边坡 铁路 公路建筑施工中形成的路堤斜坡 路堑边坡 开挖路堑所形成的斜坡称为 10 一 基本概念 坡面角 坡面与水平面的夹角 坡高 坡肩与坡脚间的高差 坡肩 边坡与坡顶面相交的部位称 坡脚 边坡与坡底面相交的部位 边坡要素 11 设采深为H 采场长为L 坡角为 若 从 1增加至 2 减少剥岩量 二 边坡工程对露天矿建设的影响 采矿工程完成的挖方量约占人类各种挖方量总和的五分之四 12 对于一个深400m的大型露天矿 如果从坡角35 增加到36 每公里长的坡段可减少剥离量415万m3 节约的剥岩费

3、上亿元 加陡边坡成为减少废石开挖量和运输量 提高矿山经济效益的关键问题 二 边坡工程对露天矿建设的影响 13 三 边坡的分类 自然边坡 天然的山坡和谷坡 自然边坡是在地壳隆起或下陷过程中逐渐形成的 这类运动今天可能还在继续 然而 只要边坡位于侵蚀基准面以上 不论成因如何 它们就处于受剥蚀的环境之中 开始了风化 解体以至滑塌的过程 较大规模的破坏就是自然滑坡 边坡按成因分类 14 三 边坡的分类 人工边坡 人工建设形成的 挖方形成的边坡称为开挖边坡 填方形成的边坡称为填筑边坡 水力水电工程中还称为坝坡 这类边坡的几何参数可以人为控制 边坡按成因分类 15 三 边坡的分类 土质边坡和岩质边坡土体和

4、岩石的物质构成并无本质的差别 差别在于结构 它们的工程地质和水文地质特征及力学特征差异显著 使得岩质边坡和土质边坡的力学性能很不相同 其边坡破坏模式的差别也十分显著 边坡按组成物质分类 16 第7 1节结束 谢谢 17 7 2边坡的破坏形式和影响因素 18 一 边坡岩体的变形特征 边坡坡脚部位的岩体被冲刷侵蚀掉或人工开挖 使边坡岩体失去约束 应力重新调整分布 从而使岸坡岩体发生向临空面方向的回弹变形及产生近平行于边坡的拉张裂隙 一般称作边坡卸荷裂隙 松动变形 19 一 边坡岩体的变形特征 二 蠕动边坡岩体在自重应力等应力的长期作用下 向临空方向缓慢而持续的变形 称为边坡蠕动 蠕动形成机制 1

5、岩土的粒间滑动 塑性变形 2 沿岩石裂纹微错 3 岩体中一系列裂隙扩展所致 蠕动变形 20 二 边坡岩体的破坏模式 一 崩塌崩塌 高陡的边坡岩体突然发生倾倒崩落 岩块滚落堆积于坡脚的现象 山崩 大规模的岩体崩塌 可达数千万甚至上亿立方米 坠石 小规模的崩塌 一般仅数立方米或数十立方米 坚硬岩体中发生的崩塌也称岩崩 土体中发生的则称土崩 崩塌下来的岩块碎石大小混杂堆积于坡脚 称为崩积物 21 二 边坡岩体的破坏模式 二 滑坡滑坡是边坡岩体主要在重力作用下沿贯通的剪切破坏面发生滑动破坏的现象 滑坡通常以深层破坏形式出现 其滑动面往往深入坡体内部 甚至延伸到坡脚以下 根据滑面的形状 滑坡形式可区分为

6、平面剪切滑动和旋转剪切滑动 22 二 边坡岩体的破坏模式 l 平面剪切滑动平面滑动的特点是块体沿着平面滑移 它的产生是由于这一平面上的抗剪力与边坡形状不相适应 这种滑动往往发生在地质软弱面的走向平行于坡面 产状向坡外倾斜的地方 根据滑面的空间几何组成 平面滑动存在简单平面剪切滑动 阶梯式滑坡 三维楔体滑坡和多滑块滑动等几种破坏模式 23 二 边坡岩体的破坏模式 24 二 边坡岩体的破坏模式 2 旋转剪切滑动旋转剪切滑动的滑面通常成弧形状 均质岩体易产生近圆弧形滑面 当岩土非常软弱 土边坡 或岩体节理异常发育 或已破碎 废石堆 破坏也常常表现为圆弧状滑动 25 二 边坡岩体的破坏模式 26 三

7、边坡稳定性的影响因素 影响边坡稳定性的因素有内在因素与外在因素两个方面 内在因素有组成边坡岩土体的性质 地质构造 岩体结构 地应力等 它们常常起着主要的控制作用 外在因素有地表水和地下水的作用 地震 风化作用 人工挖掘 爆破以及工程荷载等 其中地表水和地下水是影响边坡稳定最重要 最活跃的外在因素 其他大多起着触发作用 27 第7 2节结束 谢谢 28 7 3边坡稳定性分析计算 29 一 边坡稳定性分析方法分类目前用于边坡稳定性分析的方法大体上可分为定性分析方法和定量分析方法两大类 定性分析方法 工程类比法 赤平极射投影法 实体比例投影法 摩擦圆法等 定量分析方法 极限平衡法 数值分析法 有限元

8、 边界元 离散元等 及可靠性分析方法 蒙特卡洛法和随机有限元法等 一 稳定性分析方法综述 30 二 极限平衡法基本原理极限平衡法是依据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理 即静力平衡原理 分析边坡各种破坏模式下的受力状态 以及边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的关系 来评价边坡的稳定性 极限平衡法是边坡稳定性分析计算的最主要方法 也是工程实践中应用最多的一种方法 一 稳定性分析方法综述 31 三 极限平衡稳定性分析方法1 瑞典法 Fellenius法 1936 2 毕肖普法 Bishop法 1955 3 简布法 Janbu法 1954 1973 4 摩根斯坦 泼赖斯法 Morgensern Pri

9、ce法 1965 5 斯宾塞法 Spencer法 l973 6 萨尔玛法 Sarma法 1979 7 传递系数法 8 楔形体法 9 三维极限平衡计算法 一 稳定性分析方法综述 32 四 极限平衡计算方法选择 1 二维 三维计算 2 滑面形状 平面破坏面 圆弧形破坏面 任意形状破坏面 3 考虑滑体内岩体结构面错动时可选择Sarma法 4 简化法 精确法 一 稳定性分析方法综述 33 五 极限平衡法特点在极限平衡法的各种方法中 尽管每种分析方法都有它适用范围及假定条件 且得出的计算公式所涉及的因素各不相同 但将它们都归结为极限平衡法 大前提是相同的 所有的极限平衡法都有三个前提 一 稳定性分析方法

10、综述 34 1 滑动面上岩土提供的极限抗剪强度S与作用在滑面上的垂直应力 存在如下关系 一 稳定性分析方法综述 式中 C C 分别为滑动面的粘结力和有效粘结力 分别为滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角 u为滑动面孔隙水压力 35 2 稳定系数F 安全系数 的定义为沿最危险破坏面作用的最大抗滑力 或力矩 与下滑力 或力矩 的比值 即3 二维极限平衡分析的基本单元是单位宽度的分块滑体 刚性 一 稳定性分析方法综述 36 平面破坏计算法是对边坡上滑体沿单一结构面或软弱面产生平面滑动的分析方法 二 平面破坏计算法 37 一 假定条件1 滑动面及张裂隙的走向平行于坡面 2 张裂隙是直立的 其中充有高度为Zw

11、的水柱 3 水沿张裂隙的底进入滑动面并沿滑动面渗透 4 滑体沿滑动面做刚性下滑 二 平面破坏计算法 38 二 滑体作用力滑体上作用力有 滑体重量W 滑动面上的法向力N 滑动面L的裂隙水压力U 该力在库仑准则里考虑 抗滑力S 作用在滑体重心上的水平力 如地震力 QA 张裂隙孔隙水压力V 二 平面破坏计算法 39 二 平面破坏计算法 三 力学分析 40 二 平面破坏计算法 41 滑面水浮托力U 裂隙水压力V和滑面长度l 二 平面破坏计算法 42 Bishop法是一种适合于圆弧形破坏滑动面的边坡稳定性分析方法 但它不要求滑动面为严格的圆弧 而只是近似圆弧即可 三 简化毕肖普 Bishop 法 43

12、一 假设条件1 滑动面为圆弧形或近似圆弧形 2 采用简化Bisllop法时假定条块侧面的垂直剪力 Yi Yi 1 tg i 0 三 简化毕肖普 Bishop 法 44 二 滑体条块作用力 分块的重量Wi 分块上的地面荷载Qi 作用在分块上的水平作用力QAi 条间作用力的水平分量Xi 条间作用力的垂直分量Yi 条块底面的抗剪力Si 条块底面的法向力Ni 三 简化毕肖普 Bishop 法 45 三 简化毕肖普 Bishop 法 条块垂向力平衡 库仑破坏准则 三 力学分析 46 由滑体绕圆弧中心O点力矩平衡 Mo 0得 三 简化毕肖普 Bishop 法 47 令 Yi Yi 1 tg i 0得简化B

13、ishop法 三 简化毕肖普 Bishop 法 48 一 假设条件1 垂直条块侧面上的作用力位于滑面之上1 3条块高处 2 作用在条块上的重力 反力通过条块底面的中点 四 简布 Janbu 法 49 四 简布 Janbu 法 50 二 Janbu法满足的平衡条件1 条块水平方向力平衡 2 条块垂直方向力平衡 3 条块绕分块底滑面中点的力矩平衡 四 简布 Janbu 法 51 一 基本原理 Sarma法是Sarma于1979年在 边坡和堤坝稳定性分析 一文中提出的 基本原理是 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

14、才可能发生滑动 也就是说在滑体内部要发生剪切情况下才可能滑动 五 萨尔玛 Sarma 法 52 五 萨尔玛 Sarma 法 53 五 萨尔玛 Sarma 法 54 五 萨尔玛 Sarma 法 二 Sarma法满足的平衡条件1 条块水平方向力平衡 2 条块垂直方向力平衡 3 条块底面和侧面同时满足摩尔 库仑强度准则 55 三 水平加速度K的递推公式 五 萨尔玛 Sarma 法 56 四 稳定系数计算计算稳定系数时 首先假设稳定系数F 1 计算出K 此时为KC 即极限水平加速度 物理意义是 使滑体达到极限平衡时的平衡状态 必须在滑体上施加一个临界水平加速度KC KC为正时 方向向坡外 KC为负时方

15、向向坡内 求其稳定系数F 要采用迭代法求解 五 萨尔玛 Sarma 法 57 三维楔形体法主要用于岩体受结构面控制的楔体 沿两个相交的不连续面上滑动时边坡的稳定性分析 六 三维楔形体法 58 一 假设条件1 楔体由两相交结构面 坡面和坡顶面构成 2 滑体沿两滑面的交线下滑 3 坡顶面倾斜 4 坡肩后面有张裂缝存在 5 张裂缝中和滑动面上有水压作用6 作用有锚固力 六 三维楔形体法 59 二 滑体作用力楔体的重量 平面A B上的总法向力 有效法向力 水浮托力 张裂缝中水压力 锚索或锚杆所施加的外部锚固力 顺着潜在滑动线的抗滑力 水平地震力 六 三维楔形体法 60 三 稳定系数 六 三维楔形体法

16、61 寻找最危险滑面 实际上是找出安全系数最小 最容易发生滑坡 的那个滑面 即找出函数F Xi 的最小值 Fmin min F Xi 式中 Fmin为最小安全系数 F Xi 为第i个潜在滑面的安全系数 是滑面几何尺寸的函数 Xi是N维向量 Xi X1 X2 XN 控制着第i个滑面的几何形状和位置 七 最危险滑面的优化搜索 62 危险滑面的确定包含着安全系数的优化 因而在安全系数的优化过程中 将产生最小安全系数值 同时也将产生相应于最小安全系数的滑面 安全系数的优化可采用非线性优化方法 如0 618法 最优梯度法 单纯形法 人工智能算法 神经网络法 遗传算法和蚁群算法 和随机搜索法等 七 最危险滑面的优化搜索 63 第7 3节结束 谢谢 64 7 4滑坡的防治与监测 65 边坡的稳定性破坏 是由于岩石的抗拉或抗剪强度被克服所致 破坏有不同的模式 滑坡是一种深层的边坡破坏 按工程实际对滑坡进行分类 主要有三大类型 1 岩块流动滑坡 2 平面剪切滑坡 3 旋转剪切滑坡 一 滑坡的工程分类 66 一 滑坡监测的目的1 滑坡整治前配合地面调查和勘探工作 收集各种位移及变形资料 研究不同地质条件下