岩体力学_贾洪彪9边坡岩体稳定性分析课件

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1、第九章边坡岩体稳定性分析,9.1 边坡岩体中的应力分布特征 9.2 边坡岩体的变形与破坏 9.3 边坡岩体稳定性分析步骤 9.4 边坡岩体稳定性计算,斜坡(slope)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。,9.1 边坡岩体中的应力分布特征,第九章边坡岩体稳定性分析,一、应力分布特征,在岩体中进行开挖，形成

2、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。,第九章边坡岩体稳定性分析,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。,第九章边坡岩体稳定性分析,(3) 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

3、裂破坏。 (4) 最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。,第九章边坡岩体稳定性分析,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 坡高不改变应力等值线的形状，但改变主应力的大小。坡角影响边坡岩体应力分布图象。 坡底宽度对坡脚岩体应力有较大的影响。 坡面形状对重分布应力也有明显的影响。,第九章边坡岩体稳定性分析,第九章边坡岩体稳定性分析,(3)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 结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结

4、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。,9.2 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,第九章边坡岩体稳定性分析,一、边坡岩体变形的基本类型,1、卸荷回弹 在成坡过程中，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。,第九章边坡岩体稳定性分析,2、蠕变变形

5、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。,第九章边坡岩体稳定性分析,二、边坡破坏的基本类型,边坡破坏的基本类型,第九章边坡岩体稳定性分析,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 滑坡：斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面（带），产生以水

6、平运动为主的现象，称为滑坡。 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）。,第九章边坡岩体稳定性分析,第九章边坡岩体稳定性分析,第九章边坡岩体稳定性分析,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。

7、,第九章边坡岩体稳定性分析,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,三、影响岩体边坡变形破坏的因素,第九章边坡岩体稳定性分析,9.3 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,第九章边坡岩体稳定性分析,块体极限平衡法,假设条件 (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

8、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。 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 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。,第九章边坡岩体稳定性分析,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,第九章边坡岩体稳定性分析,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种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临空面三种。 滑动面是指起滑动(即失稳岩体沿其滑动)作用的面，包括潜在破坏面。 切割面是指起切割岩体

9、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。 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。,第九章边坡岩体稳定性分析,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。 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。 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。,一、几何边界条件分析,第九章边坡岩体稳定性分析,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受的力的类型及大小、方向和

10、合力的作用点统称为受力条件。 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。 1.地震作用 水平地震作用：FEK=1G,第九章边坡岩体稳定性分析,2.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。,第九章边坡岩体稳定性分析,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

11、值在峰值内聚力的1030之间选取。,经验数据,极限状态下的反算数据,试验数据,第九章边坡岩体稳定性分析,四、稳定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,第九章边坡岩体稳定性分析,五、确定安全系数，进行稳定性评价,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。 影响因素： 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； 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； 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=1.051.5,第九章边坡岩体稳定性分析,9.4 边坡岩体稳

12、定性计算,一、单平面滑动 1、仅有重力作用时 滑动面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL 滑动力FrGsin 稳定性系数,第九章边坡岩体稳定性分析,滑动体极限高度Hcr为,当Cj=0，j时，1，Hcr=0,忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时,第九章边坡岩体稳定性分析,2、有水压力作用,作用于CD上的静水压力V,作用于AD上的静水压力U为,边坡稳定性系数为,第九章边坡岩体稳定性分析,3、有水压力作用与地震作用,边坡的稳定性系数,FEK=1G,水平地震作用,第九章边坡岩体稳定性分析,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

13、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,第九章边坡岩体稳定性分析,1.滑动体为刚体的情况 ABCD为可能滑动体，根据滑动面产状分为、两个块体。 F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。 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。,第九章边坡岩体稳定性分析,2.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性计算。,AB面 BC面 BD面,第九章边坡岩体稳定性分析,块体,

14、块体,块体,块体,块体,第九章边坡岩体稳定性分析,三、多平面滑动,边坡岩体的多平面滑动， 分为一般多平面滑动和 阶梯状滑动两个亚类。 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。,第九章边坡岩体稳定性分析,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,第九章边坡岩体稳定性分析,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Gsin)，然后将N投影到两个滑动面的法线方向，求得作用于

15、滑动面上的法向力N1和N2，最后求得抗滑力及稳定性系数。 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,第九章边坡岩体稳定性分析,边坡的稳定性系数,边坡的抗滑力,第九章边坡岩体稳定性分析,上机实习题目,右图所示的同向双平面滑体，滑体尺寸见各点坐标（单位：m），岩体天然密度=2300kg/m3，岩体强度m=25，Cm= 40kPa，结构面强度j= 20，Cj=25kPa。试计算存在结构面BD和不存在结构面BD两种情况下滑体的稳定性系数。,A,B,C,D,A(0,0) B(280,100) C(400,260) D(100,260),第九章边坡岩体稳定性分析,上机安排,上机时间： 51991 12月1日上午8：00-11：30 53991 12月1日下午2：00-5：30 53992 12月2日上午8：00-11：30 上机地点：水工楼401 要求：每人完成上机报告一份，内容包括计算程序、计算结果、稳定性评价。 交报告时间：12月12日,第九章边坡岩体稳定性分析,