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1、第六章 岩体结构与稳定性分析,岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定规律聚集而形成的自然体，也就是通常所说的石头，它是岩体中被结构面切割出的单一岩块。 岩体是指一定工程范围内的自然地质体。它除本身是由岩石构成外，还包含了地应力及各种地质作用于长期地质历史时期中在岩石中所形成的各种构造痕迹（整合、不整合接触面，褶皱，断层，层理、节理、劈理、片理以及其它隐微裂隙）。 岩体的主要特征： 地质体的一部分； 岩体中的结构面是岩体强度相对薄弱的部位； 岩体的变形和破坏受结构面的性质和组合形式控制； 岩体中存在复杂的天然应力场。,岩体结构的基本要素：构成岩体的结构体（岩石）和将结构体分割开来的结构面。 结构体
2、：被各种构造形迹和裂隙分割而成的岩石块体； 结构面：各种构造形迹或裂隙，也就是各种地质界面。 结构面和结构体的排列组合方式称为岩体结构。,第一节 岩体的结构特性,一、岩体结构的三因素构成概念： 第一个因素：岩体结构单元。结构面和结构体称为结构单元。结构单元在岩体内组合、排列的形式不同，构成不同类型的岩体结构。 第二个因素：组合。指不同类型的岩体结构单元在岩体内的搭配。 第三个因素：排列。排列的表现形式，如岩体结构单元是有序、无序，还是贯通、断续等。,二、岩体结构的基本类型,整体块状结构,层状结构,碎裂结构,散体结构,整 体 结 构,块 状 结 构,松 散 结 构,松 软 结 构,层 状 结 构
3、,镶 嵌 结 构,薄 层 状 结 构,层 状 破裂 结构,碎 裂 结 构,整体块状结构,层状结构,散体结构,碎裂结构,三、结构面 （一）结构面的成因类型 1、原生结构面。它是岩石在成岩过程中形成的结构界面，如：岩浆岩的流层、流纹、冷却、缩胀裂隙及侵入接触面；沉积岩的层理层面、龟裂；变质岩的片理、板理等。有细分为：沉积结构面，岩浆结构面和变质结构面。 2、构造结构面。是指在不同性质的构造应力作用下所产生的各类剪性、张性、压性、扭性结构面。 3、次生结构面。它是指岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用所形成的结构面，如卸荷裂隙、风化裂隙、冰冻裂隙、泥化夹层等。,（二）结构面特征的研究,1.结构面的规模
4、：一级结构面五级结构面。 2.结构面形态：平直型；波状起伏型；锯齿状型；不规则型。 3.结构面物质组成。有软弱松散物质，含泥质物及水理性质无良的粘土矿物时，抗剪强度低，对岩体稳定性影响大。 4.结构面的延展性（连续性）。 5.结构面的密集程度。 6.结构面的张开度和填充胶结特征。,（三）软弱夹层,软弱夹层是具有一定厚度的特殊的岩体软弱结构面。 它与周围岩体相比，具有显著低的强度、显著高的压缩性，或具有一些特有的软弱特性。 按成因可分为：原生的软弱夹层、构造的软弱夹层、次生的软弱夹层。,图 软弱面的产状对岩体强度的影响,岩体的破坏与软弱面的存在、软弱面的性质和产状有关。在下图所示的水平（弱面1）
5、、垂直（弱面2）和倾斜（弱面3）三种弱面中，弱面1影响其抗拉强度；弱面2影响其抗劈裂能力；而弱面3影响其抗剪强度。绝大多数情况下岩体都是沿弱面发生破坏的。,四、结构体,岩体被结构面切割形成的分离块体或岩块称为结构体。岩石结构体的特征表述：结构体形状；块度；产状。 根据外形,岩体结构体大致可分为： 柱状、块状、板状、楔形、锥形和菱形。,第三节 岩质边坡稳定性分析,边坡包括天然斜坡和人工开挖的边坡。 边坡稳定性评价的主要内容（步骤）： 在工程地质测绘的基础上，应用地质力学的方法研究区域稳定性及其构造应力和变形，进而研究边坡岩体结构特征，判断边坡变形破坏形式，对稳定坡角就像推断。 应用岩体力学基本理
6、论，研究边坡岩体的受力条件，根据受力条件和岩体变形破坏的形式，考虑岩体的物理力学试验问题及其计算参数的选择，进行稳定计算，分析边坡的稳定性。 在稳定计算的基础上，从地质成因、岩体结构特征等方面研究边坡变形的发生和发展的趋势，着重研究工程地质因素随时间的变化及其对边坡稳定系数的影响，达到边坡变形预报的目的。,一、岩质边坡应力分布特征,原始应力状态：,（一）形成边坡后应力状态的变化,1. 应力重分布，边坡周围主应力迹线发生明显偏转。愈接近临空面,最大主应力1愈接近平行于临空面,3与之正交,向坡内逐渐恢复到原始状态。,2. 在坡脚及坡肩附近形成应力集中区,（1）坡脚附近最大主应力显著增高,且愈近表面
7、愈高;最小主应力显著降低。这一带是坡体中应力差或最大剪应力最高的部位，形成最大剪应力增高带，往往产生与坡面或坡底面平行的压裂面。,（2）在坡顶面和坡面的某些部位,坡面的径向应力和坡顶面的切向力可转化为拉应力,形成张力带,易形成与坡面平行的拉裂面。,3. 与主应力迹线偏转相联系,坡体内最大剪应力迹线由原来的直线变成近似圆弧线,弧的下凹方向朝着临空方向。,4. 坡面处由于侧向压力趋于零,实际上处于两向受力状态,而向坡内逐渐变为三向受力状态。,（二）影响斜坡应力分布的因素,岩体初始应力的影响 初始应力场、尤其水平构造应力（0）使坡体中主应力迹线的分布形式有所不同，明显改变了各应力值的大小；使应力分异
8、现象加剧,尤其对坡脚应力集中带和坡面张力带的影响最大。,2. 坡形的影响,(1) 坡高：不改变应力等值线图象，应力随坡高而增高。 (2) 坡角：坡角变化明显改变了应力分布图象。随坡角变陡，张力带的范围有所扩大，坡脚应力集中带最大剪应力值也随之增高。,(4)坡面形态：平面上的凹形坡，应力集中明显减缓。 圆形和椭圆形边坡，坡脚最大剪应力仅为一般斜坡的1/2。 当水平应力坡形于椭圆形矿坑长轴时，应力集中较缓和。,(3) 坡底宽度：当W0.8H时， 则保持为一常值（称为“残余 坡角应力”）,3. 岩体变形特性和结构特征的影响,1,1,岩体的变形模量对均质坡体的应力分布无明显影响。 泊松比可改变主应力和
9、剪应力的分布,引起张力带变化。随着 增高，坡面和坡顶的张力带逐渐扩展；而在坡底则反之， 增高，张力带收缩。 结构面的产状、性质的差别，使斜坡中的应力分布出现了不连续性，在不连续面或软弱面的周边形成应力集中或发生应力阻滞。,二、边坡的变形与破坏,（一）边坡变形 边坡受到侵蚀卸荷作用和开挖卸荷等作用所产生的应力释放效应，引起边坡表层岩体发生松弛张裂和蠕动位移。 1. 松弛张裂 边坡形成的初始阶段，在坡体中出现一系列与坡面近于平行的陡倾张开裂隙，使边坡岩体向临空方向张开，这种现象称为松弛张裂。,松弛张裂形式： (1) 回弹裂隙：卸荷、初始应力释放，侧应力减弱，产生张裂面。 (2) 坡面、坡顶拉应力区
10、裂隙：斜坡形成过程中，在坡面和坡顶形成的张力带中拉应力集中形成拉张裂缝。 (3)坡脚应力集中带的张裂隙：产生与坡面近于平行的张裂隙。,图6-16-1 边坡岩体开裂示意,2. 蠕动 经松动后，边坡岩体在自重应力为主的长期作用下,向临空面方向的缓慢而持续的变形，称为边坡岩体的蠕动。 按岩体蠕动的特征，分为：表层蠕滑和深层蠕滑。 （1）表层蠕滑：斜坡浅层岩土体在重力的长期作用下，向临空面方向缓慢变形构成一个剪变带，其位移由坡面向坡内逐渐降低直至消失。 （2）深层蠕滑：主要发育在斜坡下部或坡体内部。,按其形成机制特点可分为两种： 软弱基座蠕滑 坡体蠕滑（受软弱结构面控制）,（二）岩质边坡破坏类型,岩质
11、边坡破坏类型 平面破坏 由单一的层面或断层组成，沿平面发生滑动破坏,（二）岩质边坡破坏类型,岩质边坡破坏类型 楔形破坏,块状结构边坡，由多组结构面组合,发生块体或楔形体破坏,楔形体滑动,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。,（二）岩质边坡破坏类型,岩质边坡破坏类型 圆弧破坏,散体结构边坡，一般是指严重风化岩体，破坏形式近似为圆弧形。,（二）岩质边坡破坏类型,岩质边坡破坏类型 颠倒破坏,由陡坡或直立板状岩体组成的斜坡,当岩层走向与坡面走向大致相同时，在自重的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的变形，称为倾倒破坏。
12、,（1）地貌条件：主要指边坡形态：坡高、坡角、剖面形态、平面形态及边坡的临空条件。临空面的存在及边坡的高度、坡度等都是直接与边坡稳定有关的因素。平面上呈凹形的边坡较呈凸形的稳定。 （2）岩石性质：由坚硬（密实）、矿物稳定、抗风化能力好、强度较高的岩石构成的边坡，其稳定性一般较好；反之稳定性就较差。 （3）岩体结构：岩体的结构类型、结构面性状及其与坡面的关系是岩质边坡稳定的控制因素。 （4）地质构造：是影响岩质边坡稳定性的重要因素。包括区域构造及新构造运动、斜坡地段的褶皱形态、岩层产状、断层及裂隙等。 （5）地下水：浮力、静水压力、动水压力、软化滑面，对边坡稳定不利。 （6）风化作用：对边坡稳定
13、不利。 （7）地震力： 使边坡岩体的剪应力增大、抗剪强度降低。,三、影响边坡稳定性的因素,工程地质类比法 极限平衡理论计算法 图解法 有限元法 边界元法 离散元法 概率法,四、边坡稳定性评价方法,（一）工程地质类比法 全面分析比较边坡工程与已有边坡的岩性、结构、自然环境、变形主导因素和发育阶段等方面的相似性，评价边坡工程的稳定性和发展趋势。 依据相似原则: 边坡岩性、边坡所处的地质构造部位及岩体结构的类比； 边坡类型类比； 破坏类型类比； 条件类比：营力因素、边坡成因。,（二）极限平衡理论评价方法,1.基本假定： （1）只考虑破坏面上的极限破坏状态，而不考虑岩体的变形，即视岩体为均质刚性体。
14、（2）破坏面上的强度由C、值决定，遵循库伦摩尔强度定律。 （3）当下滑力等于抗滑力时，边坡处于极限（临界）稳定状态。 （4）滑体中的压力以正压力和剪应力的形式集中作用于滑面上，均视为集中力。 （5）三维问题简化为二维（平面）问题来求解。,2.岩质边坡稳定性分析步骤 （1）边坡可能破坏模式分析 A 平面滑动：单平面、同向双平面、多平面 B 楔形体滑动 C 圆弧破坏 D 倾倒破坏 （2）边坡可能失稳体的受力条件分析 自重、失稳体受力状态和大小 （3）确定计算参数 C、值，重度，地下水位标高，失稳体几何形态参数。,（4）稳定性判别标准,判别指标：剩余下滑力、安全系数 剩余下滑力F：沿滑面的下滑力与抗
15、滑力的代数和，当F0时，说明边坡处于不稳定状态；当F0时，说明边坡处于稳定状态。 稳定性系数K： 当K=1时，边坡稳定处于极限状态；当K1时，边坡稳定处于稳定状态；当K1时，边坡稳定处于不稳定状态。 安全系数Kc：在岩体稳定性评价中，由于边界条件、荷载条件、岩体强度等难以精确确定，通常在设计上考虑这些因素及建筑物重要性而综合确定一经验值。Kc 1，一般工程， Kc=1.051.25，重要工程， Kc=1.251.30。 要求 ：KKc,思考题 1. 掌握岩体的结构特性（结构面、结构体）、区分岩石和岩体的概念。 2岩体的结构类型有哪些？岩体结构面的类型有哪些？ 3、岩质边坡稳定性评价包括哪些主要内容？岩质边坡应力分布特征及其影响因素是什么？ 4、岩质边坡的破坏类型、特点及影响边坡稳定性的因素是什么？,
