岩体结构与稳定性分析(6)

第六章岩体结构与稳定性分析◆掌握岩体的概念，了解岩体的的主要特征；◆掌握岩体与岩石的区别◆岩体的结构特性◆岩体稳定性分析※重点掌握一组结构面的分析1.岩体概述1.1岩体定义在漫长的地质历史过程中形成的，具有一定结构和构造，并与工程建筑有关的天然地质体。岩体通常被结构面切割，多裂隙的不连续介质。岩石可理解为完整岩块。1.岩体概述1.2岩体特征岩体性质受岩石、地质构造、地下水、地应力等影响。岩体为结构面切割，其软弱结构面常控制岩体稳定。岩体变形和破坏主要受控于结构面及其组合。岩体中存在着复杂的天然应力场。1.岩体概述1.3岩体与岩石的区别岩石：单一岩块岩体：岩体中的岩石被各种结构面所切割，结构面的强度比岩石的强度低，破坏了岩体的连续性和完整性。2.岩体结构特性2.1岩体结构存在于岩体中的各种地质界面，如岩层层面、裂隙面、断裂面、不整合面等，统称为结构面。岩体受结构面切割而产生的单个块体（岩体）称为结构体。岩体结构=结构面+结构体。所谓岩体结构就指结构面和结构体两个要素的组合特征。岩体结构既表达岩体结构面的发育程度及组合，又反映结构体的大小、几何形状及排列。岩体的工程性质主要由结构面尤其是软弱结构面的性质控制。2.2结构面•存在于岩体中的各种地质界面，如岩层层面、裂隙面、断层面、不整合面等2.2.1结构面成因类型•原生结构面：沉积结构面、火成结构面、变质结构面•构造结构面：裂隙、断层、层间错动面•次生结构面：卸荷裂隙、风化裂隙、风化夹层、泥化夹层、次生夹泥层层面火成结构面裂隙断裂面裂隙面层间错动面风化裂隙1风化裂隙2泥化夹层卸荷裂隙断裂面2.2.2结构面特征1）成生年代；2）成因类型；P1133）延续性及穿切性（规模）：五级划分；P1154）形态：（平整、光滑和粗糙程度）P1155）充填胶结情况：泥、钙胶结和未充填6）产状及组合关系：7）密集程度：8）力学性质：抗剪切能力软弱夹层●软弱夹层是具有一定厚度的特殊的岩体软弱结构面；●特征：强度低，压缩性高。●成因分类：原生的、构造的和次生的。●性质分：松软的，固结的和浅变质的。2.3结构体岩体受结构面切割而产生的单元块体，称为结构体。一般常见的结构体形式有：柱状、块状、板状、楔形、菱形、锥形等六种形态。不同形态和产状的结构体，其稳定程度不同。柱状结构体块状结构体板状、块状结构体2.4岩体结构类型岩体结构类型主要取决于不同岩性及不同形式结构体的组合方式，这是在对结构面和结构体研究的基础上进一步概括的结果。整体状结构、块状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。块状结构层状结构碎裂、散体结构3.岩体稳定性分析3.1稳定性分析方法地质分析（岩体结构分析）、块体力学分析、有限元分析和模型试验边坡稳定性分析方法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边坡赤平投影图（图15）第①组裂隙产状：75°∠83°　　第②组裂隙产状：140°∠75°　　边坡产状：95°∠83°　　岩层产状：342°∠6°　　边　　坡　　坡　　面　①　　②层岩层面03.2赤平极射投影通过图解分析，确定边坡是否具备失稳的条件。3.2赤平极射投影赤平极射投影(Stereographicprojection)简称赤平投影，利用一个球体作投影工具，主要用来表示线、面的方位，及其相互之间的角距关系和运动轨迹，把物体三维空间的几何要素（面、线）投影到平面上来进行研究。特定：方法简便、直观、是一种形象、综合的定量图解。在构造地质、工程地质、结晶学和航海上被广泛地应用。投影要素1、投影球2、赤平面:过投影球球心的水平面3、基圆:赤平面与球面相交的大圆（赤平大圆）。凡过球心的平面与球面相交的大圆，统称为大圆，不过球心的平面与球面相交所成的圆统称小圆。4、极射点:球上两极发射点（视点），发出射线，称为极射。分上半球投影和下球投影，即南极射和北极射。射线与赤平面的交点，称为赤平极射投影。5.实质：把物体置于球体中心，将物体的几何要素投影于赤平面上，化立体为平面的一种投影。吴氏网的结构及成因原理吴氏网的结构：基圆、径向大圆弧、纬向小圆弧、东西、南北经纬线，间距2°，误差±0.5°。（1）、基圆：赤平大圆，代表水平面，0°-360°方位角刻度。（2）、两条直径：EW，SN。（3）、经向大圆弧：由一系列走向SN的，向东或西倾斜，倾角不同（0°-90°），间隔2°的投影大圆弧（代表倾斜平面）组成。（4）、纬向小圆“为一系列走向东西、直立小圆的投影小圆弧组成。他们将SN直径、经向大圆和基圆等分，每小格为2°。一般操作步骤：①将透明纸蒙在吴氏网上，②画“+”中心，③标出E、S、W、N方位（顺钟向）。④利用投影网，在圆周上经过圆心绘制走向，并标注，转动透明纸，使走向与投影网的南北相合，在投影网的东西线上找出倾角，倾向在反方向找，获得投影弧。求两平面交线的产状。求220°∠35°和300°∠55°两平面的交线的产状。S2S1稳定性分析不稳定最稳定稳定基本稳定3.3一组结构面切割的边坡3.3.1岩层的走向与边坡的走向一致时，•顺向坡：方向相同，结构面投影弧性位于边坡投影弧之内，基本稳定；之外者，不稳定。•反向坡：结构面投影弧形方向与边坡投影方向相反,稳定结构。3.3一组结构面切割的边坡3.3.2岩层的走向与边坡的走向斜交斜向坡：破坏的2个条件，（1）破坏一定是沿结构面发生的，（2）有一个直立的并垂直于结构面的最小抗切面例如：结构面走向N80oW，倾向SW，倾角50o，与边坡斜交，边坡走向N50oW，倾向SW，求稳定坡角。步骤：1）结构面的投影弧；2）最小抗切面的投影弧，找交点。3）边坡的走向、倾向和过交点作边坡的投影弧；4）据边坡的投影弧求得边坡的稳定坡角。稳定性分析不稳定基本稳定较不稳定稳定性分析稳定最稳定多组结构面切割的边坡看各组结构面交线同边坡面的组合关系。边坡赤平投影图（图15）第①组裂隙产状：75°∠83°　　第②组裂隙产状：140°∠75°　　边坡产状：95°∠83°　　岩层产状：342°∠6°　　边　　坡　　坡　　面　①　　②层岩层面0边坡赤平投影图第①组裂隙产状：147°∠80°　　第②组裂隙产状：310°∠78°　　边坡产状：140°∠72°　　岩层产状：346°∠8°　　边坡坡面①　　②0岩层层面公路路基设计规范JTGD30-2004规范中的相关规定建筑边坡工程技术规范GB50330-2002规范中的相关规定6.3岩质边坡稳定性分析§6.2.1边坡岩体中的应力分§6.2.2边坡岩体的变形与破坏§6.2.3边坡岩体稳定性分析步骤§6.2.4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。天然斜坡天然斜坡人工边坡人工边坡人工边坡一、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。§6.3.1边坡岩体中的应力分布特征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。•(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，坡肩附近最易拉裂破坏。•(4)最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。在坡面处径向压力为零。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。在临空面附近出现应力集中，坡面及坡肩出现拉张应力带。P126表6-5•(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。•(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。§6.3.2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。斜坡变形以坡体未出现贯通的破坏面为特点，但在坡体各个局部，特别是坡面附近也可能出现、一定程度的破裂与错动。而从整体上看，并未出现滑动破坏，表现为松动和蠕动。斜坡破坏斜坡中出现了与外界连续贯通的破裂面，被分割的坡体便以一定加速度滑离母体。称为斜坡破坏。斜坡破坏的形式很多，主要有崩塌和滑坡。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。松动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。2、蠕变变形1）表层蠕动斜坡浅部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剪变带，其位移由坡面向坡体内部逐渐降低直至消失。破碎的岩质边坡及疏松的土质边坡，其表层蠕动甚为典型。表层蠕动2）深层蠕动深层蠕动主要发育于斜坡下部或坡体内部，按其形成机制特点，深层蠕动有：软弱基座蠕动和坡体蠕动两类。坡体基座产状较缓且有一定厚度的相对软弱岩层，在上覆岩层重力作用下，致使基座部分向临空方向蠕动，并引起上覆岩层的变形与解体，这是“软弱基座蠕动”的特征。坡体沿缓倾软弱结构面向临空方向缓慢变形，称为坡体蠕动。它在卸荷裂隙较发育并有缓倾结构面的坡体中比较普遍。（P130图6-19）。软弱基座塑性较大，坡脚主要表现为向临空方向蠕动、挤出。（P129图6-17、6-18）。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。•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