71-2岩石力学与工程岩石边坡工程

2019/8/1017岩石边坡工程7.1概述（1）概念1.边坡(slope)也叫斜坡统指地表一切具有侧向临空面的地质体，包括天然边坡和人工边坡。2.天然边坡是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。3.人工边坡是指经人工开挖或改造后形成的斜坡。2019/8/1024.边坡组成的要素图7-1边坡示意图2019/8/103（2）研究边坡的目的和意义1.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。2019/8/1042.研究的意义1）研究边坡工程对露天矿建设的意义从露天矿的生产能力规模来看，铁矿已约占90%，有色金属约占46%。煤矿露天开采的比例相对要少些，但是在我国也占有一定的比例。从确定露天矿合理边坡角来看，它对减少剥离量和生产安全有着巨大影响。实践和理论证明，从减少剥离量和降低开采成本来看，边坡角应该尽量陡一些，而从生产安全来考虑，则边坡角缓些为好，所以，研究边坡稳定性的实质就是确定最优的边坡角问题。2019/8/1052）研究边坡工程对铁路、公路、水利建设也有重要的意义；图7-2滑坡对公路桥梁的损坏2019/8/1063）研究边坡工程对市政建设和防灾救灾的意义是关系民生长期安全稳定发展的大事。图7-3滑坡对建筑物的损坏（3）边坡应力分布特征1.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。2.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。3.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。如图7-4所示。2019/8/1072019/8/108图7-4边坡面附近应力迹线的偏转4.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。5.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。2019/8/1097.2边坡的破坏形式及其影响因素（1）边坡岩体的变形特征1.岩石边坡的变形以坡体未出现贯通性的破坏面为特点，但在坡体的局部区域，特别在坡面附近也可能出现一定程度的破裂与错动，但整体而言并未产生滑动破坏。2.边坡变形的主要形式1）松动坡体表面出现一系列与坡面近于平行的陡倾角张开裂隙，被这些张开裂隙切割的岩体便向临空面方向松开、移动，这种过程和现象称为松动。2019/8/1010松动裂隙形成原因：①是岩体剥脱时，由于卸除载荷，应力重新分布出现的卸荷回弹裂隙；②是沿原有的陡倾角裂隙经风化、剥蚀后发育而成的。2）蠕动边坡岩体在自重应力为主的坡体剪应力长期作用下，向临空面方向缓慢而持续的变形。蠕动的形成机制：①是岩土的粒间滑动；②是沿岩石裂纹微错，或由于岩体中一系列裂隙扩展所致。2019/8/1011（2）边坡岩体的破坏形式1.崩塌1）定义崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下的一种破坏方式。2）现象在崩塌过程中，岩体无明显滑移面，同时下落岩块未经阻挡而直接坠落于坡脚，或经过斜坡面上滚落、滑移、碰撞后堆积于坡脚。3）原因岩体在重力与其他外力共同作用下超过岩体强度而引起的破坏现象。这里所说的外力是指由于裂隙水的冻结而产生的楔开效应、裂隙水的静水压力、植物根茎的膨胀压力以及地震引起的坡体晃动、雷击等的动力载荷。2019/8/1012图7-5边坡岩体崩塌示意图坚硬岩石组成的边坡前缘软硬岩性互层的陡坡局部卸载裂隙导致崩塌示意图崩塌示意图2019/8/10132.滑坡1）定义滑坡是指岩体在重力作用下，沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。2）现象滑坡通常是边坡深层的破坏形式，有明显的滑动面，且往往深入边坡内部，甚至延伸到坡脚以下，滑动速度主要取决于滑动面的物理、力学性质。3）滑动形式根据滑动面形状，可分为平面剪切滑动和旋转剪切滑动两种。2019/8/1014①平面剪切滑动特点：岩块沿着平面滑移;原因：由于这一平面上的剪切抗力与边坡形状不相适应，剪切抗力小于重应力引起的下滑力而形成的。平面剪切滑坡的类型：简单平面剪切滑动、阶梯式滑坡、三维楔体滑坡和多块滑动几种破坏模式，如图7-6所示。产生平面剪切滑动所必备的条件岩体中必须存在可供滑移的节理面；滑动面的走向近似平行或平行坡面；破坏面必须在边坡面上露头；破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角。2019/8/1015图7-6平面剪切滑坡及其分类2019/8/1016②旋转剪切滑动特点：岩块滑动面通常成弧形，如图7-7所示；产生圆弧形剪切滑动的条件当岩体中的单个颗粒与边坡尺寸相比是极小的，且这些颗粒由于它们的形状关系不是相互咬合的。图7-7边坡的旋转剪切滑动示意图2019/8/10173.滑塌1）定义是指边坡松散岩土的边坡角大于该边坡岩石的内摩擦角时，因表层蠕动进一步发展，使它沿着剪变带表现为顺坡滑移、滚动与坐塌，从而重新达到稳定边坡脚的斜坡破坏过程，其示意简图如图7-8所示。2）原因是一种松散岩体或岩、土混合体的浅层破坏形式，与风化、地表水、边坡角及震动有关。图7-8边坡滑塌示意图2019/8/10184.岩块流动1）特点通常发生在均质的硬岩层中，没有明显的滑动扇形体，其破坏面极不规则，没有一定形状，如图7-9所示。2）原因是在岩层内部某一应力集中点上的岩石遭到高应力的作用而开始破裂或破碎，于是所增加的荷载传给邻近的岩石，从而又使邻近岩石受到超过某本身强度的荷载，又导致了进一步的破裂。这一过程的不断进行，直至岩层出现全面破裂而崩塌为止。这样，岩块像流体一样地沿坡面向下流动，而成岩块流动。2019/8/1019图7-9边坡的岩块流动破坏示意图2019/8/10205.岩块曲折当岩层成层状沿坡面分布时，由于岩层本身的重力作用，或由于裂隙水的冰胀作用，增加了岩层之间的张拉应力，使边坡面岩层曲折，导致岩层破坏，岩块沿坡向下崩落，如图7-10所示。图7-10边坡岩层曲折破坏示意图2019/8/1021（3）边坡稳定性的主要影响因素1.不连续结构面的影响因素岩体中存在各种各样的结构面，它们降低了岩体的整体强度，增大了岩体的变形性能和流变性质，加深了岩体的不均匀性、各向异性和非连续性。2.风化作用的影响因素风化作用使边坡岩体强度减小，坡体的稳定性降低，促进边坡岩体变形与破坏。3.水对边坡岩体稳定性的影响因素1）岩体中的水形成静水压力和动水压力作用于岩体，成为一种推动岩体向下滑动的力。2019/8/10222）水对边坡岩体的物理化学作用，造成边坡岩体膨胀、收缩而导致岩体松散、破碎或使其软化、泥化或崩解，导致边坡变形与破坏。3）水还是一种润滑剂，使岩体的内凝聚力、内摩擦角减小，使岩体的强度参数弱化，而导致边坡的破坏。4.直接受各种外力影响的因素区域性构造应力的变化、地震、爆破以及施工载荷等，都使边坡直接受力，对边坡稳定性的影响直接而迅速。7.3边坡岩体稳定性分析7.3.1概述（1）边坡稳定性分析方法1.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。2.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模拟方法2019/8/10232019/8/1024（2）极限平衡分析法1.定义极限平衡分析法是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理，分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及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，它是边坡稳定性分析计算的主要方法。2.假设条件1）滑动面上实际岩体提供的抗剪强度与作用在滑动面上的垂直应力符合库仑准则或由此引申的准则，如：或：2）稳定系数（即安全系数）是指沿最危险破坏面作用的最大抗滑力与下滑力的比值。3）二维极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。FF抗滑力下滑力stansctansctansuc2019/8/10252019/8/1026（3）极限平衡分析法分析计算步骤1.在断面上绘制滑面形状，这主要是根据滑坡外形、滑坡中段滑面深度、坍塌情况、破坏方式等，推测几个可能的滑动面形状；2.推定滑坡后裂缝即塌陷带的深度，计算确定其产生的影响范围；3.对滑坡的滑体进行分块，分块数目要根据滑坡的具体情况确定。一般来说，分块数目越多，计算结果越精确。4.计算滑动面上的孔隙水压力，可采用地下水监测数据确定；5.采用合适的计算方法，计算稳定系数。但一般要采用两种或两种以上的不同计算方法进行计算，然后进行结果比较。2019/8/10277.3.2平面破坏计算法（1）计算模型平面破坏计算法是针对边坡上滑体只沿单一结构面或软弱面产生平面滑动的分析方法。其力学模型如图7-11所示。图7-11平面破坏计算法分析模型2019/8/1028（2）假设条件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.滑体沿滑动面做刚体下滑。（3）力学分析及方程1.滑体上的受力分析滑体上的作用力有：滑体重力；滑面上的法向力；滑动面上的裂隙水压（该力只在库仑准则中考虑）；抗滑力；作用在滑体重心处的水平外力（可以是地震产生的作用力）；张裂隙孔隙水压力等。WNUSAQV2019/8/10292.方程1）滑动面法向方向有，得：2）滑动面切向方向有，得：3）由库仑准则及安全系数定义得：4）安全系数的表达式为：0NcossinsinANWQV（7-1）0ScossincosASQWV（7-2）1tanSclNUFcossinsintancossincosAAclWQVUFQWV（7-3）（7-4）2019/8/1030其中：式中：—滑动面的粘结力；—滑动面的内摩擦角；—滑动面的长度。（4）主要特点及适用条件1.适用条件：适用于均质砂性土、顺层岩质边坡以及沿基岩产生平面破坏的稳定性分析；2.优点：力学模型和计算公式简单；3.缺点：要求滑体做整体刚体运动，如果滑体内产生剪切破坏的边坡稳定性分析误差较大。c1s2wwUZHZcc；212wwVZl2019/8/10317.3.3简化Bishop法（1）计算模型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，而只需要是近似圆弧即可。其力学计算模型如图7-12所示。图7-12Bishop法计算力学模型2019/8/1032（2）假设条件1.滑动面为圆弧形或近似圆弧形；2.条块侧面的垂直剪力（3）力学分析与计算公式1.条块的力学分析滑块的条块上的作用力有：重力；作用在条块上的上部外载荷；作用在条块上的水平作用外载荷（如地震作用）；条间作用力的水平分量；条间作用力的垂直分量；条块底面的抗剪力；条块底面的法向力。1tan0iiiYYiWiQAiQiXiYiSiN2019/8/10332.计算公式1）条块上垂直方向静力平衡条件，得：2）由库仑准则得：3）由（7-5）式和（7-6）式可求得的表达式为：式中：0F1cossin0iiiiiiiiWNYYSQ（7-5）1taniiiiiiiSclNulF（7-6）1111sintansiniiiiiiiiiiiiiNWQclYYulmFF（7-7）1cossintaniiiimF2019/8/10344）由滑体绕圆弧中心列力矩平衡方程，得：若取，联立（7-5）式、（7-6）式和（7-7）式，可得稳定系数表达式：利用假设条件简化，则：0oMsincos0iiiiAiiW