岩质边坡稳定性分析.ppt

第三节岩岩质质边坡稳定性分析一、岩一、岩质边坡坡应力分布特征力分布特征二、岩二、岩质边坡的坡的变形与破坏形与破坏三、岩三、岩质边坡坡稳定性分析步定性分析步骤四、岩四、岩质边坡坡稳定性定性计算算l斜坡斜坡(slope)统指地表一切具有指地表一切具有侧向向临空面的地空面的地质体，包括天然斜坡和人工体，包括天然斜坡和人工边坡。坡。l天然斜坡天然斜坡(简称斜坡）是指自然地称斜坡）是指自然地质作用形成未作用形成未经人工改造的斜坡。人工改造的斜坡。l人工人工边坡坡(简称称边坡）是指坡）是指经人工开挖或改造形成人工开挖或改造形成的斜坡。的斜坡。l研研究究目目的的：研研究究边坡坡变形形破破坏坏的的机机理理(包包括括应力力分分布布及及变形形破破坏坏特特征征)与与稳定定性性，为边坡坡预测预报及及整整治治提提供供岩岩体体力力学学依依据据。其其中中稳定定性性计算算是是岩岩体体边坡坡稳定性分析的核心定性分析的核心。一、一、边坡岩体中的坡岩体中的应力分布特征力分布特征（一）、应力分布特征l在在岩岩体体中中进行行开开挖挖，形形成成人人工工边坡坡后后，由由于于开开挖挖卸卸荷荷，在在近近边坡坡面面一一定定范范围内内的的岩岩体体中中，发生生应力力重重分分布布作作用用，使使边坡坡岩岩体体处于重分布于重分布应力状力状态。l边坡岩体坡岩体为适适应重分布重分布应力状力状态，将，将发生生变形和破坏形和破坏。因此，研究。因此，研究边坡岩体重分布坡岩体重分布应力特征是力特征是进行行稳定性分析的基定性分析的基础。v边坡面附近的坡面附近的主主应力迹力迹线发生偏生偏转。最大主。最大主应力与坡面近于平行，最小主力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近于正力与坡面近于正交，向坡体内逐交，向坡体内逐渐恢复初始恢复初始应力状力状态。v坡面上径向坡面上径向应力力为零，零，为双向双向应力状力状态，向坡，向坡内逐内逐渐转为三向三向应力状力状态。l坡坡面面附附近近产生生应力力集集中中带。在在坡坡脚脚附附近近，最最大大剪剪应力力增增高高，最最易易发生生剪剪切切破破坏坏。在在坡坡肩肩附附近近，常常形形成成拉拉应力力带。边坡坡愈愈陡陡，则此此带范范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。l最大剪最大剪应力迹力迹线为凹向坡面的弧凹向坡面的弧线。二、影响边坡应力分布的因素l(1)天然天然应力力 水平天然水平天然应力使坡体力使坡体应力重分布作用加力重分布作用加剧。l(2)坡形、坡高、坡角及坡底坡形、坡高、坡角及坡底宽度度v坡高坡高不改不改变应力等力等值线的形状，但的形状，但改改变主主应力的大小。力的大小。坡角影响坡角影响边坡岩体坡岩体应力分布力分布图像。像。v坡底坡底宽度度对坡脚岩体坡脚岩体应力有力有较大的大的影响。影响。v坡面形状坡面形状对重分布重分布应力也有明力也有明显的的影响。影响。l(3)(3)岩体性岩体性质及及结构特征构特征v岩体岩体变形模量形模量对边坡坡应力影响不大，泊松比力影响不大，泊松比对边坡坡应力影响力影响较大。大。这是由于泊松比的是由于泊松比的变化，可以使水化，可以使水平自重平自重应力力发生改生改变。l(4)(4)结构面构面v结构面的存在使坡体中构面的存在使坡体中应力力发生不生不连续分布，并在分布，并在结构面周构面周边或端点形成或端点形成应力集中力集中带或阻滞或阻滞应力的力的传递，这种情况在种情况在坚硬岩体硬岩体边坡中尤坡中尤为明明显。二、边坡岩体的变形与破坏l岩体岩体边坡的坡的变形与破坏是形与破坏是边坡坡发展演化展演化过程程中两个不同的中两个不同的阶段，段，变形属量形属量变阶段，而破段，而破坏坏则是是质变阶段，它段，它们形成一个累形成一个累进性性变形形破坏破坏过程。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（一）、边坡岩体变形的基本类型1、卸荷回、卸荷回弹在成坡在成坡过程中，由于程中，由于荷重不断减少，荷重不断减少，边坡岩坡岩体在减荷方向体在减荷方向(临空面空面)产生伸生伸长变形，即卸荷形，即卸荷回回弹。天然天然应力越大，向力越大，向临空方向的回空方向的回弹变形量也形量也越大。往往会伴随越大。往往会伴随产生生一系列的一系列的张性性结构面。构面。2、蠕、蠕变变形形l边坡岩体中的坡岩体中的应力力对于人于人类工程活工程活动的有限的有限时间来来说，可以可以认为是保持不是保持不变的。在的。在这种近似不种近似不变的的应力作用下，力作用下，边坡岩体的坡岩体的变形也将会随形也将会随时间不断增加，不断增加，这种种变形称形称为蠕蠕变变形。形。l当当边坡内的坡内的应力未超力未超过岩体的岩体的长期期强度度时，则这种种变形形所引起的破坏是局部的。反之，所引起的破坏是局部的。反之，这种种变形将形将导致致边坡岩坡岩体的整体失体的整体失稳。l这种破裂失种破裂失稳是是经过局部破裂逐局部破裂逐渐产生的，几乎所有的生的，几乎所有的岩体岩体边坡失坡失稳都要都要经历这种逐种逐渐变形破坏形破坏过程。程。（二）、边坡破坏的基本类型单平面滑平面滑动双平面滑双平面滑动多平面滑多平面滑动边坡坡破破坏坏的的基基本本类型型楔形状滑楔形状滑动圆弧形滑弧形滑动平面滑平面滑动滑坡滑坡倾倒破坏倒破坏崩塌崩塌l崩塌崩塌：斜坡岩土体被：斜坡岩土体被结构面分割的构面分割的块体，突然脱离体，突然脱离母体以垂直运母体以垂直运动为主、翻主、翻滚跌跌跃而下的而下的现象与象与过程程l滑坡滑坡：斜坡岩土体沿着：斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面（通的剪切破坏面（带），），产生以水平运生以水平运动为主的主的现象，称象，称为滑坡。滑坡。l倾倒破坏倒破坏：由陡：由陡倾或直立板状岩体或直立板状岩体组成的斜坡，当成的斜坡，当岩岩层走向与坡面走向近平行走向与坡面走向近平行时，在自重，在自重应力的力的长期期作用下，由前作用下，由前缘开始向开始向临空方向弯曲、折裂，并逐空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内向坡内发展的展的现象称象称为倾倒破坏（弯曲倒破坏（弯曲倾倒）。倒）。（三）、影响岩体边坡变形破坏的因素l1、岩性岩性 决定岩体决定岩体边坡坡稳定性的物定性的物质基基础。l2、岩岩体体结构构 岩岩体体结构构及及结构构面面的的发育育特特征征是是岩岩体体边坡破坏的控制因素。坡破坏的控制因素。l3、水水的的作作用用 使使岩岩土土的的质量量增增大大、滑滑动面面的的滑滑动力力增增大大；岩岩土土软化化、抗抗剪剪强度度降降低低；对岩岩体体产生生动水水压力和静水力和静水压力。力。l4、风化化作作用用 使使岩岩体体内内裂裂隙隙增增多多、扩大大，透透水水性性增增强，抗剪，抗剪强度降低。度降低。l5、地形地貌地形地貌 直接影响直接影响边坡内的坡内的应力分布特征，力分布特征，进而影响而影响边坡的坡的变形破坏形式及形破坏形式及边坡的坡的稳定性。定性。l6、地震地震 产生地震生地震惯性力性力 l7、天然天然应力力l8、人人为因素因素（三）、影响岩体边坡变形破坏的因素三、三、边坡岩体坡岩体稳定性分析的步定性分析的步骤l定性分析是在工程地定性分析是在工程地质勘察工作的基勘察工作的基础上，上，对边坡坡岩体岩体变形破坏的可能性及破坏形式形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。行初步判断。l定量分析是在定性分析的基定量分析是在定性分析的基础上，上，应用一定的用一定的计算算方法方法对边坡岩体坡岩体进行行稳定性定性计算及定量算及定量评价。价。评价价方方法法数学力学分析法数学力学分析法模型模模型模拟试验法法工程工程类比法比法图解法解法块体极限平衡法体极限平衡法弹性力学、性力学、弹塑性力学法塑性力学法有限元法等数有限元法等数值方法方法块体极限平衡法体极限平衡法l假假设条件条件(1)边坡岩体将沿某一坡岩体将沿某一结构面（滑构面（滑动面）面）产生滑移剪切破坏；生滑移剪切破坏；(2)滑体在滑滑体在滑动过程中相程中相对位置不位置不变化，即化，即为刚体；体；(3)滑滑动面上的面上的应力分布均匀；力分布均匀；(4)不考不考虑滑体两滑体两侧的抗滑力。的抗滑力。l稳定性系数定性系数=滑滑动面上可能利用抗滑力面上可能利用抗滑力/滑滑动力力 1 稳定定 1 不不稳定定l在多数情况下，在多数情况下，计算的算的稳定性系数都有一定定性系数都有一定误差，因此，差，因此，为保保险起起见，引入，引入安全系数安全系数的概念。的概念。块体极限平衡法步体极限平衡法步骤可能滑可能滑动岩体几何岩体几何边界条件的分析界条件的分析受力条件分析受力条件分析确定确定计算参数算参数计算算稳定性系数定性系数确定安全系数，确定安全系数，进行行稳定性定性评价价（一）、几何边界条件分析l几何几何边界条件是指构成可能滑界条件是指构成可能滑动岩体的各种岩体的各种边界界面及其面及其组合关系，包括合关系，包括滑滑动面、切割面和面、切割面和临空面空面三种。三种。l滑滑动面面是指起滑是指起滑动(即失即失稳岩体沿其滑岩体沿其滑动)作用的作用的面，包括潜在破坏面。面，包括潜在破坏面。l切割面切割面是指起切割岩体作用的面，由于失是指起切割岩体作用的面，由于失稳岩体岩体不沿不沿该面滑面滑动，因而不起抗滑作用，如平面滑，因而不起抗滑作用，如平面滑动的的侧向切割面。向切割面。l临空面空面指指临空的自由面，它的存在空的自由面，它的存在为滑滑动岩体提岩体提供活供活动空空间，临空面常由地面或开挖面空面常由地面或开挖面组成。成。l几何几何边界条件分析的界条件分析的内容内容是是查清岩体中的各清岩体中的各类结构面及其构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割合关系，确定出可能的滑移面、切割面。面。l几何几何边界条件分析的界条件分析的目的目的是确定是确定边坡中可能滑坡中可能滑动岩体的位置、岩体的位置、规模及形模及形态，定性地判断，定性地判断边坡岩体坡岩体的破坏的破坏类型及主滑方向。型及主滑方向。l几何几何边界条件的分析可通界条件的分析可通过赤平投影、赤平投影、实体比例体比例投影等投影等图解法或三角几何分析法解法或三角几何分析法进行。行。（一）、几何边界条件分析（二）、受力条件分析l在工程使用期在工程使用期间，可能滑，可能滑动岩体或其岩体或其边界面上承界面上承受的力的受的力的类型及大小、方向和合力的作用点型及大小、方向和合力的作用点统称称为受力条件。受力条件。l边坡岩体上承受的力常坡岩体上承受的力常见有：岩体重力、静水有：岩体重力、静水压力、力、动水水压力、建筑物作用力及震力、建筑物作用力及震动力等等。力等等。1.地震作用地震作用水平地震作用：水平地震作用：FEK=1G2.水水压力力：包括渗透静水：包括渗透静水压力和渗透力和渗透动水水压力。力。静水静水压力力水水对岩体的静岩体的静压力，数力，数值上等于岩体受到上等于岩体受到的浮力。的浮力。l动水水压力力与水力梯度有关，数与水力梯度有关，数值上等于岩体受到的上等于岩体受到的渗流阻力。渗流阻力。（三）、确定计算参数l从偏安全的角度起从偏安全的角度起见，一般，一般选用的用的计算参数，算参数，应接接近于残余近于残余强度。研究表明：残余度。研究表明：残余强度与峰度与峰值强度度的比的比值，大多，大多变化在化在0.60.9之之间，因此，在没有，因此，在没有获得残余得残余强度的条件下，建度的条件下，建议摩擦系数摩擦系数计算算值在在峰峰值摩擦系数的摩擦系数的6090之之间选取，内聚力取，内聚力计算算值在峰在峰值内聚力的内聚力的1030之之间选取。取。经验数据数据极限状极限状态下的反算数据下的反算数据试验数据数据（四）、稳定性系数的计算和稳定性评价l稳定性系数定性系数=可供利用的抗滑力可供利用的抗滑力/滑滑动力力l安全系数安全系数：根据各种因素：根据各种因素规定的允定的允许的的稳定性系数。大小是根据各种影响定性系数。大小是根据各种影响因素人因素人为规定的，必定的，必须大于大于1。安全安全系数一般系数一般=1.051.5（五）、确定安全系数，进行稳定性评价影响因素：影响因素：岩体工程地岩体工程地质特征研究的特征研究的详细程度；程度；各种各种计算参数算参数误差的大小；差的大小；计算算稳定性系数定性系数时，是否考，是否考虑了全部作用力；了全部作用力；计算算过程中各种中程中各种中间结果的果的误差大小；差大小；工程的工程的设计年限、重要性以及年限、重要性以及边坡破坏后的后果。坡破坏后的后果。四、四、边坡岩体坡岩体稳定性定性计算算（一）、单平面滑动（一）、单平面滑动1、仅有重力作用有重力作用时l滑滑动面上的抗滑力面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL l滑滑动力力FrGsinl稳定性系数定性系数滑滑动体极限高度体极限高度Hcr为 当当Cj=0，j时，1，Hcr=0忽略滑忽略滑动面上内聚力面上内聚力(Cj=0)时2、有水、有水压力作用力作用作用于作用于CD上的静水上的静水压力力V作用于作用于AD上的静水上的静水压力力U为边坡坡稳定性系数定性系数为3、有水、有水压力作用与地震作用力作用与地震作用边坡的坡的稳定性系数定性系数FEK=1G水平地震作用水平地震作用（二）、同向双平面滑（二）、同向双平面滑动l第一种情况第一种情况为滑滑动体内不存在体内不存在结构面，构面，视滑滑动体体为刚体，采用力平衡体，采用力平衡图解法解法计算算稳定性系数定性系数l第二种情况第二种情况为滑滑动体内存在体内存在结构面并将滑构面并将滑动体切割体切割成若干成若干块体的情况，体的情况，这时需分需分块计算算边坡的坡的稳定定性系数性系数1.滑滑动体体为刚体的情况体的情况lABCD为可能滑可能滑动体，根据滑体，根据滑动面面产状分状分为、两个两个块体。体。lF为块体体对块体体的作用力，的作用力，F为块体体对块体体的作用力，的作用力，F和和F大小相等，方向相反，大小相等，方向相反，其作用方向的其作用方向的倾角角为。l滑滑动面面AB以下岩体以下岩体对块体体的的反力反力R1(摩阻力摩阻力)与与AB面法面法线的的夹角角为1。2.滑滑动体内存在体内存在结构面的情况构面的情况l在滑在滑动过程中，滑程中，滑动体除沿滑体除沿滑动面滑面滑动外，被外，被结构构面分割开的面分割开的块体之体之间还要要产生相互生相互错动。l采用分采用分块极限平衡法和不平衡推力极限平衡法和不平衡推力传递法法进行行稳定定性性计算。算。AB面面BC面面BD面面块体块体块体块体块体（三）、多平面滑（三）、多平面滑动l边坡岩体的多平面滑坡岩体的多平面滑动，分分为一般多平面滑一般多平面滑动和和 阶梯状滑梯状滑动两个两个亚类。l阶梯状滑梯状滑动，破坏面由多个，破坏面由多个实际滑滑动面和受拉面面和受拉面组成，呈成，呈阶梯状，坡梯状，坡稳定性的定性的计算思路与算思路与单平面平面滑滑动相同，即将滑相同，即将滑动体的自重体的自重(仅考考虑重力作用重力作用时)分解分解为垂直滑垂直滑动面的分量和平行滑面的分量和平行滑动面的分量。面的分量。l楔形体滑楔形体滑动的滑的滑动面由两个面由两个倾向向相反、且其交相反、且其交线倾向与坡面向与坡面倾向向相同、相同、倾角小于角小于边坡角的坡角的软弱弱结构面构面组成。成。（四）、楔形体滑动l首首先先将将滑滑体体自自重重G分分解解为垂垂直直交交线BD的的分分量量N和和平平行行交交线的的分分量量(即即滑滑动力力Gsin)，然然后后将将N投投影影到到两两个个滑滑动面面的的法法线方方向向，求求得得作作用用于于滑滑动面面上上的的法法向向力力N1和和N2，最后求得抗滑力及，最后求得抗滑力及稳定性系数。定性系数。l可可能能滑滑动体体的的滑滑动力力为Gsin，垂垂直直交交线的的分分量量为NGcos。将将Gcos投投影影到到ABD和和BCD面面的的法法线方向上，得法向力方向上，得法向力N1、N2稳定性系数定性系数计算的算的基本思路基本思路l边坡的稳定性系数n边坡的抗滑力作作业：1、影响、影响边坡坡稳定性的因数有哪些？定性的因数有哪些？2、极限平衡理、极限平衡理论评价方法价方法稳定性分析定性分析的步的步骤是什么？是什么？