巖體結構與穩(wěn)定性分析(6)

1、第六章第六章 巖體結構與穩(wěn)定性分析巖體結構與穩(wěn)定性分析掌握巖體的概念，了解巖體的的主要特征；掌握巖體與巖石的區(qū)別巖體的結構特性巖體穩(wěn)定性分析重點掌握一組結構面的分析1.巖體概述1.1 巖體定義 在漫長的地質歷史過程中形成的，具有一定結構和構造，并與工程建筑有關的天然地質體。 巖體通常被結構面切割，多裂隙的不連續(xù)介質。 巖石可理解為完整巖塊。1.巖體概述1.2 巖體特征巖體性質受巖石、地質構造、地下水、地應力等影響。巖體為結構面切割，其軟弱結構面常控制巖體穩(wěn)定。巖體變形和破壞主要受控于結構面及其組合。巖體中存在著復雜的天然應力場。1.巖體概述1.3 巖體與巖石的區(qū)別巖石：單一巖塊巖體：巖體中的巖

2、石被各種結構面所切割，結構面的強度比巖石的強度低，破壞了巖體的連續(xù)性和完整性。2. 巖體結構特性2.1巖體結構 存在于巖體中的各種地質界面，如巖層層面、裂隙面、斷裂面、不整合面等，統(tǒng)稱為結構面。巖體受結構面切割而產(chǎn)生的單個塊體（巖體）稱為結構體。巖體結構=結構面+結構體。 所謂所謂巖體結構巖體結構就指結構面和結構體兩個要素的就指結構面和結構體兩個要素的組合特征。巖體結構既表達巖體結構面的發(fā)育程組合特征。巖體結構既表達巖體結構面的發(fā)育程度及組合，又反映結構體的大小、幾何形狀及排度及組合，又反映結構體的大小、幾何形狀及排列。列。 巖體的工程性質主要由結構面尤其是軟弱結構巖體的工程性質主要由結構面尤

3、其是軟弱結構面的性質控制。面的性質控制。 2.2 結構面 存在于巖體中的各種地質界面，如巖層層面、裂隙面、斷層面、不整合面等2.2.1 結構面成因類型 原生結構面：沉積結構面、火成結構面、變質結構面 構造結構面：裂隙、斷層、層間錯動面 次生結構面：卸荷裂隙、風化裂隙、風化夾層、泥化夾層、次生夾泥層層面火成結構面裂隙斷裂面裂隙面層間錯動面風化裂隙1風化裂隙2泥化夾層泥化夾層卸荷裂隙斷裂面2 .2.2 結構面特征1）成生年代；2）成因類型；P1133）延續(xù)性及穿切性（規(guī)模）：五級劃分；P1154）形態(tài)：（平整、光滑和粗糙程度） P1155）充填膠結情況：泥、鈣膠結和未充填6）產(chǎn)狀及組合關系：7）密

4、集程度：8）力學性質 ：抗剪切能力軟弱夾層軟弱夾層是具有一定厚度的特殊的巖體軟弱結構面；特征：強度低，壓縮性高。成因分類：原生的、構造的和次生的。性質分：松軟的，固結的和淺變質的。2.3 結構體 巖體受結構面切割而產(chǎn)生的單元塊體，稱為結構體。一般常見的結構體形式有：柱狀、塊狀、板狀、楔形、菱形、錐形等六種形態(tài)。不同形態(tài)和產(chǎn)狀的結構體，其穩(wěn)定程度不同。柱狀結構體塊狀結構體板狀、塊狀結構體2.4 巖體結構類型 巖體結構類型主要取決于不同巖性及不同形式結構體的組合方式，這是在對結構面和結構體研究的基礎上進一步概括的結果。整體狀結構、塊狀結構、層狀結構、碎裂結構和散體結構。塊狀結構層狀結構碎裂、散體結

5、構3.巖體穩(wěn)定性分析3.1穩(wěn)定性分析方法地質分析（巖體結構分析）、塊體力學分析、有限元分析和模型試驗邊坡穩(wěn)定性分析方法評評價價方方法法數(shù)學力學分析法數(shù)學力學分析法模型模擬試驗法模型模擬試驗法工程類比法工程類比法圖解法圖解法塊體極限平衡法塊體極限平衡法彈性力學、彈塑性力學法彈性力學、彈塑性力學法有限元法等數(shù)值方法有限元法等數(shù)值方法邊 坡 赤 平 投 影 圖 （ 圖 1 5 ）第 組 裂 隙 產(chǎn) 狀 ： 7 5 8 3 第 組 裂 隙 產(chǎn) 狀 ： 1 4 0 7 5 邊 坡 產(chǎn) 狀 ： 9 5 8 3 巖 層 產(chǎn) 狀 ： 3 4 2 6 邊 坡 坡 面 層巖層面03.2 赤平極射投影 通過圖解分析

6、，確定邊坡是否具備失穩(wěn)的條件。3.2 赤平極射投影一般操作步驟：一般操作步驟： 將透明紙蒙在吳氏網(wǎng)上，將透明紙蒙在吳氏網(wǎng)上， 畫畫“+”+”中心，中心， 標出標出E E、S S、W W、N N方位（順鐘方位（順鐘向）。向）。利用投影網(wǎng)，在圓周上經(jīng)過圓心利用投影網(wǎng)，在圓周上經(jīng)過圓心繪制走向，并標注，轉動透明紙，繪制走向，并標注，轉動透明紙，使走向與投影網(wǎng)的南北相合，在投使走向與投影網(wǎng)的南北相合，在投影網(wǎng)的東西線上找出傾角，傾向在影網(wǎng)的東西線上找出傾角，傾向在反方向找，獲得投影弧反方向找，獲得投影弧。S2S1穩(wěn)定性分析不穩(wěn)定最穩(wěn)定穩(wěn)定基本穩(wěn)定3.3一組結構面切割的邊坡3.3.1巖層的走向與邊坡的走

7、向一致時， 順向坡：方向相同，結構面投影弧性位于邊坡投影弧之內，基本穩(wěn)定；之外者，不穩(wěn)定。 反向坡：結構面投影弧形方向與邊坡投影方向相反,穩(wěn)定結構。3.3一組結構面切割的邊坡3.3.2巖層的走向與邊坡的走向斜交斜向坡：破壞的2個條件，（1）破壞一定是沿結構面發(fā)生的，（2）有一個直立的并垂直于結構面的最小抗切面例如：結構面走向N80oW，傾向SW，傾角50o，與邊坡斜交，邊坡走向N50oW，傾向SW，求穩(wěn)定坡角。步驟：1）結構面的投影弧；2）最小抗切面的投影弧，找交點。3）邊坡的走向、傾向和過交點作邊坡的投影??；4）據(jù)邊坡的投影弧求得邊坡的穩(wěn)定坡角。穩(wěn)定性分析不穩(wěn)定基本穩(wěn)定較不穩(wěn)定穩(wěn)定性分析穩(wěn)定

8、最穩(wěn)定多組結構面切割的邊坡 看各組結構面交線同邊坡面的組合關系。邊 坡 赤 平 投 影 圖 （ 圖 1 5 ）第 組 裂 隙 產(chǎn) 狀 ： 7 5 8 3 第 組 裂 隙 產(chǎn) 狀 ： 1 4 0 7 5 邊 坡 產(chǎn) 狀 ： 9 5 8 3 巖 層 產(chǎn) 狀 ： 3 4 2 6 邊 坡 坡 面 層巖層面0邊 坡 赤 平 投 影 圖 第 組 裂 隙 產(chǎn) 狀 ： 1 4 7 8 0 第 組 裂 隙 產(chǎn) 狀 ： 3 1 0 7 8 邊 坡 產(chǎn) 狀 ： 1 4 0 7 2 巖 層 產(chǎn) 狀 ： 3 4 6 8 邊 坡 坡 面 0巖 層 層 面公路路基設計規(guī)范JTG D30-2004規(guī)范中的相關規(guī)定建筑邊坡工程

9、技術規(guī)范GB50330-2002規(guī)范中的相關規(guī)定6.3 巖質邊坡穩(wěn)定性分析6.2.1 邊坡巖體中的應力分邊坡巖體中的應力分6.2.2 邊坡巖體的變形與破壞邊坡巖體的變形與破壞6.2.3 邊坡巖體穩(wěn)定性分析步驟邊坡巖體穩(wěn)定性分析步驟6.2.4 邊坡巖體穩(wěn)定性計算邊坡巖體穩(wěn)定性計算 斜坡斜坡(slope)統(tǒng)指地表一切具有側向臨空面的地質統(tǒng)指地表一切具有側向臨空面的地質體，包括體，包括天然斜坡和人工邊坡天然斜坡和人工邊坡。 天然斜坡天然斜坡(簡稱斜坡）是指自然地質作用形成未簡稱斜坡）是指自然地質作用形成未經(jīng)人工改造的斜坡。經(jīng)人工改造的斜坡。 人工邊坡人工邊坡(簡稱邊坡）是指經(jīng)人工開挖或改造形簡稱邊坡

10、）是指經(jīng)人工開挖或改造形成的斜坡。成的斜坡。 研究目的：研究邊坡變形破壞的研究目的：研究邊坡變形破壞的機理機理(包括應力包括應力分布及變形破壞特征分布及變形破壞特征)與與穩(wěn)定性穩(wěn)定性，為邊坡預測預，為邊坡預測預報及整治提供巖體力學依據(jù)。其中報及整治提供巖體力學依據(jù)。其中穩(wěn)定性計算穩(wěn)定性計算是巖體邊坡穩(wěn)定性分析的核心是巖體邊坡穩(wěn)定性分析的核心。天然斜坡天然斜坡天然斜坡天然斜坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡 在巖體中進行開挖，形成人工邊坡后，由于在巖體中進行開挖，形成人工邊坡后，由于開挖卸荷，在近邊坡面一定范圍內的巖體中，開挖卸荷，在近邊坡面一定范圍內的巖體中，發(fā)生應力重分布作用

11、，使邊坡巖體處于重分發(fā)生應力重分布作用，使邊坡巖體處于重分布應力狀態(tài)。布應力狀態(tài)。6.3.1 邊坡巖體中的應力分布特征邊坡巖體中的應力分布特征v 邊坡面附近的邊坡面附近的主應力跡線發(fā)生偏轉主應力跡線發(fā)生偏轉。最大主。最大主應力與坡面近于平行，最小主應力與坡面近應力與坡面近于平行，最小主應力與坡面近于正交，向坡體內逐漸恢復初始應力狀態(tài)。于正交，向坡體內逐漸恢復初始應力狀態(tài)。 (3) 坡面附近產(chǎn)生應力集中帶。在坡腳附近，最大坡面附近產(chǎn)生應力集中帶。在坡腳附近，最大剪應力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，剪應力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，常形成拉應力帶。邊坡愈陡，則此帶范圍愈大，常形成拉應

12、力帶。邊坡愈陡，則此帶范圍愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破壞。因此，坡肩附近最易拉裂破壞。 (4) 最大剪應力跡線為凹向坡面的弧線。在坡面處最大剪應力跡線為凹向坡面的弧線。在坡面處徑向壓力為零。徑向壓力為零。 (1)天然應力天然應力 水平天然應力使坡體應力水平天然應力使坡體應力重分布作用加劇。在臨空面附近出現(xiàn)應重分布作用加劇。在臨空面附近出現(xiàn)應力集中，坡面及坡肩出現(xiàn)拉張應力帶。力集中，坡面及坡肩出現(xiàn)拉張應力帶。P126表表6-5 (2)坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡高坡高不改變應力等值線的形狀，但不改變應力等值線的形狀，但改變主應力的大小。改變主應力的大小。坡角坡角影響邊

13、坡巖體應力分布圖象。影響邊坡巖體應力分布圖象。坡底坡底寬度對坡腳巖體應力有較大的寬度對坡腳巖體應力有較大的影響。影響。坡面坡面形狀對重分布應力也有明顯的形狀對重分布應力也有明顯的影響。影響。 (3)巖體性質及結構特征巖體性質及結構特征 巖體變形模量對邊坡應力影響不大，泊松比對巖體變形模量對邊坡應力影響不大，泊松比對邊坡應力影響較大。這是由于泊松比的變化，邊坡應力影響較大。這是由于泊松比的變化，可以使水平自重應力發(fā)生改變。可以使水平自重應力發(fā)生改變。 (4)結構面結構面 結構面的存在使坡體中應力發(fā)生不連續(xù)分布，結構面的存在使坡體中應力發(fā)生不連續(xù)分布，并在結構面周邊或端點形成應力集中帶或阻滯并在結

14、構面周邊或端點形成應力集中帶或阻滯應力的傳遞，這種情況在堅硬巖體邊坡中尤為應力的傳遞，這種情況在堅硬巖體邊坡中尤為明顯。明顯。6.3.2 邊坡巖體的變形與破壞 巖體邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中巖體邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中兩個不同的階段，變形屬量變階段，而破壞則兩個不同的階段，變形屬量變階段，而破壞則是質變階段，它們形成一個累進性變形破壞過是質變階段，它們形成一個累進性變形破壞過程。程。 斜坡變形以坡體未出現(xiàn)貫通的破壞面為特點，斜坡變形以坡體未出現(xiàn)貫通的破壞面為特點，但在坡體各個局部，特別是坡面附近也可能出現(xiàn)、但在坡體各個局部，特別是坡面附近也可能出現(xiàn)、一定程度的破裂與錯動。

15、而從整體上看，并未出現(xiàn)一定程度的破裂與錯動。而從整體上看，并未出現(xiàn)滑動破壞，表現(xiàn)為滑動破壞，表現(xiàn)為松動和蠕動松動和蠕動。斜坡破壞斜坡破壞 斜坡中出現(xiàn)了與外界連續(xù)貫通的破裂面，被斜坡中出現(xiàn)了與外界連續(xù)貫通的破裂面，被分割的坡體便以一定加速度滑離母體。稱為斜分割的坡體便以一定加速度滑離母體。稱為斜坡破壞。斜坡破壞的形式很多，主要有崩塌和坡破壞。斜坡破壞的形式很多，主要有崩塌和滑坡?；隆Ｒ?、邊坡巖體變形的基本類型一、邊坡巖體變形的基本類型二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型三、影響巖體邊坡變形破壞的因素三、影響巖體邊坡變形破壞的因素1 1、卸荷回彈、卸荷回彈在成坡過程中，由于荷在成坡過程中

16、，由于荷重不斷減少，邊坡巖體重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向在減荷方向( (臨空面臨空面) ) 產(chǎn)產(chǎn)生伸長變形，即卸荷回生伸長變形，即卸荷回彈。彈。天然應力越大，向臨空天然應力越大，向臨空方向的回彈變形量也越方向的回彈變形量也越大。往往會伴隨產(chǎn)生一大。往往會伴隨產(chǎn)生一系列的張性結構面。系列的張性結構面。邊坡巖體中的應力對于人類工程活動的有限邊坡巖體中的應力對于人類工程活動的有限時間來說，可以認為是保持不變的。在這種近似不時間來說，可以認為是保持不變的。在這種近似不變的應力作用下，邊坡巖體的變形也將會隨時間不變的應力作用下，邊坡巖體的變形也將會隨時間不斷增加，這種變形稱為蠕變變形。斷增加，這種變形

17、稱為蠕變變形。 斜坡淺部巖土體在重力的長期作用下，向斜坡淺部巖土體在重力的長期作用下，向臨空面方向緩慢變形構成一剪變帶，其位臨空面方向緩慢變形構成一剪變帶，其位移由坡面向坡體內部逐漸降低直至消失。移由坡面向坡體內部逐漸降低直至消失。 破碎的巖質邊坡及疏松的土質邊坡，其表破碎的巖質邊坡及疏松的土質邊坡，其表層蠕動甚為典型。層蠕動甚為典型。 深層蠕動主要發(fā)育于斜坡下部或坡體內深層蠕動主要發(fā)育于斜坡下部或坡體內部，按其部，按其形成機制特點形成機制特點，深層蠕動有：軟，深層蠕動有：軟弱基座蠕動和坡體蠕動兩類。弱基座蠕動和坡體蠕動兩類。 坡體基座產(chǎn)狀較緩且有一定厚度的相對坡體基座產(chǎn)狀較緩且有一定厚度的相

18、對軟弱巖層，在上覆巖層重力作用下，致使軟弱巖層，在上覆巖層重力作用下，致使基座部分向臨空方向蠕動，并引起上覆巖基座部分向臨空方向蠕動，并引起上覆巖層的變形與解體，這是層的變形與解體，這是“軟弱基座蠕動軟弱基座蠕動”的特征。的特征。 坡體沿緩傾軟弱結構面向臨空方向坡體沿緩傾軟弱結構面向臨空方向緩慢變形，稱為緩慢變形，稱為坡體蠕動坡體蠕動。它在卸荷裂。它在卸荷裂隙較發(fā)育并有緩傾結構面的坡體中比較隙較發(fā)育并有緩傾結構面的坡體中比較普遍。普遍。 （P130圖圖6-19）。）。 軟弱基座塑性較大，坡腳主要表現(xiàn)為軟弱基座塑性較大，坡腳主要表現(xiàn)為向臨空方向蠕動、擠出。（向臨空方向蠕動、擠出。（P129圖圖6-17、6-18）。）。 1、巖性、巖性 決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質基礎。決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質基礎。 2、巖體結構、巖體結構 巖體結構及結構面的發(fā)育特征巖體結構及結構面的發(fā)育特征是巖體邊坡破壞的控制因素。是巖體邊坡破壞的控制因素。 3、水的作用、水的