邊坡巖體穩(wěn)定性分析

2023/9/2巖石力學(xué)斜坡(slope)統(tǒng)指地表一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，包括天然斜坡和人工邊坡。天然斜坡(簡(jiǎn)稱(chēng)斜坡）是指自然地質(zhì)作用形成未經(jīng)人工改造的斜坡。人工邊坡(簡(jiǎn)稱(chēng)邊坡）是指經(jīng)人工開(kāi)挖或改造形成的斜坡。研究目的：研究邊坡變形破壞的機(jī)理(包括應(yīng)力分布及變形破壞特征)與穩(wěn)定性，為邊坡預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及整治提供巖體力學(xué)依據(jù)。其中穩(wěn)定性計(jì)算是巖體邊坡穩(wěn)定性分析的核心?！?.1概述第1頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)研究意義鹽池河滑坡瓦依昂滑坡第2頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)四川云陽(yáng)雞扒子滑坡第3頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)秭歸縣新灘滑坡（1985年），體積3000萬(wàn)立方米，造成長(zhǎng)江斷航，千年新灘古鎮(zhèn)被毀。第4頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)巴東縣二道溝滑坡、三道溝滑坡1995年，造成縣城部分道路橋梁被毀。第5頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)秭歸縣千將坪滑坡（2003年），體積2400萬(wàn)立方米，造成24人死亡或失蹤及重大經(jīng)濟(jì)損失。

第6頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)

礦體對(duì)人工開(kāi)挖邊坡，如何確定合理的邊坡角α安全、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)合理第7頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)§8.2邊坡巖體中的應(yīng)力分布特征

一、應(yīng)力分布特征在巖體中進(jìn)行開(kāi)挖，形成人工邊坡后，由于開(kāi)挖卸荷，在近邊坡面一定范圍內(nèi)的巖體中，發(fā)生應(yīng)力重分布作用，使邊坡巖體處于重分布應(yīng)力狀態(tài)。邊坡巖體為適應(yīng)重分布應(yīng)力狀態(tài)，將發(fā)生變形和破壞。因此，研究邊坡巖體重分布應(yīng)力特征是進(jìn)行穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。第8頁(yè)/共47頁(yè)邊坡面附近的主應(yīng)力跡線(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最大主應(yīng)力與坡面近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近于正交，向坡體內(nèi)逐漸恢復(fù)初始應(yīng)力狀態(tài)。坡面上徑向應(yīng)力為零，為雙向應(yīng)力狀態(tài)，向坡內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)。

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V第9頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)

坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶。在坡腳附近，最大剪應(yīng)力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，常形成拉應(yīng)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。最大剪應(yīng)力跡線(xiàn)為凹向坡面的弧線(xiàn)。第10頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)第11頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)第12頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)二、影響邊坡應(yīng)力分布的因素(1)天然應(yīng)力水平天然應(yīng)力使坡體應(yīng)力重分布作用加劇。(2)坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡高不改變應(yīng)力等值線(xiàn)的形狀，但改變主應(yīng)力的大小。

坡角影響邊坡巖體應(yīng)力分布圖象。坡底寬度對(duì)坡腳巖體應(yīng)力有較大的影響。坡面形狀對(duì)重分布應(yīng)力也有明顯的影響。第13頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)(3)巖體性質(zhì)巖體的變形模量對(duì)邊坡應(yīng)力的影響。泊松比對(duì)邊坡應(yīng)力有明顯影響。這是由于泊松比的變化，可以使水平自重應(yīng)力發(fā)生改變。(4)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面的存在使坡體中應(yīng)力發(fā)生不連續(xù)，并在結(jié)構(gòu)面周邊或端點(diǎn)形成應(yīng)力集中帶。第14頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)§8.3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(guò)程中兩個(gè)不同的階段，變形屬量變階段，而破壞則是質(zhì)變階段，它們形成一個(gè)累進(jìn)性變形破壞過(guò)程。一、邊坡巖體變形的基本類(lèi)型二、邊坡破壞的基本類(lèi)型三、影響巖體邊坡變形破壞的因素第15頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)一、邊坡巖體變形的基本類(lèi)型

1、卸荷回彈在成坡過(guò)程中，由于荷重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向(臨空面)產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，即卸荷回彈。第16頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)第17頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)第18頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)當(dāng)邊坡內(nèi)的應(yīng)力未超過(guò)巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，則這種變形所引起的破壞是局部的。反之，這種變形將導(dǎo)致邊坡巖體的整體失穩(wěn)。幾乎所有的巖體邊坡失穩(wěn)都要經(jīng)歷這種逐漸變形破壞過(guò)程。2、蠕變變形邊坡巖體自重應(yīng)力作用下，邊坡巖體的變形將會(huì)隨時(shí)間不斷增加，蠕變變形。第19頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)二、邊坡破壞的基本類(lèi)型滑坡(剪破壞)傾倒破壞邊坡破壞的基本類(lèi)型楔形體滑動(dòng)圓弧形滑動(dòng)單平面滑動(dòng)雙平面滑動(dòng)多平面滑動(dòng)平面滑動(dòng)崩塌(拉破壞)劃分依據(jù)：滑面形態(tài)、數(shù)目、組合特征和力學(xué)機(jī)理。第20頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)第21頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)判斷下列斜坡破壞屬于哪種類(lèi)型？第22頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)三、影響巖體邊坡變形破壞的因素1、巖性決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)。2、巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征是巖體邊坡破壞的控制因素。3、水的作用使巖土的質(zhì)量增大、滑動(dòng)面的滑動(dòng)力增大；巖土軟化、抗剪強(qiáng)度降低；對(duì)巖體產(chǎn)生動(dòng)水壓力和靜水壓力。4、風(fēng)化作用使巖體內(nèi)裂隙增多、擴(kuò)大，透水性增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度降低。第23頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)5、地形地貌直接影響邊坡內(nèi)的應(yīng)力分布特征，進(jìn)而影響邊坡的變形破壞形式及邊坡的穩(wěn)定性。6、地震產(chǎn)生地震慣性力7、天然應(yīng)力8、人為因素三、影響巖體邊坡變形破壞的因素第24頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)§8.4邊坡巖體穩(wěn)定性分析的步驟定性分析是在工程地質(zhì)勘察基礎(chǔ)上，對(duì)邊坡巖體破壞的可能性及破壞形式進(jìn)行初步判斷。定量分析是在定性分析的基礎(chǔ)上，用一定的計(jì)算方法對(duì)邊坡巖體進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析。分析方法數(shù)學(xué)力學(xué)分析法模型模擬試驗(yàn)法工程類(lèi)比法圖解法塊體極限平衡法彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)法有限元法等數(shù)值方法第25頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)塊體極限平衡法基本原理假設(shè)條件(1)邊坡巖體將沿某一結(jié)構(gòu)面（或組合面）產(chǎn)生滑移破壞；(2)滑體為剛體，即滑動(dòng)過(guò)程中相對(duì)位置不變化；(3)滑動(dòng)面上的應(yīng)力分布均勻；(4)不考慮滑體兩側(cè)的抗滑力。在以上假定條件下，分析滑動(dòng)面上抗滑力與滑動(dòng)力關(guān)系抗滑力>滑動(dòng)力，穩(wěn)定；抗滑力≦滑動(dòng)力，不穩(wěn)定穩(wěn)定評(píng)價(jià)時(shí)，引入安全系數(shù)（KS）的概念。第26頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)塊體極限平衡法步驟可能滑動(dòng)體，幾何邊界條件分析受力條件分析確定計(jì)算參數(shù)計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)確定安全系數(shù)，進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第27頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)一、幾何邊界條件分析幾何邊界條件是指構(gòu)成可能滑動(dòng)巖體的各種邊界面及其組合關(guān)系，包括滑動(dòng)面、切割面和臨空面三種?；瑒?dòng)面是指起滑動(dòng)(即失穩(wěn)巖體沿其滑動(dòng))作用的面，包括潛在破壞面。切割面是指起切割巖體作用的面，由于失穩(wěn)巖體不沿該面滑動(dòng)，因而不起抗滑作用，如平面滑動(dòng)的側(cè)向切割面。臨空面指臨空的自由面，它的存在為滑動(dòng)巖體提供活動(dòng)空間，臨空面常由地面或開(kāi)挖面組成。第28頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)幾何邊界條件分析的內(nèi)容是查清巖體中的各類(lèi)結(jié)構(gòu)面及其組合關(guān)系，確定出可能的滑移面、切割面。幾何邊界條件分析的目的是確定邊坡中可能滑動(dòng)巖體的位置、規(guī)模及形態(tài)，定性地判斷邊坡巖體的破壞類(lèi)型及主滑方向。幾何邊界條件的分析可通過(guò)赤平投影、實(shí)體比例投影等圖解法或三角幾何分析法進(jìn)行。一、幾何邊界條件分析第29頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)

某基坑巖壁赤平投影與實(shí)體投影圖

J41，135°∠78°；J42，320°∠49°；J43，263°∠63°坡面Pm，275°∠85°。J42與J43交線(xiàn)產(chǎn)狀為285°∠45°第30頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)二、受力條件分析在工程使用期間，可能滑動(dòng)巖體或其邊界面上承受的力的類(lèi)型及大小、方向和合力的作用點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為受力條件。邊坡巖體上承受的力常見(jiàn)有：巖體重力、建筑物作用力及震動(dòng)力、靜水壓力、動(dòng)水壓力等等。

1.地震作用水平地震作用：FEK=

1G第31頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)2.滲透壓力：包括滲流靜水壓力和滲流動(dòng)水壓力。靜水壓力——數(shù)值上等于巖體受到的浮力。動(dòng)水壓力——與水力梯度有關(guān)，數(shù)值上等于巖體受到的滲流阻力。Vguw=r第32頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)三、確定計(jì)算參數(shù)選用的計(jì)算參數(shù)，一般應(yīng)接近于殘余強(qiáng)度。研究表明：殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度的比值，大多變化在0.6~0.9之間摩擦系數(shù)計(jì)算值在峰值摩擦系數(shù)的60％~90％之間選取，內(nèi)聚力計(jì)算值在峰值內(nèi)聚力的10％~30％之間選取。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)極限狀態(tài)下的反算數(shù)據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)第33頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)四、穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)穩(wěn)定性系數(shù)=可供利用的抗滑力/滑動(dòng)力

安全系數(shù)KS

：根據(jù)各種因素規(guī)定的允許的穩(wěn)定性數(shù)。

大小是根據(jù)各種影響因素人為規(guī)定的，必須大于1

各種因素：①巖體工程地質(zhì)特征研究的詳細(xì)程度；②各種計(jì)算參數(shù)誤差的大小；③計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)時(shí)，是否考慮了全部作用力；④計(jì)算過(guò)程中各種中間結(jié)果的誤差大??；⑤工程的設(shè)計(jì)年限、重要性以及邊坡破壞后的后果。安全系數(shù)KS一般取1.05~1.5

第34頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)傾倒破壞邊坡破壞的基本類(lèi)型楔形體滑動(dòng)圓弧形滑動(dòng)單平面滑動(dòng)同向雙平面滑動(dòng)多平面滑動(dòng)平面滑動(dòng)§8.5邊坡巖體穩(wěn)定性計(jì)算第35頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)單平面滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算圖一、單平面滑動(dòng)1、僅有重力作用時(shí)滑動(dòng)面上的抗滑力：Fs=Gcosβtgφj+CjL

滑動(dòng)力：

Fr＝Gsinβ穩(wěn)定性系數(shù)：第36頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)滑動(dòng)體極限高度Hcr為：忽略滑動(dòng)面上內(nèi)聚力(Cj=0)時(shí)

∴當(dāng)Cj=0，φj≤β時(shí)，η≤1，Hcr0沉積巖層面、泥化面的Cj值均很小，因此，在這些軟弱面傾角大于φj的條件下，即使邊坡高度僅在幾米之間，也會(huì)引起巖體發(fā)生相當(dāng)規(guī)模的平面滑動(dòng)。第37頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)2、有水壓力作用有地下滲流時(shí)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算圖作用于CD上的靜水壓V為：作用于AD上的靜水壓力U為：邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為：第38頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)3、有水壓力作用與地震作用時(shí)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FEK=

1G水平地震作用第39頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)楔形體滑動(dòng)的滑動(dòng)面由兩個(gè)傾向相反、且其交線(xiàn)傾向與坡面傾向相同、傾角小于邊坡角的軟弱結(jié)構(gòu)面組成。二、楔形體滑動(dòng)第40頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)首先將滑體自重G分解為垂直交線(xiàn)BD的分量N和平行交線(xiàn)的分量(即滑動(dòng)力Gsinβ)，然后將N投影到兩個(gè)滑動(dòng)面的法線(xiàn)方向，求得作用于滑動(dòng)面上的法向力N1和N2，最后求得抗滑力及穩(wěn)定性系數(shù)。可能滑動(dòng)體的滑動(dòng)力為Gsinβ，垂直交線(xiàn)的分量為N＝Gcosβ。將Gcosβ投影到△ABD和△BCD面的法線(xiàn)方向上，求得法向力N1、N2穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算的基本思路第41頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)邊坡的抗滑力第42頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)三、同向雙平面滑動(dòng)第一種情況為滑動(dòng)體內(nèi)不存在結(jié)構(gòu)面，視滑動(dòng)體為剛體，采用力平衡圖解法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)第二種情況為滑動(dòng)體內(nèi)存在結(jié)構(gòu)面并將滑動(dòng)體切割成若干塊體的情況，這時(shí)需分塊計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)第43頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)1.滑動(dòng)體為剛體的情況

ABCD為可能滑動(dòng)體，根據(jù)滑動(dòng)面產(chǎn)狀分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)塊體。FⅠ為塊體Ⅱ?qū)K體Ⅰ的作用力，F(xiàn)Ⅱ?yàn)閴K體Ⅰ對(duì)塊體Ⅱ的作用力，F(xiàn)Ⅰ和FⅡ大小相等，方向相反，其作用方向的傾角為θ?；瑒?dòng)面AB以下巖體對(duì)塊體Ⅰ的反力R1(摩阻力)與AB面法線(xiàn)的夾角為φ1。第44頁(yè)/共47頁(yè)2023/9/2巖石力學(xué)2.滑動(dòng)體內(nèi)存在結(jié)構(gòu)面的情況

在滑動(dòng)過(guò)程中，滑動(dòng)體除沿滑動(dòng)面滑動(dòng)外，被