巖石力學(xué)課程Chapter7

第七章巖基應(yīng)力及穩(wěn)定分析

Chapter7StressofRockFoundationandStabilityAnalysis學(xué)習(xí)內(nèi)容→ 巖石基礎(chǔ)的類型、巖基的幾種破壞形式； 巖基抗滑穩(wěn)定性的計(jì)算。學(xué)習(xí)對(duì)象→ 巖基、巖基承載力、巖基滑動(dòng)學(xué)習(xí)目的→ 了解巖基、巖基承載力、巖基滑動(dòng)； 掌握巖石基礎(chǔ)的類型、巖基的幾種破壞形式、巖基抗滑穩(wěn)定性的計(jì)算。學(xué)習(xí)提示

LearningHints§7.1概述巖石力學(xué)基本理論工程應(yīng)用巖體強(qiáng)度巖體變形地應(yīng)力地下洞室應(yīng)力重分布（二次應(yīng)力）、山巖壓力、噴錨支護(hù)等壩基穩(wěn)定(本章)邊坡穩(wěn)定建基面不均勻沉降建基面及壩基應(yīng)力的強(qiáng)度復(fù)核承載能力復(fù)核壩基穩(wěn)定—重點(diǎn)（重力壩、拱壩壩基、壩肩）7.1.1巖基的基本類型§7.1概述7.1.2重力壩的工作原理§7.1概述巖基上重力壩的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或稍傾向上游的三角形斷面。主要依靠壩體的重量，在壩體和地基的接觸面上產(chǎn)生抗滑力來(lái)抵抗庫(kù)水的推力，以達(dá)到穩(wěn)定的要求。主要關(guān)鍵詞（Keywords）：★重力壩（Gravitydam）★抗滑穩(wěn)定（Stabilityagainstsliding）★穩(wěn)定分析（Stabilityanalysis）7.1.2重力壩的工作原理§7.1概述重力壩設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)：壩體應(yīng)力與穩(wěn)定分析壩基抗滑穩(wěn)定與加固措施7.1.3重力壩的類型§7.1概述實(shí)體重力壩寬縫重力壩空腹重力壩預(yù)應(yīng)力重力壩裝配式重力壩漿砌石重力壩§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1重力壩的穩(wěn)定分析根據(jù)混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范（DL5108-1999）8.1.2的相關(guān)規(guī)定，承載能力極限狀態(tài)：壩體斷面、結(jié)構(gòu)及壩基巖體進(jìn)行強(qiáng)度和抗滑穩(wěn)定計(jì)算，必要時(shí)進(jìn)行抗浮、抗傾驗(yàn)算；對(duì)需抗震設(shè)防的壩及結(jié)構(gòu)，尚需按DL5703（水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范）進(jìn)行驗(yàn)算。穩(wěn)定問題的提出：抗滑穩(wěn)定：壩體沿抗剪能力不足的薄弱面產(chǎn)生滑動(dòng)；抗浮穩(wěn)定：壩體在上、下游水荷載作用下，產(chǎn)生向上浮起破壞形式；抗傾穩(wěn)定：上游壩踵以下巖體受拉產(chǎn)生斜裂縫及壩趾以下巖體受壓發(fā)生壓碎而產(chǎn)生傾倒滑移破壞形式。穩(wěn)定問題的類型：§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1重力壩的穩(wěn)定分析§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1重力壩的穩(wěn)定分析穩(wěn)定分析的方法

剛體極限平衡法(rigidlimitequilibriummethod)；有限單元法(finiteelementmethod)；地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)法(modeltestingmethod)。問題分類—平面問題——各壩段獨(dú)立受力?？臻g問題——壩基內(nèi)斷層多條相互切割交錯(cuò)構(gòu)成空間滑動(dòng)體或地形陡峻的岸坡段?！?.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1重力壩的穩(wěn)定分析剛體極限平衡法：

將斷裂面（指壩體、巖體或大壩與巖體組成的滑裂體等）看成剛體，不考慮滑裂體本身和滑裂體之間變形的影響，也不考慮滑裂面上應(yīng)力分布情況，僅考慮滑裂面上的合力（正壓力、剪應(yīng)力），而忽略力矩的作用效應(yīng)。

優(yōu)點(diǎn)：概念清楚，計(jì)算簡(jiǎn)便，任何規(guī)模的工程均可采用；

缺點(diǎn)：是不能考慮巖體受力后所產(chǎn)生變形的影響，極限狀態(tài)與允許的工作狀態(tài)也有較大的出入?！?.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1重力壩的穩(wěn)定分析有限單元法：可計(jì)算地基受力后的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，并可模擬地基中軟弱結(jié)構(gòu)面局部化效應(yīng)及多場(chǎng)耦合作用效應(yīng)等，研究地基破壞發(fā)展全過程。

優(yōu)點(diǎn)：可以考慮復(fù)雜地基的局部化效應(yīng)及材料的非線性本構(gòu)關(guān)系，模擬地基及壩體變形與破壞的全過程等；

缺點(diǎn)：對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果應(yīng)用及穩(wěn)定判據(jù)的應(yīng)用上尚需進(jìn)一步研究。節(jié)點(diǎn)數(shù)8592單元數(shù)7705§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1重力壩的穩(wěn)定分析地質(zhì)力學(xué)模型方法：能較好地模擬基巖的結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和變形特性，以及自重、靜水壓力等荷載，能形象地顯示滑移破壞的過程。模擬內(nèi)容不夠全面和完善，不能完全依靠試驗(yàn)定量解決問題。優(yōu)點(diǎn)：能直觀的模擬壩體與地基穩(wěn)定體系中的主要影響因素及變形與破壞全過程；缺點(diǎn)：模擬內(nèi)容有限，往往需要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)作適當(dāng)簡(jiǎn)化，模型一旦建立，不易修改、費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，試驗(yàn)結(jié)果受到測(cè)試技術(shù)與若干不確定性因素的影響等?！?.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1壩基巖體的破壞形式實(shí)踐表明：巖基滑動(dòng)破壞模式不同于松軟地基，主要受巖體中節(jié)理、裂隙、斷層以及軟弱結(jié)構(gòu)面的空間形狀及相互組合的控制。因此，對(duì)巖基中各種結(jié)構(gòu)面及軟弱夾層位置、方向、性質(zhì)等必須給予充分認(rèn)識(shí)?！?.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.1壩基巖體的破壞形式表層滑動(dòng)——沿壩體與基巖接觸面發(fā)生滑動(dòng)深層滑動(dòng)——巖基內(nèi)部存在著節(jié)理裂隙或軟弱夾層及其他不利的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生。淺層滑動(dòng)——巖基內(nèi)部存在著節(jié)理裂隙或軟弱夾層及其他不利的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生。

我國(guó)修建的大中型重力壩，其中有1/3存在深層滑動(dòng)問題。7.2.2表層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算設(shè)壩體重V，壩底揚(yáng)壓力為U，壩體混凝土與壩基巖體之間的參數(shù)為f、c，抗剪公式——壩體與壩基間看成是一個(gè)接觸面，而不是膠結(jié)面§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定要求Ks1＝1.00～1.05抗剪斷公式——認(rèn)為壩體與基巖接觸良好，直接采用接觸面上的抗剪斷參數(shù)f、c要求Ks2＝2.50～3.007.2.2表層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定當(dāng)接觸面傾向上游時(shí)，并有β的夾角時(shí)，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為：可以看出：壩基面微傾向上游對(duì)Ks有利。7.2.2表層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定一般由若干組試驗(yàn)確定。但由于試驗(yàn)巖體自身的非均勻性質(zhì)和每次試驗(yàn)條件不可能完全相同，導(dǎo)致試驗(yàn)成果具有較大的離散性，如何選用試驗(yàn)值，還值得研究。規(guī)范規(guī)定，f的最后選取應(yīng)以野外和室內(nèi)試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，參照地質(zhì)條件類似的已建工程的經(jīng)驗(yàn)等，由地質(zhì)、試驗(yàn)和設(shè)計(jì)人員研究確定。摩擦系數(shù)f的選取問題根據(jù)國(guó)內(nèi)外已建工程的統(tǒng)計(jì)資料，混凝土與基巖的f值常取在0.5～0.8之間。

摩擦系數(shù)的選定直接關(guān)系到大壩的造價(jià)與安全，f值愈小，要求壩體剖面愈大。以新安江為例，若f值減小0.01，壩體混凝土方量增加2萬(wàn)m3。7.2.2表層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定在進(jìn)行深層滑動(dòng)的穩(wěn)定計(jì)算中，必須首先判斷巖基中可能滑動(dòng)的形狀及位置，確定巖基中可能產(chǎn)生滑動(dòng)的塊體，然后根據(jù)力學(xué)原理分析塊體受力情況，即可求出塊體的抗滑安全系數(shù)Fs。1.滑動(dòng)塊體的擬定（破壞機(jī)理）2.最危險(xiǎn)滑塊的搜索關(guān)鍵點(diǎn)7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算滑動(dòng)面傾向上游的情況§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定破壞模式CB拉裂面塊體CBA沿BA面滑動(dòng)抗滑力滑動(dòng)力7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算滑動(dòng)面傾向下游的情況§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定破壞模式： 塊體ABD沿AB面滑動(dòng)→推塊體BCD→剪斷BC面假定： 1）假定ABC中存在一個(gè)結(jié)構(gòu)面BD；（2）P與AB平行滑出分析： 1.將ABC劃分為ABD（滑移體）、BCD（抗力體）

2.由力平衡條件，分別建立ABD，BCD平衡方程

3.將1.2塊聯(lián)合起來(lái)7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算滑動(dòng)面傾向下游的情況§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定滑動(dòng)面選定后，如何根據(jù)巖基中已知滑動(dòng)面來(lái)確定相應(yīng)的安全系數(shù)？對(duì)于重力壩或拱壩而言，通常采用三種方法，即：抗力體極限平衡法；（2）等K法；（3）不平衡推力法/剩余下滑力法。7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定Method1:抗力體極限平衡法1）BCD處于極限平衡，滑動(dòng)力=抗滑力，可求得兩個(gè)滑塊之間的作用力抗滑力滑動(dòng)力7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定2）分析ABD塊體抗滑力滑動(dòng)力1.AB面用抗剪強(qiáng)度，BD面用抗剪斷強(qiáng)度2.實(shí)際工程中：B點(diǎn)位置，β角須要實(shí)驗(yàn)加以確定→搜索最危險(xiǎn)滑塊3.若BC為一軟弱面（即壩基下雙軟弱面切割形滑塊）Method1:抗力體極限平衡法4.BB’，B’C為完整塊體，含間斷裂隙面7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定1）分析滑動(dòng)塊ABD抗滑力滑動(dòng)力Method2:等K法(即假定滑動(dòng)塊ABD+抗力體BCD抗滑K相等)2）分析抗力體BCD抗滑力滑動(dòng)力代入上面兩式，可分別求得安全系數(shù)7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定基本觀點(diǎn)：1.滑動(dòng)塊ABC抗滑力小于滑動(dòng)力→剩余滑動(dòng)力→作用于抗力體BCD；2.分析BCD抗力體在剩余推力及自重荷載作用下的KMethod3:不平衡推力法剩余滑動(dòng)力=滑動(dòng)力-抗滑力1）分析滑動(dòng)塊ABD抗滑力滑動(dòng)力2）分析抗力體BCD7.2.2深層滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定三種方法的對(duì)比分析上述三種計(jì)算方法中的前兩種（剩余推力法、被動(dòng)抗力法），由于先令一個(gè)區(qū)處于極限平衡狀態(tài)，也即相當(dāng)于這一區(qū)的K＝1，因而推算出另一區(qū)的K值要比等安全系數(shù)法的大，相比之下，等安全系數(shù)法更合理。以上分析方法人為地將滑動(dòng)巖體分成①區(qū)和②區(qū)兩塊，等于在地基內(nèi)增加了一個(gè)軟弱面，這樣必然使抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)有所降低。當(dāng)巖體比較完整堅(jiān)固，或BD面上的抗剪強(qiáng)度足以承擔(dān)該面上的剪應(yīng)力時(shí)，則應(yīng)驗(yàn)算該滑移體的整體抗滑穩(wěn)定性。7.2.3岸坡壩段抗滑穩(wěn)定性計(jì)算§7.2重力壩壩基抗滑穩(wěn)定