巖體力學在邊坡工程中的應用

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( 邊坡面附近的主應力跡線發(fā)生偏轉。最大主應邊坡面附近的主應力跡線發(fā)生偏轉。最大主應力與坡面近于平行，最小主應力與坡面近于正力與坡面近于平行，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)。交，向坡體內逐漸恢復初始應力狀態(tài)。( 坡面上徑向應力為零，為雙向應力狀態(tài)，向坡坡面上徑向應力為零，為雙向應力狀態(tài)，向坡內逐漸轉為三向應力狀態(tài)。內逐漸轉為三向應力狀態(tài)。( 坡面附近產(chǎn)生應力集中帶。在坡腳附近，最大剪坡面附近產(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，常應力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，常形成拉應力帶。形

2、成拉應力帶。( 最大剪應力跡線為凹向坡面的弧線。最大剪應力跡線為凹向坡面的弧線。( 初始應力初始應力 水平天然應力使坡水平天然應力使坡體應力重分布作用加劇。體應力重分布作用加劇。( 坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡形、坡高、坡角及坡底寬度 坡高不改變等值線的形狀狀，坡高不改變等值線的形狀狀，但改變主應力的大小；但改變主應力的大??； 坡角影響邊坡巖體應力分布圖坡角影響邊坡巖體應力分布圖象；象； 坡底寬度對坡腳巖體應力有較坡底寬度對坡腳巖體應力有較大的影響；大的影響； 坡面形狀對重分布應力也有明坡面形狀對重分布應力也有明顯的影響。顯的影響。邊坡巖體中的應力分布特征( 巖體性質及結構特征巖體性質及結構特

3、征 巖體變形模量對邊坡應力影響不大，泊松比對邊坡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。應力影響較大。 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應力的傳結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明顯。遞，這種情況在堅硬巖體邊坡中尤為明顯。邊坡巖體中的變形與破壞1、卸荷回彈、卸荷回彈在成坡過程中，由于在成坡過程中，由于荷重不斷減少，邊坡巖荷重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向體在減荷方向(臨空面臨空面) 產(chǎn)生伸長變形，即卸荷產(chǎn)生伸長變形，即卸荷回彈。回彈。天然應力越大

4、，向臨天然應力越大，向臨空方向的回彈變形量也空方向的回彈變形量也越大。往往會伴隨產(chǎn)生越大。往往會伴隨產(chǎn)生一系列的張性結構面。一系列的張性結構面。2、蠕變變形、蠕變變形邊坡巖體的變形也將會隨時間不斷增加，這種變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。形稱為蠕變變形。當邊坡內的應力未超過巖體的長期強度時，蠕變當邊坡內的應力未超過巖體的長期強度時，蠕變引起的局部破壞。反之，將導致整體失穩(wěn)。引起的局部破壞。反之，將導致整體失穩(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程。破壞過程。邊坡巖體中的變形與破壞1、巖石崩塌：巖體在陡坡面上脫落

5、而下的一種、巖石崩塌：巖體在陡坡面上脫落而下的一種邊坡破壞形式。常發(fā)生于陡坡頂部裂隙的發(fā)育地方。邊坡破壞形式。常發(fā)生于陡坡頂部裂隙的發(fā)育地方。 原因：裂隙水壓力、凍脹力致原因：裂隙水壓力、凍脹力致2、平移滑動部分巖體沿著地質軟弱面，如層面、平移滑動部分巖體沿著地質軟弱面，如層面、斷層、裂隙或節(jié)理面的滑動。斷層、裂隙或節(jié)理面的滑動。3、旋轉滑動、旋轉滑動 由于外界條件干擾，在均質頁巖或由于外界條件干擾，在均質頁巖或泥巖中產(chǎn)生新的圓弧破裂面，巖體沿此圓弧面產(chǎn)生泥巖中產(chǎn)生新的圓弧破裂面，巖體沿此圓弧面產(chǎn)生滑移?；啤?、巖塊流動、巖塊流動 高應力作用下，產(chǎn)生脆性破裂（破高應力作用下，產(chǎn)生脆性破裂（破

6、壞）面。壞）面。 不規(guī)則。不規(guī)則。5、巖層曲折、巖層曲折 在自重與裂隙水壓力共同作用下巖在自重與裂隙水壓力共同作用下巖層面發(fā)生層面發(fā)生巖石崩塌平移滑動旋轉滑移巖塊流動巖層曲折邊坡破壞的基本類型邊坡破壞的基本類型 主要受巖體的工程地質條件特別是巖體結構面的控制。常主要受巖體的工程地質條件特別是巖體結構面的控制。常見的破壞形式主要有以下四種：見的破壞形式主要有以下四種： 1、圓弧形破壞、圓弧形破壞 在表土、廢石堆或破碎或散體結構巖體中最常見。在表土、廢石堆或破碎或散體結構巖體中最常見。 7-1 邊坡問題的評價邊坡問題的評價二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型 2、平面破壞、平面破壞 當結構

7、面走向與坡面走向平行或近于平行，結構面傾向與當結構面走向與坡面走向平行或近于平行，結構面傾向與平面傾向一致時，如果結構面跡線在平面出露，則可能產(chǎn)生這平面傾向一致時，如果結構面跡線在平面出露，則可能產(chǎn)生這種破壞。種破壞。 7-1 邊坡問題的評價邊坡問題的評價二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型 3、楔體破壞、楔體破壞 在塊狀結構巖體中，當兩組結構面與坡面斜交，切割成楔在塊狀結構巖體中，當兩組結構面與坡面斜交，切割成楔形結構體，并且兩結構面交線出露于邊坡坡面時楔形結構體則形結構體，并且兩結構面交線出露于邊坡坡面時楔形結構體則可能沿結構面組合交線滑移?？赡苎亟Y構面組合交線滑移。 7-1 邊坡

8、問題的評價邊坡問題的評價二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型 4、傾倒破壞、傾倒破壞 在層狀結構巖體中，當結構面平行于坡面走向，傾向與邊在層狀結構巖體中，當結構面平行于坡面走向，傾向與邊坡傾向相反，傾角較陡，且受垂直于坡面的結構面切割，則可坡傾向相反，傾角較陡，且受垂直于坡面的結構面切割，則可能發(fā)生傾倒破壞。能發(fā)生傾倒破壞。 7-2 平面破壞分析平面破壞分析一、平面破壞的條件一、平面破壞的條件 1、邊坡上有一組接近與邊坡走向平行、邊坡上有一組接近與邊坡走向平行(在在200范圍內范圍內)的結構面；的結構面； 2、這組結構面必須在坡面上出露，也就是說它的傾角小于坡面傾角，即、這組結構面必須

9、在坡面上出露，也就是說它的傾角小于坡面傾角，即fp； 3、結構面的傾角大于其摩擦角，即、結構面的傾角大于其摩擦角，即P0 ； 4、在邊坡上還必須存在一組與邊坡接近正交的結構面（解離面、在邊坡上還必須存在一組與邊坡接近正交的結構面（解離面/切割面），切割面），而且這組結構面對結構體的抗滑力很小。而且這組結構面對結構體的抗滑力很小。7-2 平面破壞分析平面破壞分析二、平面破壞的力學模型二、平面破壞的力學模型 1、坡頂上有張裂縫、坡頂上有張裂縫 2、坡面上有張裂縫、坡面上有張裂縫 邊坡穩(wěn)定性分析2sin()2sin sincostansinsinABDjjHiWSiHRWcFW2sin2tan22s

10、injjWc HRKFW單一連續(xù)滑動面WWcosWsin注：在實際觀測中，順層滑動體不是ABD楔體，而是AECD楔體。EBC楔體仍保留在原處不動。這說明靠近滑體的后部產(chǎn)生張應力，使滑體后緣產(chǎn)生了許多張裂縫CE。CBECBE穩(wěn)定塊體穩(wěn)定塊體K1K1，DCEADCEA滑動體滑動體張裂縫張裂縫CECE的理論深度：的理論深度：2452tgrCZO基本假設 1.滑動面和張性斷裂面與邊坡面走向平行。2.張性斷裂是豎直向的，并注滿水,水深為Zw。3.水沿張性斷裂的底部進入滑面，并沿滑面滲透 4.各個力都通過滑動面的形心起作用5.滑面的抗剪強度由粘結力和內摩擦角確定，符合庫侖方程6.計算厚度為單位厚度，巖片兩

11、側有釋放面2 2、張性斷裂邊坡單面滑動、張性斷裂邊坡單面滑動211;22sinwwwwwwHZVZUZ(cossin)sinsincosWWjjHZWUVtgCKWV邊坡穩(wěn)定性分析111111()()nnijnij innijnij iRRKTT 折線滑動法又叫不平衡推力傳遞法、傳遞系數(shù)法、剩余推力法。當滑動面為折線形時，可用折線滑動法。 山區(qū)土坡往往覆蓋在起伏變化的基巖上，土坡失穩(wěn)多數(shù)沿這些界面發(fā)生，形成折線滑動面，對這類邊坡的穩(wěn)定分析可采用傳遞系數(shù)法。假定條間力的合力與上一土條底面平行，根據(jù)各分條力的平衡條件，逐條向下推求，直至最后一條土條的作用力由第i條塊平行于底面方向力的平衡得：iii

12、iiiiiiiiiiiPNl cRTPPRtan)sin(0)cos(1111iiiiiitan)sin()cos(11iiiiiNl cRtaniiiiiRTPP1 在滑動主軸方向的地質縱斷面上，按照巖土性質及滑動面的產(chǎn)狀將滑動體分成n個豎直條塊，取單寬滑動體的任一條塊分離體作極限平衡的靜力分析。 滑坡推力是滑坡體向下滑動的力與抵抗滑動力之差。通過計算的滑坡推力的符號判斷穩(wěn)定性。 如果小于或等于零穩(wěn)定；如果大于零不穩(wěn)定。 常用的傳遞系數(shù)法假定1、滑坡體整體下滑，不考慮條塊之間的擠壓變形。2、塊條之間只傳遞推力，不傳遞拉力。3、塊間作用力以集中力表示，作用線平行于前一塊 的滑面方向，作用線在分

13、界線的中點。4、順滑坡主軸取單寬作計算的基本斷面，不考慮條 塊兩側的摩擦力。力平衡莫爾庫侖準則 （安全系數(shù)減少 抗剪能力）安全系數(shù)的考慮方法1:安全系數(shù)加大自重下滑力，則：1tancossiniiiiiiiiiiElcWKWEiiiiiitan)sin()cos(11安全系數(shù)的考慮方法2:說明1、抗剪強度指標可用指標，或根據(jù)土的性質和當?shù)亟?jīng)驗確定。2、，而對下一土條取推力為零。3、如果有逆坡時，傾角為負值，不乘K值。例題：某一堆積層滑坡體下臥基巖。各分塊重量及計算參數(shù)均已知，外荷載（如車輛荷載）作用在第一塊上，并已經(jīng)包含在W1中。試計算滑坡推力并判斷其穩(wěn)定性?！窘狻繉麦w從上到下逐塊進行計算

14、，分兩種情況，K1時的臨界狀的滑坡推力*iE6.2第一塊kNlcWWE2 .565015tan40cos150040sin1500tancossin0001111111*1第2塊計算傳遞系數(shù):848. 015tan)2040sin()2040cos(tan)sin()cos(00000221212kNElcWWE0 .7162 .565848. 015515tan20cos260020sin2600tancossin000*122222222*2第3塊計算傳遞系數(shù):注意：第3塊為逆坡，傾角為負值第一項變成了抗滑力.793. 015tan)5(20sin)5(20costan)sin()cos(

15、00000332323kNElcWWE8 .480 .716793. 010515tan)5cos(1600)5sin(1600tancossin000*233333333*3注意：第3得出的說明前3塊已穩(wěn)定；計算第4塊滑坡推力時按沒有以上巖塊計算。由計算得第4塊滑坡推力為負值，說明在安全度K1情況下，邊坡是安全的。kNE8 .48*3kNlcWWE6 .26517515tan)10cos(2000)10sin(2000tancossin0004444444*4三、Sarma法基本原理：邊坡破壞的滑體除非是沿一個理想的平面或弧面滑動，才可能作一個完整的剛體運動，否則，滑體必須先破裂成多個可相對

16、滑動的塊體，才可能發(fā)生滑動，即，滑體內部要發(fā)生剪切情況下才可能滑動。0sinsincoscoscossin1111iiiiiiiiiiiiiEEXXWNR0coscossinsinsincos1111iiiiiiiiiiiiiEEWaXXNR穩(wěn)定系數(shù)折減：KPEdcXKPEdcXKUNlcRsiwiisiisiwiiisiibiiiibiii11111tan)(tan)(tan)(1aPnEmEiiiii1Sarma法可以用于評價各種破壞模式下邊坡穩(wěn)定性，如平面破壞、楔形體破壞、圓弧面破壞和非圓弧面破壞等。的而且條塊的分條是任意的，條塊邊界無需垂直，從而可以對各種特殊的邊坡破壞模式進行穩(wěn)定性分

17、析。四、Janbu法假設條塊上作用力有：垂直條塊側面上的作用力位于滑面之上1/3條塊高度處；作用于條塊上的重力、反力，作用于底面的中點。0cossin0sincos11iiiiiAiiiiiiiiiiXRNQXYYRNQWKbuNbcRbiiiiiiitan)(得：其中：tan)(tan)()(111iiiiiiiiiiiiiiiaiQQYYWYYbuQWbcmK)tantan1 (cos2Kmiiiai 令： ，并引入修正系數(shù)f001iiYYtantan)(1iiiiiiiiiiiaiQQWbuQWbcmKf0的取值，d，L的取法如圖：邊坡穩(wěn)定性分析11221122sinN tgN tgc Sc