邊坡巖體穩(wěn)定性分析

2023/9/2巖石力學斜坡(slope)統(tǒng)指地表一切具有側向臨空面的地質體，包括天然斜坡和人工邊坡。天然斜坡(簡稱斜坡）是指自然地質作用形成未經(jīng)人工改造的斜坡。人工邊坡(簡稱邊坡）是指經(jīng)人工開挖或改造形成的斜坡。研究目的：研究邊坡變形破壞的機理(包括應力分布及變形破壞特征)與穩(wěn)定性，為邊坡預測預報及整治提供巖體力學依據(jù)。其中穩(wěn)定性計算是巖體邊坡穩(wěn)定性分析的核心?！?.1概述第1頁/共47頁2023/9/2巖石力學研究意義鹽池河滑坡瓦依昂滑坡第2頁/共47頁2023/9/2巖石力學四川云陽雞扒子滑坡第3頁/共47頁2023/9/2巖石力學秭歸縣新灘滑坡（1985年），體積3000萬立方米，造成長江斷航，千年新灘古鎮(zhèn)被毀。第4頁/共47頁2023/9/2巖石力學巴東縣二道溝滑坡、三道溝滑坡1995年，造成縣城部分道路橋梁被毀。第5頁/共47頁2023/9/2巖石力學秭歸縣千將坪滑坡（2003年），體積2400萬立方米，造成24人死亡或失蹤及重大經(jīng)濟損失。

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

一、應力分布特征在巖體中進行開挖，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，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)。邊坡巖體為適應重分布應力狀態(tài)，將發(fā)生變形和破壞。因此，研究邊坡巖體重分布應力特征是進行穩(wěn)定性分析的基礎。第8頁/共47頁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)，向坡內逐漸轉為三向應力狀態(tài)。

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V第9頁/共47頁2023/9/2巖石力學

坡面附近產生應力集中帶。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，常形成拉應力帶。邊坡愈陡，則此帶范圍愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破壞。最大剪應力跡線為凹向坡面的弧線。第10頁/共47頁2023/9/2巖石力學第11頁/共47頁2023/9/2巖石力學第12頁/共47頁2023/9/2巖石力學二、影響邊坡應力分布的因素(1)天然應力水平天然應力使坡體應力重分布作用加劇。(2)坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡高不改變應力等值線的形狀，但改變主應力的大小。

坡角影響邊坡巖體應力分布圖象。坡底寬度對坡腳巖體應力有較大的影響。坡面形狀對重分布應力也有明顯的影響。第13頁/共47頁2023/9/2巖石力學(3)巖體性質巖體的變形模量對邊坡應力的影響。泊松比對邊坡應力有明顯影響。這是由于泊松比的變化，可以使水平自重應力發(fā)生改變。(4)結構面結構面的存在使坡體中應力發(fā)生不連續(xù)，并在結構面周邊或端點形成應力集中帶。第14頁/共47頁2023/9/2巖石力學§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)展演化過程中兩個不同的階段，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程。一、邊坡巖體變形的基本類型二、邊坡破壞的基本類型三、影響巖體邊坡變形破壞的因素第15頁/共47頁2023/9/2巖石力學一、邊坡巖體變形的基本類型

1、卸荷回彈在成坡過程中，由于荷重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向(臨空面)產生伸長變形，即卸荷回彈。第16頁/共47頁2023/9/2巖石力學第17頁/共47頁2023/9/2巖石力學第18頁/共47頁2023/9/2巖石力學當邊坡內的應力未超過巖體的長期強度時，則這種變形所引起的破壞是局部的。反之，這種變形將導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程。2、蠕變變形邊坡巖體自重應力作用下，邊坡巖體的變形將會隨時間不斷增加，蠕變變形。第19頁/共47頁2023/9/2巖石力學二、邊坡破壞的基本類型滑坡(剪破壞)傾倒破壞邊坡破壞的基本類型楔形體滑動圓弧形滑動單平面滑動雙平面滑動多平面滑動平面滑動崩塌(拉破壞)劃分依據(jù)：滑面形態(tài)、數(shù)目、組合特征和力學機理。第20頁/共47頁2023/9/2巖石力學第21頁/共47頁2023/9/2巖石力學判斷下列斜坡破壞屬于哪種類型？第22頁/共47頁2023/9/2巖石力學三、影響巖體邊坡變形破壞的因素1、巖性決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質基礎。2、巖體結構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。3、水的作用使巖土的質量增大、滑動面的滑動力增大；巖土軟化、抗剪強度降低；對巖體產生動水壓力和靜水壓力。4、風化作用使巖體內裂隙增多、擴大，透水性增強，抗剪強度降低。第23頁/共47頁2023/9/2巖石力學5、地形地貌直接影響邊坡內的應力分布特征，進而影響邊坡的變形破壞形式及邊坡的穩(wěn)定性。6、地震產生地震慣性力7、天然應力8、人為因素三、影響巖體邊坡變形破壞的因素第24頁/共47頁2023/9/2巖石力學§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勘察基礎上，對邊坡巖體破壞的可能性及破壞形式進行初步判斷。定量分析是在定性分析的基礎上，用一定的計算方法對邊坡巖體進行穩(wěn)定性計算分析。分析方法數(shù)學力學分析法模型模擬試驗法工程類比法圖解法塊體極限平衡法彈性力學、彈塑性力學法有限元法等數(shù)值方法第25頁/共47頁2023/9/2巖石力學塊體極限平衡法基本原理假設條件(1)邊坡巖體將沿某一結構面（或組合面）產生滑移破壞；(2)滑體為剛體，即滑動過程中相對位置不變化；(3)滑動面上的應力分布均勻；(4)不考慮滑體兩側的抗滑力。在以上假定條件下，分析滑動面上抗滑力與滑動力關系抗滑力>滑動力，穩(wěn)定；抗滑力≦滑動力，不穩(wěn)定穩(wěn)定評價時，引入安全系數(shù)（KS）的概念。第26頁/共47頁2023/9/2巖石力學塊體極限平衡法步驟可能滑動體，幾何邊界條件分析受力條件分析確定計算參數(shù)計算穩(wěn)定性系數(shù)確定安全系數(shù)，進行穩(wěn)定性評價第27頁/共47頁2023/9/2巖石力學一、幾何邊界條件分析幾何邊界條件是指構成可能滑動巖體的各種邊界面及其組合關系，包括滑動面、切割面和臨空面三種?；瑒用媸侵钙鸹瑒?即失穩(wěn)巖體沿其滑動)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，因而不起抗滑作用，如平面滑動的側向切割面。臨空面指臨空的自由面，它的存在為滑動巖體提供活動空間，臨空面常由地面或開挖面組成。第28頁/共47頁2023/9/2巖石力學幾何邊界條件分析的內容是查清巖體中的各類結構面及其組合關系，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型及主滑方向。幾何邊界條件的分析可通過赤平投影、實體比例投影等圖解法或三角幾何分析法進行。一、幾何邊界條件分析第29頁/共47頁2023/9/2巖石力學

某基坑巖壁赤平投影與實體投影圖

J41，135°∠78°；J42，320°∠49°；J43，263°∠63°坡面Pm，275°∠85°。J42與J43交線產狀為285°∠45°第30頁/共47頁2023/9/2巖石力學二、受力條件分析在工程使用期間，可能滑動巖體或其邊界面上承受的力的類型及大小、方向和合力的作用點統(tǒng)稱為受力條件。邊坡巖體上承受的力常見有：巖體重力、建筑物作用力及震動力、靜水壓力、動水壓力等等。

1.地震作用水平地震作用：FEK=

1G第31頁/共47頁2023/9/2巖石力學2.滲透壓力：包括滲流靜水壓力和滲流動水壓力。靜水壓力——數(shù)值上等于巖體受到的浮力。動水壓力——與水力梯度有關，數(shù)值上等于巖體受到的滲流阻力。Vguw=r第32頁/共47頁2023/9/2巖石力學三、確定計算參數(shù)選用的計算參數(shù)，一般應接近于殘余強度。研究表明：殘余強度與峰值強度的比值，大多變化在0.6~0.9之間摩擦系數(shù)計算值在峰值摩擦系數(shù)的60％~90％之間選取，內聚力計算值在峰值內聚力的10％~30％之間選取。經(jīng)驗數(shù)據(jù)極限狀態(tài)下的反算數(shù)據(jù)試驗數(shù)據(jù)第33頁/共47頁2023/9/2巖石力學四、穩(wěn)定性系數(shù)的計算和穩(wěn)定性評價穩(wěn)定性系數(shù)=可供利用的抗滑力/滑動力

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巖體工程地質特征研究的詳細程度；②各種計算參數(shù)誤差的大??；③計算穩(wěn)定性系數(shù)時，是否考慮了全部作用力；④計算過程中各種中間結果的誤差大??；⑤工程的設計年限、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/共47頁2023/9/2巖石力學傾倒破壞邊坡破壞的基本類型楔形體滑動圓弧形滑動單平面滑動同向雙平面滑動多平面滑動平面滑動§8.5邊坡巖體穩(wěn)定性計算第35頁/共47頁2023/9/2巖石力學單平面滑動穩(wěn)定性計算圖一、單平面滑動1、僅有重力作用時滑動面上的抗滑力：Fs=Gcosβtgφj+CjL

滑動力：

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

∴當Cj=0，φj≤β時，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，也會引起巖體發(fā)生相當規(guī)模的平面滑動。第37頁/共47頁2023/9/2巖石力學2、有水壓力作用有地下滲流時邊坡穩(wěn)定性計算圖作用于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/共47頁2023/9/2巖石力學3、有水壓力作用與地震作用時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FEK=

1G水平地震作用第39頁/共47頁2023/9/2巖石力學楔形體滑動的滑動面由兩個傾向相反、且其交線傾向與坡面傾向相同、傾角小于邊坡角的軟弱結構面組成。二、楔形體滑動第40頁/共47頁2023/9/2巖石力學首先將滑體自重G分解為垂直交線BD的分量N和平行交線的分量(即滑動力Gsinβ)，然后將N投影到兩個滑動面的法線方向，求得作用于滑動面上的法向力N1和N2，最后求得抗滑力及穩(wěn)定性系數(shù)?？赡芑瑒芋w的滑動力為Gsinβ，垂直交線的分量為N＝Gcosβ。將Gcosβ投影到△ABD和△BCD面的法線方向上，求得法向力N1、N2穩(wěn)定性系數(shù)計算的基本思路第41頁/共47頁2023/9/2巖石力學邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)邊坡的抗滑力第42頁/共47頁2023/9/2巖石力學三、同向雙平面滑動第一種情況為滑動體內不存在結構面，視滑動體為剛體，采用力平衡圖解法計算穩(wěn)定性系數(shù)第二種情況為滑動體內存在結構面并將滑動體切割成若干塊體的情況，這時需分塊計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)第43頁/共47頁2023/9/2巖石力學1.滑動體為剛體的情況

ABCD為可能滑動體，根據(jù)滑動面產狀分為Ⅰ、Ⅱ兩個塊體。FⅠ為塊體Ⅱ對塊體Ⅰ的作用力，F(xiàn)Ⅱ為塊體Ⅰ對塊體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?；瑒用鍭B以下巖體對塊體Ⅰ的反力R1(摩阻力)與AB面法線的夾角為φ1。第44頁/共47頁2023/9/2巖石力學2.滑動體內存在結構面的情況

在滑動過程中，滑動體除沿滑動面滑動外，被