巖體邊坡穩(wěn)定性分析.ppt

1、,第六章 巖體邊坡穩(wěn)定性分析,第七章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,謝文揚,第一節(jié) 巖體結構 第二節(jié) 巖體邊坡穩(wěn)定性分析,第六章,1995年，巴東縣二道溝、三道溝滑坡造成縣城部分道路橋梁被毀。,湖北秭歸縣千將坪滑坡（2003年），體積2400萬立方米，造成24人死亡或失蹤及重大經濟損失。,巖體巖體是在漫長的地質歷史過程中形成的，具有一定的結構特征，并與工程建筑有關的天然地質體。,結構面巖體由一種或多種巖石組成，甚至可以是不同成因巖石的組合體，并在其形成過程中經受了構造變動、風化等各種內外力地質作用的破壞與改造。因此，巖體被層面、節(jié)理、斷層、片理等各種地質界面所切割，使其成為具有一定結構的多裂隙體。把

2、切割巖體的這些地質界面稱為結構面。,巖體裂隙發(fā)育，將造成巖體邊坡的不穩(wěn)定性。,巖體的多裂隙性特點決定了巖體與巖石（單一巖塊）的工程地質性質有明顯不同。兩者最根本的區(qū)別，就是巖體中的巖石被各種結構面所切割。這些結構面的強度與巖石相比要低得多，并且破壞了巖石的連續(xù)性和完整性。,巖體的工程性質：首先取決于這些結構面的性質，其次才是組成巖體的巖石性質。 因此在工程中，研究巖體的特性比研究單一巖塊的特性更為重要。,第一節(jié) 巖體結構分析,巖體結構指巖體中結構面和結構體兩個要素的組合特征。 結構面 ： 結構體：,巖體中各種地質界面包括物質分界面、斷裂面、軟弱夾層和溶蝕面，規(guī)模大者如斷層帶，小者如節(jié)理統稱為結

3、構面。,結構體是由不同產狀的結構面組合起來，將巖體切割成各種形狀的單元塊體。,一、巖體結構面,巖體結構面使巖體應力發(fā)生改變，影響巖體的強度、力學連續(xù)性以及變形特征，使巖體工程地質產生各向異性的特點。因此，對巖體結構面的研究及其重要。,（一）結構面的類型及特征 1、巖體結構面 1、原生結構面 2、火成結構面 3、變質結構面 1、張性斷層 2、構造結構面 2、壓性斷層 3、扭性斷層 1、風化裂隙 3、次生結構面 2、卸荷裂隙,對結構面特征的研究內容主要包括：結構面的生成年代，規(guī)模、形態(tài)與粗糙度、密集程度、連通性、張開度與填充膠結情況、產狀及組合關系、力學性質等。,結構面的生成年代 結構面的生成年代

4、是主要針對構造結構面而言的。,結構面的規(guī)模 結構面的類型不同，其規(guī)?？梢圆坏?，甚至是同一類型的結構面，其規(guī)模也 可以相差很大。 不同類型、不同規(guī)模的結構面，對工程的影響是不一樣的，對具體工程要具 體分析，有時小規(guī)模的結構面對巖體穩(wěn)定也可起控制作用。 結構面的形態(tài)與粗糙度 各種結構面的形態(tài)與粗糙度是不同的，因而對巖體強度的影響也是不同的， 常見的形態(tài)有：平直的、鋸齒狀或不規(guī)則的結構面等，根據粗糙度可將結構面劃 分為鏡面的、滑面的和糙面的等類型。,（二）結構面的特征,結構面的連通性 結構面的連通性是指在某一定空間范圍內的巖體中，結構面的走向、傾向方向 上的連通程度。 結構面的張開度與填充膠結情況

5、結構面的張開度是指結構面的兩壁離開的距離，按其大小可分為四級。 閉合的：張開度小于0.2mm； 微張的：張開度0.2-1.0mm； 張開的：張開度1.0-5.0mm； 寬張的：張開度大于5.0mm。 結構面的填充膠結情況對巖體力學性質的影響很大。 結構面的產狀及組合關系 結構面的力學性質,結構面的密集程度 結構面的密集程度對巖體力學性質影響很大，決定著巖體變形和破壞的力學 機制，直接控制巖體的完整性和力學性質，也影響巖體的滲透性。,（三）軟弱夾層的特征 軟弱夾層是具有一定厚度的特殊的巖體軟弱結構面。它與周圍巖體相比，具有顯著低的強度和顯著高的壓縮性。在巖體中只占很少的數量，卻是巖體中最關鍵部位

6、。,如沉積巖中常夾有泥灰?guī)r、泥頁巖或炭質頁巖，稱為沉積結構型軟弱夾層。其特點是：,厚度薄，層數較多，巖相變化顯著，常呈尖滅和互層，對水的作用敏感。變質型的軟弱夾層多有絹云母等片狀礦物，遇水潤滑。,構造型軟弱夾層多為層間破碎軟弱夾層，有構造角礫巖、糜棱巖和斷層泥等。 風化型軟弱夾層常帶有局部性質，其分布規(guī)律隨地形地質條件、裂隙產狀和水的作用等因素而定。其中泥化夾層多為構造裂隙和層間錯動帶，它是在長期的地下水和風化作用下形成的。夾層中的黏土礦物含水率較大時，在軟塑狀態(tài)下其工程性質最差。 在工程建設中，經常遇到的重大的工程地質問題之一就是軟弱夾層。,（四）結構面的調查、統計和表示方法 為了反映結構面

7、的分布規(guī)律及其對巖體穩(wěn)定性的影響，需要進行野外調查和室內資料整理工作，并用統計圖的形式把巖體結構面的分布情況表示出來，下面以裂隙的調查、統計和表示方法為例進行說明。 調查裂隙時，應先在調查區(qū)選取有代表性的基巖露頭，對一定面積內的裂隙，按表6-3所列內容進行測量，同時應注意研究裂隙的力學性質。測量裂隙產狀的方法與測量巖層產狀的方法相同。,二、巖體結構的類型及特征 結構及其分類 由各種成因的結構面組合將巖體分割成大小、形狀不同的單元塊體稱為巖體結構體。 一般就常見的結構體所呈現的各種形狀加以簡化， 可以大致歸納為柱狀、塊狀、楔形、菱形和錐形等六種基本形態(tài)。,巖體結構類型及特征 巖體結構分為六種類型

8、： 1、塊狀結構 2、鑲嵌結構 3、碎裂結構 4、層狀結構 5、層狀碎裂結構 6、散體結構,（1）塊狀結構： （2）層狀結構： （3）碎裂結構：,組成顆粒均勻致密各向同性，如花崗巖、閃長巖、石英巖、大理巖等。,是沉積巖的特有結構，由于沉積物質成分的變換或積間斷，表現出軟硬互層各向異性和橫向滲透性較大的特性。,由于構造破壞和風化作用而形成，一般含有多組密集結構面的巖體，巖體常被分割成碎塊狀。,三、巖體工程地質分類及工程地質特性,巖體工程地質分類 由于不同結構類型巖體的巖石質量不同，而且在水和風化作用等的參與和影響下，巖體工程性質將變得極為復雜并相差懸殊。 巖體的工程地質分類是從工程角度出發(fā)，根據

9、巖體的內在特征，將其分為工程地質性質相類似的各種類別，并對各類巖體的質量給予定性和定量的評價。 目前，國內外關于巖體的工程地質分類方案有十幾種，從分類的目的和考慮的因素來看，可歸結為一般性分類（綜合性分類）和專門性分類。 巖石質量指標（RQD）分類法 按巖體結構類型的分類 巴頓巖體分類 巖體質量指標（RMQ）分類法 巖體的工程地質特性 火成巖的工程地質特性 火成巖在我國廣泛分布，最為常見的是花崗巖和玄武巖?；鸪蓭r具有較高的力學強度，可作為各種建筑物良好的地基及天然建筑材料，但由于各類火成巖在礦物組成、結構和構造等方面存在很大的差異。 深成巖：深成巖多為巖基、巖株等大型侵入體，顆粒粗大均勻，致密

10、堅硬，孔隙很少，裂隙較不發(fā)育，力學強度高，巖體的工程地質性質一般較好，常被選為大型建筑物地基。,淺成巖：淺成巖多為巖床、巖墻、巖脈等小型侵入體，巖石多呈斑狀結構和中一細粒均粒結構。 噴出巖：噴出巖為火山噴出的熔巖流冷凝而成，巖石顆粒很細，常為致密結構，并且多有氣孔構造，杏仁構造，酸性熔巖具流紋構造。 沉積巖的工程地質特性 沉積巖普遍具有層理構造，其工程地質性質變化較大，具有明顯的各向異性。 1）火山碎屑巖 2）膠結碎屑巖 3) 黏土巖 4) 化學-生物巖 變質巖的工程地質特性 變質巖一般年代較老，經受多次構造變動，斷裂多，易風化，完整性差，常不均一。,第二節(jié) 巖體邊坡穩(wěn)定性分析,一、巖體邊坡破

11、壞形式及影響邊坡穩(wěn)定的因素 二、巖體邊坡穩(wěn)定性分析方法,（一）巖體邊坡破壞形式,松動張裂：邊坡在側向應力減弱之后，由于卸荷回彈而出現張開裂隙的現象(上寬下窄） 蠕動：邊坡巖體在重力作用下，向臨空方向發(fā)生的一種緩慢變形現象 剝落：層層脫離母體沿斜坡滾落堆積于坡腳的現象 崩塌：陡峭的邊坡上部被多組結構面切割的巖塊在失穩(wěn)之后，因重力作用傾倒、翻滾、墜落的現象 滑坡：邊坡上的巖體沿一組或多組結構面產生剪切破壞的現象,松弛張裂,蠕動,崩塌,滑坡,（二）影響巖體邊坡穩(wěn)定的因素,巖性 地質構造及巖體結構 巖石風化程度 水的作用 地震 地形地貌 地應力 人類活動,水的作用 1、增加了邊坡巖體的水下容重，加大了

12、下滑力 2、產生水的軟化、泥化及潤滑作用 3、產生靜水壓力或動水壓力 4、水流的沖刷作用,二、巖體邊坡穩(wěn)定性分析方法,（一）工程地質定性分析 1.工程地質類比法 2.圖解法【極射赤平投影圖解法】 赤平投影是將物體三維空間的產狀表現在平面上的一種投影方法，即利用球體作投影工具，通過球心作一赤道平面，把已知的點、線、面，從球體中心投影到球面上去，得到球面投影；然后把球面投影轉換成赤平投影。,（一）工程地質定性分析 研究對象：地形地貌、地層巖性、地質構造與結構面、地下水、不良地質現象等因素進行綜合調查和研究，由此判斷巖質邊坡的穩(wěn)定性 1、工程地質類比法 內容：對已有邊坡的破壞現象進行廣泛的調查研究，

13、了解其變形特征、發(fā)展規(guī)律、影響因素及成因等，然后結合所要研究的邊坡進行對比，分析其工程地質條件的相似性和差異性，據此判斷巖質邊坡的穩(wěn)定性 2、圖解法,1）一組結構面的邊坡穩(wěn)定性分析 由一組結構面構成的邊坡穩(wěn)定性與結構面的產狀（走向、傾向、傾角）和邊坡的坡向、坡腳有直接關系。,（二）巖質邊坡的穩(wěn)定計算 計算原理：在定性分析基礎上采用靜力學的剛體極限平衡原理進行計算的，主要考慮滑動力和抗滑力之間的相互關系。 K=F/T K穩(wěn)定系數 F抗滑動力 T滑動力 當穩(wěn)定系數K1時，邊坡穩(wěn)定；相反，不穩(wěn)定,滑動面為折線時的穩(wěn)定計算主要運用：傳遞系數法及剩余推力法,第七章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,第一節(jié) 圍巖壓

14、力 第二節(jié) 圍巖的變形與破壞 第三節(jié) 地下洞室圍巖穩(wěn)定分析,第一節(jié) 圍巖壓力,一、圍巖應力重新分布 圍巖開挖前，巖石體一般處于天然應力平衡狀態(tài)，稱為第一次應力狀態(tài)或初始應力狀態(tài)。洞室開挖后，這種天然應力平衡狀態(tài)遭到破壞，洞室圍巖因失去支撐，而向洞室空間松脹，從而改變圍巖的相對平衡關系，形成新的應力狀態(tài)。這種由于洞室的開挖，圍巖中應力，應變調整而引起原有天然應力大小，方向和性質改變的過程和現象，稱為圍巖應力重分布。它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。,一、洞室圍巖重分布應力計算,對于連續(xù)、均勻和各向同性、天然應力比值系數（即水平應力間的比值系數=6x6y）為1的巖石內開挖的圓形洞室，設洞室直徑為a，則可根據

15、彈性理論導出與洞軸線相距為r出的巖石應力計算公式：,隨著離洞壁距離r增大，r逐漸增大，逐漸減小，并都漸漸趨近于天然應力0值。在理論上，r，要在r處才達到0值，但實際上r，趨近于0的速度很快。 當r=6R0時，r和與0相差僅2.8%。因此，一般認為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應力范圍為6R0。在該范圍以外，不受開挖影響，這一范圍內的巖體就是常說的圍巖，是有限元計算模型的邊界范圍。,二、圍巖壓力的類型,松動壓力 由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力稱為松動壓力。松動壓力按作用在支護上的力的位置不同，分為豎向壓力和側向壓力。 形變壓力 圍巖變形受到支護約束而產生的壓力。除與

16、圍巖應力有關外，還與支護時間及其剛度有關。柔性支護可產生一定位移而使形變壓力減小，宜大力推廣。但需及時設置襯砌，以免圍巖位移過大而形成松動壓力，不利于結構受力和正常施工。按圍巖的本構特性（主要指巖土材料的應力-應變關系）和受力程度,可以有彈性、塑性和粘性等不同性質的形變壓力。 松動壓力和形變壓力經常同時存在。但以地質條件、支護類型和施工方法等不同而以某一種為主。如在松散地層中采用現澆混凝土襯砌而回填不密實時，通常以松動壓力為主；則以形變壓力為主。形變壓力常隨時間推移而逐漸加大，最終才趨于穩(wěn)定。 膨脹壓力 當巖體具有吸水、應力解除等膨脹性特征時，由于圍巖膨脹所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與變形壓力

17、的基本區(qū)別在于它是有吸水、應力解除等膨脹引起的。,第二節(jié) 洞室圍巖的變形與破壞,當圍巖應力已經超過巖體的極限強度時，圍巖發(fā)生破壞。 當圍巖應力的量級介于巖體的極限強度和長期強度之間時，圍巖需經瞬時的彈性變形及較長時期蠕動變形的發(fā)展方能達到最終的破壞，通常可根據圍巖變形歷時曲線變化的特點而加以預報。 當圍巖應力的量級介于巖體的長時間強度及蠕變臨界應力之間時，圍巖除發(fā)生瞬時的彈性變形外，還要經過一段時間的蠕動變形才能達到最終的穩(wěn)定。 當圍巖應力小于巖體的蠕變臨界應力時，圍巖將于瞬時的彈性變形后立即穩(wěn)定下來。,圍巖變形破壞形式取決于圍巖應力狀態(tài)、巖體結構及洞室斷面形狀等因素,根據土力學方面的研究表明

18、，土受力大于一定程度時，其受力特征是復雜且無法準確預判的，同樣多種作用下的綜合效應使隧道與地下工程圍巖的穩(wěn)定性變得難以推斷，然而其穩(wěn)定性影響的因素主要包括了：結構面走位特征，巖體及其巖石的力學性質，含水狀況，巖體本身的結構特性，地下應力狀態(tài)分布等地質因素。圍巖在開挖后，會不可避免的破壞當地元有的地應力平衡狀態(tài)，而力會沿著最短距離抵消阻力的領空面方向移動，重新產生新的平衡，因此該文主要介紹了圍巖受力變化規(guī)律及其破壞的類型。,二、圍巖的破壞類型,（一）定圍懸垂與坍落 頂圍懸垂與坍落也稱冒頂，指地下開采中，上部礦巖層自然塌落的現象是由于開采后，原先平衡的礦山壓力遭到破壞而造成的。,其根本原因在于開采

19、過程中礦山壓力的活動所造成。頂板的礦山壓力活動過程中發(fā)生不同程度的變形，先是沿著頂板節(jié)理出現裂隙，產生離層現象。此時，如果頂板管理不當，支護質量不好，壓力繼續(xù)增大，巖石變形超過彈性變形極限，就會出現斷裂、垮落、片幫或局部冒頂。從發(fā)生冒頂事故的原因分析，有的屬于對客觀事物的認識不足，而較多的則是現場管理不善所造成。,定圍懸垂與坍落的事故發(fā)生：,（二）側圍突出與滑塌,側圍突出與滑塌也稱垮幫。在洞室開挖的圍巖變形初期，側圍輪廓會發(fā)生明顯突出而不產生破壞，這在直立層巖體中最為典型。,（三）底圍膨脹與隆破,底圍膨脹與隆破也稱底鼓，洞室開挖的圍巖變形初期，底圍巖體總是或大或小、或隱或現地發(fā)生鼓脹現象，但仍

20、不失其完整性、因而在一般情況下，這種現象極其不明顯，難以觀察。,（四）圍巖縮徑,圍巖縮徑也稱全面鼓脹。洞室開挖中或開挖后，圍巖變形可同時出現在頂圍、側圍底圍之中，它可因所處地質條件或施工措施不同，而在某一或某些地方上表現得明顯些。,（五）巖爆,巖爆是高地應力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖產生突發(fā)性變形破壞的現象,巖爆,地下開挖,周邊巖體中應力高度集中，積聚于較高的彈性應變能,當圍巖中應力超過巖體容許極限狀態(tài),高天然應力彈脆性巖體,巖爆的形成過程,（1）巖爆的產生條件,1)圍巖應力條件 判斷巖爆發(fā)生的應力條件有兩種方法： 一是用洞壁的最大環(huán)向應力與圍巖單軸抗壓強度c之比值作為巖爆產生的

21、應力條件； 一是用天然應力中的最大主應力1與巖塊單軸抗壓強度c之比進行判斷。,（2） 影響巖爆的因素,1)地質構造 實踐表明，巖爆大都發(fā)生在褶皺構造中。 巖爆與斷層、節(jié)理構造也有密切的關系。調查表明，當掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時，將觸發(fā)巖爆。 巖體中節(jié)理密度和張開度對巖爆也有明顯的影響。據南非金礦觀測表明，節(jié)理間距小于40cm，且張開的巖體中，一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時，也將發(fā)生巖爆。 2)洞室埋深 隨著洞室埋深增加，巖爆次數增多，強度也增大。發(fā)生巖爆的臨界深度H可按下式估算：,（3）巖爆形成機理和圍巖破壞區(qū)分帶,巖爆的孕育、發(fā)生和發(fā)展過程，分為三個階段。 1)劈裂成板階段

22、（巖爆孕育） 垂直洞壁方向受張應力作用而產生平行于最大環(huán)向應力的板狀劈裂。 僅在洞壁表部，部分板裂 巖體脫離母巖而剝落，而 無巖塊彈射出現。 2)剪切成塊階段(巖爆的醞釀) 劈裂巖板向洞內彎曲，發(fā)生 張剪復合破壞。 處于爆裂彈射的臨界狀態(tài)。 3)塊、片彈射階段 劈裂、剪斷巖板，產生響聲 和震動。 巖塊發(fā)生彈射，巖爆形成。,上述巖爆三個階段構成的漸進性破壞過程都是很短促的。各階段在演化的時序和發(fā)展的空間部位，都是由洞壁向圍巖深部依次重復更迭發(fā)生的。因此，巖爆引起的圍巖破壞區(qū)可以分彈射帶、劈裂-剪切帶和劈裂帶等三帶。 綜上所述，巖爆是地下工程中與地殼巖體內動力作用有關的地質災害，它不僅與巖體天然應

23、力狀態(tài)密切相關，而且與巖體的力學屬性有關。巖爆的發(fā)生還受到地質構造、洞室埋深、形狀、施工方法及爆破震動等因素的影響。并可根據巖爆顯現的各種物理力學現象對巖爆進行預測預報，采取相應的消除和控制措施，以減少其災害損失。,第三節(jié) 地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析,一、影響圍巖穩(wěn)定的因素 影響地下洞室圍巖穩(wěn)定的因素有自然的，也有人為的。自然因素中起控制作用的主要是巖性，巖體結構、地質結構、地下水與巖溶結構、構造應力等。,主講人：蒲磊,（一）巖性,巖性是影響圍巖穩(wěn)定的基本因素之一，洞室位置應盡量選在堅硬完整巖石中。 巖漿巖、厚層堅硬的沉積巖及變質巖，圍巖的穩(wěn)定性好，適于修建大型的地下工程。 凝灰?guī)r、粘土巖、頁巖、膠結不好的砂礫巖、千枚巖及某些片巖，穩(wěn)定性差，不宜建大型地下洞室。 松散及破碎巖石穩(wěn)定性極差，選址時應盡量避開。 此外，巖層的組合特征對圍巖穩(wěn)定也有重要影響。一般軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，穩(wěn)定性差。層狀巖體的層次愈多，單層厚度愈薄，穩(wěn)定性愈差。均質厚層及塊狀巖體穩(wěn)定性好。,（二）巖體結構,1、方頂塊分離體 巖體結構 2、尖頂塊分離體,（三）地質構造,地質構造破壞巖體的完整性，影響圍巖的穩(wěn)定性。,（四）地下水與巖溶,在巖溶含水層的飽水帶頂部，具有連續(xù)性的較規(guī)則的地下水面，即巖溶潛水面。這個面的各部位具有程度不同的水力聯系。,（五）構造應力