岩石力学课程Chapter8[高教课堂]

1、1教学运用 2教学运用 边坡：边坡： 土质边坡土质边坡均匀介质，滑动面主要受应力条件控制均匀介质，滑动面主要受应力条件控制 岩质边坡岩质边坡 混合边坡混合边坡土质和岩质的结合面土质和岩质的结合面 3教学运用 p 岩坡的特点岩坡的特点 岩坡岩坡顾名思义，由岩体构成的边坡，由于岩体结构复杂，由断层，顾名思义，由岩体构成的边坡，由于岩体结构复杂，由断层， 节理，裂隙切割岩块极不规则，因此，岩坡的稳定性主要由结构面产状节理，裂隙切割岩块极不规则，因此，岩坡的稳定性主要由结构面产状 及组合形式控制。及组合形式控制。 p 影响岩坡稳定的主要因素影响岩坡稳定的主要因素 1.岩体结构（控制性结构面）岩体结构（

2、控制性结构面） 2.降雨：结构面强度参数降低；渗透压力降雨：结构面强度参数降低；渗透压力 3.地震地震 4.开挖，爆破开挖，爆破 5.蓄水等蓄水等 4教学运用 p 岩坡失稳表现形式岩坡失稳表现形式 1. 岩崩岩崩高陡边坡，坡顶岩体由风化，冻融，松动压力等因素作用高陡边坡，坡顶岩体由风化，冻融，松动压力等因素作用 而脱离并向坡脚堆积而脱离并向坡脚堆积 2. 滑坡滑坡边坡残岩及岩体，沿着软弱结构面或剪断岩体，向临空方边坡残岩及岩体，沿着软弱结构面或剪断岩体，向临空方 向滑动向滑动 5教学运用 青青 海海 化化 隆隆 至至 循循 化化 公公 路路 危危 岩岩 体体 南南 昆昆 铁铁 路路 八八 渡渡

3、 滑滑 坡坡 川川 藏藏 公公 路路 滑滑 坡坡 6教学运用 云南元磨高速公路云南元磨高速公路 砂泥岩高边坡滑坡砂泥岩高边坡滑坡 三峡库区奉节县城古滑坡三峡库区奉节县城古滑坡 7教学运用 贵州印江岩口滑坡贵州印江岩口滑坡 堵江成坝堵江成坝 黄河李家峡水电站黄河李家峡水电站2#滑坡滑坡 8教学运用 黄河李家峡水电站黄河李家峡水电站 坝前滑坡坝前滑坡 小湾电站左坝肩边坡高小湾电站左坝肩边坡高 500m，6#山头发生山头发生10万万 m3崩塌崩塌 9教学运用 p 滑坡类型滑坡类型 1. 平面滑动平面滑动由一个或多个走向与坡面近于平行的滑裂由一个或多个走向与坡面近于平行的滑裂 面构成，且顺走向方向的长

4、度远大于坡高面构成，且顺走向方向的长度远大于坡高-可简化为平面滑动可简化为平面滑动 分析分析 2. 楔形滑动楔形滑动沿多个滑裂面交线滑动沿多个滑裂面交线滑动 “空间滑坡空间滑坡” 按空间问题分析按空间问题分析 3. 旋转滑动旋转滑动指滑裂面呈弧状，滑块绕一中心位置旋转指滑裂面呈弧状，滑块绕一中心位置旋转 滑动，多发生于土质边坡或均质岩坡滑动，多发生于土质边坡或均质岩坡 10教学运用 p 滑坡的单一指标分类滑坡的单一指标分类 序序 号号 分类指标分类指标类类 型型 1按滑体物质组成按滑体物质组成 土质滑坡土质滑坡 岩质滑坡岩质滑坡 2 按滑体受力状态按滑体受力状态牵引式（后退式）滑坡牵引式（后退

5、式）滑坡 推动式滑坡推动式滑坡 3按滑坡发生时代按滑坡发生时代 古滑坡（全新世以前的）古滑坡（全新世以前的） 老滑坡（全新世以来发生，现未活动）老滑坡（全新世以来发生，现未活动） 新滑坡（正在活动）新滑坡（正在活动） 4按主滑面与层面的关系按主滑面与层面的关系 顺层滑坡顺层滑坡 切层滑坡切层滑坡 5按滑坡的规模按滑坡的规模 小型滑坡（小型滑坡（10万立方米）万立方米） 中型滑坡（中型滑坡（10万万50万立方米）万立方米） 大型滑坡（大型滑坡（50万万100万立方米）万立方米） 特大型（巨型）滑坡（特大型（巨型）滑坡（100万立方米）万立方米） 11教学运用 p 滑坡的单一指标分类滑坡的单一指标

6、分类 序序 号号分分 类类 指指 标标类类 别别 6按滑体含水状态按滑体含水状态 一般滑坡一般滑坡 塑性滑坡塑性滑坡 塑流性滑坡塑流性滑坡 7 按滑体的厚度按滑体的厚度 浅层滑坡（厚度浅层滑坡（厚度H6M） 中层滑坡中层滑坡(6MH20M) 厚层滑坡厚层滑坡(20MH50M) 8按滑面出口的位置按滑面出口的位置 坡体滑坡坡体滑坡 坡基滑坡坡基滑坡 9按滑坡滑动速度按滑坡滑动速度 缓慢滑坡缓慢滑坡 间歇性滑坡间歇性滑坡 崩塌性滑坡崩塌性滑坡 高速滑坡高速滑坡 12教学运用 p 滑坡的综合指标分类滑坡的综合指标分类 按滑体物质按滑体物质按主滑动面成因按主滑动面成因按滑体厚度按滑体厚度 粘性土滑坡粘

7、性土滑坡 黄土滑坡黄土滑坡 堆积土滑坡堆积土滑坡 堆填土滑坡堆填土滑坡 岩石滑坡岩石滑坡 破碎岩石滑坡破碎岩石滑坡 层面滑坡层面滑坡 堆积面滑坡堆积面滑坡 构造面滑坡构造面滑坡 同生面滑坡同生面滑坡 浅层滑坡浅层滑坡 中层滑坡中层滑坡 厚层滑坡厚层滑坡 巨厚层滑坡巨厚层滑坡 13教学运用 p 滑坡的基本要素滑坡的基本要素 图图1-4 滑坡要素平、剖面示意图滑坡要素平、剖面示意图 1.滑坡体；2.滑坡周界；3.滑坡壁；4.滑动面；5.滑坡床；6.滑坡剪出口；7.滑坡舌与滑坡鼓丘； 8.滑坡台阶；9.滑坡后缘；10.滑坡前缘；11.滑坡洼地（滑坡湖）；12.拉张裂缝；13.剪切 裂缝；14.羽状裂

8、缝；15.鼓胀裂缝；16.扇形裂缝； 17.牵引性裂缝； 18.主滑线 14教学运用 p 有限元法 p 离散元法 p DDA法 p 拉格朗日元法 p 刚体极限平衡法 p 无单元法 l传统有限元方法（E,P） l有限元强度折减法 l有限元超载法 l圆弧法 l块体法（二维、三维） 15教学运用 对于土坡，由于没有明显的软弱结构面，对于土坡，由于没有明显的软弱结构面， 滑动面多呈圆弧状，采用圆弧法对于均质岩滑动面多呈圆弧状，采用圆弧法对于均质岩 坡也可借用。坡也可借用。 基本原理基本原理 1. 假定坡体沿假定坡体沿O点旋转滑动点旋转滑动 2. 条分（条分（610条）条） 3. 计算第计算第i条条 i

9、i sinW滑动力滑动力 RlctgcosWM iiiiiiR 阻滑力矩阻滑力矩 RsinWM iiiS 滑动力矩滑动力矩 i W重量重量 16教学运用 n i ii n i iiiii n i iS n i iS s sinW lctgcosW M M K 1 1 1 1 滑动力矩 抗滑力矩 特点特点：由于圆心：由于圆心O及滑面是任意假设的，需试验确定及滑面是任意假设的，需试验确定(Ks)min 和最和最 危险滑面位置，实际计算，可查有关设计手册，教材进行危险滑面位置，实际计算，可查有关设计手册，教材进行 基本原理基本原理 对于土坡，由于没有明显的软弱结构面，对于土坡，由于没有明显的软弱结构

10、面， 滑动面多呈圆弧状，采用圆弧法对于均质岩滑动面多呈圆弧状，采用圆弧法对于均质岩 坡也可借用。坡也可借用。 4. 计算滑坡安全系数计算滑坡安全系数 17教学运用 cosVsinW tgsinVUcosWLc F ii s 滑动力 抗滑力 关于关于L，W参数详细计算见书参数详细计算见书P197。 基本原理基本原理 基本假定基本假定：坡体中存在倾角：坡体中存在倾角，走向，走向 坡面的结坡面的结 构面，坡顶由于风化等因素，形成张开裂隙，深度构面，坡顶由于风化等因素，形成张开裂隙，深度 Z，其中水，其中水 ，边坡坡高，边坡坡高H，坡角，坡角 稳定分析稳定分析：ABCD岩块稳定安全系数岩块稳定安全系数

11、CD裂隙裂隙 面面沿沿BA滑动滑动 cosVsinW滑动力滑动力 ii tgsinVUcosWLc阻滑力阻滑力 18教学运用 一、滑坡体中无软弱结构面情况一、滑坡体中无软弱结构面情况 岩坡受二条结构面切割，形成双平面滑动情况（岩坡受二条结构面切割，形成双平面滑动情况（AB+BC）分析较单）分析较单 一滑面复杂一滑面复杂 主要特点：方程数少于待求未知数主要特点：方程数少于待求未知数补充条件方程求解。补充条件方程求解。 2 22 2 22 S Fc S Nf K AB面阻滑力面阻滑力 假定滑块安全系数假定滑块安全系数K 则当滑面则当滑面AB与与BC阻滑力降低阻滑力降低K倍，滑块即处倍，滑块即处 于

12、极平衡。于极平衡。 BC面阻滑力面阻滑力 1 11 1 11 S Fc S Nf K 19教学运用 0 y F 22112211 sinSsinScosNcosNW 0 x F 22112211 cosScosSsinNsinN KNN、四个方程涉及 2121 SS 12 111222 (cossin)(cossin) ff NN KK 1122 12 sinsin c Fc F W KK 121122 11122212 (sincos)(sincos)coscos ffc Fc F NN KKKK 补充条件：滑块补充条件：滑块ABCD滑动时，必然离开滑动时，必然离开AB面，即面，即N10 2

13、0教学运用 二、滑坡体中存在软弱面情况二、滑坡体中存在软弱面情况 在在ABC滑体中存在滑体中存在BD软弱结构面，软弱结构面，切割切割 ABC块体为块体为ABD+BCD两块刚体。两块刚体。存在相互存在相互 错动，作用力错动，作用力P。 分析思路：分析思路：1.分别分析分别分析ABD+BCD两块；两块； 2.建立两块间的联系建立两块间的联系 A C B S2 N1 W1 2 1 N2 S1 D P S N 软弱面 具体常用两种方法具体常用两种方法 1. 不平衡推力法不平衡推力法 2. 等等K法法 21教学运用 二、滑坡体中存在软弱面情况二、滑坡体中存在软弱面情况 1）计算第块不平衡推力）计算第块不

14、平衡推力P(滑块在滑面滑块在滑面S 1+P作用下极限平衡作用下极限平衡) A C B S2 N1 W1 2 1 N2 S1 D P S N 软弱面 1. 不平衡推力法不平衡推力法 P D S1 1 W1 N1 B A B D C 2 N2 S2 W2 2 2 P 沿沿AB滑面平衡条件：滑面平衡条件： 111 sinWPS 111111111 sinsin()PWSWc Ff N 沿沿AB法向：法向： 111 cosNW 1111111 sin(cos)PWc FfW 22教学运用 二、滑坡体中存在软弱面情况二、滑坡体中存在软弱面情况 2）分析第块：分析第块： A C B S2 N1 W1 2

15、1 N2 S1 D P S N 软弱面 1. 不平衡推力法不平衡推力法 P D S1 1 W1 N1 B A B D C 2 N2 S2 W2 2 2 P 沿沿BC滑面滑面： 沿沿BC滑面滑面法向：法向： 22212 sincos()SWP 22212 cossin()NWP 2222212 2212 cossin() sincos() c FfWP K WP 岩坡整体安全系数岩坡整体安全系数 23教学运用 二、滑坡体中存在软弱面情况二、滑坡体中存在软弱面情况 2. 等等K法法 块：块： 抗滑力抗滑力1111111111 ()(cos)SPc Ff NPc FfWP 滑动力滑动力 11 sin

16、W 块：块： 抗滑力抗滑力 222222222212 cossin()Sc Ff Nc Ff WP 滑动力滑动力2212 sincos()WP 11111 1 11 cos sin c Ff WP KK W 2222212 2 2212 cossin() sincos() c Ff WP KK WP 24教学运用 假定假定n个岩块组成平面滑坡体，第个岩块组成平面滑坡体，第i块，滑面倾角块，滑面倾角i，作用力，作用力Si,Ni，假，假 定多滑块具有相同定多滑块具有相同K（即等（即等K法）法） N1 1 S1 P1 S2 N2 2 P2 Pi-1 Pi i i Pn-1 n-1 n-1 Sn Nn

17、 n n 设第设第i块作用于块作用于i+1块不平衡推力块不平衡推力Pi，方向平行于第，方向平行于第i滑面：滑面： Pi-1 i-1i - Wi i Ni Si Pi 抗滑力抗滑力 () iiiiiii SPc Ff NP 滑动力滑动力 11 cos()sin iiiii PW 11 cossin() iiiiii NWP 正应力正应力 25教学运用 考虑第考虑第i块抗滑安全系数块抗滑安全系数: 11 () cos()sin iiiii iiiii c Ff NP K PW 11 11 (cossin() cos()sin iiiiiiiii iiiii c Ff WPP K PW 将将Ni代入

18、，可导出：代入，可导出： 同理：第同理：第n块（最后一块）块（最后一块） 11 11 cossin cos()sin nnnnnnnn nnnnn fWPc F K PW nnnnn Sf Nc F 11 cos()sin nnnnn PW 11 cossin() nnnnnn N WP 由（由（13）式可看出，要计算最后一块）式可看出，要计算最后一块K，须先计算，须先计算Pn-1即需要由（即需要由（12） 式递推公式，逐块计算式递推公式，逐块计算P1，P2Pn-1(其中：其中：P1计算时，计算时，P0=0)26教学运用 基本假定 “精确精确”解析解解析解 与工程实际不符与工程实际不符“精确精

19、确” 求解的过程与方法求解的过程与方法精确精确 基本假定基本假定 ？ 数学解析方法 刚塑性假定刚塑性假定 同时破坏假定同时破坏假定 不考虑滑床变形不考虑滑床变形 无法考虑开挖无法考虑开挖 刚体极限平衡法刚体极限平衡法 1.1 误差的由来误差的由来 误差误差 27教学运用 1.2 刚体极限平衡法存在的不足刚体极限平衡法存在的不足 强度参数的选取 计算方法的局限 不符合“潘家铮极大值原理” 适用范围单一 评价方法单一 破坏标准的判定 破坏的标准是按照滑动面同时破坏而制定的，并没有考虑滑坡的渐进破坏 在计算中要么选取峰值强度，要么选取残余强度，没有考虑峰值强度向 残余强度的变化 无法模拟边坡施工过程

20、、开挖引起的二次应力场，加固措施、加固 时机、渗流、地震等作用的影响 无法体现出滑面上的拉剪应力的传递与转移及滑体内部的内力调整， 滑面将发挥最大抗滑能力的特性 只能模拟均质性较强的土质边坡，无法模拟真实岩质边坡的非均质、 各向异性的性态以及连续变形与非连续变形的破坏模式 只能模拟均质性较强的土质边坡，无法模拟真实岩质边坡的非均 质、各向异性的性态以及连续变形与非连续变形的破坏模式 28教学运用 有限单元法是目前应用最广泛的数值分析方法。它由 于部分地考虑了边坡岩体的非均质、不连续介质特征，考 虑了岩体的应力应变特征，可以避免将坡体视为刚体、过 于简化边界条件的缺点，能够接近实际地从应力应变特

21、征 分析边坡的变化破坏机制，对了解边坡的应力分布及应变 位移变化很有利。 它的基本思想是将一个连续体离散化，变换成有限数 量的有限大的单元集合，这些单元之间只通过结点来连接 和制约，用变换后的结构系统代替实际的系数采用标准的 结构分析来进行处理。 29教学运用 符合滑坡实际的破坏模式 引入塑性理论，随拉剪应力超限，强度参数由峰值 强度向残余强度转化 符合潘家铮“极大值原理”，能反映滑坡破坏的内力与 应力的调整 能够模拟各种性态的滑坡 均质性较强的土质滑坡；非均质、各向异性的岩质滑坡 评价方法全面 既能稳定性控制，又能整体、局部的变形控制 30教学运用 2.1 传统有限元法（弹性,弹塑性分析）

22、tan i niii s i ni Cl F l 滑动面的模拟界面单元、摩擦单元 通过有限元方法模拟真实条件下边坡的岩层、断层、风化层参 数与工程性状，获得接近真实情况下的应力、变形等成果 安全系数界面单元、摩擦单元的分析成果 （法向应力与剪切应力成果） 弹性分析 弹塑性分析 不考虑拉应力 tantan ii niiimiii sii ii nm ClCl F ll 初级思想 31教学运用 2.3 有限元超载法 s F 临界滑动条件下诱发失稳荷载 边坡现状条件下同性质不利荷载 *临界滑动条件的判定标准 、不收敛；、发散；、折减过程中位移曲线的突变点 理想弹塑性不计残余强度，峰值强度=残余强度 弹塑软化计入残余强度 *计算的过程 *超载的方式 32教学运用 2.2 有限元强度折减法 *临界滑动条件的判定标准 、不收敛；、发散；、折减过程中位移曲线的突变点 *折减的内容 、所有结构面按同一比例同时