11地基岩体稳定性的工程地质分析图文

1、以挡水建筑物为例。以挡水建筑物为例。n 一般认为，坝基所承受的垂直荷载呈一般认为，坝基所承受的垂直荷载呈三角形三角形分布，分布，即在上游坝踵处垂直荷载为零，然后线性增大，至下即在上游坝踵处垂直荷载为零，然后线性增大，至下游坝趾处达到最大值。这是坝重及库水推力所造成的游坝趾处达到最大值。这是坝重及库水推力所造成的力偶共同作用的结果。力偶共同作用的结果。n 坝基所承受的水平荷载是由库水推力作用在坝体坝基所承受的水平荷载是由库水推力作用在坝体上，然后通过坝底面的摩擦力而传至地基的。由于垂上，然后通过坝底面的摩擦力而传至地基的。由于垂直荷载为三角形分布，故由底面摩擦力而传给地基的直荷载为三角形分布，故

2、由底面摩擦力而传给地基的水平荷载也必然呈类似的水平荷载也必然呈类似的三角形分布三角形分布。n 计算结果表明：计算结果表明：在坝上游面附近的坝基上部存在在坝上游面附近的坝基上部存在一个水平拉应力分布区一个水平拉应力分布区。如前所述，在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇如前所述，在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇到像团结水库土坝那样的到像团结水库土坝那样的坝坡坍滑问题坝坡坍滑问题。根据实地观。根据实地观察，坝坡坍滑通常有两种类型。察，坝坡坍滑通常有两种类型。n 一种是滑动的速度相对比较一种是滑动的速度相对比较缓慢缓慢，所涉及的地基滑，所涉及的地基滑动部分的动部分的范围相对较小范围相对较小。n 另一种类型

3、是坍滑的速度另一种类型是坍滑的速度很快很快，坍滑所涉及的地基，坍滑所涉及的地基的的范围可以很大范围可以很大。例如美国另一个高仅。例如美国另一个高仅9m的土堤，在的土堤，在不到一分钟的时间内不到一分钟的时间内300m长的堤顶下陷了长的堤顶下陷了4.5m，坍滑，坍滑所涉及的地基土水平方向的范围扩展到距堤脚约所涉及的地基土水平方向的范围扩展到距堤脚约45m的地方。的地方。实地观察表明，第一类坍滑一般是发生在地基实地观察表明，第一类坍滑一般是发生在地基土层中存在有饱水的塑性软粘土或淤泥夹层的情况土层中存在有饱水的塑性软粘土或淤泥夹层的情况下下图图11-14(a)，而且地基中的滑动面都是通过这一，而且地

4、基中的滑动面都是通过这一软粘土层的中部；第二类坍滑通常发生在地基土层软粘土层的中部；第二类坍滑通常发生在地基土层中发育有软粘土，且其中部夹有砂或粉砂之类的薄中发育有软粘土，且其中部夹有砂或粉砂之类的薄层或透镜体层或透镜体如图如图l1-14(b)，滑动面就通过这种部位。，滑动面就通过这种部位。 n显然，显然，坝坡坍滑问题取决于促使坝坡滑动的力与坝坡坍滑问题取决于促使坝坡滑动的力与阻止其滑动的力之间的对比。当阻滑力大于滑动阻止其滑动的力之间的对比。当阻滑力大于滑动力时坝坡将是稳定的，否则就会发生滑动。力时坝坡将是稳定的，否则就会发生滑动。 从图从图1115中可以看出，作用在滑动面中可以看出，作用在

5、滑动面ab上的上的滑动力，等于作用在坝坡上下两端截面滑动力，等于作用在坝坡上下两端截面aa1和和bb1上的上的土压力的差值，即：土压力的差值，即： p滑滑papb （1112） 由土力学中得知，由土力学中得知， pa相当于主动土压力，可根相当于主动土压力，可根据下式求得：据下式求得：（1113） 对于前述第二类情况，在坝体堆砌过程中对于前述第二类情况，在坝体堆砌过程中ab面上面上的滑动力的滑动力p滑滑与抗滑力与抗滑力s2的变化如图的变化如图1116所示。抗滑所示。抗滑力力s2之所以不断减小，是因为随着地表荷载的增大，之所以不断减小，是因为随着地表荷载的增大，软粘土层中的水不仅要通过其顶底面向上

6、下砂土层中软粘土层中的水不仅要通过其顶底面向上下砂土层中排出，而且也要不断的流向中部的薄砂层，致使薄砂排出，而且也要不断的流向中部的薄砂层，致使薄砂层中的空隙水压力不断增大，有效压力层中的空隙水压力不断增大，有效压力(qx-pw)不断减不断减小，当小，当pw增大至接近增大至接近qx时，有效压力变得很小，甚至时，有效压力变得很小，甚至趋近于零。由于砂土的趋近于零。由于砂土的c=0，所以此时，所以此时ab面上砂土的面上砂土的抗滑力抗滑力s20。由于这类坍滑通常时在抗滑力很低的。由于这类坍滑通常时在抗滑力很低的情况下发生的（图情况下发生的（图1116），故坍滑的速度一般较大。），故坍滑的速度一般较大

7、。q当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层挖除，当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层挖除，然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上。然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上。q当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取相应当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取相应的排水措施，以便较快的减少该层中的超空隙水压的排水措施，以便较快的减少该层中的超空隙水压力；力；q在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进度的在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进度的方法，使土层预先沉陷或逐渐排水压实，以提高地方法，使土层预先沉陷或逐渐排水压实，以提高地基的抗滑能力。基的抗滑能力。 通常可用通常可用.叶甫道基莫夫的图解法或叶甫道基莫

8、夫的图解法或b.b.索科洛索科洛夫斯基的理论公式加以计算。夫斯基的理论公式加以计算。 但是，当这类挡水结构物作用在此种地基上的但是，当这类挡水结构物作用在此种地基上的垂直荷载小于地基的临塑荷载（即按荷载性区最大垂直荷载小于地基的临塑荷载（即按荷载性区最大深度深度zmax=0求出的荷载）时，如果建筑物在库水水求出的荷载）时，如果建筑物在库水水平推力的作用下发生滑动，则只能是沿基础底面的平推力的作用下发生滑动，则只能是沿基础底面的表层滑动。此时，其抗滑稳定性可按下式验算：表层滑动。此时，其抗滑稳定性可按下式验算：hvcpcapfk(1116) pv 作用地基表面的垂直总荷载（作用地基表面的垂直总荷

9、载（t）; ph 作用在挡水建筑物上的水平总荷载（作用在挡水建筑物上的水平总荷载（t）; f . c 分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力；分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力；a 基础底面的面积；基础底面的面积； kc安全系数。安全系数。 一般认为，一般认为， kc45是稳定的是稳定的。坚硬岩石地基的变形性常远较松软土地基为小，坚硬岩石地基的变形性常远较松软土地基为小，故对于一般的水工建筑物，研究其基础沉陷的绝对故对于一般的水工建筑物，研究其基础沉陷的绝对值往往没有多大实际意义。但是，由于建筑在岩基值往往没有多大实际意义。但是，由于建筑在岩基上的坝大多数是具有较大刚性的，它们对不均匀沉上

10、的坝大多数是具有较大刚性的，它们对不均匀沉陷非常敏感，因此研究因岩石地基的不均匀变形所陷非常敏感，因此研究因岩石地基的不均匀变形所造成的不均匀沉陷，对于保证这类大坝的稳定有很造成的不均匀沉陷，对于保证这类大坝的稳定有很大的实际意义。大的实际意义。n 岩石地基的不均匀变形通常是由下列因素造成岩石地基的不均匀变形通常是由下列因素造成的。的。试验研究的资料表明，由于坝基岩体特征不试验研究的资料表明，由于坝基岩体特征不同，重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三同，重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型，即：表面滑动、浅部（层）滑动和深种不同类型，即：表面滑动、浅部（层）滑动和深部（层）滑

11、动。部（层）滑动。n 破坏形式：接触面的剪切破坏。破坏形式：接触面的剪切破坏。n产生的岩体条件：坝基岩体的强度远大于坝体混产生的岩体条件：坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面。凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面。 n 表面滑动是沿混凝土基础与基岩接触面发生的剪表面滑动是沿混凝土基础与基岩接触面发生的剪切滑动，如图切滑动，如图11-31。主要发生在坝基岩体的强度远。主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面的条件下。此时，混凝士基础与基岩接软弱结构面的条件下。此时，混凝士

12、基础与基岩接触面的摩擦系数值，是控制重力坝设计的主要指标。触面的摩擦系数值，是控制重力坝设计的主要指标。坝体必须具有足够的重量，以便使接触面上的摩擦坝体必须具有足够的重量，以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力。阻力大于作用在坝体上的总水平推力。n 这个接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验这个接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验资料，考虑到坝区的工程地质、水文地质条件的资料，考虑到坝区的工程地质、水文地质条件的n特点，并参照国内外已建的类似工程的经验数据特点，并参照国内外已建的类似工程的经验数据确定的。当基岩面由不同岩石组成时，接触面的摩确定的。当基岩面由不同岩石组成时，接触

13、面的摩擦系数的综合指标值，一般按面积加权平均法或应擦系数的综合指标值，一般按面积加权平均法或应力加权平均法求得。力加权平均法求得。n 我国一些已建成的大坝工程所采用的摩擦系数我国一些已建成的大坝工程所采用的摩擦系数资料列于表资料列于表11-1。一是坝基岩体的岩性软弱，岩石本身的抗剪强一是坝基岩体的岩性软弱，岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面故在库水推力度低于坝体混凝土与基岩的接触面故在库水推力作用下，易于沿表层岩体的内部发生如图作用下，易于沿表层岩体的内部发生如图11112222所所示的剪切破坏。（示的剪切破坏。（浅层岩体的剪切破坏浅层岩体的剪切破坏）二是由近水平产出的薄层状岩层二

14、是由近水平产出的薄层状岩层( (特别是夹有特别是夹有软弱层者软弱层者) )组成的坝基，在库水推力作用下，组成的坝基，在库水推力作用下，产生如图产生如图11-23所示的所示的滑移弯曲滑移弯曲。这类变形破坏的产。这类变形破坏的产生主要是因为薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很生主要是因为薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低，在平行于层理方向的荷载作用下，易于产生突低，在平行于层理方向的荷载作用下，易于产生突向临空面方向的弯曲变形，故在水平荷裁作用下，向临空面方向的弯曲变形，故在水平荷裁作用下，坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力，于是促进了

15、坝基整体滑动的发生。层滑动的抗力，于是促进了坝基整体滑动的发生。在平行于层理方向的荷载作用下，层状岩体的在平行于层理方向的荷载作用下，层状岩体的抗弯曲能力称为弯曲阻抗抗弯曲能力称为弯曲阻抗rb(buckling resistance)，通常可根据通常可根据euler所提出的下述公式进行计算所提出的下述公式进行计算:由上式可见，岩层的抗弯曲能力与弯曲所涉由上式可见，岩层的抗弯曲能力与弯曲所涉及的层厚的三次方成正比，故下游岩层的抗弯曲能及的层厚的三次方成正比，故下游岩层的抗弯曲能力随所涉及的岩层厚度的增加而迅速增大，所以这力随所涉及的岩层厚度的增加而迅速增大，所以这类变形破坏通常总是发生在浅部地层

16、内。我国葛洲类变形破坏通常总是发生在浅部地层内。我国葛洲坝工程抗力体试验的结果充分地反映出这类岩体的坝工程抗力体试验的结果充分地反映出这类岩体的上述变形破坏机制。上述变形破坏机制。第三种类型是碎裂结构岩休组成的坝基在坝第三种类型是碎裂结构岩休组成的坝基在坝体推力作用下发生如图体推力作用下发生如图11-24所示的所示的剪动滑移破坏剪动滑移破坏。图图11-24所示的是克尔斯曼诺维奇等人所进行所示的是克尔斯曼诺维奇等人所进行的块体节理模型试验的结果。它表明，承受斜向均的块体节理模型试验的结果。它表明，承受斜向均布荷裁作用的这类地基，在荷载逐渐增大的过程中，布荷裁作用的这类地基，在荷载逐渐增大的过程中

17、，其变形、破坏的发展通常分为如下三个阶段：其变形、破坏的发展通常分为如下三个阶段：n (1)在第一阶段内斜向荷载较小，附加应力的分在第一阶段内斜向荷载较小，附加应力的分布仅局限在布仅局限在af和和eg两条折线之间的岩体内。由于两条折线之间的岩体内。由于附加应力的作用，这部分岩体发生压缩变形，结果附加应力的作用，这部分岩体发生压缩变形，结果引起张裂缝沿引起张裂缝沿af和和eg线发展。线发展。n (2) 斜向荷载增大到一定程度后，沿斜向荷载增大到一定程度后，沿ab面产生面产生裂隙，并开始出现剪切滑移迹象，与此同时，沿裂隙，并开始出现剪切滑移迹象，与此同时，沿bc面也开始出现剪切的迹象，表明此面上的

18、应力面也开始出现剪切的迹象，表明此面上的应力强强度关系已达到极限平衡状态。度关系已达到极限平衡状态。(3)沿沿bc面发生明显的剪切滑动。随着滑移沿面发生明显的剪切滑动。随着滑移沿此面的发展，此面的发展，cd面也逐渐被卷入到变形破坏发展的面也逐渐被卷入到变形破坏发展的过程之中。直到过程之中。直到cd面开始被剪动之前，面开始被剪动之前，cd面抗剪面抗剪力被动用的程度是随滑移沿力被动用的程度是随滑移沿bc面的发展而逐步增大面的发展而逐步增大至极限值。至极限值。bc面抗剪强度的变化则恰相反，越过峰面抗剪强度的变化则恰相反，越过峰值后，随着滑移的发展，该面的强度则逐渐降低，值后，随着滑移的发展，该面的强

19、度则逐渐降低，即，即，bc面和面和cd面在阻滑作用中的工作点是不一致面在阻滑作用中的工作点是不一致的，因而不能同时有效地发挥作用。的，因而不能同时有效地发挥作用。 同理，当坝基内的软弱结构面倾向下游同理，当坝基内的软弱结构面倾向下游 如图如图11-25(b)11-25(b)，且当结构面与接触面的内摩擦角满足，且当结构面与接触面的内摩擦角满足d ci的条件时，该结构面就将成为滑移控制面。的条件时，该结构面就将成为滑移控制面。n同时岩体又被顺河向及横河向的两组节理切割，同时岩体又被顺河向及横河向的两组节理切割，形成平放于坝基中的楔形危险滑移体。因此，在施形成平放于坝基中的楔形危险滑移体。因此，在施

20、工中对于埋藏较浅的泥化夹层进行了开挖处理，埋工中对于埋藏较浅的泥化夹层进行了开挖处理，埋藏较深的部分也经详细计算校核，证明是稳定的，藏较深的部分也经详细计算校核，证明是稳定的，仅增加了防渗处理。仅增加了防渗处理。n (2)另一种情况是坝基岩体内另一种情况是坝基岩体内软弱结构面的发育软弱结构面的发育没有明显的分异没有明显的分异，而是不同方向的裂隙普遍有所发，而是不同方向的裂隙普遍有所发育育.此时深部滑移控制面往往是由坝基内此时深部滑移控制面往往是由坝基内最大剪应力最大剪应力带带的分布所决定。设计过程中有时需要根据这个带的分布所决定。设计过程中有时需要根据这个带的综合抗剪指标的综合抗剪指标(即裂隙

21、段的抗剪指标和完整岩石段即裂隙段的抗剪指标和完整岩石段的抗剪指标的面积加权平均值的抗剪指标的面积加权平均值)沿这个带校核坝基的沿这个带校核坝基的抗滑稳定性。抗滑稳定性。另一类是具有抗力体的滑移结构另一类是具有抗力体的滑移结构，当滑移控，当滑移控制面近于水平或倾向下游时，就是这种情况制面近于水平或倾向下游时，就是这种情况(见图见图11-30)。坝基岩体沿滑移控制面。坝基岩体沿滑移控制面a-b的滑移将首先受的滑移将首先受到坝下游岩体的抵抗，只有当下游岩体沿着某一个到坝下游岩体的抵抗，只有当下游岩体沿着某一个面例如面例如bc面被剪破之后，坝基岩体才有可能发生沿面被剪破之后，坝基岩体才有可能发生沿滑移

22、控制面滑移控制面a-b的滑动。通常将坝下游这部分能起抵的滑动。通常将坝下游这部分能起抵抗坝基滑移作用的岩体称为抗力体，它所能提供的抗坝基滑移作用的岩体称为抗力体，它所能提供的抗力的大小对坝基抗措稳定的评价有重要意义。抗力的大小对坝基抗措稳定的评价有重要意义。坝基坝基(肩肩)稳定性取决于岩体的结构条件，故在不同稳定性取决于岩体的结构条件，故在不同的岩体结构类型区，坝基的岩体结构类型区，坝基(肩肩)岩体稳定性问题有不同的岩体稳定性问题有不同的特点和规律性。为了说明这种规律性，下面拟对影响坝特点和规律性。为了说明这种规律性，下面拟对影响坝基基(肩肩)稳定性的岩体结构条件进行简要分区评述。稳定性的岩体

23、结构条件进行简要分区评述。在这类地区，产状平缓的各类原生结构面，其在这类地区，产状平缓的各类原生结构面，其中特别是广泛发育于砂页岩地层中的粘土质夹层，中特别是广泛发育于砂页岩地层中的粘土质夹层，对坝基岩体的抗滑稳定性有很大的影响。由于这类对坝基岩体的抗滑稳定性有很大的影响。由于这类夹层夹层力学强度低、亲水性强、抗风化能力弱力学强度低、亲水性强、抗风化能力弱，所以，所以对外部条件和岩体内应力状态的变化对外部条件和岩体内应力状态的变化最敏感最敏感。因此，因此，在这类夹层内常发育有反映岩体形成不同阶段的变在这类夹层内常发育有反映岩体形成不同阶段的变形形迹，如小挤压滑动面、层间揉皱和层间错动等。形形迹

24、，如小挤压滑动面、层间揉皱和层间错动等。岩层倾角在岩层倾角在30。以上，一般以上，一般40。50。，构造变形，构造变形进一步发展，各种力学成因的构造结构面均可出现。进一步发展，各种力学成因的构造结构面均可出现。其中与层面一致或倾向相反的压性结构面一般倾角其中与层面一致或倾向相反的压性结构面一般倾角较陡，只在个别情况下始出现平缓者，扭性结构面较陡，只在个别情况下始出现平缓者，扭性结构面也多是陡立的。它们组合后形成的结构体往往嵌入也多是陡立的。它们组合后形成的结构体往往嵌入地基深处，地基深处，稳定条件相对良好稳定条件相对良好。n 由于岩层倾角较大，坝基内层间软弱结构面一般由于岩层倾角较大，坝基内层

25、间软弱结构面一般不能单独形成滑移面，而要求其它结构面与之配合。不能单独形成滑移面，而要求其它结构面与之配合。当岩层走向平行河流时，层面与反倾向压性断裂共当岩层走向平行河流时，层面与反倾向压性断裂共同组成复合楔形滑移面，兼起纵向切割作用，张性同组成复合楔形滑移面，兼起纵向切割作用，张性断裂起横向切割作用。断裂起横向切割作用。n这样就构成平行流向、平放在坝基内的三角柱体这样就构成平行流向、平放在坝基内的三角柱体或尖锥体，对稳定甚为不利。当岩层走向与河流正或尖锥体，对稳定甚为不利。当岩层走向与河流正交时，应注意反倾向的压性结构面，其产状有时亦交时，应注意反倾向的压性结构面，其产状有时亦甚平缓，因而可

26、起滑移面的作用。岩层走向与河流甚平缓，因而可起滑移面的作用。岩层走向与河流斜交时坝基岩体稳定条件虽较前述情况为好，但仍斜交时坝基岩体稳定条件虽较前述情况为好，但仍应注意层间软弱结构面与反顿向压性断裂的配合时应注意层间软弱结构面与反顿向压性断裂的配合时局部地段所可能起的危害作用。例如八盘峡电站的局部地段所可能起的危害作用。例如八盘峡电站的一个导墙基础，砌置在由层间软弱结构面和反倾向一个导墙基础，砌置在由层间软弱结构面和反倾向断裂组合成的三角柱状滑体之上，在施工过程中，断裂组合成的三角柱状滑体之上，在施工过程中，由于基础下游处开挖齿槽形成了临空面，致使该滑由于基础下游处开挖齿槽形成了临空面，致使该

27、滑移体下滑了移体下滑了28m(如图如图11-40)。总的看来，在这类地区较多坝基的抗滑稳定是总的看来，在这类地区较多坝基的抗滑稳定是由混凝土与基岩接触面所控制。但是由于此类岩体由混凝土与基岩接触面所控制。但是由于此类岩体中断裂往往相当发育，故应对浅部滑动的可能性予中断裂往往相当发育，故应对浅部滑动的可能性予以充分注意。以充分注意。岩层倾角在岩层倾角在6060。以上，构造形变剧烈，各类构以上，构造形变剧烈，各类构造断裂均甚发育。由于岩层陡立，层间软弱结构面造断裂均甚发育。由于岩层陡立，层间软弱结构面一般不能起滑移控制面作用，应注意比较平缓、延一般不能起滑移控制面作用，应注意比较平缓、延续性较强的

28、扭性和与岩层倾向相反的压性结构面。续性较强的扭性和与岩层倾向相反的压性结构面。当岩层走向与河流正交时，可能出现两种滑移控制当岩层走向与河流正交时，可能出现两种滑移控制面。面。 一般说来一般说来, ,岩石坝基的强度远高于松软土地基。岩石坝基的强度远高于松软土地基。同时同时, ,由于岩石地基的强度在很大程度上决定于岩体由于岩石地基的强度在很大程度上决定于岩体中软弱结构面的发育和分布，故通常不用确定中软弱结构面的发育和分布，故通常不用确定“均均质质”土承载力的方法确定岩石坝基的允许压力。土承载力的方法确定岩石坝基的允许压力。n 岩石坝基的允许压力岩石坝基的允许压力p=p=r/5r/25n 式中：式中：r r为岩石的极限抗压强度。为岩石的极限抗压强度。n 坝基岩体的实际受力条件，应满足坝基岩体的实际受力条件，应满足p pppn式中：式中：p p为基底的最大垂直压力。为基底的最大垂直压力。n 坝基岩体的变形主要是根据应力及变形模量的坝基岩体的变形主要是根据应力及变形模量的资料