岩体力学课件第九章边坡岩体稳定性分析

1、第九章边坡岩体稳定性分析n9.1概述n9.2边坡岩体中的应力分布特征n9.3边坡岩体的变形与破坏n9.4边坡岩体稳定性分析步骤n9.5边坡岩体稳定性计算n斜坡斜坡(slope)统指地表一切具有侧向临空面的地质体，包括天然斜坡和人工边坡。n天然斜坡天然斜坡(简称斜坡）是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。n人工边坡人工边坡(简称边坡）是指经人工开挖或改造形成的斜坡。n研究目的研究目的：研究边坡变形破坏的机理(包括应力分布及变形破坏特征)与稳定性，为边坡预测预报及整治提供岩体力学依据。其中稳定性计算是岩体边坡稳定性分析的核心。9.1概述研究意义研究意义盐池河滑坡盐池河滑坡瓦依昂滑坡瓦依昂滑坡边坡

2、变形破坏对人类生命财产构成危害和影响，其研究为边坡治理服务鸡扒子滑坡鸡扒子滑坡矿体对人工开挖边坡，如何确定合理的边坡角安全、稳定 经济合理9.2边坡岩体中的应力分布特征一、应力分布特征n在岩体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖卸荷，在近边坡面一定范围内的岩体中，发生应力重分布作用，使边坡岩体处于重分布应力状态。n边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生变形和破坏。因此，研究边坡岩体重分布应力特征是进行稳定性分析的基础。v 边坡面附近的主应力迹线发生偏转。最大主应力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。v 坡面上径向应力为零，为双向应力状态，向坡内逐渐转为三向应力

3、状态。hVn(3)坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近，最大剪应力增高，最易发生剪切破坏。在坡肩附近，常形成拉应力带。边坡愈陡，则此带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。n(4)最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。二、影响边坡应力分布的因素n(1)天然应力水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧n(2)坡形、坡高、坡角v坡高不改变应力等值线的形状，但改变主应力的大小。坡角影响边坡岩体应力分布图象。v坡面形状对重分布应力也有明显的影响。n(3)岩体性质v岩体的变形模量对边坡应力的影响（不大）。v泊松比对边坡应力有明显影响。这是由于泊松比的变化，可以使水平自重应力发生改变。n(4)结构面v结构面的存在使坡

4、体中应力发生不连续分布，并在结构面周边或端点形成应力集中带。9.3边坡岩体的变形与破坏n岩体边坡的变形与破坏是边坡发展演化过程中两个不同的阶段，变形属量变阶段，而破坏则是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过程。一、边坡岩体变形的基本类型二、边坡破坏的基本类型三、影响岩体边坡变形破坏的因素一、边坡岩体变形的基本类型1 1、卸荷回弹卸荷回弹在成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向(临空面)产生伸长变形，即卸荷回弹。n当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，则这种变形所引起的破坏是局部的。反之，这种变形将导致边坡岩体的整体失稳。n几乎所有的岩体边坡失稳都要经历这种逐渐变形破坏过程。2 2、

5、蠕变变形蠕变变形n边坡岩体自重应力作用下，边坡岩体的变形将会随时间不断增加，蠕变变形。二、边坡破坏的基本类型滑坡(剪破坏)倾倒破坏边坡破坏的基本类型楔形体滑动圆弧形滑动单平面滑动双平面滑动多平面滑动平面滑动崩塌(拉破坏)划分依据：滑面形态、数目、组合特征和力学机理。三、影响岩体边坡变形破坏的因素n1、岩性决定岩体边坡稳定性的物质基础。n2、岩体结构岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素。n3、水的作用1)使岩土的质量增大、滑动面的滑动力增大；2)岩土软化、抗剪强度降低；3)对岩体产生动水压力和静水压力。n4、风化作用使岩体内裂隙增多、扩大，透水性增强，抗剪强度降低。n5、地形地貌直

6、接影响边坡内的应力分布特征，进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。n6、地震产生地震惯性力n7、天然应力n8、人为因素9.4边坡岩体稳定性分析的步骤n定性分析是在工程地质勘察基础上，对边坡岩体破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。n定量分析是在定性分析的基础上，用一定的计算方法对边坡岩体进行稳定性计算分析。分析方法数学力学分析法模型模拟试验法工程类比法图解法块体极限平衡法弹性力学、弹塑性力学法有限元法等数值方法块体极限平衡法n假设条件(1)边坡岩体将沿某一结构面（滑动面）产生滑移剪切破坏；(2)滑体在滑动过程中相对位置不变化，即为刚体；(3)滑动面上的应力分布均匀；(4)不考虑滑体两侧的抗滑

7、力。n稳定性系数=滑动面上可能利用抗滑力/滑动力1稳定1不稳定n在多数情况下，计算的稳定性系数都有一定误差，因此，为保险起见，引入安全系数的概念。块体极限平衡法步骤可能滑动体，几何边界条件分析受力条件分析确定计算参数计算稳定性系数确定安全系数，进行稳定性评价一、几何边界条件分析n几何边界条件是指构成滑动岩体的各种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临空面三种。n滑动面是指起滑动(即失稳岩体沿其滑动)作用的面，包括潜在破坏面。n切割面是指起切割岩体作用的面，由于失稳岩体不沿该面滑动，因而不起抗滑作用，如平面滑动的侧向切割面。n临空面指临空的自由面，它的存在为滑动岩体提供活动空间，临空面常由地

8、面或开挖面组成。n几何边界条件分析的内容是查清岩体中的各类结构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面。n几何边界条件分析的目的是确定边坡中可能滑动岩体的位置、规模及形态，定性地判断边坡岩体的破坏类型及主滑方向。n几何边界条件的分析可通过赤平投影、实体比例投影等图解法或三角几何分析法进行。一、几何边界条件分析J4点赤平投影图J42、J43和PM组成的四面体实体投影 坑西壁硅质岩赤平投影与实体投影图坑西壁硅质岩赤平投影与实体投影图J41，13578；J42，23049；J43，32063坡面Pm，27585。J42与J43交线产状为28545二、受力条件分析n在工程使用期间，可能滑动岩体或其边

9、界面上承受的力的类型及大小、方向和合力的作用点统称为受力条件。n边坡岩体上承受的力常见有：岩体重力、建筑物作用力及震动力、静水压力、动水压力等等。 1.1.地震作用地震作用水平地震作用：FEK=1G 2. 2.渗透压力渗透压力：包括渗流静水压力和渗流动水压力。静水压力数值上等于岩体受到的浮力。n动水压力与水力梯度有关，数值上等于岩体受到的渗流阻力。Zwguw=r三、确定计算参数n一般选用的计算参数，应接近于残余强度。n研究表明：残余强度与峰值强度的比值，大多变化在0.60.9之间，n因此，摩擦系数计算值在峰值摩擦系数的6090之间选取，内聚力计算值在峰值内聚力的1030之间选取。经验数据极限状

10、态下的反算数据试验数据四、稳定性系数的计算和稳定性评价n稳定性系数=可供利用的抗滑力/滑动力边坡不稳定边坡稳定ssKK;q安全系数KS：根据各种因素规定的允许的稳定性数。大小是根据各种影响因素人为规定的，必须大于1。各种因素：岩体工程地质特征研究的详细程度；各种计算参数误差的大小；计算稳定性系数时，是否考虑了全部作用力；计算过程中各种中间结果的误差大小；工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果。安全系数 KS一般取 1.051.5倾倒破坏边坡破坏的基本类型楔形体滑动圆弧形滑动单平面滑动同向双平面滑动多平面滑动平面滑动9.5边坡岩体稳定性计算单平面滑动稳定性计算图一、单平面滑动1、仅有重力作用

11、时、仅有重力作用时n滑动面上的抗滑力：Fs=Gcostgj+CjLn滑动力：FrGsinn稳定性系数：sincosGLCtgGFFjjrs=滑动体极限高度Hcr为（=1）：)sin()sin(cossin2jjjcrgCHr=tgtgj=忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时当Cj=0，j时，1，Hcr 0沉积岩层面、泥化面的Cj值均很小，因此，当软弱面与坡倾向一致，倾角小于坡角大于j的条件下，即使边坡高度仅在几米之间，也会引起岩体发生相当规模的平面滑动。)sin(sinsin2r=gHCtgtgjjsincosGLCtgGjj=代入G2、有水压力作用、有水压力作用有地下渗流时边坡稳定性计算图作用于

12、CD上的静水压V为：221wwgZVr=作用于AD上的静水压力U为：rsin21wwwwZHgZU=边坡稳定性系数为：cossin)sincos(VGADCtgVUGjj=3、有水压力作用与地震作用时、有水压力作用与地震作用时边坡的稳定性系数coscossin)sinsincos(EKjjEKFVGADCtgFVUG=FEK=1G水平地震作用n楔形体滑动的滑动面由两个倾向相反、且其交线倾向与坡面倾向相同、倾角小于边坡角的软弱结构面组成。二、楔形体滑动n首先首先将滑体自重G分解为垂直交线BD的分量N和平行交线的分量(即滑动力Gsin)，然后然后将N投影到两个滑动面的法线方向，求得作用于滑动面上的

13、法向力N1和N2，最后最后求得抗滑力及稳定性系数。n可能滑动体的滑动力为Gsin，垂直交线的分量为NGcos。将Gcos投影到ABD和BCD面的法线方向上，求得法向力N1、N2稳定性系数计算的基本思路)sin(sincos)sin(sin)sin(sincos)sin(sin21121122122121=GNNGNN；n边坡的稳定性系数n边坡的抗滑力BCDABDsSCSCtgNtgNF=212211sin212211GSCSCtgNtgNBCDABD=三、同向双平面滑动n第一种情况为滑动体内不存在结构面，视滑动体为刚体，采用力平衡图解法计算稳定性系数n第二种情况为滑动体内存在结构面并将滑动体切

14、割成若干块体的情况，这时需分块计算边坡的稳定性系数nABCD为可能滑动体，根据滑动面产状分为、两个块体。nF为块体对块体的作用力，F为块体对块体的作用力，F和F大小相等，方向相反，其作用方向的倾角为。n滑动面AB以下岩体对块体的反力R1(摩阻力？)与AB面法线的夹角为1。)cossin)sincos2|222222|2222=（FGLCtgFtgG2.滑动体内存在结构面的情况滑动体内存在结构面的情况n在滑动过程中，滑动体除沿滑动面滑动外，被结构面分割开的块体之间还要产生相互错动。n采用分块极限平衡法和不平衡推力传递法进行稳定性计算。AB面BC面BD面1111tgNABCS=2222tgNBCC

15、S=33QtgBDCS=块体块体)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin1311312131111113112=tgtgtgtgBDCtgtgWABCBDCWQ=0cos)sin()cos(0sin)cos()sin(1111111111WSQNWSQS)cos()()sin()()sin(cos)cos(sin2232322232222223222=tgtgtgtgBDCtgtgWBCCBDCWQ块体块体块体四、多平面滑动n边坡岩体的多平面滑动，分为一般多平面滑动和阶梯状滑动两个亚类。n阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面组成，呈阶梯状，边坡稳定性的计算思路与单平面滑动相同，即将滑动体的自重(仅考虑重力作用时)分解为垂直滑动面的分量和平行滑动面的分量。)sin(sinsin)sin(2)cos(2r=gHCtgtgtjj11.11.某岩体边坡中存在一组与坡面倾向相同，某岩体边坡中存在一组与坡面倾向相同，倾角为倾角为3030的结构面，结构面的剪切强度：的结构面，结构面的剪切强度：C Cj j=0.1Mpa=0.1Mpa，j j=28=28，边坡倾角为，边坡倾角为6060，岩体平均密岩体平均密=2.5g/cm=2.5g/cm3 3