岩质边坡稳定分析彭杨皓

1、学学 生生: : 彭杨皓彭杨皓 指导老师指导老师: : 单仁亮单仁亮 教授教授 二一五年十二月一、边坡基本概念二、边坡稳定性分析三、边坡岩体稳定性计算四、岩土复合边坡稳定性问题1 定义定义边坡边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中最基本的地质环境之一，也是工程建设中最常见的工程形式。 边坡示意图 一、边坡基本概念2 分类分类1）成因：自然边坡和人工边坡。自然边坡人工边坡2）物质组成：土质边坡、岩质边坡、岩质边坡、岩土复合边坡岩土复合边坡。岩质边坡岩质边坡岩层结构：层状结构边坡、块状结构边坡、网状结构边坡。岩层倾向与坡向的关系：顺向边坡、反向边坡、直立边坡。土质边坡岩质边坡岩土复合边坡岩土

2、复合边坡上部：土和岩石全风化层；下部：岩石；岩土复合边坡3）稳定系数/安全系数F（最大抗滑力/下滑力）：稳定边坡、基本稳定边坡、欠稳定边坡和不稳定边坡。4）使用年限：临时性边坡、永久性边坡临时性边坡工作年限2年；永久性边坡工作年限2年。3 岩质边坡稳定影响因素岩质边坡稳定影响因素1）岩石性质：岩石坚硬程度、抗风化能力、抗软化能力、强度、组成、透水性等；2）岩体结构：节理裂隙的发育程度及其分布规律、结构面的胶结情况、软弱面和破碎带的分布与边坡的关系、下伏岩石界面的形态及坡向坡角；3）水文地质条件：地下水的埋藏条件、地下水的流动及动态变化等；4）风化作用：减弱岩石的强度，改变地下水的动态；5）气候

3、作用：岩土风化速度、风化厚度以及岩石风化后的机械、化学变化，同时引起地下水（降水）作用的变化；6）地震作用：使岩体增加下滑力，孔隙水压力的增加和岩体强度的降低；7）人类活动：如开挖、填筑和堆载等人为因素同样可能造成边坡的失稳。4 岩质边坡变形破坏模式岩质边坡变形破坏模式岩质边坡变形（松动、蠕动）发展到一定程度，将导致边坡的失稳破坏。岩坡的失稳情况按其破坏方式主要分为崩塌崩塌和滑坡滑坡两种。崩塌（巨厚层状和块状岩体）；重力+其他外力强度（裂隙水、地震、大暴雨）滑坡；滑坡；软弱结构面（平）、均质泥岩或页岩、土边坡或节、废石堆、尾矿（圆）滑塌；人工开挖坡角，坡角岩块流动；均质脆性硬岩岩层曲折；坡面层

4、状岩层首先获取基础地质资料；应用岩体结构分析方法来进行定性分析，以判断并划分相应的结构形态；根据岩体的受力条件（内外部受力情况）进行定量分析计算，以确定稳定性，从而进一步指导工程中可能或者已经遇到的岩质边坡防灾与支护问题。二、边坡稳定性分析1 1 定性分析定性分析定性分析法一般包含工程类比法和图解法，主要考虑影响边坡稳定性的一些地质因素，如主控结构面、深大裂缝、地下水、不利结构面的位置等。1）工程类比法）工程类比法新工程的设计时, 设计人员往往参照以前设计类似工程时的经验方法。滑坡治理工程相似度的影响因素滑坡治理工程相似度的影响因素相似度反映两个工程综合相似程度, 因此原则上与滑坡治理工程有关

5、的一切因素都属于分析对象 。l地震、施工等因素变化较大, 不易考虑; l工程条件：滑坡规模、滑面深度、坡体高度、滑动类型、滑坡的变形阶段、边坡角、滑坡推力、l工程地质水文条件：坡体结构类型及地下水等因素。相似度相似度是为评价工程相似性而提出的一种半定量的经验性指标。在进行滑坡治理工程相似度分析中, 主要考虑滑坡的工工程条件程条件和工程地质水文条件工程地质水文条件两方面。各影响因素代表量详见下表：滑坡治理工程相似度的确定滑坡治理工程相似度的确定（1）如果两个工程在各个方面完全一样, 则其相似度为1.0; 如果两个工程处于相似与不相似的临界点, 则两个工程的相似度为0.5; 如果两个工程的相似度如

6、果两个工程的相似度大于大于0. 5, 则两个工程是则两个工程是相相似的似的, 相似度越大相似度越大, 则相似的程度越高。则相似的程度越高。（2）滑坡治理工程的相似度是一个综合相似度, 它综合考虑了前述影响滑坡治理工程相似程度的9个因素的作用，取加权之后的数值进行分析比对。工程类比法程序工程类比法程序如何快速找到与设计滑坡治理工程相似的工程？如何快速找到与设计滑坡治理工程相似的工程？n建立包含各种类型滑坡治理工程数据库（建立包含各种类型滑坡治理工程数据库（Access 数据库系统）；n开发相应搜索工具；开发相应搜索工具；滑坡的数据来源: 工程实践; 文献、专著、论文等。2）图解结构分析）图解结构

7、分析在进行结构分析之前，根据岩体本身结构来进行破坏形式的划分。块状结构边坡：由多组结构面组合,发生块体或楔形体破坏。层状结构边坡：由单一层面或断层组成，沿平面发生滑动破坏。碎裂结构边坡：由多组密集的结构面组合,沿多组结构面发生追踪破坏。散体结构边坡，一般是指严重风化岩体，破坏形式近似为圆弧形。2 定量分析定量分析在边坡滑面确定的情况下,根据滑裂面上的最大抗滑力（力矩）和下滑力（力矩）直接直接计算安全系数。滑裂面上的力可以由滑体的静力平衡条件求解,这类方法包括极限平衡法极限平衡法、关键块理论等。首先采用数值分析方法（如有限元、离散元、块体元和DDA 等）确定边坡的位移场和应力场,再采用超载法、强

8、度储备法等使边坡达到极限状态,从而间间接接得到安全系数。这种方法不仅考虑了滑移体力的平衡,而且考虑了位移协调条件和岩体本构关系等。1）块体极限平衡法）块体极限平衡法（1）假设条件）假设条件结构面为结构面为确定产状确定产状的平面的平面,并由现场地质测量获得;结构面结构面贯穿贯穿所研究岩体所研究岩体,即不考虑岩石块体本身强度破坏;结构体为结构体为刚体刚体,不计块体自身变形和结构面的压缩变形;岩体失稳岩体失稳是岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生的剪切滑移；剪切滑移；滑动面滑动面应力分布均匀应力分布均匀；不考虑滑体两侧的抗滑力。不考虑滑体两侧的抗滑力。（2）假设分析）假设分析首先将结构面和开挖临空面看

9、成空间平面,将结构体看成凸体,将各种作用荷载看成空间向量,进而应用几何方法研究在己知各空间平面的条件下,岩体内将构成多少种块体类型及其可动性岩体内将构成多少种块体类型及其可动性,并给予严格的数学证明。通过简单的静力计算,求出各类失稳块体的滑动力,为工程加固措施提供设计依据。（3）具体分析手段）具体分析手段矢量运算法：将空间平面和力系以矢量矢量表示,通过矢量运算给出全部块体极限平衡理论分析结果, 简单方便;作图法：全空间赤平投影全空间赤平投影方法直接作图求解,该法需圆规、直尺做图或电脑绘图,无需复杂计算。这两种分析方法是相互独立但计算结果是一样的这两种分析方法是相互独立但计算结果是一样的,都有严

10、格的数学计算基础。都有严格的数学计算基础。（4）块体极限平衡理论的特点）块体极限平衡理论的特点三维分析：岩体工程的主要特性,也是优于其他分析方法的主要特点；核心：寻找开挖临空面上的关键块体；研究对象：具有明显滑动面的空间岩体运动,只考虑结构面间的抗剪强度,不考虑岩体本身的强度破坏和变形；力学模型实质是刚体平行移动刚体平行移动,故应用空间向量合成来求各种荷载的合力；可靠度：取决于分析参数取值的准确程度；首先取决于结构面力学指标粘聚力c和内摩擦角、其次结构面产状取值。（5）块体分类）块体分类岩体被各类结构面和临空面切割后,形成形状各异的镶镶嵌块体嵌块体。从岩体工程稳定性分析方面考虑,对其作以下分类

11、:块块体体无限块体无限块体有限块体有限块体不可动块体不可动块体可动块体可动块体稳定块体稳定块体可能稳定块体可能稳定块体关键块体关键块体块体边界：有限块体、无限块体；无限块体无限块体是指未被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，仍有一部分与母岩相连;有限块体有限块体是指被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体。块体几何可动性：有限块体有限块体分不可动块体、可动块体。不可动块体指沿空间任何方向移动皆受相邻块体阻碍，如果相邻块体不发生移动，它也不能移动;可动块体是指沿空间某一方向或若干方向移动而不受相邻块体阻碍的块体。块体的受力情况：可动块体可动块体分稳定块体、可能稳定块体、关键块体；稳定块体是指在工

12、程力和自重作用下，即使滑动面的摩擦力和粘聚力为零也也能保持稳定的块体;可能稳定块体是指在工程力和自重作用下，滑动面上有足够的抗剪强度才才能保持稳定的块体;关键块体是指在工程力和自重作用下，滑动面上的抗剪强度不足抵抗滑动力，若不采取工程加固措施必然必然会导致失稳的块体。n关键块体关键块体极限平衡理论核心核心：寻找关键块体；将结构面和开挖临空面看成空间平面空间平面，结构体看成凸体凸体，各种作用荷载看成空间向量空间向量，运用几何方法研究在己知各空间平面条件下，岩体内将构成多少种块体类型及其可动性。通过几何分析排除所有的无限块体及不可动块体;通过运动学分析，找出在工程力和自重作用下的所有可能失稳块体;

13、力学分析，根据滑动面的物理力学特性，确定开挖面上所有的关键块体，并计算出所需锚固力，从而制定相应的锚固措施。（6）相关参数）相关参数稳定系数F：沿假定滑裂面的最大抗滑力与下滑力的比值;F1时，坡体稳定；F=1时，坡体处于极限平衡状态； F1。安全系数一般取1.051.5。影响安全系数取值的因素：影响安全系数取值的因素：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。n 稳定系数计算及影响因素稳定系数计算及影响因素1 单平面滑动单平面滑动1.1 仅有重力作用时仅有重力作用时

14、滑动面上的抗滑力滑动力稳定性系数cos2sin=sinsinsin()jjjjsrGtgC LtgCFFGtggHcossjjFGtgC LsinrFG滑动体极限高度Hcr（=1）为忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时当Cj=0，j时，1，Hcr=02sincossin()sin()jjcrjCHgjtgtg1.2 有水压力作用有水压力作用作用于CD上的静水压力V作用于AD上的静水压力U边坡稳定性系数为221wwgZV12sinwwwwHZUgZcossin)sincos(VGADCtgVUGjj1.3 有水压力作用与地震作用有水压力作用与地震作用边坡的稳定性系数(cossinsin)sincos

15、cosEKjjEKGUVFtgC ADGVF水平地震作用1EKFa G2 同向双平面滑动同向双平面滑动第一种情况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；第二种情况第二种情况为滑动体内存在结构面并将滑动体切割成若干块体的情况，这时需分块计算边坡的稳定性系数；块体2113111111312131131sincos()cossin()()sin() ()cos()WC BDC AB Wtgtg C BDQtg tgtgtg 0cos)sin()cos(0sin)cos()sin(1111111111WSQNWSQS2223222222322232322sin

16、cos()cossin()()sin() ()cos()WC BDC BC Wtgtg C BDQtg tgtgtg 块体块体块体平衡方程3 多平面滑动多平面滑动多平面滑动：一般多平面滑动、阶梯状滑动、楔形体滑动；阶梯状滑动、楔形体滑动；阶梯状滑动阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面组成，呈阶梯状，坡稳定性的计算思路与单平面滑动相同，即将滑动体自重 （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。2cos()2sin()sinsinsin()jjttgCtggH楔形体滑动楔形体滑动的滑动面由两个倾向相反、交线倾向与坡面倾向相同、倾角小于坡面角的软弱结构面组成。楔形体滑动楔形

17、体滑动稳定性系稳定性系数计算的数计算的基本思路基本思路：22111212121212sincos sinsincos sinsin()sin()sin()sin()NGNGNN，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），将N投 影到两个滑动面的法线方向，得到作用于滑动面上的法向力N1和N2，最后求得抗滑力及稳定系数。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，得法向力N1、N2；边坡的稳定性系数边坡的抗滑力112212sABDBCDFN tgN tgC SC S112212sinABDBCDN

18、tgN tgC SC SG1 定义定义岩土复合边坡岩土复合边坡是指在工程中常见的上部由土和岩石全风化层组成，下部由岩石组成的边坡。岩、土复合边坡常见于黄土沟壑地区黄土沟壑地区，特别是在古特别是在古滑坡发育地段，滑坡发育地段，常常容易形成岩土上覆松散堆积体、下伏基岩的复合边坡；四、岩土复合边坡稳定性问题2 结构形式结构形式岩土复合边坡结构形式较多，是不同结构类型的土土质边坡质边坡和岩质边坡岩质边坡的组合。常见的岩土复合边坡结构形式有：常见的岩土复合边坡结构形式有：上覆黄土覆盖层和下伏基岩；上覆红粘土和下伏基岩；上覆崩坡积、滑坡堆积等松散土层和下伏顺层状岩质边坡；上覆人工堆填土层和下伏基岩等。根据

19、构成边坡的岩土类型，边坡可划分为单层结构、单层结构、双层结构双层结构和三层结构三层结构三种。不同的结构类型具有不同的变形破坏模式和变形规律。n单层结构边坡（单层结构边坡（A类）类），由基岩组成；n双层结构边坡（双层结构边坡（B类）类）分为四类；第一类（B1类）上部为残坡积层，下部为基岩；第二类（B2类）上部为黄土，下部为基岩；第三类（B3类）上部为滑坡堆积，下部为基岩；第四类（B4类）上部为人工填土，下部为基岩；n 三层结构边坡（C类）上部为人工堆积或滑坡堆积，中部为坡积层或黄土，下部为基岩；3 岩土复合边坡破坏模式岩土复合边坡破坏模式在黄土沟壑地区，岩土复合边坡上覆土层一般是崩坡积物、残坡积

20、物、滑坡堆积物、人工填土、黄土等第四系及近代堆积物，下伏基岩多为层状结构基岩。岩土复合边坡主要的破坏模式有以下几种类型：上覆土体内部滑动；C=0砂性均质、平；C0粘性均质、圆上覆土体沿岩、土接触面滑移；上覆土体沿岩、土接触面滑移；水、动载、夹泥层边坡沿基岩内软弱结构面整体滑动；层间弱面复合破坏模式；变形、应力集中及累进性破坏，产状、特征不断变化，组合、转化4 岩土复合边坡稳定性分析岩土复合边坡稳定性分析首先判断在特定的地质条件下可能的失稳模式，再针对已确定的失稳模式，通过数学力学和试验分试验分析方法析方法，确定边坡稳定的稳定系数。基本的分析步骤如下：获取基础地质资料；定性半定量评价边坡稳定性；

21、同类对比、多种影响因素、推断边坡稳定分析计算；制定边坡加固及监测设计方案；稳定性分析主要采取的方法是极限平衡法极限平衡法和有限元分析法；土体内部发生的圆弧滑动破坏和沿岩、土界面发生滑动破坏：传递系数法传递系数法（多结构面、铁路+工民建等部门、国内）；边坡沿岩体内泥岩夹层发生的顺层滑动模式：Sarma法法（岩、国外）。极限平衡法极限平衡法和有限元分析法有限元分析法均是评价边坡稳定性的重要方法。l边坡各处的稳定系数，简单直观；l边坡整体的稳定性，预测，新趋势；4.1 极限平衡法极限平衡法极限平衡法中的传统条分法（瑞典法）传统条分法（瑞典法）是边坡稳定分析领域最早出现的方法，并以此为雏形，发展了许多边坡稳定分析条分法，如：Bishop、Janbu、Morgenstern-Price、Spencer、Sarma等方法，条分法中以传递系数法传递系数法较为简单，并有着较高的计算精度和计算效率，因此采用的土质土质边坡评价方法为传递系数法；而Sarma法法在分析岩质边坡时具有较高的精度，对该岩土复合边坡涉及到的岩质岩质边坡采