工程地质第四章

第四章坝基的稳定性4.1塑性区理论简介塑性变形-地基某点发生剪切破坏而引起整个地基的变形效应。塑性区-地基中所有发生剪切破坏的点所构成的空间区域。边界方程-描述弹塑性边界空间坐标函数关系的解析式。一、地基破坏形式1、轴心荷载（1）整体剪切破坏坚硬岩体、砂土、砾石特征变形三阶段明显-弹性、塑性与破坏塑性区波及地面，具有两个对称的潜在滑动面

（2）冲剪破坏

塑性区往深部发展，未波及地面

特征变形三阶段不明显

无连续滑动面

地基沿基础周边发生剪切破坏-过量沉降

（3）复合型破坏-楔形滑体2、偏心荷载

极限荷载（Pu）-使地基发生破坏的临界荷载。

极限承载力（fu）-极限荷载的反作用力。

（1）拖板试验

设：Puv-竖向极限荷载；

Puh

-水平极限荷载

曲线特征：

a-破坏曲线与坐标轴构成的平面区域为设计安全区。

Pv＜P

vk：则Puh=Phj+Pvtgφ，浅层平面滑动

b-破坏方式P

vk

＜Pv

＜P

vl：则兼具平、曲滑动

Pv

＞P

vl

：深层曲线滑动

J点：Pv=0；Phj=C（起始水平荷载）

c-特征点K点：Pv=Pvk

（最佳竖向荷载）；Phmax=Phk

L点：Ph=0；Pv=Puv

（竖向极限荷载）

Ph（KPa）二、抗滑稳定性验算

1.平面滑动

1）浅层

式中：Fs-抗滑稳定系数；Pv-竖向荷载；U-静水压力；A-基础底面积；C-接触面粘聚力；φ-外摩擦角。

2）深层（如齿墙基础）

式中：Pa-主动土压力；Pb-被动土压力。

2.曲线滑动（太沙基公式）

f=Puv=Nc×C+Nq×q+B/2×Nr×r

式中：f-地基承载力；Puv-极限荷载；Nc

、Nq

、Nr–承载力系数；q-旁侧荷载（d×rp）；r-土的重度；B-基础宽度

三、抗剪强度指标值的确定

1.指标的分类试验值（基本值）-Cu、φu

建议值（标准值）-Ck、φk

采用值（设计值）-C、φ

2.指标（建议值）的确定

τk=τa（比例极限）

(1)室内试验方法τk=τb

（塑性极限）

τk=τfs（剩余强度）=0.6-0.8

τu

（极限荷载）

(2)BIENIAWSKI，Z.T分类法这一分类法考虑了以下六种因素：a、完整岩石(岩块)的强度(0~15分)；b、岩芯质量RQD(0~20分)；c、节理间距(0~30分)；d、节理情况(0~25分);e、地下水(0~10分);f、节理产状方位(0~-60分)。根据其总分，将岩体分为五级，其相应抗剪强度见表1：类别质量分值C（KPa）φ（º）Ⅰ很好90~10030045Ⅱ好70~90200~30040~45Ⅲ良好50~70150~20035~40Ⅳ差25~50100~15030~35Ⅴ很差0~2510030序号岩体

分类参数砂岩泥灰岩泥岩天然饱和原岩扰动原岩扰动天然饱和天然饱和天然饱和天然饱和1Σc(Mpa)31.619.428.320.528.320.529.121.929.121.9评分值42323232322RQD%50±50±50±50±<25<25<20<2000评分值12121212771010333节理间距(m)0.4~0.50.4~0.50.4~0.50.4~0.50.20.20.20.2<0.15<0.15评分值2020202010101010774节理情况粗糙、硬、宽一般小于2cm或闭合稍软、平直或弯曲，多小于1mm，多闭合评分值202020202020161615155地下水少量孔、裂隙水少量岩溶裂隙水少量裂隙孔隙潜水、压力极小评分值88777788886节理方向一般一般一般评分值-12-12-10-10-10-10-5-5-3-37总分RMR52505251373642413332分类评价良好良好良好一般差差一般一般差差8Φm(度)35~4035~4035~4035~4028~3328~3330~3530~3525~3025~309Cm(MPa)0.15~0.20.15~0.20.2~0.30.15~0.20.1~0.150.1~0.150.1~0.150.1~0.150.10.1(3)E.Hoek法估计岩体强度参数Hoek和Browro认为节理岩体的破坏是非线性的，提出了一个很简单的经验破坏判据方程，其形式如下σ1=σ3+mσ2σ3+Sσ4式中：σ1、σ3—最大主应力与最小主应力；

σc—岩块单轴抗压强度；m、S—岩体质量系数。(注：σ4=σ2c为应用这一方程估算岩体强度，Hoek根据CSIRO评分提出了计算m、S的经验公式。岩体岩状体态σc(MPa)miRMRmSABCm(Mpa)φm(º)砂岩原岩天然31.615522.70100.004830.66547260.719940.2246饱和19.415502.5150.003870.639630.716380.1241.9泥灰岩原岩天然28.37521.26060.0048280.502180.700870.2938.2饱和20.57511.21640.004320.489880.69792o.2035.6层状块裂天然28.37370.73780.00011880.422980.701290.1134.7饱和20.57360.71190.00008160.410610.698060.07531.9层状碎裂天然28.37520.22700.00033550.262280.673040.09225.1饱和20.57510.21140.0002840.249580.668410.06122.4泥岩原岩天然29.110421.260060.0015890.514410.710660.1339.4饱和21.910411.215850.00142220.501790.708170.09236.9层状块裂天然29.110330.913680.000584670.464250.710400.07337.0饱和21.910320.881630.000523190.451750.707810.05134.4层状碎裂天然29.110420.158770.000063360.235110.680350.03323.2饱和21.910410.147830.000053630.223190.676220.02320.7注:天然——天然含水量；饱和——饱和含水量；原岩——原位未受扰动岩体。4M·Grogi法求岩体的粘聚力Cm

格罗捷于1971年提出了一种折减岩石内聚力Ck为岩体内聚力Cm的方法，在研究了多种岩体（大理岩，片麻岩，辉长岩，角闪岩，角页岩，安山岩，二长斑岩）后，认为岩体的内摩擦角与岩块的差别不大（这一法则只能认为符合于未受变动的岩体），但粘聚力差别较大，因而应成为弱化或折减的重点，而影响粘聚力的主要因素是节理裂隙的密度，故提出如下折减公式：

Cm=Ck｛0.114EXP[-0.48(i-2)]+0.02｝（2）式中：Cm，Ck—岩体与岩块的粘聚力（MPa）；

i—岩体中节理裂隙的密度（条/m）。5、孙广忠经验法中科院地质所孙广忠等，根据众多的现场岩体与室内块体堆砌体力学实验结果，提出一个从岩块内聚力Ck弱化成岩体Cm的极简单的经验公式：Cm=Ck/(10+i)式中：i—节理密度(条/m)。由于层状块裂与碎裂岩体均为受扰动程度不同的滑动岩体，故其强度更低。在上式的基础上，经修正后的层状块裂岩体弱化式为

:Cm=Ck/(20+i)

层状碎裂岩体弱化式：

Cm=Ck/(30+i)6岩体其它物理力学参数岩体的弹模E、泊松比μ，抗拉强度στ等也与抗剪强度一样，取决于岩体的结构或结构面发育的程度、性质和产状等因素，它们往往通过大型力学试验来获取。但若没有试验数据，也可根据已有的资料进行分析取值。

岩体的弹模E、泊松比μ，抗拉强度στ等可用岩石实验方法，也可用云纹方法获得。4.2坝基地质条件分析一、渗流对坝基的地质作用1.静水压力1）降低了滑动面的抗剪强度2）增大了倾覆力矩3）增大了侧向滑动力2.动水压力渗透压力渗透变形（流沙、管涌）滑动或沉降产生条件:由GD=γwI;GD·V=γ’·V所以：Icr=γ’/γw

Icr-临界水头梯度；γ’–地基土有效重度

例：水库大坝建筑在河谷巨厚

的砂砾冲积层之上，基础埋

深d=5m，基础宽度b=30m，

上下游水位差ΔH=70m，

设砂土地基饱和重度

γsat=22KN/m3。试问

（1）下游河床是否会产生流砂？

（2）注浆孔深为多少时才能避免流砂出现？

解：(1)I=ΔH/L=70/40=1.75

Icr=γ’/γw=(γsat-γ

w)/γw

=(22-10)/10=1.2

I＞Icr

产生流砂

（2）设注浆孔深为X时才能避免产生流砂

I=ΔH/L=70/(30+2X)=Icr=1.2

X=14.2m

河床冲刷

二、河床冲刷-挑流消能

1.机理

1）坝基失去承载力

2）形成边坡临空面

3）揭露深部软弱夹层，

构成渗流通道。

2.解析式

d=a×q0.5×H0.25-τk

d-冲坑深度（m）；a-冲坑系数（与岩性、裂隙