【岩土基础岩石力学和岩体工程】第2讲岩体工程

2019年张工培训注册勘察设计岩土结构基础犁海班第2讲：初始应力和岩体工程主讲：任老师网络授课

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及时答疑专有题库十五、岩体力学与土力学15.3

岩体的初始应力状态初始应力的基本概念；主要分布规律；

量测方法简介；注册土木工程师（岩土）基础考试大纲2（二次分布应力、附加应力等）由于工程活动改变了的岩体中的应力。Λ

重分布应力1.地应力

(天然应力、初始应力、原岩应力等）岩体天然状态下所存在的内在应力。2.重分布应力++

+

+

+

++

+

+

+

+

+

++

+

+

+

+天然应力

3定义念，静水压力假设

式中，

σh为水平应力；

σv为垂直应力；

γ为上覆岩层容重；H为深度。1926年，苏联学者金尼克修正海姆假设，根据弹性力学理论推出：对地应力的传统认识1912年，瑞士地质学家海姆首次提出了地应力的概

式中，v为上覆岩层的柏松比。41.组成：•岩体自重→自重应力•构造运动→构造应力•流体作用→渗流应力•其它（地温、地球化学作用等）

2.起源（主要指构造运动的起源）：•板块运动•地幔热对流•地球自转速度变化地应力的组成及起源5σz

=

YH若把岩体视为均匀、连续且各向同性的

弹性体，由于掩体单元在各个方向都受到

与其相邻岩体的约束，不可能产生横向变

形，即

εx

=

εy

=0

，由胡克定律

1）岩体自重应力场设岩体为半无限均质体，地面为水平面，距地表深度H处，岩体自重垂直应力H—总深度（m）侧压力：令

，

λ称为侧压力系数。Y

—平均密度，KN/m3有一单元体，其上作用的应力见下图。

垂直应力：6岩体的自重应力随深度呈线性增长，在一定的深度范围内，岩体基本上处于弹性状态。但当埋深较大时，岩体的自重应力就会超过岩体的弹性限度，岩体将处于潜塑状态或塑性状态。潜塑状态是指在初始应力状态下岩体处于弹性状态，但开挖卸荷后即处于塑性状态。n

i

=

1岩体由多层不同性质岩层组成时：7地质构造运动，包括水平运动（造山运动）和垂直运动（造陆运动）两种形式。水平构造运动如板块移动对岩体构造应力形成起

控制作用，即构造应力以水平应力为主。3)剩余应力指地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残留在岩体中的

自相平衡应力，致使垂直应力相应降低，水平应力则保持不变。4)变异应力是由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力，通常只具有局部意义。2)地质构造应力8以东经100～105o为界分东西两区。o

强度上：西强东弱（西高东低）o

方向上：西：

NNE-SSW为主，东：近E-W。中国板块处在四大板块环绕中，它们碰撞挤

压，形成了中国大陆岩体中的天然应力。地应力分布的一般规律一、岩体初始应力场是时间和空间的函数。9l

上覆岩体自重σV

≈2.7ghl

σV

多为压应力l

σV

多为最小主应力，

少数为中间主应力与

最大主应力

10地应力分布的一般规律二、铅直应力

(σV）n岩体中天然应力常以水平应力为主，即σh>σv，特别是σhmax>σv,据统计资料：

σh/σv

≈0.8-3.0，说明岩体中水平天然应力主要受地区现代构造应力场的控制;n水平应力具有强烈的各向异性，即σh1≠σh2

（相差较大）。原

因a.岩体各向异性；b.构造运动的方向性;n水平天然应力以压应力为主，仅在一些裂谷区、地堑区出现拉应力，且是以一向压，一向拉多见。另外在地表卸荷带影响区，也可能出现水平应力为拉应力的现象。地应力分布的一般规律三、

水平应力(

σh）11

四、天然应力比值系数(λ)

随深度增加而减小。

12地应力分布的一般规律σx

=

σy

=

λσz五、主应力平面与水平面的关系据主应力平面与水平面的关系，天然应力状态划分为：n水平应力场——两个应力轴近水平，或与水平面夹角

很小，另一应力轴近铅直，三个应力轴与空间坐标一

致，我国大陆范围内属这种应力场;n非水平应力场——水平应力与水平面夹45

°左右，另一轴与水平面夹0~45

°左右，分布于板块边缘。地应力分布的一般规律131.地形起伏l（1）地表水平：初始应力分布，一主应力为水平分布，另

一主应力垂直分布。l（2）斜坡沟谷地形：初始应力分布在斜坡面附近，最大主

应力方向与斜坡面大致平行；在沟谷底部应力集中，最大主

应力方向近于水平分布。l（3）山峰处岩体初始应力低，沟谷处岩体初始应力高。!σv六、影响天然应力的因素++

+

++

+σh14+硬岩而完整岩体往往可积累较高的应力，而软岩或破碎岩体则相反；4.地下水产生渗流应力;浮力可减轻岩体重量；岩体中地下水位的升降，可减少或增加自重应力。5.地温岩浆侵入使岩体受热膨胀，周围岩体限制膨胀，在岩体中增加热应力,温度应力约为自重应力的1/9左右，呈静水压力状态。2.结构面3.岩体性质15B.

构造应力和渗流荷载C.

自重应力和成岩应力D.

构造应力和自重应力答案：D初始地应力是指下列中哪种应力?A.

未受开挖影响的原始地应力B.

未支护时的围岩的应力C.

开挖后岩体中的应力D.

支护完成后围岩中的应力答案：A岩体初始地应力主要包括:A.

自重应力和温度应力16A.

垂直应力一定大于水平应力B.

构造应力以水平应力为主C.

自重应力以压应力为主，亦可能有拉应力D.

自重应力和构造应力分布范围基本一致答案：B下列关于岩石初始应力的描述，哪个是正确的?17测量原始地应力就是确定存在于拟开挖岩体及其周围区

域的未受扰动的三维应力状态，

这种测量通常是通过一点一点

的量测来完成的。岩体中一点

的三维应力状态可由选定坐标系中的六个分量来表示。σx

,σy

,σz

,τxy

,τyz

,τxzσzτxzσxz

τzyyτyx

τyzσyOx地应力测量的基本原理和方法岩体中一点原岩应力状态示意图

基本原理18τxyτzxl

测量手段的不同划分：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射性法。l

测量原理的不同划分：应力恢复法、应力解除法（孔底应力解除法、孔壁应变法和孔

径变形法）、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射

法、X射线法、重力法

。又可分为直接测量法和间接测量法直接测量法：由测量仪器直接测量和记录各种应力量，并由这

些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。间接测量法：借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体

中某些与应力有关的间接物理量的变化，然后由测得的间接物

理量的变化，通过已知的公式计算岩体中的应力值。地应力测量的基本原理和方法

测量方法：19岩体初始应力的量测方法1.

目的：（1）了解岩体中的应力大小和方向

（2）为分析岩体的工程受力状态、

支护及岩体加固提供依据（3）预报岩体失稳破坏、岩爆一、水压致裂法（一）方法原理及技术压力及开裂方位通过液压泵向钻孔内拟定量测深度加压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点

，根据测得的压裂过程中泵压表的读数，计算测点附近岩体中地应力大小和方向。压裂点上下用止水封隔器密封。水压致裂过程中泵压变化及其特

征压力。

203σ2

-σ1距离的部位处于平面应变状态。在这些部位，钻孔周边的应力为σθ

=

σ1

+

σ2

-

2(σ1

-σ2

)

cos

2θσr

=0式中，σθ和

σr

分别为钻孔周边的切向应力和径向应力；θ为周边一点与σ1轴的夹角。当

θ

=0。时，σθ

取得极小值，此时将钻孔某段封隔起来，并向该段钻孔注入高压水，当水压超过和岩石抗拉强度T之和后，在

＝0º处，也即所在方位将发生孔壁开裂。设钻孔壁发生初始开裂时的水压

为

Pi

，则有

Pi

=

3σ2

-σ1

+

T从弹性力学理论可知，当一个位于无限体中的钻孔受到无穷远处二维应力场(σ1

，σ2

)的作用时，离开钻孔端部一定σθ

=

3σ2

-σ1θ21定，将该恒定压力记为Ps

，Ps应和原岩应力相平衡σ2

，

即Ps

=

σ2在钻孔中存在裂隙水的情况下，如封隔段处的裂隙水压力为P0

,则Pi

=3σ2

-σ1

+

T

-

P0在初始裂隙产生后，将水压卸除，使裂隙闭合，然后再重新向封隔段加压，使裂隙重新打开，记裂隙重开时的压力为Pr，则有Pr

=3σ2

-σ1

-

P0Ps

=

σ2

Pr

=

3σ2

-σ1

-

P0由以上两式求σ1和σ2就无须知道岩石的抗拉强度。因此，

由水压致裂法测量原岩应力将不涉及岩石的物理力学性质，而完全由测量和

记录的压力值来决定。如果继续向封隔段注入高压水，使裂隙进一步扩展，当裂隙深度达到3倍钻孔直径时，此处已接近原岩应力状态，停止加压，保持压力恒22封隔器密封起来，钻孔直径与所选用的封隔器直径相一致(2)

向两个封隔器的隔离段注射高压水，不断加大压力，直

至孔壁出现开裂，获得初始开裂压力pi(3)停止增压，关闭高压泵，压力迅速下降，裂隙停止扩展

,并趋于闭合，当压力降至使裂隙处于临界闭合状态时的平衡压力，此时的应力称为关闭压力，记为Ps(4)重新注射高压水，记下裂隙重开时的压力Pr和恒定关闭

压力Ps。重复2~3次(5)将封隔器完全卸压，连同加压管等全部设备从钻孔中取

出（二）测试步骤(1)打钻孔到准备测量应力的部位，并将钻孔中待加压段用23特点：方法简单，经济实用；孔壁受力范围广；精度不高。只能确定垂直钻孔平面内的最大主应力和最小主应力的大

小和方向，是二维应力量测方法。是基于岩石为连续、均质和各向同性的假设。水压致裂法适用于完整的脆性岩体。能测量深部应力（5000m）。（三）应用24原理:地下岩体在初始应力作用下产生了变形。设地下岩体内取出边长为x，y，z的单元体，解除单元体上的外力，单元体

尺寸增大到x

+

Δx,y

+

Δy,z

+

Δ,恢复到受初始应力前的尺寸

,恢复应变分别为

:

εx=

Δx/x，

εy=

Δy/y,

εz=Δz/z。如果

测试得到

εx、

εy、

εz，又己知岩体的弹性模量E和泊松比

μ

,

根据虎克定律可算出解除前的初始应力。应力解除法需要假设岩体是均质、连续、完全弹性体。破坏联系，解除应力；弹性恢复，测出变形；根据变形，转求应力。二、应力解除法25孔底应力解除法、孔壁应力解除法、孔径变形法（一）孔底应力解除法把应力解除法用到钻孔孔底就称为孔底应力解除法。在围岩中钻孔，在孔底平面上粘贴应变传感器，然后用套钻使孔底岩心与母岩分开，卸载，观测卸载前后的应变，间接求出岩体中的应力。按测试变形或应变的方法不同，可分为：26具体步骤：（1）用76mm金刚石空心钻头钻孔至预

定深度，取出岩芯。（2）钻杆上改装磨平钻头将孔底磨平

、打光，冲洗钻孔，用热风吹干，再用

丙酮擦洗孔底。（3）将环氧树脂粘结剂涂到孔底和应

变传感器探头上，用安装器将传感器粘

贴在孔底。经20h后，测取初始应变读

数。（4）用空心金刚石套孔钻头钻进，深

度为岩芯直径的2倍，并取出岩芯。（5）测量解除后的应变值，测定岩石

的弹性模量27②

利用孔底应力与岩体应力之间的关系计算出岩体应力分量；③

根据实验研究和有限元分析对孔底应力加以校正；单一钻孔孔底应力解除法，只有在轴线与一个岩体的主应力

方向平行的情况下，才能测得另外两个主应力的大小和方向。④

三个钻孔相互斜交或正交，测量三维状态下岩体中任一点的应力状态。求岩体应力步骤：①

由孔底应变计算出孔底平面应力；28单一钻孔可获得一点的空间应力分量在钻孔壁上粘贴三向应变计，通过测量应力解除前后的应变推算岩体应力，利用

。具体步骤：①

用90mm金刚石空心钻头钻孔，磨平孔底②

用36mm金刚石钻头在大孔中心钻450mm长小孔，清洗孔壁③

将三向应变计装在安装器上，送入小孔中，读数，封孔④

用90mm空心套钻进行应力解除⑤

取出岩芯，拔出封孔栓，测量应力解除后的应变值特点：只需打一个钻孔、测试工作量小、精度高、适用于整体性好的岩石、不适用于有地下水的场合空心包体法（二）孔壁应变法2930在化量，来确定岩体应力的方法。特点：①

零点稳定性好②

直线性、重复性和防水性较好③

实用性强，操作简便，能测量应变全过程④

应力解除岩芯较长⑤

不宜在破碎的岩层中应用⑥要获得一点的空间应力状态，必须在三个不同方向的钻

孔中进行应力解除（三孔交汇法），工作量大

岩体小钻孔中埋入变形计，测量应力解除前后的孔径变（三）孔径变形法31具体步骤①选定试验，应变计中心一般距槽B/3，槽的方向与需测定应力

方向垂直。槽的深度大于B/2②记录应变计的初始读数③开凿解除槽。岩体产生变形

εOe

，记录应变计读数。④在开挖好的解除槽中埋设压力枕，并用水泥砂浆充填空隙⑤压力枕连接油泵，通过压力枕对岩体施压，逐点记录压力p

与恢复变形的关系⑥当假设岩体为理想弹性体时，当应变计恢复到初始读数时，

此时压力枕对岩体所施加的压力p即为所求岩体的主应力三、应力恢复法直接测定岩体应力的测试方法，仅

用于岩体表层，当已知某岩体中的主应

力方向时，本法较方便。32材料受到外载荷作用时，内部贮存的应变能快速释放产生弹性波，从而发出声响，称为声发射。

凯泽效应：多金属的应力从其应力最高水平释放后，再重新加载，当应力未达到先前最大应力值时，很少有声发射产生，而当应力达到和超过历史最高水平后，则大量产生声发射。声发射与弹性波传播有关，所以高强度的脆性岩石有较明显的声发射凯泽效应出现，而多孔隙低强度及塑性岩体的凯泽效应不明显，所以不能测定比较软弱疏松岩体中的应力。四、声发射法33从现场钻孔提取岩石试样，将试样加工成圆柱体试件，径

高比为1:2-1:3

。试件两端浇铸由环氧树脂或其他复合材料制成的端帽。（2）声发射测试将试件放在但压缩试验机上加压，并同时监测加压过程中

从试件中产生的声发射现象。凯泽效应一般发生在加载初期，故加载系统应选用小吨位

的应力控制系统，并保持加载速率恒定（3）计算地应力由声发射监测所获得的应力—声发射事件数曲线，即可确

定每次实验的凯泽点，并进而确定该试件轴线方向先前受到的

最大应力值。测试步骤：（1）试件制备3417.1

岩体力学在边坡工程中的应用边坡的应力分布特征、变形和破坏特征；

影响边坡稳定性的主要因素；边坡治理的工程措施。

35十七、岩体工程与基础工程一、岩体力学在边坡工程中的应用

岩石边坡分类按成因可分为两类：1、自然边坡：在各种自然营力作用下形成的边坡（山坡）人工开挖边坡(矿山边坡、路堑边坡)2、人工边坡人工堆积边坡(排土场边坡、路堤边坡)36(1)斜坡岩体的主应力迹线明显偏转，特征:愈最大主应力愈平行于斜坡临空面，数值愈大；而最小主应力愈

与坡面正交（正交），数值愈小。(2)在坡脚与河谷底部形成应力集中带。(3)与主应力偏转相联系，最大剪应力迹线也偏转，呈凹向

临空面的弧线。在最大、最小主应力差值最大的部位(一般在坡

脚附近)，相应形成一个最大剪应力区，因而在这里容易发生剪切变形破坏。(4)在坡顶和坡肩的靠近表面部位，由于垂直于河谷的水平

应力显著减小，甚至可出现拉应力，因而可形成一个拉应力带。

其范围随坡角和平行于河谷的水平应力的增加而增大。1.边坡的应力分布边坡形成后应力状态的变化

接近边坡，

37（5）在坡面上各处的径向应力为零，因此坡面岩体仅处于平面

应力状态，向坡内逐渐转化为三维应力状态。主应力迹线是表示主应力方向的曲线族，曲线上各点的切

线和法线方向即为该点的两个主应力方向。38坡张力带分布示意图斜39下列关于均匀岩质边坡应力分布的描述中，哪一个是错误的?A.

愈接近于临空面，最大主应力方向愈接近平行于临空面，最小主应力方向接近垂直于临空面。B.

坡面附近出现应力集中，最大主应力方向垂直于坡角.最小主应力方向垂应于坡顶。C.

临空面附近为单向应力状态，向内过渡为三向应力状态。D.

最大剪应力迹线为凹向临空面的弧形曲线。答案：B401.原始应力状态岩体中的原始应力对边坡应力分布有很大影响，尤其是垂

直于河谷方向的水平构造应力的影响更为显著。2.坡形（1）随着坡高的增加，坡内应力值呈线性增大，但不改变应力等值线的图像。（2）坡角变陡，拉应力的范围变大，切向应力值增高，坡

脚附近最大剪应力值也加大。（3）坡底宽度。（4）边坡的平面形态对应力有明显影响，凹形边坡，应力

集中程度明显减弱。凹形坡有利于坡体稳定，凸形坡相反。二、影响边坡岩体应力分布的主要因素41主要表现在因岩体的不均性和不连续性，使其沿软弱面的周边出现

应力集中或应力阻滞现象。(1)软弱面与坡体主压应力轴平行时，将在软弱面的端点部位或应力阻滞部位出现拉应力集中和剪应力集中，使之出现软弱面两侧的张裂和剪切破裂。(2)软弱面与坡体主压应力垂直时，将发生平行于软弱面的拉应力或于端点部位出现垂直软弱面的压应力，这将有利于软弱面。(3)软弱面与坡体主压应力轴斜交时，沿软弱面主要为剪应力集中，并于端点部位或应力阻滞部位出现拉应力，致使斜坡极易沿结构面发生剪切滑动。(4)在软弱面交汇处，应力受到阻滞，压应力和拉应力强烈集中，容易发生变形和破坏。在一定条件下，可逐步扩展为滑动面，使斜面破坏。3、岩体结构42边坡岩体结构面上应力集中431、结构面效应

现象：由于结构面的不同组合，有些边坡在陡坡角和几百米高条

件下是稳定的，许多平缓边坡仅高几十米就破坏。破坏机理：顺坡向结构面周边的应力集中，导致破坏。

44边坡稳定影响因素河流、水库及湖海的冲刷及淘刷，使岸坡外形发生变化。当侵蚀切露坡体底部的软弱结构面，使坡体处于临空状态，或侵蚀切露坡体下伏软弱层的顶面时，使坡体失去平衡，最后导致破坏。人工削坡时未考虑岩体结构特点，切露了控制斜坡稳定

的主要软弱结构面，形成或扩大了临空面，使坡体失去支撑，

会导致斜坡的变形与破坏。2、坡形坡率变化45变形根据形成机理可分为卸荷回弹和蠕变两种类型。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，蠕变：边坡岩体在自重应力为主的坡体应力长期作用下.向临

空方向缓慢而持续的变形，分为表层蠕变和深层蠕变两种。岩土的

粒间滑动（塑性变形），或者沿岩石裂纹微错，或者由岩体中一系

列裂隙扩展，导致岩土发生蠕变。

张裂缝压致张裂缝缓倾角张裂缝

差异回弹破裂边坡卸荷回弹引起的次生结构面二、边坡的变形和破坏变形与破坏是边坡发展演化过程中两个阶段47岩质边坡的表层蠕动，常称为岩层末端“挠曲现象

”，系岩层或层状结构面较发育的岩体，在重力长期作用下，沿结构面错动或局部破裂而成的屈曲现象。分布于页、薄层砂岩或石灰岩、片岩、石英岩，以及破碎的花岗岩体所构成的边坡中。软弱结构面愈密集，倾角愈陡，走向愈接近于坡面走向时，其发育尤甚。2）深层蠕动主要发育在坡体下部或坡体内部，按其形成机制特点，深层蠕动有

软弱基座蠕动和坡体蠕动两类。坡体的基座产状较缓且具有一定的厚度的相对软弱岩层，在上覆重力作用下，致使基座部分向临空方向蠕动，并引起上覆岩层的变形与解

体，是“软弱基座蠕动”的特征。坡体沿缓倾斜结构面向临空方向缓慢移动变形，称为坡体蠕动。在

卸荷裂隙较发育并有缓倾结构面的坡体中比较普遍。1）表层蠕动边坡浅部岩体在重力的长期作用下，向临空方向缓慢变形构成一剪

变带，其位移由坡面向坡体内部逐渐降低直至消失。481.崩塌崩塌是指块状岩体与岩坡分离，并翻滚而下。一般认为坡度大

于60度会发生崩塌。常发生于既高又陡的边坡前缘地段。崩塌产生的原因：

风化减弱了节理面间的粘结力。

由于雨水渗入张裂隙中，造成了裂隙水的水压作用于向坡处的岩

块上。

岩石受冰胀、风化和气温变化的影响，从而减弱岩体的抗拉强度

和松动了岩块，造成了岩石崩落的条件。岩质边坡的破坏方式崩塌、滑坡、岩块流动、岩层曲折等49见四种：1、圆弧形滑动在废石堆或破碎或散体结构岩体中常见。2、平面滑动当结构面走向与坡面走向平行或近于平行，结构面倾向与

平面倾向一致时，如果结构面迹线在平面出露，可能产生这种破坏。2.滑坡主要受岩体的工程地质条件特别是岩体结构面的控制。常503、楔体滑动在块状结构岩体中，当两组结构面与坡面斜交，切割成楔形

结构体，并且两结构面交线出露于边坡坡面时楔形结构体则可

能沿结构面组合交线滑移。4、倾倒破坏在层状结构岩体中，当结构面平行于坡面走向，倾向与边

坡倾向相反，倾角较陡，且受垂直于坡面的结构面切割，则可

能发生倾倒破坏。坡度大于60度会发生

51岩块流动通常发生在均质的硬岩层中，这种破坏类似于脆性岩石在峰值强度点上破碎而使岩层全面崩塌的

情形。岩块流动的起因是岩石内部的脆性破坏，而不像

一般的滑坡那样，沿着软弱面剪切破坏。岩块流动时没

有明显的滑动扇形体，其破坏面极不规则，没有一定的

形状。4.岩层曲折当岩层成层状沿坡面分布时，

即岩层平行于坡面分布，岩层倾角与坡面倾角相同时，由于岩层本身的重力作用，或由于裂隙水的冰胀作用，增加了岩层之间的张拉应力，使坡面岩层曲折。3.岩块流动521

、岩性

决定岩体边坡稳定性的物质基础。2

、岩体结构与地质构造岩体结构及结构面的发育特征与坡面的关系是岩体

边坡破坏的控制因素。变形与破坏的首要条件，在于坡体中存在各种形

式的结构面。岩体的结构特征对边坡应力场的影响主要表现为由于岩体的不均一和不连续性，使沿结构面

周边出现应力集中阻滞现象，因此，构成了边坡变形

与破坏的控制性条件，从而形成不同类型的变形与破

坏机制。影响岩体边坡变形破坏的因素53使岩土的质量增大、滑动面的滑动力增大；岩土软化、

抗剪强度降低；对岩体产生动水压力和静水压力。斜坡的变形与破坏大都发生在雨季或雨后，还有部分发

生在水库蓄水和渠道放水之后，有的则发生在施工排水

不当的情况下。4、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。风化作用使坡体强度减小，大大降低坡体的稳定性，

促进斜坡的变形与破坏。坡体岩石风化越深，斜坡稳定

性越差，稳定坡角越小。影响岩体边坡变形破坏的因素3、水的作用545、地形地貌直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。6、地震、爆破

产生震动惯性力7、天然应力8、人为因素

削坡未考虑岩体结构特点，切露了控制斜坡稳定的主要

软弱结构面，形成或扩大了临空面，使坡体失去支撑，

会导致斜坡的变形与破坏。影响岩体边坡变形破坏的因素55下列影响岩体边坡稳定性的各因素中，影响最小的因素是（

）。A.岩体边坡的形状B.岩体的温度场C.岩石的物理力学特征D.岩体内地下水运动答案：B56边坡稳定性分析是确定边坡是否处于稳定状态，是否需要对其进行加固与治理，防止其发生破坏的重要决

策依据。边坡发生破坏失稳是一种复杂的地质灾害过程，由于边坡内部结构的复杂性和组成边坡岩石物质的不同，造成边坡破坏具有不同模式，对于不同的破坏模式就存在不同的滑动面，因此应采用不同的分析方法和计算公

式来分析其稳定性。边坡稳定性分析57稳定性分析方法：定性分析和定量分析n

定性分析是在工程地质勘察工作的基础上，对边坡

岩体变形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，应用一定的计算

方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评价。边坡稳定性分析模型模拟试验法数学力学分析法评价方法工程类比法图解法58定性分析方法工程类比法和图解法（赤平极射投影、实体比例投影、摩擦圆法）。定量分析方法极限平衡法、极限分析法（有限元（FEM），边界元（BEM），离散元

（DEM）等）及可靠度分析方法（蒙特卡罗法和随机有限元法等）重点：极限平衡法边坡稳定性分析59极限平衡法是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理（静力

平衡原理）分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及边坡滑体上的抗

滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。边坡稳定性分析计算的首要方法，也是工程实践中应用最多的一种方法，又细分成多种方法。Fellenius法（W.Fellenius

，1936）、Bishop法（A.W.Bishop

，1955）、

Janbu法（N.Janbu

，1954

、1973）、Morgenstern-Price法（Morgenstern-Price

，1965）、Spencer法（Spencer

，1973）、Sarma法（Sarma

，

1979）、楔形体法、平面破坏计算法、传递系数法等。极限平衡法60在工程实践中，主要是根据边坡破坏滑动面的形态来选择极限平衡法。例如:平面破坏滑动的边坡，可选择平面破坏计算法圆弧形破坏的滑坡，可选择Fellenius法或Bishop法复合破坏滑动面的滑坡，可选择Janbu法、Morgenstern-Price法、Spencer法来计算对于折线形破坏滑动面的滑坡，可采用传递系数法对于楔形四面体的岩体滑坡，可以采用楔形体法极限平衡法61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，滑动面上实际岩石提供的抗剪强度τ

与作用在滑动面上的垂直应力σ存在如下关系：τ

=

c

+

σ

tanφ或

τ

=

c

'+

(σ

-u)

tanφ'式中，c

、c’分别为滑动面的粘结力和有效粘结力；φ

、φ’分别为滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角；

σ为滑动面上的有效应力;u为滑动面孔隙水压。块体极限平衡法62(3)滑动面上的应力分布均匀；(4)不考虑滑体两侧的抗滑力。稳定性系数（K）=滑动面上可利用的抗滑力/滑动力η>1稳定

;

η≤1

不稳定在多数情况下，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。安全系数块体极限平衡法(2)滑体在滑动过程中相对位置不变化，即为刚体；63角i；即

β＜i（3）滑动面的倾角

β必须大于该面的摩擦角φ;即β>

φ

;（4）岩体中必须存在对于滑动阻力很小的分离面，以定出滑动的侧面

边界。实际中，顺层滑动的滑体一般都不是ABD楔体，而是AECD楔体。说明了当滑面上楔体滑动时，靠近滑体的后部产生张拉应力，使滑体后缘产生许多张拉裂缝如CE。理论

上，张拉裂缝的深度为：

C内凝聚力；

φ

内摩擦角；

γ容重岩坡沿着单一的平面发生滑动，一般必须满足下列4个几何条件：（1）滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行（约在±20

°范围内）；（2）滑动面必须在边坡面露出，即滑动面的倾角

β必须小于坡面的倾均质垂直岩坡的极限高度也是这个公式。64确定安全系数，进行稳定性评价

65块体极限平衡法分析步骤可能滑动岩体几何边界条件的分析计算稳定性系数确定计算参数受力条件分析岩质边坡之所以失稳，是由于岩体下滑力增加或岩体抗滑力降低1.避，避开滑坡的影响，工程建在滑坡体以外的地方2.排，排水导流，采用截水沟、排水沟、急流槽拦截排引3.挡，抗滑支挡，抗滑桩、锚杆挡墙、钢筋混凝土桩4.减，减重反压，上部主滑牵引地段的土石挖去5.固，物理化学加固，注浆、改变滑坡体的力学性质6.植，植树造林，绿化山坡，防冲涮边坡治理的工程措施66当方法消除和减轻地表水和地下水的危害。其目的是：

降低空隙水压力和动水压力，防止岩土体的软化及溶蚀分解，消除或减小水的冲刷或浪击作用。边坡工程应根据实际情况设置地表及内部排水系统，

包括截水沟、排水明渠、盲沟、暗沟、泄水孔等。削坡减载既可减小下滑力，又可清除可能引起边坡破坏的不稳定部分。对于高边坡而言，全部采用削坡减载的成本高，不

经济。排水措施水会导致抗滑力的减小和下滑力的增大，可采用适671、锚杆（索）的结构：—般由锚头，张拉段和锚固段三

部分组成，如图所示。锚头的作用是给锚杆（索）施加作用

力，张拉段是将锚杆的拉力均匀地传递给锚杆周围的岩体，

锚固段锚固在稳定的岩体内，可提供足够的锚固力。边坡加固（一）锚杆（索）加固边坡（适用于加固高陡边坡）682、锚杆(索)作用原理杆(索)插入钻孔中锚固后，用张拉设备在孔口给锚杆(索)施加预应力，图(b)中力P是由锚杆(索)的预应力作用在滑体上

的压力即锚固力，它与预应力张力大小相等方向相反。其加固

作用一部分是使滑体向稳固的岩体压紧，因而滑动面处增加了

摩擦阻力，增量为P

·

sin(β+δ)tgφ,另一部分是锚固力的

切向分量提供的直接抗滑力P

·cos(β+δ)，从而提高了滑体的稳定性。69

K——滑体的安全系数

;

W——滑体重量，N；β——滑动面倾角

;c——滑动面单位粘结力，N／m3φ—滑动面内摩擦角；S——滑动面面积，m2

δ——锚杆安装角

;

P——锚固力.3、锚固力计算（1）锚杆加固后滑体的安全系数70

当分母为最大值时，所需的锚固力最小，分母中仅

δ为变量，

因而对

δ求导，令导数等于零，得

δ=φ-β

,这时所需锚固力

为最小。满足上式的

δ称为最佳安装角。考虑施工方便，一般安装角

δ常取6～12，向下倾斜。（2）锚固力：71式中：d——锚杆直径，m；[σp]——锚许用抗拉强度，N/m2

；Rc一水泥砂浆的握固力，一般Rc=(2540)×105N／m2。在边坡加固工程中，实际采用的最小锚固段长常取l=4～5m。

（3）最小锚固长度l：72（1）锚杆(索)的数量视单根锚杆（索）的锚固力及滑体总的

下滑力而定。可通过对预设锚杆（索）的滑体进行稳定性计算

来确定。（2）锚杆位置及间距视滑坡机理及岩体性质而定。A、对于牵引式滑坡：锚杆（索）应在滑体下部位置；B、推移式滑坡：锚杆（索）应布置在偏边坡上部位置

；C、当滑面为单一不连续面控制且岩体较完整时，锚杆

（索）间距并不重要；4、锚杆布置锚杆(索)布置合理与否直接影响加固效果。73挤压带为原则。如图，锚头与锚固段之间形成一个约90

゜的压力锥体，锥体范围内岩石相互挤压，将周围岩石联成一个整体，从而阻止了岩体变形。

基于压缩锥体的原理，布置锚杆（索）时应使之在纵横方向均有一定数量，

使每根锚杆（索）周围形成压缩锥体彼此联结，并有一定的互相压叠。D、当岩体较破碎时，则锚杆（索）布置应以使岩体内形成一个连续的743000KN。设计上，锚杆分锚固段、

自由段和外锚段。

自由段长度是指外锚头到潜在滑裂面的长度。锚固段长度对岩质边坡不应小

于3m，且应位于完整坚硬岩体中。当锚固段岩体破碎，渗水量大

时，宜对岩体作固结灌浆处理。（二）锚喷支护锚喷支护中锚杆起主要承载作用，分系统加固锚杆和局部加强

锚杆两种类类型。系统锚杆用于维持边坡整体稳定，而局部锚杆用以维持不稳定块体。（二）预应力锚杆预应力锚杆能提供很大的承载力

，其承载力设计值可达到75抗滑桩是埋设于滑动面上、下岩体中阻止滑体移动的桩形结构物。抗滑桩适用于

裂隙不太发育，完整性较好的缓倾斜中

厚层岩体，滑动面较单一倾角小的滑坡，同时要求有一个明显

的滑动面，滑面以下为较完整的基岩(或密实的基础)能提供足够的抗力。（三）抗滑桩加固边坡76作用于桩体的滑坡推力，一部分经桩体传至桩前滑体，由

桩前滑动面向上的抗滑力平衡，另一部分由桩体传至滑动面以

下岩体中，因而桩前滑坡推力减小，滑体稳定性提高。抗滑桩的设计必须考虑基岩所能提供的抗力和桩自身的强

度，保证桩体在滑坡推力作用下不会失稳、弯断和剪断。

771、抗滑桩作用原理不同而异。假设：（1）桩因剪切而破坏；（2）因弯曲而破坏；（3）将桩看成是埋设在岩体中的弹性地基梁。2、桩承受最大滑坡推力计算桩承受最大滑坡推力的计算方法因桩受力破坏状态的假设78认为桩体只能被剪坏。桩体承受的最大滑坡推力为P

：P

=

[τ]

·

S式中：

[τ]——桩的许用抗剪强度，Pa;S——桩的计算抗剪面积，m2。（1）桩因剪切而破坏；桩体附近滑动面上下的岩体应较坚硬完整，滑动面很薄，79破坏前，桩周围滑动面附近的岩体首先破碎，滑体产生微量移

动，滑动面附近桩体产生弯曲变形直至破坏。柱承受的最大滑

坡推力为:

式中：Mmax——滑动面附近桩能承受的最大弯矩;L——桩承受最大弯矩点之间的长度。

L值依围岩和桩的性质而定，可根据试验近似求得

。（2）桩因弯曲而破坏桩体附近滑动面上下的围岩相对桩体较厚，因而认为桩体2M803、将桩看成是埋设于岩体中的弹性地基梁用链杆法计算桩的内力。将桩分成若干区段，假设滑坡推力为某种分布，并以集中载荷作用于桩各区段中点。桩体在此

载荷作用下产生位移、转角，桩底产生力矩，桩前岩体对桩各

区段产生的弹性抗力也假设为集中载荷，作用于各区段中点。

建立平衡条件下的外力，位移，力矩的平衡方程式，求出各区

段的弹性抗力值。至此，作用于桩各段的滑坡推力及岩体弹性

抗力的大小，作用点位置均为巳知，从而可计算出桩体上各点

的作用力，它不应超过桩的许用应力。81(四)抗滑挡墙是依靠挡墙的自

身重量抵抗滑坡体的推力。护坡作用：是防止大气降

雨对坡面的冲刷和风化；防止

松碎的边坡岩土体表面崩解、

塌落。主要有片石护墙和锚杆

挂网喷浆两类。

82岩基的基本概念；

岩基的破坏模式；基础下岩体的应力和应变；十七、岩体工程与基础工程17.2

岩体力学在岩基工程中的应用83一岩基的基本概念地基指的是承受上部结构荷载影响的那一部分地质体。基础下面承受建筑物全部荷载的土体或岩体称为地基。地基不属于

建筑的组成部分。固结灌浆可以加强岩体的整体性，提高岩基的抗剪性能，达

到防止或减小不均匀沉降的目的。

84岩体力学在岩基工程中的应用二

岩基的承载能力岩基的承载能力与岩基的系列破坏模式相关，变形又与岩性、结构面的产状与分布相关。一、岩基破坏模式高压缩性粘土岩应力水平较小应力水

平增大多孔隙

岩体应力水

平较大冲切剪切劈裂开裂压碎852.压碎破坏岩基发生破坏后，当荷载继续作用，岩基就进入岩体压碎破坏阶段。

压碎范围随深度增加而减少，据试验观测，压碎范围近似倒三角形。3.劈裂破坏当岩基发生压碎破坏后，若荷载继续增大，则基底下岩体的竖向裂缝

加密且出现斜裂缝，并向更深部延伸，进入劈裂破坏阶段。该阶段由于

裂缝开裂使压碎岩体产生向两侧扩容的现象，基脚附近的岩体发生剪切

滑移，并使基脚附近的地面破坏。4.冲切破坏这种破坏模式多发生于多孔洞或多空隙的脆性岩体中，如钙质或石膏

胶结的脆性砂岩、熔结胶结的火山岩、溶蚀严重或溶孔密布的可溶岩类

等。有时在一些风化沉积岩(如石灰岩、玄武岩、砂岩等)中分布纵横密

布的张开竖节理，也会产生冲切破坏。1.开裂破坏在上部荷载作用下，当岩基中应力超过其弹性极限时，岩基从基脚处

开始产生裂缝，并向深部发展。86础底面下的岩体出现压实楔，而在其两侧岩体有弧线的滑面。在分布有竖向节理的风化岩基中，可产生直线剪切画面。当岩基内有两组近于或大于直角的节理相交.

则剪切面追踪此两组节理，也可形成直线剪切滑动面，使岩基破坏。岩基发生剪切破坏形式：在高压缩性的黏土岩类岩基中.如页岩、泥岩等。常常在基87不属于岩基常见的破坏形式是:A.沉降

B.开裂C.滑移

D.

倾倒答案：A88目前对岩基中的应力分布一般都基于弹性理论，将岩基视为半无限平面弹性体。集中荷载、线性荷载作用下的岩基内应力；三角形垂直分布荷载作用下岩基内的应力分布；

三角形水平荷载作用下岩基内的应力分布；圆形均布荷载作用下的岩基内应力。三

岩基的应力分布89式中a圆形荷载面的半径。因此在均布压力p得表面荷载作用下，附

加应力

σz

是承载面积宽度与所求应力处深度之比得函数。纽马克根据根据半无限应力分布作出一个曲线图解以求不同深度处附加

应力：σz

=0.005P

NN为实际承载面积所覆盖的弧块数目圆形均布荷载作用下的岩基内应力在圆形均布荷载P作用下，岩基表面以下M点深度z处的垂直压力。可按布辛涅斯

克的解经过积分得到：σz

90为其边缘沉降量的1.57倍。2.矩形刚性基础：当其承受中心荷载时，基础底面上的

各点皆有相同的沉降量，但是沿着基底的应力是不等的。3.矩形柔性基础：当其承受中心