高等岩石力学-岩石边坡工程.ppt

1,辽宁科技大学,高等岩石力学,Adwanced Rock Mechanics,2,第七章 岩石边坡工程,3,7.1 边坡工程的影响与分类,4,首都钢铁公司水厂铁矿边坡,一、基本概念,水厂铁矿是一座大型变质岩型磁铁矿床，位于河北省迁安市，西至北京200km，西南至唐山80km，东南至迁安市20km。 水厂铁矿整个露天采场上口尺寸3600m(400-1680)m ，露天底尺寸180m60 m，采场边坡最高标高为+310m，最低开采标高-350m，采场封闭圈标高+80m，采场总体边坡角41-46，台阶坡面角65。,5,高速公路滑坡,6,漫湾水电工程的滑坡,7,三峡船闸岩石边坡,8,西藏易贡巨型山体滑坡,9,一、基本概念,露天矿边坡：露天矿开挖形成的斜坡构成的采矿区的边界。 （最终帮边坡、工作帮边坡和台阶边坡）； 路堤边坡：铁路、公路建筑施工中形成的路堤斜坡。 路堑边坡：开挖路堑所形成的斜坡称为。,10,一、基本概念,坡面角：坡面与水平面的夹角。 坡高：坡肩与坡脚间的高差。,坡肩：边坡与坡顶面相交的部位称。 坡脚：边坡与坡底面相交的部位。,边坡要素,11,设采深为H、采场长为L，坡角为。 若从1增加至2，减少剥岩量：,二、边坡工程对露天矿建设的影响,采矿工程完成的挖方量约占人类各种挖方量总和的五分之四。,12,对于一个深400m的大型露天矿，如果从坡角35增加到36，每公里长的坡段可减少剥离量415万m3，节约的剥岩费上亿元。 加陡边坡成为减少废石开挖量和运输量、提高矿山经济效益的关键问题。,二、边坡工程对露天矿建设的影响,13,三、边坡的分类,自然边坡：天然的山坡和谷坡。 自然边坡是在地壳隆起或下陷过程中逐渐形成的，这类运动今天可能还在继续。然而，只要边坡位于侵蚀基准面以上，不论成因如何，它们就处于受剥蚀的环境之中，开始了风化、解体以至滑塌的过程，较大规模的破坏就是自然滑坡。,边坡按成因分类,14,三、边坡的分类,人工边坡：人工建设形成的。 挖方形成的边坡称为开挖边坡，填方形成的边坡称为填筑边坡，水力水电工程中还称为坝坡，这类边坡的几何参数可以人为控制。,边坡按成因分类,15,三、边坡的分类,土质边坡和岩质边坡 土体和岩石的物质构成并无本质的差别，差别在于结构，它们的工程地质和水文地质特征及力学特征差异显著，使得岩质边坡和土质边坡的力学性能很不相同，其边坡破坏模式的差别也十分显著。,边坡按组成物质分类,16,第7.1节结束，谢谢！,17,7.2 边坡的破坏形式和影响因素,18,一、边坡岩体的变形特征,边坡坡脚部位的岩体被冲刷侵蚀掉或人工开挖，使边坡岩体失去约束，应力重新调整分布，从而使岸坡岩体发生向临空面方向的回弹变形及产生近平行于边坡的拉张裂隙，一般称作边坡卸荷裂隙。,松动变形,19,一、边坡岩体的变形特征,（二）、蠕动 边坡岩体在自重应力等应力的长期作用下，向临空方向缓慢而持续的变形，称为边坡蠕动。 蠕动形成机制： 1、岩土的粒间滑动(塑性变形)； 2、沿岩石裂纹微错； 3、岩体中一系列裂隙扩展所致。,蠕动变形,20,二、边坡岩体的破坏模式,（一）、崩塌 崩塌高陡的边坡岩体突然发生倾倒崩落，岩块滚落堆积于坡脚的现象。 山崩-大规模的岩体崩塌，可达数千万甚至上亿立方米。 坠石-小规模的崩塌，一般仅数立方米或数十立方米。 坚硬岩体中发生的崩塌也称岩崩，土体中发生的则称土崩。崩塌下来的岩块碎石大小混杂堆积于坡脚，称为崩积物。,21,二、边坡岩体的破坏模式,（二）、滑坡 滑坡是边坡岩体主要在重力作用下沿贯通的剪切破坏面发生滑动破坏的现象。 滑坡通常以深层破坏形式出现，其滑动面往往深入坡体内部，甚至延伸到坡脚以下。 根据滑面的形状，滑坡形式可区分为平面剪切滑动和旋转剪切滑动。,22,二、边坡岩体的破坏模式,l、平面剪切滑动 平面滑动的特点是块体沿着平面滑移，它的产生是由于这一平面上的抗剪力与边坡形状不相适应。这种滑动往往发生在地质软弱面的走向平行于坡面、产状向坡外倾斜的地方。 根据滑面的空间几何组成，平面滑动存在简单平面剪切滑动、阶梯式滑坡、三维楔体滑坡和多滑块滑动等几种破坏模式。,23,二、边坡岩体的破坏模式,24,二、边坡岩体的破坏模式,2、旋转剪切滑动 旋转剪切滑动的滑面通常成弧形状，均质岩体易产生近圆弧形滑面，当岩土非常软弱(土边坡)、或岩体节理 异常发育、或已破碎 (废石堆)，破坏也常 常表现为圆弧状滑动。,25,二、边坡岩体的破坏模式,26,三、边坡稳定性的影响因素,影响边坡稳定性的因素有内在因素与外在因素两个方面。 内在因素有组成边坡岩土体的性质、地质构造、岩体结构、地应力等。它们常常起着主要的控制作用。 外在因素有地表水和地下水的作用、地震、风化作用、人工挖掘、爆破以及工程荷载等。其中地表水和地下水是影响边坡稳定最重要、最活跃的外在因素，其他大多起着触发作用。,27,第7.2节结束，谢谢！,28,7.3 边坡稳定性分析计算,29,（一）、边坡稳定性分析方法分类 目前用于边坡稳定性分析的方法大体上可分为定性分析方法和定量分析方法两大类。 定性分析方法：工程类比法、赤平极射投影法、实体比例投影法、摩擦圆法等； 定量分析方法：极限平衡法、数值分析法(有限元，边界元，离散元等)及可靠性分析方法(蒙特卡洛法和随机有限元法等)。,一、稳定性分析方法综述,30,（二）、极限平衡法基本原理 极限平衡法是依据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理(即静力平衡原理)，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。 极限平衡法是边坡稳定性分析计算的最主要方法，也是工程实践中应用最多的一种方法。,一、稳定性分析方法综述,31,（三）、极限平衡稳定性分析方法 1、瑞典法（Fellenius法，1936)； 2、毕肖普法（Bishop法，1955)； 3、简布法（Janbu法，1954，1973)； 4、摩根斯坦泼赖斯法（Morgensern-Price法 ,1965)； 5、斯宾塞法（Spencer法、l973)； 6、萨尔玛法（Sarma法，1979)； 7、传递系数法； 8、楔形体法； 9、三维极限平衡计算法。,一、稳定性分析方法综述,32,（四）、极限平衡计算方法选择： 1、二维？三维计算？ 2、滑面形状：平面破坏面、圆弧形破坏面、任意形状破坏面； 3、考虑滑体内岩体结构面错动时可选择Sarma法。 4、简化法？精确法？,一、稳定性分析方法综述,33,（五）、极限平衡法特点 在极限平衡法的各种方法中，尽管每种分析方法都有它适用范围及假定条件，且得出的计算公式所涉及的因素各不相同，但将它们都归结为极限平衡法，大前提是相同的，所有的极限平衡法都有三个前提。,一、稳定性分析方法综述,34,1、滑动面上岩土提供的极限抗剪强度S与作用在滑面上的垂直应力存在如下关系：,一、稳定性分析方法综述,式中，C、C分别为滑动面的粘结力和有效粘结力；、分别为滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角；u为滑动面孔隙水压力。,35,2、稳定系数F(安全系数)的定义为沿最危险破坏面作用的最大抗滑力(或力矩)与下滑力(或力矩)的比值。即 3、二维极限平衡分析的基本单元是单位宽度的分块滑体（刚性）。,一、稳定性分析方法综述,36,平面破坏计算法是对边坡上滑体沿单一结构面或软弱面产生平面滑动的分析方法。,二、平面破坏计算法,37,（一）、假定条件 1、滑动面及张裂隙的走向平行于坡面； 2、张裂隙是直立的，其中充有高度为Zw的水柱； 3、水沿张裂隙的底进入滑动面并沿滑动面渗透； 4、滑体沿滑动面做刚性下滑。,二、平面破坏计算法,38,（二）、滑体作用力 滑体上作用力有：滑体重量W；滑动面上的法向力N；滑动面L的裂隙水压力U(该力在库仑准则里考虑)； 抗滑力S；作用 在滑体重心上的 水平力(如地震 力)QA；张裂隙 孔隙水压力V。,二、平面破坏计算法,39,二、平面破坏计算法,（三）、力学分析,40,二、平面破坏计算法,41,滑面水浮托力U、裂隙水压力V和滑面长度l：,二、平面破坏计算法,42,Bishop法是一种适合于圆弧形破坏滑动面的边坡稳定性分析方法，但它不要 求滑动面为严格的圆弧，而只是近似圆弧即可。,三、简化毕肖普（Bishop)法,43,（一）假设条件 1、滑动面为圆弧形或近似圆弧形； 2、采用简化Bisllop法时假定条块侧面的垂直剪力(Yi-Yi+1)tgi0,三、简化毕肖普（Bishop)法,44,（二）滑体条块作用力： 分块的重量Wi；分块上的地面荷载Qi；作用在分块上的水平作用力QAi；条间作用力的水平分量Xi；条间作用力的垂直分量Yi；条块底面的抗剪力Si；条块底面的法向力Ni。,三、简化毕肖普（Bishop)法,45,三、简化毕肖普（Bishop)法,条块垂向力平衡：,库仑破坏准则：,（三）、力学分析,46,由滑体绕圆弧中心O点力矩平衡Mo0得,三、简化毕肖普（Bishop)法,令(Yi-Yi+1)tgi0 得简化Bishop法：,三、简化毕肖普（Bishop)法,48,（一）、假设条件 1、垂直条块侧面上的作用力位于滑面之上13条块高处； 2、作用在条块上的重力、反力通过条块底面的中点。,四、简布（Janbu)法,49,四、简布（Janbu)法,50,（二）、Janbu法满足的平衡条件 1、条块水平方向力平衡； 2、条块垂直方向力平衡； 3、条块绕分块底滑面中点的力矩平衡。,四、简布（Janbu)法,51,（一）、基本原理： Sarma法是Sarma 于1979年在“边坡和堤坝稳定性分析”一文中提出的，基本 原理是：边坡破坏的滑体除非是沿一个理想的平面或弧面滑动，才可能作一个完整的刚体运动，否则，滑体必须先破裂成多个可相对滑动的块体，才可能发生滑动。也就是说在滑体内部要发生剪切情况下才可能滑动。,五、萨尔玛（Sarma)法,52,五、萨尔玛（Sarma)法,53,五、萨尔玛（Sarma)法,54,五、萨尔玛（Sarma)法,（二）、Sarma法满足的平衡条件 1、条块水平方向力平衡； 2、条块垂直方向力平衡； 3、条块底面和侧面同时满足摩尔库仑强度准则。,55,（三）、水平加速度K的递推公式：,五、萨尔玛（Sarma)法,56,（四）、稳定系数计算 计算稳定系数时，首先假设稳定系数F1，计算出K，此时为KC，即极限水平加速度，物理意义是，使滑体达到极限平衡时的平衡状态，必须在滑体上施加一个临界水平加速度KC ，KC为正时，方向向坡外，KC为负时方向向坡内。求其稳定系数F，要采用迭代法求解。,五、萨尔玛（Sarma)法,57,三维楔形体法主要用于岩体受结构面控制的楔体，沿两个相交的不连续面上滑动时边坡的稳定性分析。,六、三维楔形体法,58,（一）、假设条件 1、楔体由两相交结构面、坡面和坡顶面构成； 2、滑体沿两滑面的交线下滑； 3、坡顶面倾斜； 4、坡肩后面有张裂缝存在； 5、张裂缝中和滑动面上有水压作用 6、作用有锚固力。,六、三维楔形体法,59,(二）、滑体作用力 楔体的重量；平面A、B上的总法向力、有效法向力、水浮托力；张裂缝中水压力；锚索或锚杆所施加的外部锚固力；顺着潜在滑动线的抗滑力；水平地震力。,六、三维楔形体法,60,（三）、稳定系数,六、三维楔形体法,61,寻找最危险滑面，实际上是找出安全系数最小(最容易发生滑坡)的那个滑面，即找出函数F(Xi)的最小值. Fmin=minF(Xi) 式中，Fmin为最小安全系数； F(Xi)为第i个潜在滑面的安全系数，是滑面几何尺寸的函数，Xi是N维向量，XiX1，X2，XN控制着第i个滑面的几何形状和位置。,七、最危险滑面的优化搜索,62,危险滑面的确定包含着安全系数的优化，因而在安全系数的优化过程中，将产生最小安全系数值，同时也将产生相应于最小安全系数的滑面。安全系数的优化可采用非线性优化方法（如0.618法、最优梯度法、单纯形法）、人工智能算法（神经网络法、遗传算法和蚁群算法）和随机搜索法等。,七、最危险滑面的优化搜索,63,第7.3节结束，谢谢！,64,7.4 滑坡的防治与监测,65,边坡的稳定性破坏，是由于岩石的抗拉或抗剪强度被克服所致, 破坏有不同的模式。 滑坡是一种深层的边坡破坏，按工程实际对滑坡进行分类，主要有三大类型： 1)、岩块流动滑坡； 2)、平面剪切滑坡； 3)、旋转剪切滑坡。,一、滑坡的工程分类,66,（一）滑坡监测的目的 1、滑坡整治前配合地面调查和勘探工作，收集各种位移及变形资料，研究不同地质条件下不同类型滑坡的产生过程、发育阶段和动态规律，用以分析滑坡性质，为整治设计提供资料。 如滑坡体上各种裂缝产生、发展的顺序及分布特征；滑坡各部分的应力分布及变化；滑坡发育阶段的划分及动态规律。,二、滑坡的监测,67,2、研究滑坡的主要影响因素。 3、研究抗滑构筑物的受力状态。 4、研究滑坡的预报方法 5、在整治过程中，监视滑坡的发展变化情况，预测发展动向，防止事故发生。 6、整治工程完成后，通过一定时期的延续观测，判断其是否逐渐稳定，并检验完成治理工程的整治效果。,二、滑坡的监测,68,（二）监测方法 1、滑坡地面位移观测建网观测 滑坡的演变一般较为复杂，为掌握滑坡的变形规律，研究防治措施，对不同类型的滑坡，应设置滑坡位移观测网进行仪器观测。 建立位移观测网，观测滑坡动态是研究滑坡的传统方法之一。,二、滑坡的监测,69,2、地表裂缝简易观测法 滑坡变形过程中，在滑体的不同部位所产生的裂缝随滑坡变形的发展而变化，具有明显的规律，对于反映于地表及建筑物上的裂缝进行动态观测，就可以准确地了解滑动体变形的全过程。,二、滑坡的监测,70,3、建筑物裂缝简易观测法 对滑坡体上及其附近的所有建筑物的开裂、沉陷、位移和倾斜等变形均应进行观测。因为这些建筑物对滑坡变形反映敏感，表现清楚，据此能详细掌握崩滑的原因、山体稳定程度和发展趋势，并为采取防护措施提供确切的参考数据。 建筑物的变形观测方法有：灰块测标、标钉测标、金属板测标等。,二、滑坡的监测,71,4、地面倾斜变化观测 滑坡在其变形过程中，地面倾斜度也将随之产生变化，观测地面倾斜度的变化至少可以达到两个目的：对于尚未确定边界的滑坡，通过倾斜观测可以确定滑坡边界；对于已经确定了边界，但对滑坡动态尚不明确时，通过倾斜观测可以判断滑坡是已处于稳定或是尚在活动。 地面倾斜变化的观测主要是利用地面倾斜仪进行。,二、滑坡的监测,72,5、滑坡深部位移观测 尽管滑坡是一种整体移动现象，但是在滑坡滑动过程中，地表与深部位移常常表现出局部差异。 滑坡深部位移观测的目的是了解滑体内不同深度各点的位移方向、大小和速度，结合地面位移观测和地下应力测定，研究滑坡发生的机理和动态过程。,二、滑坡的监测,73,6、滑动面位置的测定 确定滑动面的位置，是防治滑坡的关键。滑动面测定方法有： 1）、钻孔中埋入管节测定； 2）、钻孔中埋设塑料管测定； 3）、简易滑面电测器测定； 4）、摆锤式滑面测定器测定； 5）、电阻应变管监测滑坡的滑动面。,二、滑坡的监测,74,7、滑坡滑动力(推力)观测 滑坡滑动力一方面可以通过已知的工程地质条件和给定的设计参数计算求得，为整治滑坡提供依据，可利用设于构筑物上的压力盒来实测此值，从而获得推力分布，从构筑物受力状态，检查校核设计滑坡推力的准确性。,二、滑坡的监测,75,（一）滑坡预测的基本内容： 滑坡的区域、地段和地点；区域内可能发生滑坡的基本类型、规模、特点；特别是：运动方式、滑动速度和可能造成的危害。 （二）滑坡预测的类型： 依据研究区域的范围和目的的不同，可以把预测大致划分为区域性预测、地区性预测、场地预测三大类。,三、滑坡的预测,76,（三）、滑坡预测的基本原则 滑坡预测应当遵循三个基本原则：实用性、科学性和易行性。 （四）、滑坡预测的方法 滑坡预测方法应使人们比较容易理解、掌握和应用，滑坡预测的方法大致分为两类：因子叠加法、综合指标法。,三、滑坡的预测,77,滑坡预报主要是指对于可能发生滑坡的时间的判定。 滑坡预报大致地可以划分为区域性趋势预报和场地性预报。,四、滑坡的预报,78,(一）、“避” 避开滑坡的影响，对一些规模巨大的大中型滑坡或滑坡群、整治耗资大、且较难保证其根本稳定时，可以将公路、铁路及构筑物等修筑在滑坡或滑坡群以外的地方，以避开滑坡对构筑物的影响。,五、滑坡的整治,79,(二）、“排” 排水导流，采用多种形式的截水沟、排水沟、急流槽来拦截和排引地表水；用截水渗沟、盲沟、纵向和横向渗沟、支撑渗水沟、泄水隧洞、立井、渗井、砂井、平孔排水，使水不再进入或停留在滑坡范围内，并排除和疏干其中已有的水，以增加边坡的稳定性。,五、滑坡的整治,80,五、滑坡的