工程地质分析原理第十一章地基岩体稳定性的工程地质.ppt

第十一章地基岩体稳定性的工程地质分析,工程地质分析原理,11.1 基本概念及研究意义 直接承受上部建筑物荷载作用的别阴分土体或岩体称为地基。根据承栽的特点，通常可将地基分为两种类型，即：(1)承受垂直荷载的地基，一般工业民用建筑物的地基那是用于这种类型：(2)承受斜向荷载(同时承受垂直荷裁与水平荷载)的地基，各类挡水建筑物，如闹、坝等的地基恩此类。 承受垂直荷载的地基，大多都是“软基”，这类地基的变形、破坏机制和稳定性评价原理是土力学课程讨论的内容，这里不做详述，只准备根据本课程的需要指出有关问题的一般特点。,从世界上坝的破坏情况来看，原因是多种多样的。地质方面的原因造成的破坏事故约占30一4096，其中，从具体的破坏原因和形式来看，又可详分如下类型： (1)由于坝基的强度较低，运行期间又遭到进一步恶化所造成的破坏。 (2)由于坝基(肩)的抗沿稳定性较低运行期间又遗到进一步恶化所造成的滑动破坏。 (3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝或堆石坝坝基和坝坡的坍滑。 (4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走，使坝基被构空而造成的破坏。,(5)由于坝肩岩体的稳定性较低，运行期间空隙水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破坏。安徽拇山水库大坝的事故就是这样造成的(见第九窜)。 (6)坝下游岩体冲刷(溢流冲刷)构空，也可造成大坝的破坏。 (7)由地震和水库地震所造成的破坏或损害。,112 地基岩体内的应力分布特征（略） 113 坝基岩体的变形与破坏 11.3.1 松软土地基的变形与破坏 11.3.1.1 垂直荷载作用下松软土坝基的变形与破坏 如前所述，在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇到像因结水库土坝那样的坝坡坍滑问题。根据实地观察，坝坡坍滑通常有两种类型。 一种是滑动的速度相对比较缓慢，所涉及的地基滑动部分的范围相对较小。,另一种类型是坍滑的速度很快，坍洽所涉及的地基的范围可以很大，例如美国另一个高仅9m的土堤，在不到一分钟的时间内300m反的堤顶下陷了45m，坍滑所涉及的地基土水平方向的范围扩展到距堤脚约45m的地方。 实地观察表明，第一类坍滑一般是发生在地基土层中存在有饱水的塑性软粘上或淤泥夹层的情况下图1114(a)，而且地基个的滑动面部是通过这一软钻土层的中部；第二类坍滑通常发生在地基土层中发育有软钻土，且其中部夹有砂或粉砂之类的薄层或透镜体l如图li一14(b)，滑动面就通过这种部位。,显然，坝坊坍滑问题取决于促使坝坡滑动的力与阻止其滑动的力之间的对比。当阻滑力大于滑动力时坝坡将是稳定的，否则就会发生滑动。,从图1115中可以看出，作用在滑动面ab上的滑动力，等于作用在坝坡上下两端截面aa1和bb1上的土压力的差值，即： p滑papb （1112） 由土力学中得知， pa相当于主动土压力，可根据下式求得： （1113）,pb相当于被动土压力，可按下式求之： （1114） 式中：土的容重；c、坝体土石的内聚力与内摩擦角；其它符号见图1115。 由式1113、1114可见，p滑的大小除与土的c、值有关外，主要取决于坝体的高度，通常随着坝高的增加而增大。作用在ab面上的抗滑力s为： s=(qx-pw)tan+c lx 式中： qx作用在ab面上的坝体重量，为一变量， 随坝体加高而增大； pw ab面处的超空隙水压力,c、 滑动面上土石的内聚力和内摩擦力； lx ab段的长度，为一变量，随坝体加高、加宽 而增大。 可见，抗滑力s的大小，一方面与滑动面的c、有关，另一方面则取代于 qx-pw（即有效压力）的大小。 对于前述第一类情况图11 14（a）,在施工过程中，随着坝体的增高软粘土层的上下边缘部分的超空隙水压力不断减小，有效压力(qx-pw)相应的不断增大。但是，由于高塑性软粘土的透水性很低，排水缓慢，以致粘土层中间部分在施工后期，,甚至竣工以后一段时间之内，还能保持很高的，甚至接近于附加压力的超空隙水压力，因此(qx-pw)很小，甚至接近于零。这样，施工期内软粘土层中间部分（ab面上）的抗滑力s1 c lx，即随坝体加高而直线性的缓慢增大（如图11 16）。,与此同时，滑动力p滑却随坝体的增高而加速的增大。当p滑与s1相交时，坝基即将发生局部滑动并引起坝坡的坍滑（图11 16）。 这就是第一类坍滑产生的机制。,对于前述第二类情况，在坝体堆砌过程中ab面上的滑动力p滑与抗滑力s2的变化如图1116所示。抗滑力s2之所以不断减小，是因为随着地表荷载的增大，软粘土层中的水不仅要通过其顶底面向上下砂土层中排出，而且也要不断的流向中部底薄砂层，致使薄砂层中的空隙水压力不断增大，有效压力(qx-pw)不断减小，当pw增大至接近qx时，有效压力变得很小，甚至趋近于零。由于砂土的c=0，所以此时ab面上砂土的抗滑力s20。由于这类坍滑通常时在抗滑力很低的情况下发生的（图1116），故坍滑的速度一般较大。,当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时，由于空隙水能很快的排出，超空隙水压力的消散很迅速，故有效压力能在很短的时间增大至附加压力值，使s3= qx tan.因此，在施工期间，地基内的抗滑力s3将随着坝体的增高而直线性地迅速增大（如图1116）。图1116中s3和p滑曲线地关系表明，砂质土地基的抗坍滑的能力很大，足以支持很高的坝体而不发生坍滑。 由上述可见，地基中存在有饱水且透水性小的土层，如塑性软粘土或淤泥等，特别是当其中夹有沙或粉砂的薄层或透镜体时，地基的抗坍滑能力通常是很低的，在设计土坝或堆石坝时必须充分注意这个问题。当遇到这种情况时，为了保证坝坡的稳定，可采取如下措施。,当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层挖除，然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上。 当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取相应的排水措施，以便较快的减少该层中的超空隙水压力； 在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进度的方法，使土层预先沉陷或逐渐排水压实，以提高地基的抗滑能力。,11.3.12 倾斜荷载作用下松软土地基的滑动破坏及抗滑稳定性问题,理论计算和实验研究的结果表明，当作用在松软坝基上的斜向荷载增大到一定的临界值之后，地基土即将沿着一定的深部弧形面发生,滑动破坏（如图1117）。有关这类弧形滑动破坏的极限荷载条件，已在土力学课程中进行过详细讨论，,通常可用.叶甫道基莫夫的图解法或b.b.索科洛夫斯基的理论公式加以计算。 但是，当这类挡水结构物作用在此种地基上的垂直荷载小于地基的临塑荷载（即按荷载性区最大深度zmax=0求出的荷载）时，如果建筑物在库水水平推力的作用下发生滑动，则只能是沿基础底面的表层滑动。此时，其抗滑稳定性可按下式验算：,(1116), pv 作用地基表面的垂直总荷载（t）; ph 作用在挡水建筑物上的水平总荷载（t）; f . c 分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力； a 基础底面的面积； c安全系数。,1132 岩石坝基的变形及篡对大坝稳定性的影响 坚硬岩石地基的变形性常远较松软土地基为小，故对于一般的水工建筑物，研究其基础沉陷的绝对值往往没有多大实际意义。但是，由于建筑在岩基上的坝大多数是具有较大刚性的，它们对不均匀沉陷非常敏感，因此研究因岩石地基的不均匀变形所造成的不均匀沉陷，对于保证这类大坝的稳定有很大的实际意义。 岩石地基的不均匀变形通常是由下列因素造成的。,(1)岩石地基内应力分布的不均匀性。如前所述，当坝基内有成组出现的陡倾软弱结构面发育时(如图1118)，地基内酌附加应力将在软弱结构面历限岩体内产生高度的集中。由于这种原因，在具有三角形或梯形断面的重力坝自重作用下，地基内不同条形岩体中附加应力的大小及延展深度各不相同，因而其变形量也就彼此不等。通常坝体高、因而荷载强度大的部分变形最大；坝体低、因而荷载强度小的部分变形量就相对较小(如图1118)，于是在不同条形体的交界处就会产生明显的差异沉陷，其结果往往使刚性坝体在这些部位发生断裂(如图1118)。,(2)地基不同部分岩体变形性质的差异也往往是造成坝体不均匀沉陷的重要原因。这可能有两种情况；一是坝体砌置在软硬差别较大的岩层上，这种情况下，易于产生不均匀沉陷；二是坝基岩体内开口裂隙(如河床下的水平卸荷裂隙等)发育的不均匀，例如坝基一例张口裂隙较发育，而另一侧则不发育，在坝体压力作用下开口裂隙发育的一切由裂隙闭合所造成的压缩变形大于不发育的一例，其结果势必造成不均匀沉陷(如图1119),应该指出，对于砌置在坚硬岩体上的大坝，尤应特别注意后一情况。因为这类岩体本身的变形性通常较低，而开口裂隙在压力作用下产生闭合所造成的压纳变形往往可以达到很大的数值。所以开口裂隙发育不均常是造成这类岩体不均匀变形的重要原因。 鉴于不均匀沉陷能对坝体稳定性造成较大的危害，在初勘阶段应尽可能地持坝基选择 在不致产生过大不均匀沉陷的部位。如果不能完全避开，也应采取相应的措施(例如预留沉陷逢等)以减少式消除不均匀沉陷对坝体稳定的影响。,除上述之外，还应强调指出的是，在坝基或坝肩范围内饼体变形性能子局部地带的突变(增大)，对于拱坝的稳定性往往有很大的影响。模型试验表明，在外荷裁的作用下，拱坝的破坏总是先从局部软弱岩体发育部位开始，产生如图1120所示的各种破裂，然后导致整体破坏的。因此在拱坝的勘察和设计过程中对于这个问题必须予以充分的注意。,11.3.3岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定性问题 11.3.3.1 岩石坝基滑动破坏的形式、特点和发生条件 试验研究的资料表明，由于坝基岩体特征不同，重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型，即：表面滑动、浅部活动和深部滑动。,1表面滑动 表面滑动是沿混轻土基础与基岩接触面发生的剪切滑动，如图1131。主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面的条件下。此时，混凝士基础与基岩接触面的摩擦系数值，是控制重力坝设计的主要指标。坝体必须具有足够的重量，以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力。 这个接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验资料，考感到坝区的工程地质、水文,地质条件的特点，并参照国内外已建的类似工程的经验数据确定的。当基岩面由不同岩石组成时，接触面的摩擦系数的综合指标位，一班按面积加权平均法或应力加权平均法求得。 我国一些已建成的大坝工程所采用的摩擦系数资料例子表111。 2浅层滑动 当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时，剪切破坏往往发生在浅部岩体之内，造成浅层滑动。从产生条件来看，这种浅层活动可能有三种主要类型：,一是坝甚岩体的岩性软弱，岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面故在库水推力作用下，易于沿表层岩体的内部发生如图1122所示的剪切破坏。,二是由近水平产出的薄层状岩层(特别是夹有软弱层者)组成的坝基*在库水推力作用下，,产生如图1123所示的滑移弯曲。这类变形破坏的产生主要是因为薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低，在平行于层理方向的荷载作用下，易于产生突向临空面方向的弯曲变形，故在水平荷裁作用下，坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力，于是促进了坝基整体滑动的发生。,在乎行于层理方向的荷载作用下，层状岩体的抗弯曲能力称为弯曲阻抗rb(buckling resistance)，通常可根据euier所提出的下述公式进行计算: 由上式可见，岩层的抗弯曲能力与弯曲所涉及的层厚的三次方成正比，放下游岩层的抗弯曲能力随所涉及的岩层厚度的增加而迅速增大，所以这类变形破坏通常总是发生在浅部地层内。我国葛洲坝工程抗力体试验的结果充分地反映出这类岩体的上述变形破坏机制。,第三种类型是碎裂结构岩休组成的坝基在坝体推力作用下发生如图1124所示的剪动沿移破坏。,图1124所示的是克尔斯曼诺维奇等人所进行的块体节理模型试验的结果。它表明，承受斜向均布荷裁作用的这类地基，在荷载逐渐增大的过程中，其变形、破坏的发展通常分为如下三个阶段： (1)在第一阶段内斜向荷载较小，附加应力的分布仅局限在af和eg两条折线之间的岩体内。由于附加应力的作用，这部分岩体发生压缩变形，结果引起张裂缝沿af和eg经发展,(2)与此同时。斜向荷载增大到一定程度后，沿允万面产生裂隙，并开始出现约切滑移迹象，沿bc面也开始出现剪切的. (3)沿bc面发生明显的劳切滑动。随着滑移沿此面的发展。cd面也逐渐被卷入列变形破坏发展的过程之中。直到cd而开始被劳动之的，cd面抗剪力被动用的程度是随滑移沿bc面的发展而逐步增大至极限位。bc面抗剪强度的变化则恰相反，越过峰值后随着滑移的发展，该面的强度则逐渐降低，即，bc面和cd面在阻滑作用中的工作点是不一致的，因而不能同时有效地发挥作用。,3.深层滑动 在工程应力条件下岩体的滦层滑动主要是沿已有的软弱结构面发生。因此只有当地基岩体内存在有软弱结构面，且按一定组合能构成危险滑移体时，才有发生深层滑动的可能。 能够构成危险滑移体的软弱结构面，通常可分为滑移控制面和切割面两类。它们与一定约临空面组合就构成了探部滑移的边界条件。 按照目前通用的观点(没有考虑岩体酌天然应力状态)，典型的切割面通常是由陡立的断裂面构成的，只起将沿移体与周围岩体割裂开来的作用，不起抗滑作用。,与作用力方向垂直的陡立结构面构成横向切割面，平行于作用力方向的陡立面则构成侧向切剖面。 滑移控制面通常是由平缓的软弱结构面构成的，它与切割面不同，除了一定的切割、削弱的作用之外，还能对沿移休起抗滑的作用。因此这类面上的抗剪指标是控制设计的重要数据。滑核控制面的确定，应考虑如下两种情况： (1)坝基内存在有方位有利于滑动的软弱结构面，且其实际抗滑能力低于坝体温凝土与基岩接触面的抗剪能力。这类结构面就是坝基的滑移控制面。,假定坝基内有一缓倾上游的软弱结构面，其内摩擦角为d 如图1125(a)，它与基岩表面的夹角为i。如果再假定接触而的内摩擦角为c 则当d c -i时该软弱结构面对于水平推力的实际抗滑能力特大于接触面。在这种情况厂，此软弱结构面显然不能成为汾移控制面，因为只要按“不使发生表面滑动”的条件进行设计就不会沿此结构面发生深层滑动。相反，当d c -i时，该软弱结构面对于水平推力的实际抗活能力将小于接触面。此时，控制设计的显然不是表面滑动而是深层滑动，该结构面就是滑移控制面。,同理，当坝基内的软弱结构面倾向下游如图1125(b)，且当结构面与接触面的内摩擦角满足d ci的条件时，该结构面就将成为滑移控制面。,对于那些能够成为滑移控制面的软弱结构面，设计过程中必须结合其他方面的条件远一地校核沿其发生滑移的实际可能性。例如上犹江电站的混凝土重力坝坝基(如图1226)，由泥盆纪砂岩、板岩组成，地层中央有一层由层间错动和地下水的活动造成的板岩泥化央层，倾角一殷小于10。，抗剪强度低，其摩擦系数f0.24一0.30(内摩擦角d 14。一17。)。另据实验资料确定，混医士与基岩接触面的摩擦系数f=0.58，故其内庭擦角c 30。 。根据上述资料判断，板岩泥化夹层显然是坝基的滑移控制面。,同时岩体又被顺河向及横河向的两组节理切割，形成平放于坝基中的楔形危险滑移体。因此，在施工中对于埋藏较浅的泥化夹层进行了开挖处理，埋藏较深的部分也经详细计算校按，证明是稳定的，仅增加了防渗处理。 (2)另一种情况是坝基岩体内软弱结构面的发育没有明显的分异，而是不同方向的裂隙普遍有所发育。此时深部滑移控制面往往是由坝基内最大剪应力带的分布所决定。设计过程中有时需要根据这个带的综合抗剪指标(即裂隙段的抗剪指标和完整岩石段的抗剪指标的面积加权平均值)沿这个带校核坝基的抗滑稳定性。,乌江渡的情况就是这样，在那里混凝上坝砌置在三叠纪玉龙山灰岩之上，沙堡湾页岩及九级摊页岩分别发育在坝的上下游(如图1227)。实验及有限单元法计算表明，由于下游发育有强度低、变形大的九级摊页岩，因而应力在五龙山灰岩小高度集中，且坝基内剪应力最商的带与坝底面成约20一25。的交角分布(图1127)。由于在地质上也恰有一级裂隙大体沿着这个方向发育，所以根据这个带抗剪指标的加权平均值校核了坝基的抗滑稳定性，发现按原设计坝基的坑滑稳定不能满足要求。于是特原设计的一般类型的重力坝改为拱形布置的重力坝以便把20一30的水平荷载传到两岸，以保证坝基的抗滑稳定。,另一类是具有抗力体的沿移结构，当沿移控制面近于水平或倾向下游时，就是这种情况(见图1130)。从图1130中可见，坝基岩体沿滑移控制面ab的洽移将首先受到坝下游岩体的抵抗，只有当下游岩体沿着某一个面例如bc面被剪破之后，坝基岩体才有可能发生沿滑移控制面ab的滑动。通常特坝下游这部分能起抵抗坝基滑移作用的岩体称为抗力体，它所能提供的抗力的大小对坝基抗措稳定的评价有重要意义。,11.3.3.2 降低坝基抗沿稳定性的作用与坝基滑动破坏的发展 在大坝施工及运行期间，通常有一系列的作用能不断地降低坝基抗滑稳定性。如果在设计与施工中不采取措施，任这些作用自由发展，最终必持导致坝基整体破坏，造成严重后果。这类作用很多，但概括起来可分为如下方面。 (1)其坑开挖过程中卸荷回弹与应力释放所造成的岩体的变形和破坏。如前所述，在高地应力区，施工期间所进行的岩体开挖工作往往能在基坑的底部及两壁引起一系列与卸荷回弹和应力释放作用相联系的变形和破坏现象，,例如葛洲坝水电站厂房基坑开挖过程中所发生的情况就非常典型(参见图321)。这些现象的产生，通常会使坝基或速效岩体的工程地质条件严重恶化，对于这个问题认识不足，有时也会造成严重后果。 (2)在附加应力作用下坝基岩体变形、破裂的逐渐发展以及与之相联系的空隙水压力(或扬压力)的增高。属于这类作用的主要有两方面； 一是坝基在附加压应力作用下产生不均匀变形，使坝体国不均匀沉陷而断裂，丧失其整体性。除此之外，有时还会使防掺排水设施遭到破坏，引起基础底面扬压力的提高，所有这些显然都会使坝基岩体的抗沿稳定性遭到削弱。,114 坝基(肩)岩体稳定性的工程地质评价 11.41 坝基(屑)稳定性的岩体结构条件分析 坝基(肩)稳定性取决于岩休的结构条件，故在不同的岩体结构类型区，坝基(肩)岩体稳定性问题有不同的特点和规律性。为了说明这种规律性，下面拟对影响坝基(肩)稳定性的岩体结构条件进行简要分区评述。 1141.l 平缓层状岩体分布区 岩层倾角在30。以下，岩体内构造结构面不甚发育。断层一般规模较小，以产状陡立的平面x型断裂为主，有时亦发育一些与岩层走向平行或垂直的小型张性断裂。,在这类地区，产状平缓的各类原生结构面，其中待别是广泛发育于砂页岩地层中的粘土质夹层，对坝基岩体的抗滑稳定性有很大的影响。由于这类夹层力学强度低、亲水性强、抗风化能力弱，所以对外部条件和岩体内应力状态的变化最敏感。因此，在这类夹层内常发育有反映岩体形成不同阶段的变形形迹，如小挤压滑动面、民间接皱和层间错动等。,11.412 倾斜岩层地区 岩层倾角在30。以上，一般40。一50。，构造变形进一步发展，各种力学成因的构造结构面均可出现。其中与层面一致或倾向相反的压性结构面一殷倾角较陡，只在个别情况下始出现平缓者，扭性结构面也多是陡立的。它们组合后形成的结构体往往嵌入地基深处，稳定条件相对良好。 由于岩层倾角较大，坝基内层间软弱结构面一般不能单独形成滑移面，而要求其它结构面与之配合。当岩层走向平行河流时，层面与反倾向压性断裂共同组成复合楔形滑移面，荣起纵向切割作用，张性断裂起横向切创作用。,这样就构成平行流向、平放在坝基内的三角柱体或尘锥体，对稳定甚为不利。当岩层走向与河流正交时，应注意反倾向的压性结构面，其产状有时亦甚平缓，因而可起滑移面的作用。岩层走向与河流斜交时坝基岩体稳定条件虽较前述情况为好，但仍应注意层间软弱结构面与反顿向压性断裂的配合时局部地段所可能起的危害作用。例如八盘峡电站的一个导墙基础，砌置在由层间软弱结构面和反倾向断裂组合成的三角往状沼体之上，在施工过程中，由于基础下游处开挖齿槽形成了临空面，致使该滑移体下滑了28m(如图1140)。,总的看来，在这类地区较多坝基的抗滑稳定是由混凝土与基岩接触面所控制。但是由于此类岩体中断裂往往相当发育，故应对饯部沿动的可能性予以充分注意。 1141. 3 陡倾斜或倒转岩层分布区 岩层倾角在60。以上，构造形变剧烈，各类构造断裂均甚发育。由于岩层陡立，层间软弱结构面一般不能起沿移控制面作用，应注意比较平经、延续性较强的扭性和与岩层倾向相反的压性结构面。当岩层走向与河流正交时，可能出现两种滑移控制面。,一种是x型扭性断裂面，由于岩层陡立的影响，它的走向从和岩层走向斜交变为与岩层走向正交，倾角由直立变为40一60。此种结构面，在走向相互平行、倾向相反、共朗组合的情况下，可充沿移面，又能起侧向切割面的作用，而层面本身为横向切割面 另一种为反倾向的压性结构面起滑移面的作用，岩体又受张性、扭性断裂及层面等的切割而形成危险滑移体，不利于稳备但应指出，此种情况并不经常出现，且节理等的延续性远不如平经岩层小的层问结构面，故稳定条件尚好。当岩层定向与河流一致或斜交时，可出现与倾斜岩层中相同的滑移边界条件,11.4.1.4 块状岩体分布区 在这类岩体上筑坝，除需详细研究断裂构造的发育对坝甚抗洛稳定的影响外，尚有三个值得特别注意的方面，即；(1)这类岩体常有较厚的风化完，风化岩体的强度远低于新鲜岩石；(2)在这类岩体内缓倾角裂隙(目前对其成因的看法尚不一致)较为发育，常成为坝基抗滑稳定性的不利条件(3)在这类岩体分布区，谷下水平卸荷裂隙往往较为发育。因此，在这类岩体上筑坝，必须深入地研究这些问题，以便正确地评价它们对坝基抗洛稳定的影响。,1142 坝基岩体强度及变形栓的评价 一般说来，岩石坝基的强度远高于松软土地基。同时，由于岩石地基的强度在很大程度上决定于岩体中软弱结构面的发育和分布，放通常不用确定“均质”土承载力的方法确定岩石坝基的允