岩石力学课件---7.岩石边坡.ppt

第七章 岩石边坡 7 1边坡问题的评价 一 岩石边坡分类按成因分类 1 自然边坡 在各种自然营力作用下形成的边坡 山坡 2 人工边坡本章主要讨论人工岩石边坡工程的稳定性与岩石物理力学性质 岩体结构 原岩应力 水及边坡工程开挖活动等有关的因素 人工开挖边坡 矿山边坡 路堑边坡 人工堆积边坡 排土场边坡 路堤边坡 二 边坡破坏的基本类型主要受岩体的工程地质条件特别是岩体结构面的控制 常见的破坏形式主要有以下四种 1 圆弧形破坏在表土 废石堆或破碎或散体结构岩体中最常见 2 平面破坏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 则可能产生这种破坏 3 楔体破坏在块状结构岩体中 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 滑蹋模式 平面滑坡楔体破坏倾倒破坏圆弧破坏 三 边坡岩体结构图的编制1 边坡岩体结构图的基本内容 1 拟建边坡外形轮廓线平面图 即台阶 平面线和境界线 2 边坡岩体结构类型分界线 3 边坡岩体结构面及坡面的赤平投影图和结构体的实体比例投影 4 边坡潜在稳定性评价 基于赤平投影或块体理论等 2 编制边坡岩体结构图的基础资料 1 工程地质平面图 两个内容 工程地质岩组划分 构造结构面分级 2 边坡工程布置平面图 3 岩体结构面力学性质 结构面的抗剪强度特征是边坡工程稳定性分析的重要依据 3 编制边坡岩体结构图的方法 1 绘坡底线根据设计提供的边坡底边线的坐标位置和坡底线标高和边坡走向方位 在工程地质图上绘出坡底线 2 绘开挖线 3 统计在边坡面上出露的岩组界线和结构面迹线统计在边坡面上出露的岩组界线和结构面迹线 记录结构面 对结构面分级 确定其力学属性 压性 张性或扭性等 4 绘赤平投影图和结构体的实体比例投影图 4 边坡岩体结构图的应用编制好边坡岩体结构图以后 根据结构图考虑是否有必要进一步修改边坡工程设计 5 危险结构面的检验 7 2平面破坏分析 一 平面破坏的条件1 边坡上有一组接近与边坡走向平行 在 200范围内 的结构面 2 这组结构面必须在坡面上出露 也就是说它的倾角小于坡面倾角 即 f p 3 结构面的倾角大于其摩擦角 即 P 0 4 在边坡上还必须存在一组与边坡接近正交的结构面 解离面 切割面 而且这组结构面对结构体的抗滑力很小 二 平面破坏的力学模型1 坡顶上有张裂缝2 坡面上有张裂缝 3 假设条件 1 滑动面及张裂缝平行于边坡走向 2 张裂缝是直立的 其中充有深度为Zw的水 3 水沿张裂缝顶部进入滑动面并沿滑动面渗透 在大气压力下沿滑动面出露处流出 4 结构体重力为W 滑动面上水压所产生的上举力为U 张裂缝中水压所产生的推力为V 三条力线都通过结构体重心 即假定只有滑动而无转动 5 考虑单位长度岩片 并假定有横向节理存在 在结构体侧面没有对滑动的阻力 6 滑动面上抗剪强度为 c0 tg 0 三 边坡安全系数的计算设安全系数为F 式中 A为滑动面面积 U为水对结构体的上举力 V为水压产生的横推力 W为结构体自重 w为水的重度 讨论 1 张裂缝在坡顶面时2 张裂缝在坡面时 为岩石湿重度 7 3楔体破坏分析 楔体破坏分析可分为三种情况来讨论 1 只考虑结构面摩擦力 安全系数大于2 不会发生楔体破坏 反之则需作进一步分析 2 同时考虑结构面摩擦力 粘结力和水压力 3 赤平投影分析方法 一 结构面摩擦力 设两个结构面的抗滑反力分别为RA和RB 楔体重力为W 则安全系数F i为交线的倾角 0为结构面摩擦角 为两结构面夹角 为楔体歪斜角 在静力平衡条件下 水平方向 垂直方向 安全系数 可写成 式中 Fw 只考虑了摩擦力的楔体安全系数 Fp 平面破坏的安全系数 K 楔体系数 二 同时考虑结构面摩擦力 黏聚力和水压力的楔体破坏分析 对于每个结构面单独进行受力分析 考虑地下水对结构体的顶托作用 分别计算抗滑力与下滑力 得安全系数为式中 c0A c0B 结构面A和B的黏聚力 0A 0B 结构面A和B的摩擦角 w 岩石和水的重度 H 楔体高度 X Y A和B 取决于楔体几何形状的系数 式中 a b 结构面A和B的倾角 5 两结构面交线的倾角 ij 为交线i和j的夹角 2na 1nb 分别为交线1 2与结构面A B的法线之夹角 na nb 两结构面之夹角 三 摩擦圆法对边坡稳定性进行初步分析设在倾角为 p的平面上放一块重量为W的块体 当 p由0逐渐增大时 块体由稳定状态到不稳定状态 当其增加到某一值时 即处于极限平衡状态 块体与坡面仅有摩擦力 此时块体下滑力为S Wsin p 摩擦力Rs Wcon tan 当Wsin p Wcon ptan p 讨论 1 当结构面倾角小于摩擦角时 坡面保持稳定 2 当结构面倾角处于坡角与摩擦角时 坡面失稳 3 当结构面倾角大于坡角时 结构面在坡面不能出露 坡面稳定 不稳定条件的赤平投影表达 画出坡面大圆 在坡面投影大圆外侧 以赤平面中心为圆心 以圆心至摩擦角投影点为半径画圆 与坡面大圆相交 所得摩擦圆与坡面大圆围成的面积为滑动危险区 若结构面大圆通过该区 则可发生滑动 7 4边坡监测 一 裂缝监测 二 岩体内部位移监测1 用多点位移计测岩体内部水平位移 2 测斜仪测岩体内部剪切错动带 三 水压监测水压监测目的是监测边坡疏干效果 7 5边坡维护 一 排水1 基本原则以提高边坡稳定性为目的的边坡排水 必须遵循三项基本原则 1 防止地表水由裂隙进入边坡 2 有选择性的进行地表和地下疏水 降低潜在破坏面附近的水压 3 确定排水位置 使它只是降低边坡附近的水压 2 井点降水从地表施工大口径钻孔或井 如图 延伸到需要预先疏干的含水层内 在井内安装水泵 把水抽到地表 以降低地下水位 临时 布置 岩体渗透性 井群可线性排列或圆形排列 依据实际确定 3 巷道排水适于大型边坡排水 位置 受地质构造和边坡性质控制 应尽可能使之穿越较多的含水层和含水构造 一般情况下 巷道平行边坡布置 4 水平钻孔排水在坡面上钻水平疏水孔 能有效地降低张裂缝底部或潜在破坏面的水压力 疏水孔的间距和位置取决于边坡几何形状以及岩体内的构造不连续面 5 明沟排水疏水明沟可布置在边坡不稳定区段之外适当位置 用来拦截地表水向不稳定区汇集 排放到边坡以外区域 二 边坡加固 一 预应力锚杆 索 加固边坡1 锚杆 索 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 2 锚杆 索 作用原理 锚杆 索 插入钻孔中锚固后 用张拉设备在孔口给锚杆 索 施加拉力 由锚杆 索 将拉力作用在滑体上 即锚固力 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 tg 另一部分是锚固力的切向分量提供的直接抗滑力P cos 从而提高了滑体的稳定性 3 锚固力计算 1 锚杆加固后滑体的安全系数式中 K 滑体的安全系数 W 滑体重量 N 滑动面倾角 0 C 滑动面单位粘结力 N m3 滑动面内摩擦角 0 S 滑动面面积 m2 锚杆安装角 0 P 锚固力 2 锚固力 当分母为最大值时 所需的锚固力最小 分母中仅 为变量 因而对 求导 令导数等于零 得 这时所需锚固力为最小 满足上式的 称为最佳安装角 在实践中 考虑到施工方便 一般安装角 常取60 120 向下倾斜 3 最小锚固长度l 式中 d 锚杆直径 m p 锚杆许用抗拉强度 N m2 Rc一水泥砂浆的握固力 一般Rc 25 40 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 4 锚杆布置锚杆 索 布置合理与否直接影响加固效果 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 应布置在边坡上部 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 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挤压带为原则 如图所示 锚头与锚固段之间形成一个约900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 并有一定的互相重叠 二 抗滑桩加固边坡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 1 抗滑桩作用原理作用于桩体上的滑坡推力 一部分经由桩体传至桩前滑体 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 如图所示 因而桩前滑坡推力减小 滑体稳定性提高 由此可见 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 既不会失稳 又不会出现弯断和剪断 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不同而异 目前有三种假设 1 桩剪切破坏 2 桩弯曲而破坏 3 将桩看成是埋设在岩体中的弹性地基梁 1 桩剪切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 认为桩体只能被剪坏 桩体承受的最大滑坡推力为P P S式中 桩的许用抗剪强度 Pa S 桩的计算抗剪面积 m2 2 桩弯曲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E为 式中 Mmax 滑动面附近桩能承受的最大弯矩 L 桩承受最大弯矩的长度 L值依围岩和桩的性质而定 可根据试验确定 3 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