岩石边坡工程PPT课件.ppt

边坡工程 岩石力学与工程 ROCKMECHANICSANDENGINEERING 1 2 主要内容 概述边坡的破坏形式及其影响因素边坡的稳定性分析边坡的防治 3 1 概述 1 1边坡的定义指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体 其特点是具有一定的坡度和高度 4 露天矿开挖形成的斜坡构成了采矿区的边界 因此称为边坡 在铁路 公路建筑施工中 所形成的路堤斜坡称为路堤边坡 开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡 在水利建设中开挖所形成的斜坡也称为边坡 5 深度超过850m的智利丘基卡马塔 Chuquicamata 铜矿 6 1 路堤边坡 7 路堑边坡 8 三峡大坝工程 9 露天矿局部滑坡 10 公路滑坡 广东S223线丙村至梅州公路 11 铁西滑坡 铁西车站 暴雨型堆积层滑坡 铁轨被推移5m 列车颠覆 12 水利边坡 都江堰市麻溪滑坡 位于紫坪铺水库工程建设区 在降雨和工程开挖的影响下发生了两次滑坡 滑坡体总方量达到60万 由于监测和预报及时 没有人员伤亡 造成滑坡前缘213国道公路中断达20多小时 13 1 成因 自然斜坡和人工边坡天然斜坡 就是在一定的地质环境中 在各种地质营力作用下形成和演化的自然历史过程的产物 未经人为扰动 如山坡 海岸 河岸等 人工边坡 人类为某种工程 经济目的而开挖 往往是在自然斜坡的基础之上形成的 其特点就是具有规则的几何形态 如路堑边坡 路堤边坡 露天矿边帮 运河 渠道 边坡等 1 2边坡的分类 14 2 岩性岩质边坡 由岩石构成 又分为顺层边坡 切层边坡和逆向坡 土质边坡 15 3 坡高根据坡高将边坡分为一般边坡和高边坡 黄润秋建议城建系统为大于15m 公路系统为大于30m 铁道系统为大于50m 而矿山系统和水电系统为大于100m 称为高边坡 见 黄润秋 中国岩石高边坡工程及其研究 16 4 坡度一般边坡 缓坡 坡度小于15 中等坡 坡度15 30 陡坡 坡度30 60 急坡 坡度大于60 至垂直倒坡 坡度大于90 矿山边坡 陡边坡 坡度大于45 17 1 3边坡工程对国民经济建设的影响 1 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开挖挖方量总和的五分之四 采矿开挖的目的是开采有用矿物 但为了保证边坡的稳定性需要超挖大量的废石 以图7 2所示的上盘为例 设采深为H 坡段长为L 坡角为 的极限值为90 则图7 2所示的废石挖方量Q为 Q LH2 cot 2 18 当坡角从 2减少为 1时 挖方量的增量为 Q LH2 ctg 2 ctg 1 2如果坡角从 1 350增加到 2 360 那么 对深度400m的矿坑 每公里长的坡段可减少剥离量4 15Mm3 如果坑深为100m 则剥离量减少0 26Mm3 由此可见 随坡高的增加 加陡边坡成了减少废石开挖和运输量 提高矿山经济效益的一个关键问题 19 2 边坡工程对铁路 公路 水利建设的影响路堤施工中 在路堤高度一定的条件下 坡角越大 路基所占面积就越小 反之就越大 在平原地区 由于耕地紧张 为了保护耕地 路基边坡的坡角愈大愈好 而在山区 大坡角的边坡能有效地减少路堤的填方量 而在路堑 水利工程施工中 加大边坡的坡角 同样也能取得减少土石方量的作用 从而降低建设成本 20 3 边坡工程对其它方面的影响房屋建筑与市政建设中 边坡的稳定性一方面影响到建筑物的安全运营与使用 另一方面也影响到建设成本 21 2边坡的破坏形式及其影响因素 2 1边坡岩体的变形特征岩石边坡的变形以坡体未出现贯通性的破坏面为特点 但在坡体的局部区域 特别在坡面附近也可能出现一定程度的破裂与错动 但从整体而言并未产生滑动破坏 边坡的变形主要表现为松动和蠕动 22 1 松动坡体表部出现一系列与坡向近于平行的陡倾角张开裂隙 被这种裂隙切割的岩体便向临空方向松开 移动 这种过程和现象称为松动 它是一种斜坡卸荷回弹的过程和现象 实践中把发育有松动裂隙的坡体部位 称为边坡松动带 边坡松动带使坡体强度降低 又使各种营力因素更易深入坡体 加大坡体内各种营力因素的活跃程度 它是边坡变形与破坏的初始表现 23 2 蠕动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 称为边坡蠕动 蠕动的形成机制 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所致 分类 表层蠕动 深层蠕动 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 这便是表层蠕动 破碎的岩质斜坡及土质斜坡 表层蠕动甚为典型 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 24 2 2边坡岩体的破坏模式 1 崩塌崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下 其规模相差悬殊 大至山崩小至块体坠落均属崩塌 图7 3崩塌过程示意图 25 边坡崩塌破坏 26 产生崩塌的原因 从力学机理分析 可认为是岩体在重力与其它外力共同作用下超过岩体强度而引起的破坏的现象 27 2 滑坡滑坡是指岩体在重力作用下 沿坡内软弱结构面产生的整体滑动 与崩塌相比 滑坡通常以深层破坏形式出现 28 不同的滑坡其滑速可以相差很大 这主要取决于滑动面本身的物理 力学性质 当滑动面通过塑性较强的岩土时 其滑速一般比较缓慢 当滑动面通过脆性岩石 或者滑面本身具有一定的抗剪强度时 由于构成滑面之前可以承受较高的下滑力 一旦形成滑面即将下滑时 其抗剪强度急剧下降 因此滑动往往是突发而迅速的 29 根据滑面的形状 其滑坡形式可区分为平面剪切滑动和旋转剪切滑动 1 平面剪切滑动平面滑动的特点是块体沿着平面滑移 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几种破坏模式 30 简单平面剪切滑动 为了使滑动沿单一面发生 必须满足以下几何条件 1 滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行 约在20度范围之内 2 破坏面必须在边坡面露出 就是说它的倾角必须小于坡面的倾角 3 破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角 4 岩体中必须存在对于滑移仅有很小阻力的节理面 它规定了滑动的侧面边界 a 简单平面剪切 仅有一个滑面和一个滑块 b 带张裂缝的平面剪切 31 边坡单一平面破坏 32 边坡复合型平面破坏 33 阶梯式滑坡 阶梯式滑动面由两组节理相交而形成 这一滑坡的不稳定概率通常比简单平面剪切的不稳定概率要大得多 被横交节理连通的节理组上的阶梯式滑坡 d 存在两个滑面的双滑面滑坡 34 边坡阶梯状破坏 35 三维楔体破坏当两个不连续面的走向斜交坡面 其交线在坡面上出露时 如果此交线的倾角显著大于摩擦角 则位于此两不连续面上的岩石楔体将沿交线下滑 形成空间楔体破坏 36 边坡楔形破坏 37 多滑块滑动 两个乃至更多的弱面可以组合形成一滑动面 两个滑块 上部滑块驱使下部滑块发生旋转 发展成所谓的倾倒破坏 38 2 旋转剪切滑动旋转剪切滑动的滑面通常成弧形状 岩体沿此弧形滑面滑移 在均质的岩体中 特别是均质泥岩或页岩中易产生近圆弧形滑面 当岩土非常软弱 土边坡 或者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 圆弧形破坏发生的条件是 当土体或岩体中的单个颗粒与边坡尺寸相比是极其小的 且这些颗粒由于它们的形状关系不是互相咬合的 39 在非均质岩坡中 滑面很少是圆弧的 因为它的形状受层面 节理裂隙的影响 这时滑面是由短折线组成的圆弧 近似于对数螺旋线或其它形状的弧面 40 边坡圆弧形破坏 41 3 其他类型破坏1 滑塌边坡松散岩土的坡角 大于它的内摩擦角 时 因表层蠕动进一步发展 使它沿着剪变带表现为顺坡滑移 滚动与坐塌 从而重新达到稳定坡脚的斜坡破坏过程 称为滑塌 或称为崩滑 a 开挖坡脚形成滑塌 b 恢复天然稳定坡角图7 6滑塌示意图 42 2 岩块流动岩块流动通常发生在均质硬岩层中 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 成因 应力集中点 岩石破裂或破碎 邻近岩石破裂 岩层出现全面破裂而崩塌 岩块象流体一样沿坡面向下流动 形成岩块流动 43 3 岩层曲折 当岩层成层状沿坡面分布时 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 导致岩层破坏 岩块沿坡向下崩落 44 2 3边坡稳性的影响因素 1 不连续面在边坡破坏中的作用边坡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土体的不均一和不连续性 使沿结构面周边出现应力集中或应力阻滞现象 45 结构面与主压应力垂直 将发生平行结构面方向拉应力 或在端点部位出现垂直于结构面的压应力 有利于结构面压密和坡体稳定 结构面与主压应力斜交 结构面周边主要为剪应力集中 并于端点附近或应力阻滞部位出现拉应力 顺坡结构面与主压应力呈交角 将出现最大剪应力与拉应力值 对边坡稳定十分不利 坡体易于沿结构面发生剪切滑移 同时可能出现折线型蠕滑裂隙系统 结构面相互交汇或转折处 形成很高的压应力及拉应力集中区 其变形与破坏常较剧烈 46 2 改变斜坡外形 引起坡体应力分布的变化河流 水库及湖海的冲刷及掏刷 使岸坡外形发生变化 人工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 坡角增加时 坡顶及坡面张力带范围扩大 坡脚应力集中带的最大剪应力也随之增大 坡顶 坡脚应力集中增大 会导致斜坡的变形与破坏 47 3 改变斜坡岩土体的力学性质 使坡体强度发生变化风化作用水地下水对边坡的破坏机理表现在三个方而 降低滑面的正应力 减小摩阻力 进而降低了滑坡体抗滑力 动水压力沿边坡临空面产生的分量增大了坡体下滑力 孔隙水压力产生的 水楔作用 推动了坡体上裂隙的扩展进程 48 4 斜坡直接受各种力的作用区域构造应力的变化 地震 爆破 地下静水压力和动水压力 以及施工荷载等 都使斜坡直接受力 对斜坡稳定的影响直接而迅速 49 3边坡的稳定性分析 3 1边坡稳定性分析的方法 定性分析方法 定量分析方法 工程类比法图解法 赤平极射投影 实体比例投影 摩擦圆法等 极限平衡法数值分析法 有限元FEM 边界元BEM 离散元DEM等 可靠度分析方法 蒙特卡罗法和随机有限元法等 50 1 极限平衡法的三个前提 滑动面上实际岩土提供的抗剪强度s与作用在滑面上的垂直应力 存在如下关系 或 稳定系数 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F 抗滑力 下滑力 3 2极限平衡法 51 二维 平面 极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体 2 极限平衡分析分析计算步骤 在断面上绘制滑面形状 根据滑坡外形 及滑坡中段滑面深度 坍塌情况 破坏方式 平面 圆弧 复合滑动等 推测几个可能的滑动面形状 推定滑坡后裂缝及塌陷带的深度 计算或确定其产生的影响 52 对滑坡的滑体进行分块 分块的数目要根据滑坡的具体情况确定 一般来说应尽量使分块小些 条块数目越多 结果误差越小 此外 条块垂直或不垂直条分要根据计算方法和岩体结构确定 计算滑动面上的孔隙水压力 可采用地下水监测等方法确定 采用合适的计算方法 计算稳定系数 但原则上应采取两种或两种以上的计算方法进行结果比较 53 3 3平面破坏计算法 平面破坏计算法分析模型 滑体重量W 滑动面上的法向力N 滑动面上的裂隙水压 该力在库仑准则里考虑 U 抗滑力S 作用在滑体重心上的水平力 如地震力 Q 张裂隙孔隙水压力V 54 1 假定条件1 滑动面及张裂隙的走向平行于坡面走向 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 滑体沿滑动面做刚体下滑 55 2 力学分析由滑线法向 N方向 力平衡 得 由滑面切向 S方向 力平衡 得 由库仑破坏准则及安全系数定义得 1 2 3 56 将式 1 中的N代入式 3 得 4 将式 2 中的S值代入 4 并整理得 5 57 3 稳定系数 安全系数 限值的确定建议的值多在1 05 1 5的范围内 我国 岩土工程勘察规范 规定 新设计的边坡 对一级边坡工程 值宜采用1 3 1 5 二级边坡工程 宜采用1 15 1 3 三级边坡工程 宜采用1 05 1 15 验算已有边坡的稳定性时 值可采用1 10 1 25 当需对边坡加荷 增大坡角或开挖坡角时 应按新设计的边坡选用值 58 4 1边坡的防治 1 防治原则 具体 1 正确选择场地 合理制订方案高应力区人工边坡 合理布置边坡方向 使边坡走向大致与最大主应力方向一致 露天采矿宜采用椭圆形矿坑 其长轴应平行于最大主应力方向 对稳定性极差 治理难度高 耗资大的边坡 可能再次活动的大型滑坡 崩塌 应以绕避为宜 4边坡的防治 59 2 查清影响因素采取必要措施消除或改变这些因素 变不利为有利因素 以保持边坡稳定性 向提高稳定性的方向发展 3 及时处理对出现变形的边坡及时采取增强措施 当变形迹象已十分明显或进入加速阶段 必须采取降低下滑力 增强抗滑力的有效措施 迅速改善边坡稳定状态 60 4 考虑工程重要性这是制订整治方案必须遵循的经济原则 对于那些威胁到重大永久性工程安全的边坡变形和破坏 应采取较全面的 严密的整治措施 以保证边坡具有较高的安全系数 对于一般性工程或临时性工程 则可采取较简易的防治措施 61 2 整治措施消除或减少地表水或地下水的作用 恢复山体平衡条件 改善滑动带或滑坡体土壤性质 概括起来为 避 排 挡 减 固 植 六个字经验 避 就是避开滑坡的影响 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 挡 就是抗滑支挡 在滑坡舌部或中前部修建各种形式的抗滑挡墙 62 陇海线为防止葡萄园滑坡的危害 采取了大绕线 避