岩石力学课件---7.岩石边坡

第七章,岩石边坡,7-1边坡问题的评价,一、岩石边坡分类边坡按成因可分为两类：1、自然边坡：在各种自然营力作用下形成的边坡（山坡）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),7-1边坡问题的评价,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。,7-1边坡问题的评价,二、边坡破坏的基本类型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。,7-1边坡问题的评价,二、边坡破坏的基本类型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。,7-1边坡问题的评价,二、边坡破坏的基本类型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,7-1边坡问题的评价,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。,7-1边坡问题的评价,三、边坡岩体结构图的编制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。,7-1边坡问题的评价,三、边坡岩体结构图的编制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fp；3、结构面的倾角大于其摩擦角，即P0；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。,7-2平面破坏分析,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,7-2平面破坏分析,二、平面破坏的力学模型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+tg0,7-2平面破坏分析,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。,7-2平面破坏分析,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。,7-3楔体破坏分析,一、只考虑结构面摩擦力,7-3楔体破坏分析,一、只考虑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。考虑结构体的平衡条件，水平方向：垂直方向：解得：,7-3楔体破坏分析,一、只考虑结构面摩擦力则安全系数为可写成：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；,7-3楔体破坏分析,二、同时考虑结构面摩擦力、粘结力和水压力的楔体破坏分析,7-3楔体破坏分析,通过分析，得安全系数为式中：c0A，c0B结构面A和B的粘结力；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：,7-3楔体破坏分析,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。,7-3楔体破坏分析,三、楔体破坏的赤平投影分析方法摩擦锥圆法是基于赤平投影法的半定量评价边坡稳定性的方法。（1）摩擦锥概念位于倾斜面上重量为W的块体，其稳定平衡条件是：抗滑力RfS(下滑力)假定斜面上各个方向的摩擦因素ftg都是相等的。,7-3楔体破坏分析,三、楔体破坏的赤平投影分析方法垂直结构面的法向力：N=Wcosp下滑力:S=Wsinp若只考虑摩擦阻力的抗滑作用，则有抗滑力:RfNtg=Wcosptg块体滑动条件：SRf即:p因此，可以设想一个围绕法向力N的“摩擦锥”存在，如图所示。圆锥的半顶角为、垂直高度为N、底圆半径为摩擦抗力Rf。,7-3楔体破坏分析,三、楔体破坏的赤平投影分析方法若考虑到凝聚力c产生的阻力为RscA，则可将Rc直接加于Rf上，并构成一新的锥体，其底圆半径为F=Rf十Rc，垂直高度为N和半顶角a,a称为视摩擦角，它可从以下关系中求出：式中：A斜面的表面积；p斜面的倾角。显然，块体重力矢量W落在摩擦锥外，表明斜面倾角p大于斜面摩擦角，该块体将沿斜面产生滑动；若W落在摩擦锥内，表明斜面倾角p小于斜面摩擦角，则保持稳定平衡，块体不会滑动；若W落在摩擦锥圆上，表明斜面倾角p等于斜面摩擦角，则块体处于极限平衡状态。,7-3楔体破坏分析,三、楔体破坏的赤平投影分析方法摩擦锥的赤平投影,7-3楔体破坏分析,三、楔体破坏的赤平投影分析方法摩擦锥赤平投影图的绘制,7-4边坡监测,一、裂缝监测,7-4边坡监测,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,7-4边坡监测,二、岩体内部位移监测2、用钻孔测斜仪测岩体内部剪切错动带,7-4边坡监测,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、疏水1、基本原则以提高边坡稳定性为目的的边坡疏水，必须遵循三项基本原则：（1）防止地表水由开口张裂隙或裂隙进入边坡;（2）通过有选择性的地表和地下疏水，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，而不是在采场周围大范围内进行疏水。,7-5边坡维护,一、疏水2、竖直疏水井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，借此降低地下水位。,7-5边坡维护,一、疏水2、竖直疏水井井间距主要取决于岩体的渗透性和地质构造，井深取决于含水层埋藏深度和泵的能力.井可按线列井排列和环形井群布置，用来疏干呈单侧或双侧进入边坡岩体以及呈圆形补给的地下水。当地下水补给呈不规则形状时，应该按需排列井群。优点：是在边坡开挖之前就能够投入使用，并且布置灵活。缺点：一旦电源发生故障，立即影响疏水效果。特别危险的是暴雨期间可能发生电力和机械动力故障，造成边坡中地下水位上升。,7-5边坡维护,一、疏水3、巷道疏水这是大型边坡有效的疏水方法。巷道的位置和方向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。为了扩大疏水范围和疏水效果，常与疏水钻孔联通，这些疏水钻孔可以穿过弱透水层到达含水层或透水层形成泄水通路，亦可直通地表排出地表积水，还可通过适当设计使巷道与前期的竖直蔬水井连联通，见图对于很大的边坡，可能需要两个水平或更多个水平的疏水巷道。,7-5边坡维护,一、疏水4、水平钻孔疏水在坡面上钻凿水平疏水孔，能有效地降低可疑的张裂缝底部或沿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。在坚硬岩石边坡中，水通常沿不连续面流动，疏水孔只有和这些不连续面相交才是有效的，如图所示。在软岩或土质边坡情况下，疏水孔可以按规则间距来布置。确定最佳间距，需要钻凿一定数量试验孔进行试错法试验。,7-5边坡维护,一、疏水5、明沟疏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，其走向垂直地表水流动方向。这种环形截水沟及平台截水沟可布置数条，最近的一条应与滑坡区保持一定距离。每条截水沟之间应按其汇水面积的不同确定其间距。排水沟应有一定的斜度，以使水能集中自流出去。疏水明沟亦布置在边坡不稳定区之内，可在台阶上布置平台截水沟，以截断沿各台阶坡面的径流，亦可按树枝状布置排水沟，用来排出滑坡体上部表面的地表水。,7-5边坡维护,二、边坡加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡1、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。,7-5边坡维护,二、边坡加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡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Psin(+)tg，另一部分是锚固力的切向分量提供的直接抗滑力Pcos(+)，从而提高了滑体的稳定性。,7-5边坡维护,二、边坡加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡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，Nm3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,7-5边坡维护,二、边坡加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡3、锚固力计算（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60120，向下倾斜。,7-5边坡维护,二、边坡加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡3、锚固力计算（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，Nm2；Rc一水泥砂浆的握固力，一般Rc=(2540)105Nm2。在边坡加固工程中，实际采用的最小锚固段长常取l=45m。,7-5边坡维护,二、边坡加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡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；,7-5边坡维护,二、边坡加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡4、锚杆布置（2）锚杆位置及间距视滑坡机理及岩体性质而定。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，并有一定的互相压叠。,7-5边坡维护,二、边坡加固（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。露天矿主要采用两种抗滑桩，一种是小断面的钻孔桩，一种是大断面的大型钢筋混凝土桩。,7-5边坡维护,二、边坡加固（二）抗滑桩加固边坡（1）钻孔桩就是用露天矿穿孔机从被加固岩体表面穿孔直至滑体以下一定深度，然后将柱体的骨架部分和钢轨置入钻孔中，轨面或轨底正对滑坡推力方向，再在钢轨与孔壁间浇注混凝土，使钢轨与周围岩体牢固地结合在一起。钻孔桩适用于支挡滑坡推力较小的单个或数个台阶的滑动。（2）大型钢筋混凝土桩断面积常在4m2左右，断面可为矩形或圆形，矩形的长边平行于滑体推力方向。设桩时通常采用人工或辅以轻便机械开挖小井至滑动面以下一定深度，而后在小井中布设钢筋，浇灌混凝土成桩。大型钢筋棍凝土桩适用于支挡滑坡推力大的滑体移动。,7-5边坡维护,二、边坡加固（二）抗滑桩加固边坡大型钢筋棍凝土抗滑桩根据其埋置和受力情况不同，可分成全埋式和悬臂式两种。视其刚度大小，抗滑桩又可分成刚性桩和弹性桩。钢轨桩在滑坡推力作用下，一般呈弹性桩特点。这样，在设计计算中采取不同的力学图式和计算方法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。,7-5边坡维护,二、边坡加固（二）抗滑桩加固边坡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。,7-5边坡维护,二、边坡加固（二）抗滑桩加固边坡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。,7-5边坡维护,二、边坡加固（二）抗滑桩加固边坡2、桩承受最大滑坡推力计算（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