给水工程讲义给排水专业课讲义考试辅导-2

第十八章 岩体力学与岩体工程 注册岩土工程师执业资格基础部分考试注册岩土工程师执业资格基础部分考试 第四节 岩体力学在边坡工程中的应用第四节 岩体力学在边坡工程中的应用 边坡的应力分布； 边坡的变形和破坏特 征； 影响边坡稳定性的主 要因素； 边坡稳定性评价的平 面方法； 边坡治理的工程措施。 一、概 述一、概 述 倾斜的地面称为坡 或斜坡。 边坡是自然或人工 形成的斜坡，是人类 工程活动中最基本的 地质环境之一，也是 工程建设中最常见的 工程形式。 倾斜的地面称为坡 或斜坡。 边坡是自然或人工 形成的斜坡，是人类 工程活动中最基本的 地质环境之一，也是 工程建设中最常见的 工程形式。 边坡的形态、分类与安全等级边坡的形态、分类与安全等级 成 因 天然边坡 人工边坡 开挖边坡 露天矿边坡 路堑边坡 水利边坡 填筑边坡路基边坡 常见的边坡常见的边坡露天矿边坡露天矿边坡露天矿边坡露天矿边坡 常见边坡路堤边坡，路堑边坡 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。 岩质边坡类型岩质边坡类型 岩层产状 与边坡关系 岩层产状 与边坡关系 顺向边坡顺向边坡 反倾边坡 （逆向边坡） 反倾边坡 （逆向边坡） 斜向边坡斜向边坡 坡底 坡趾 边坡角 坡高 坡面 坡肩 坡顶 边坡的基本要素边坡的基本要素建筑边坡安全等级建筑边坡安全等级 建筑边坡工程技术规范GB50330-2002 中边坡安全等级的划分依据： 破坏后造成的损失的严重性； 边坡的类型； 边坡高度等因素 建筑边坡安全等级建筑边坡安全等级 边坡类型 边坡高度 H (m) 破坏后果 安全等级 很严重 一级 严重 二级 岩体类型为 类或类 30H 不严重 三级 很严重 一级 3015 H 严重 二级 很严重 一级 严重 二级 岩质边坡 岩体类型为 类或类 15H 不严重 三级 很严重 一级 15101，稳定；，稳定；Fs0，说明滑坡体是不稳定的； 若某一块的Ei=0，说明本块以上岩土体已能 稳定，下一条块计算时按无上一条块推力考虑。 考虑边坡安全储备考虑边坡安全储备 一般采用加大自重下滑力的办法加以考虑。 ii Wsin 1 tancossin += iiiiiiiiii ElcWFWE 若断面中有逆坡，060 花岗岩、花冈片麻岩、闪长岩、 玄武岩、石灰岩、石英砂岩、 石英岩、大理岩、硅质砾岩等 次硬岩石 花岗岩、花冈片麻岩、闪长岩、 玄武岩、石灰岩、石英砂岩、 石英岩、大理岩、硅质砾岩等 次硬岩石30-60 软质 岩石 次软岩石 软质 岩石 次软岩石5-30 粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥 石片岩、云母片岩等 极软岩石 粘土岩、页岩、千枚岩、绿泥 石片岩、云母片岩等 极软岩石5 二、岩基内应力分布二、岩基内应力分布 目前对岩基中的应力分布一般都基于弹 性理论，将岩基视为半无限平面弹性体。 这也是岩石力学发展的最基本的地基理 论。 集中荷载作用下的岩基内应力集中荷载作用下的岩基内应力 ()() 4 2 3sincos121cos 2 x P x = () () 2 5 31 12 2 Px z rr rz = + 3 5 25 33 cos 22 z PPz zr = 2 5 35 33 cos 22 xz PxPxz zr = 集中荷载作用下的岩基内应力集中荷载作用下的岩基内应力 ()() 3 2 2 2 3 cos 2 121cossincos 2 r P z P x = = 2 2 cos 0 r t P z = = 线分布载荷作用下岩基内的应力线分布载荷作用下岩基内的应力 22 2 sincos x P z = 4 2 cos z P z = 3 2 sincos xz P z = 3 22 1 1 1 z p a z = + 圆形均布荷载作用下岩基内的应力圆形均布荷载作用下岩基内的应力 a 圆形荷载面的半径 附加应力是承载面积宽度与所求 应力处深度之比的a/z函数。 三、岩基上基础的沉降三、岩基上基础的沉降 岩基变形的危害：一是绝对位移或下沉 量直接使基础沉降；另一个是因岩基变 形的不均匀性，造成结构上各点间的相 对位移。 岩基变形的危害：一是绝对位移或下沉 量直接使基础沉降；另一个是因岩基变 形的不均匀性，造成结构上各点间的相 对位移。 计算基础的沉降可用弹性理论解法。对 于几何形状、材料性质和荷载分布都是 不均匀的基础，用有限元法分析其沉降 比较准确。 计算基础的沉降可用弹性理论解法。对 于几何形状、材料性质和荷载分布都是 不均匀的基础，用有限元法分析其沉降 比较准确。 集中力作用下岩基表面点的沉降集中力作用下岩基表面点的沉降 () 2 1P s Er = 当半无限体表面上被作用有一垂直的集中力P时，则 在半无限体表面处(z=0)的沉降量s为 r 为计算点至集中荷载P处之间的距离 在均布荷载在均布荷载p p作用下，基底 反力是均匀分布的。总荷 载引起 作用下，基底 反力是均匀分布的。总荷 载引起m点处表面的总沉 降量为 点处表面的总沉 降量为 均布荷载下圆形柔性基础的沉降均布荷载下圆形柔性基础的沉降 () 2 2 22 0 1 4sinspaRd E = () 2 0 2 1 sP Ea = () 2 4 1 a spa E = 圆形柔性基础的沉降圆形柔性基础的沉降 中心沉降量为其边缘沉降量的中心沉降量为其边缘沉降量的1.57倍。倍。 圆形刚性基础的沉降圆形刚性基础的沉降 当作用有荷载当作用有荷载P时，基底的沉降将是一个常量，但基 底接触压力不是常量。 圆形刚性基础的沉降量： 时，基底的沉降将是一个常量，但基 底接触压力不是常量。 圆形刚性基础的沉降量： 受荷面以外各点的沉降：受荷面以外各点的沉降： 矩形基础底面宽度为矩形基础底面宽度为b，长度为，长度为a时，沉降量为时，沉降量为 方形基础方形基础 均布荷载下矩形刚性基础的沉降均布荷载下矩形刚性基础的沉降 条形基础条形基础 当基础底面宽度为当基础底面宽度为b，长度为，长度为a时，基地中心 沉降量为 时，基地中心 沉降量为 均布荷载下矩形柔性基础的沉降 基底角点的沉降量为基底角点的沉降量为 角点处的沉降量为角点处的沉降量为 对于柔性基础承受中心荷载时的平均沉降量为对于柔性基础承受中心荷载时的平均沉降量为 边长为a的正方形柔性基础，其中心处的沉降量为 方形柔性基础底面中心的沉降量为边角沉降量的两倍。 边长为a的正方形柔性基础，其中心处的沉降量为 方形柔性基础底面中心的沉降量为边角沉降量的两倍。 四、岩基的破坏模式四、岩基的破坏模式 岩体主要由岩块与节理裂隙及其充填物 组成，并受到一定的地应力作用。在自 然界中，岩体的成分和结构构造以及应 力条件千变万化。在荷载作用下，它的 破坏方式也是各种各样的。即使在同一 种岩体中，荷载的大小也会产生不同的 破坏形式。 基脚岩体的破坏模式基脚岩体的破坏模式 开裂压碎劈裂开裂压碎劈裂 岩基的冲切破坏和剪切破坏岩基的冲切破坏和剪切破坏五、岩基的承载能力五、岩基的承载能力 岩基承载力是指岩基单位面积上能够承受荷载 的能力。 岩基承载力是指岩基单位面积上能够承受荷载 的能力。 为保证建筑物的使用安全，岩基应同时满足两 个基本条件： (1) 岩基应具有足够的强度，在荷载作用下， 不会产生岩基失效而破坏。 (2) 岩基不能产生过大的变形而影响上部建 筑物的安全与正常使用。 为保证建筑物的使用安全，岩基应同时满足两 个基本条件： (1) 岩基应具有足够的强度，在荷载作用下， 不会产生岩基失效而破坏。 (2) 岩基不能产生过大的变形而影响上部建 筑物的安全与正常使用。 岩基承载力特征值是指静载试验测定的岩基变 形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力 值。 岩基承载力特征值是指静载试验测定的岩基变 形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力 值。 岩基承载力的确定方法岩基承载力的确定方法 建筑地基基础设计规范 （ 建筑地基基础设计规范 （GB50007-2002）中规定方法：）中规定方法： 1. 现场岩基载荷试验现场岩基载荷试验 2. 室内岩石饱和单轴抗压强度试验室内岩石饱和单轴抗压强度试验 根据破坏模式进行理论计算根据破坏模式进行理论计算 按现场荷载试验确定岩基承载力按现场荷载试验确定岩基承载力 载荷板采用直径300mm的圆柱形承压板， 加载方式采用单循环加载，荷载逐级递增直 到破坏，然后分级卸载。 荷载分级为第一级加载值为预估设计荷载的 1/5，以后每级为1/10。加载后每10min读一 次沉降值。当连续三次读数之差均不大于 0.01mm时，达到稳定标准，可加下一级荷 载。 按现场荷载试验确定岩基承载力按现场荷载试验确定岩基承载力 当出现下述现象之一时，即可终止加载： 沉降量读数不断变化，在24h内，沉降速率 有增大的趋势； 压力加不上或勉强加上 而不能保持稳定。 卸载时，每级卸载为加载时的两倍，如为奇 数，第一级可为3倍。每级卸载后，隔 10min测读一次，测读三次后可加下一级荷 载。全部卸载后，当测读到半小时回弹量小 于0.01mm时，即认为稳定。 按现场荷载试验确定岩基承载力按现场荷载试验确定岩基承载力 对应于p-s曲线上起始直线段的终点为比例界限。 符合终止加载条件的前一级荷载为极限荷载。将极 限荷载除以安全系数3，所得值与对应于比例界限 的荷载相比较，取小值。 每个场地荷载试验的数量不应少于3个，取最小值 作为岩基承载力特征值； 岩基承载力特征值不需要进行基础埋深和宽度的修 正。 对于破碎、极破碎的岩基承载力特征值，可根据地 区经验取值，无地区经验时，可根据适合土层的平 板载荷试验确定。 按室内单轴抗压强度确定承载力按室内单轴抗压强度确定承载力 arrk ff= a f rk f 对完整、较完整和较破碎的岩基承载力特征值，也可 根据室内饱和单轴抗压强度按下式计算： r 岩基承载力特征值； 岩石饱和单轴抗压强度标准值； 折减系数。对完整岩体可取0.5，较完整岩体 可取0.20.5，对较破碎岩体可取0.10.2。 试 件：试 件： 50mm100mm 数 量： 不少于数 量： 不少于6个 需要进行饱和处理 。 个 需要进行饱和处理 。 rkrm ff= 2 1.7044.678 1 nn = + 岩石饱和单轴抗压强度标准值岩石饱和单轴抗压强度标准值 岩石饱和单轴抗压强度的标准值为：岩石饱和单轴抗压强度的标准值为： 统计修正系数统计修正系数 岩石饱和单轴抗压强度平均值岩石饱和单轴抗压强度平均值 变异系数；变异系数；n试件个数试件个数 岩基承载力的理论计算方法岩基承载力的理论计算方法 基脚压碎岩体的承载力基脚压碎岩体的承载力 2 2 tan 451tan45 22 f qc =+ 基脚直线剪切破坏岩体的承载力基脚直线剪切破坏岩体的承载力 0.5 frcq qbNcNqN=+ 对于方形或圆形的承载面：对于方形或圆形的承载面： 承载力系数承载力系数六、坝基的抗滑稳定计算六、坝基的抗滑稳定计算 大坝的失稳形式： （ 大坝的失稳形式： （1）表层滑动； （ ）表层滑动； （2）深层滑动； （ ）深层滑动； （3）混合滑动。）混合滑动。 评价坝基抗滑稳定方法评价坝基抗滑稳定方法安全系数法安全系数法 表层滑动稳定性演算表层滑动稳定性演算 0 S f V F H = V垂直作用力之和，包括坝基水压力（扬压力）；垂直作用力之和，包括坝基水压力（扬压力）； H水平力之和；水平力之和； f0摩擦系数。摩擦系数。 00 S C Af V F H + = 若考虑坝基和岩面间的粘结力，则采用下式：若考虑坝基和岩面间的粘结力，则采用下式： 考虑到坝基剪应力的变化幅度较大，将上式改写为：考虑到坝基剪应力的变化幅度较大，将上式改写为： 00 S CAf V F H + = maxm = 平均剪应力与在下游坝址最大剪应力之比平均剪应力与在下游坝址最大剪应力之比 深层滑动稳定性计算深层滑