边坡工程第8章-岩土体力学参数确定(冶金出版社)

,边坡工程,SlopeEngineering,第八章岩土体力学参数确定,边坡工程配套PPT冶金工业出版社,吴顺川北京科技大学2017.10,特别感谢本教材及PPT中引用文献及图片的作者！,本章针对土质边坡，介绍土体抗剪强度参数c和值及不同类型参数的测定方法，并结合土坡的稳定性分析合理地选择参数，以期达到最优工程效果；针对岩质边坡，结合边坡工程岩体特点，简要介绍结构面和节理岩体的强度特性，重点阐述结构面和节理岩体力学参数的确定方法，包括经验折减法、经验关系法和数值模拟法等。,了解土体抗剪强度参数及其不同类型参数的测定方法，重点掌握各种形式边坡中参数的选择；了解节理岩体强度特性，重点掌握结构面和节理岩体力学参数的确定方法。,目录,CONTENTS,8.1,土体力学参数确定,8.1.1概述,8.1.2土体强度参数选用对土坡稳定性分析的影响,8.1.4一般边坡土体抗剪强度参数选用原则,8.1.8土坡稳定性数值分析中的弹性力学参数选用,8.1.5考虑渗流条件边坡土体抗剪强度参数选用,8.1.6填方和挖方边坡土体抗剪强度参数选用,8.1.7相关规范的土体抗剪强度参数选用规定,8.1.3土体强度参数测定与种类,土是一种摩擦材料，工程中常用黏聚力和内摩擦角描述岩土的抗剪强度，即岩土的天然强度参数。Coulomb(1773)基于砂土直接剪切试验，提出了土的抗剪强度定律，通常表示为：,推广到黏性土，有式中，为土的抗剪强度；n为剪切面上的法向应力；c和分别称为黏聚力和内摩擦角，也称为抗剪强度指标或强度参数。针对更一般的情况，Mohr(1900)提出材料的抗剪强度f与法向应力之间存在着函数关系，即这就是Mohr强度包络线，通常是一条曲线，可采用常规三轴试验的方法求得。如果Mohr强度包络线是直线，则Mohr公式便与Coulomb公式等价，尽管它们的物理背景不同。根据有效应力原理，Terzaghi将饱和土的Coulomb强度公式写成,式中，为作用于剪切面上的法向有效应力；c、分别为有效应力强度指标。,土体的等效内摩擦角是考虑黏聚力在内的假想“内摩擦角”，也称为似内摩擦角或综合内摩擦角。黏性土综合内摩擦角的确定方法一般包括3种：(1)半经验法(使用中较为方便)：,(2)根据土抗剪强度相等的原理计算：,(3)根据土压力相等的原理计算：,按上式即可求出d的值。,土体抗剪强度指标测量值随试验方法的不同而变化很大。研究表明，当强度指标相同时，采用不同计算方法计算得到的安全系数最小仅差10%，如瑞典条分法和毕肖普法；而对同一土坡按毕肖普法进行计算时，按采用不同试验方法得到的强度指标，却可能导致土坡安全系数的差异达到60%。如表8-1所示为某一软黏土边坡采用不同试验方法得到的抗剪强度指标及安全系数，由表可知，固结快剪强度指标相应的安全系数较快剪大约58%，说明抗剪强度指标对安全系数的影响大于计算方法的影响。,某软黏土边坡的抗剪强度指标及安全系数,因而，应尽可能结合边坡的实际加载情况、填料的物理力学性质和排水条件等具体情况，合理地选用土体的抗剪强度指标。理论上采用有效强度指标计算安全系数更为合理，故在重要工程中应采用有效强度进行核算。目前，限于实验设备及技术条件，我国还未普遍采用有效强度分析法。此外，由于对有效应力和总应力法的评价仍存在较大分歧，因此，在具体的工程实践中，部分单位仍平行使用这两种分析方法，也有些单位根据自己的具体条件和使用经验而有所侧重和选择。,土的抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角，通常在试验室内采用直剪试验和三轴试验测定。需要注意的是，在不同的试验条件、不同的应力应变状态下，抗剪强度指标通常都是不同的。在实际工程分析与研究中，应尽量选择与实际加载条件、力学状态相近的抗剪强度指标。,(1)有效应力指标与总应力指标按是否区分孔隙水压力，土的抗剪强度指标可分为总应力指标和有效应力指标两种。根据有效应力原理，土的抗剪强度是由土的有效应力所决定的，孔隙水压力不会对土体的抗剪强度产生贡献。有效应力是真正作用在土骨架上的应力，有效内摩擦角是真实反映土体内摩擦特性的指标。因此，理论上有效应力法才能真正反映土体抗剪强度的实质，使用有效应力强度指标最为合理。但是采用有效应力法分析时，需要同时掌握总应力和孔隙水压力的情况，但在实际工程中孔隙水压力很难得到，因此有效应力法并不能完全取代总应力法。,(2)剪切试验强度指标,直剪试验方法和强度指标,(3)三轴试验条件下的强度指标,三轴试验的试验条件、孔压变化和强度指标,对于一般的土坡稳定性分析，选用抗剪强度参数时应遵循以下几个基本原则：,(1)凡是可以确定孔隙水压力时，都应当使用有效应力指标；当采用有效应力指标和总应力指标时，都应根据现场土体可能的固结排水情况，选用不同的试验强度指标。(2)在选用仪器上，由于三轴仪的诸多优点，应优先采用，特别是在重要的工程中。直剪试验设备简单，操作方便，在应用其进行抗剪强度试验时，应根据土类及固结排水条件合理选择强度指标。(3)对总应力强度指标的选用，原则上讲，验算正常使用情况宜采用固结不排水或固结快剪强度指标；施工期间土坡稳定性验算，宜采用不排水或快剪强度指标，但其又与土坡的受力情况、土层渗透性、土层厚度及施工速度等因素有关。(4)对于正常固结状态的天然坡，原则上采用快剪或固结快剪试验均可得到符合天然条件的强度指标，但快剪试验易受取样、切样等扰动的影响，而不排水或快剪则在固结过程中可部分抵消扰动的影响，所以宜采用固结不排水或固结快剪强度指标。(5)对于填方土坡，当其渗透系数小、土层厚、施工速度快时，多倾向采用不排水或快剪强度指标，反之则多倾向采用固结不排水或固结快剪强度指标。对于挖方坡，因挖方的卸荷作用，坡内土体会逐渐膨胀，强度随之降低，该情况与填方坡相反。(6)对于土坡的动力稳定性分析，其抗剪强度指标应优先通过动力试验测定。若动力试验给出的动态强度高于相应的静态强度，取静态强度值。无试验条件时，黏性土和紧密砂砾等非液化土建议采用有效应力强度指标；堆石、砂砾石等粗粒无黏性土则采用对数函数或指数函数表达的非线性静态抗剪强度指标。,各类强度指标的适用情况分述如下：,(1)固结排水(慢剪)强度指标的选择如果边坡土体在现有的应力状态下平衡并固结完成，上部填方或结构的施工速度较慢，或处于正常运行期，可以满足排水条件，此时可采用固结排水强度指标，常用三轴固结排水试验测定土体的有效应力指标。,(2)固结不排水(固结快剪)强度指标的选择如果边坡土体在现有的应力状态下平衡并固结完成，然后很快施加荷载或进行施工，此时可采用固结不排水强度指标。对于饱和粉细砂边坡可能产生液化和流滑的条件，也应采用固结不排水强度指标进行工程分析与计算。,(3)不固结不排水(快剪)强度指标的选择在黏土边坡工程问题中，若施工或施加荷载的速度很快，引起的超静孔隙水压力不能消散，土体也不能固结，此时可采用不固结不排水强度指标。,(1)渗流边坡中有效应力分析法和总应力分析法的强度参数选择当边坡中有稳定渗流时，应采用有效应力分析法，此时边坡滑动面处土体抗剪强度或抗滑力采用有效应力强度指标进行计算。对于渗透性较差的饱和黏性土，也可采用固结不排水指标计算。对于快速施工的粉土和黏性土边坡，因为边坡内孔隙水压力来不及消散，可采用总应力法分析其稳定性，即不考虑孔隙水压力，抗滑力和下滑力都采用总应力，使用不排水剪强度指标计算。,(2)施工期边坡稳定性分析的强度参数选择当采用总应力法分析边坡稳定性时，对于黏性填土，认为自重压力作用下来不及发生渗流固结，压密只是由于未充水部分孔隙体积的减少，抗剪强度指标应该从坡体上直接取土试验，采用直剪试验的快剪指标或三轴试验的不排水剪指标。直剪试验因为试件薄、排水条件得不到严格控制，对于渗透系数k110-7cm/s的土难以保证不排水条件，故应慎重使用。而三轴试验对排水条件能严格控制，对各种渗透性的土均可采用。对于无黏性土，渗透系数很大，应认为在填筑过程中土已基本完成固结，可选用直剪试验的慢剪或三轴试验的排水剪指标。当采用有效应力方法分析边坡稳定性时，有效应力法必须先计算施工期填土内超静孔隙水压力的分布及发展变化情况，然后才能进行稳定计算。施工期孔隙水压力的估算包括两部分内容：一是估算不排水条件下孔隙水压力的发生，称起始孔隙水压力的计算；二是估算施工期间孔隙水压力的消散，即孔隙水压力随时间的发展。,(3)稳定渗流期土坡稳定性分析稳定渗流期是施工期间由于填筑土体内所产生的超孔隙水压力已经全部消散，水库长期蓄水，上下游水位差在坝体内已形成稳定渗流，坝体内的渗流网得以唯一确定，而且不随时间变化。这种情况下，坝体内各点的孔隙水压力均可由流网确定，因此，原则上应该采用有效应力法分析，抗剪强度指标都应采用有效强度指标。(4)水位骤降期土坡稳定性分析1)总应力法水位骤降前，在原水位情况下渗流已经稳定，固结已完成。骤降快速发生，来不及排水，故总应力法应采用固结不排水强度指标或固结快剪指标。这里的固结是指原水位下的固结，与下降前的稳定渗流相比，一方面由于强度指标改为固结不排水剪强度指标，安全系数公式中的分子减小了；另一方面，水位下降又使下滑力增加，即安全系数公式中的分母增加。因此，安全系数会比稳定渗流情况降低很多，这也是为什么水位骤降常引起滑坡的主要原因。2)有效应力法水位骤降也可采用有效应力法分析，此时的有效应力为水位下降后的有效应力，强度指标为有效强度指标。由于是水位骤降，水压力没有达到稳定，就存在超静水压力，但对这样的情况很难区分“静”水压力和超静水压力。可设法确定水位骤降后滑面上总的水压力u，滑面上某点在水位骤降前的稳定水压力为u=whw，若求出水压力改变量为u=u-u，则可求得u。,填方土质边坡的稳定性分析,挖方土质边坡的稳定性分析,滑坡勘察时，土的强度试验宜符合下列要求：1)采用室内、野外滑面重合剪，滑带宜作重塑土或原状土多次剪试验，并求出多次剪和残余剪的抗剪强度。2)采用与滑动受力条件相似的方法；3)采用反分析方法检验滑动面的抗剪强度指标。,地基稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算，抗剪强度参数宜根据土(岩)的性质和当地经验，可采用试验和滑坡反算相结合的方法，合理地确定滑动面上的抗剪强度。,1)土石坝各种计算工况，土体的抗剪强度均应采用有效应力法；2)黏性土施工期同时应采用总应力法按式(8-9)计算：,3)黏性土库水位降落期同时应采用总应力法按式(8-10)计算,式中，cu、u不排水剪总强度指标；ccu、cu固结不排水剪总强度指标；c库水位降落前的法向有效应力。,4)粗粒料非线性抗剪强度指标可按式(8-11)计算,式中，滑动面土体摩擦角；01个大气压力下的摩擦角；增加一个对数周期下的减小值；3土体滑动面的小主应力；pa大气压力。,港口工程边坡稳定性计算中，抗力分项系数选取与采用的抗剪强度指标有关，如下表所示。,港口工程边坡稳定分项系数,除抗剪强度参数外，在进行土坡稳定性分析中还涉及其它力学参数，如数值模拟中用到的弹塑性参数，一般的弹塑性本构模型中塑性参数种类与选取的本构模型有关，弹性模量、泊松比等弹性参数比较常用，本节以邓肯-张非线性模型的弹性模量-泊松比模型参数或弹性模量-体积模量模型参数为例，简单介绍在土坡稳定性数值分析中弹性参数的选用与确定方法。,(1)模型的参数确定,(2)模型的参数确定,8.2,岩体力学参数确定,8.2.1概述,8.2.3结构面抗剪强度经验确定法,8.2.2结构面抗剪强度计算方法,8.2.4岩体强度确定方法,8.2.5岩体变形模量估算方法,工程岩体是由完整岩块和分布于其内部的结构面共同组成的复杂地质体，其力学性质与岩体中的结构面、结构体及其赋存环境密切相关。由于岩体结构的原因，岩体强度等参数不是固定不变的，而是随试件尺寸增大而降低。此外，岩体变形破坏等特征也受岩体结构产状与工程开挖空间关系的影响，并随环境因素的变化而变化。自然界中构成边坡的岩体被断层、层面、挤压带和节理裂隙等一系列结构面切割。当滑坡发生时，失稳岩体将沿结构面或由结构面与岩桥组合形成的滑面滑动。不同滑面区域，对应不同的强度指标，相应的参数确定方法也不相同。鉴于此，本章将系统阐述结构面、节理岩体的强度等参数的常用确定方法。,工程岩体,结构面是岩体中原生、构造和次生结构面的总称，包括岩层层面、断裂面、节理面等不连续面，它在岩体中变化非常复杂。结构面的存在，使岩体呈现出构造上的不连续性和不均质性，岩体力学性质也与结构面的特性密切相关。结构面的力学特点包括：垂直于结构面方向，不能受拉，但能承受较大的压力；平行于结构面方向，能抵抗一定的剪应力作用。因此，实际工程中结构面一般不承受拉应力，岩体破坏以沿某些软弱结构面的滑移破坏为主。试验研究表明，结构面在剪切过程中的力学机制比较复杂，影响结构面抗剪强度的因素是多方面的，主要根据抗剪试验确定结构面的抗剪强度指标。结构面抗剪强度一般可用库伦(Coulomb)准则表示：,式中，n是作用在结构面上的法向应力，内摩擦角可表示成j=b+i，b是岩石平坦表面基本摩擦角，i是结构面粗糙度角。,试验表明，低法向应力剪切时，结构面存在剪切位移和剪胀效应；高法向应力剪切时，凸台被剪断，结构面抗剪强度最终变成残余抗剪强度。在剪切过程中，凸台起伏形成的粗糙度以及岩石强度对结构面的抗剪强度起着重要作用。考虑到上述三个基本因素的影响，Barton和Choubey(1977)提出另一种结构面抗剪强度公式：,结构面状态及JRC取值,JRC为结构面粗糙度系数，取值一般介于020间，平坦近平滑结构面取5，平坦起伏结构面为10，粗糙起伏结构面为20，其具体描述如下图所示。JCS是结构面两侧岩石的抗压强度，如结构面两侧邻近的岩体完全没有风化，则JCS等于岩石的单轴抗压强度c，如结构面壁面及邻近的岩体风化，则JCS可以近似取c/4。相当于结构面上的粗糙度角i，当法向应力等于JCS时，JCS/n=1，i=0，表明结构面凸台剪断；当法向应力较低时，(JCS/n)较大，粗糙度角i在结构面剪切强度中占很大比重。一般情况下Barton公式适用于中-高应力状态下结构面的抗剪强度计算。,岩体结构面抗剪强度指标一般根据室内不连续面剪切试验、现场原位试验等方法综合确定，试验方法应符合国家标准工程岩体试验方法标准(GB/T50266)的有关规定。当不具备试验条件时，对于二、三级边坡可按下表和折算后的室内试验指标按经验方法综合确定。,边坡岩体结构面抗剪强度标准值,结构面的结合程度,注：起伏度：当RA1%，平直；当1%0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。按BQ值进行岩体基本质量分级：,岩体基本质量分级表,岩体基本质量指标BQ值的修正边坡工程岩体质量修正指标BQ，可按式计算：式中边坡工程主要结构面类型与延伸性修正系数；K4边坡工程地下水影响修正系数；K5边坡工程主要结构面产状影响修正系数；F1反映主要结构面倾向与边坡倾向间关系影响的系数；F2反映主要结构面倾角影响的系数；F3反映边坡倾角与主要结构面倾角间关系影响的系数。,边坡工程地下水影响修正系数K4,边坡工程主要结构面类型与延伸性修正系数,不同质量级别岩体物理力学参数建议取值,边坡工程主要结构面产状影响修正,对岩石边坡工程详细定级时，则应根据控制边坡稳定性的主要结构面类型与延伸性、边坡内地下水发育程度以及结构面产状与坡面间关系等影响因素，对岩体基本质量指标BQ进行修正，并根据获得的工程岩体质量指标BQ值再确定岩体级别。工程岩体的级别按表确定后，可按下表选用岩体的物理力学参数。,地质强度指标分类法,Hoek与世界各地地质工作者经过多年共同研究，于1994年提出了地质强度指标GSI分类体系，依据岩体结构特征和结构面状态特征进行岩体质量评价。确定地质强度指标GSI值后，便可借助Hoek-Brown强度准则(以下简称H-B准则)进行岩体力学参数分析。,式中，为岩块单轴抗压强度(MPa)；mb、s、a为表示岩体特性的半经验参数，可表示为地质强度指标GSI的函数：,式中，GSI为地质强度指标；mi为岩石材料常数，由完整岩石三轴压缩试验获取；D为考虑岩体受人为因素或自然因素扰动的弱化因子。,按岩石类型、结构确定完整岩石常数mi,边坡稳定性分析主要是潜在滑移面的抗剪强度计算，因此有必要建立H-B强度准则和M-C强度准则间的等效关系。对于H-B准则所对应的岩体最大、最小主应力状态，采用面积逼近方式拟合主应力坐标下对应的M-C屈服面，如图所示：,H-B准则及其等效M-C准则,扰动系数D建议值,式中，其中为最小主应力上限值，与岩体工程类型有关，对于边坡工程岩体，可由下式确定：,对于地下工程岩体，可由式确定：式中，H为坡高或隧道埋深；为岩体重度；cm为节理岩体的整体强度，当时，可由下式确定：因此，在Hoek-Brown强度准则中，只要确定岩石的单轴抗压强度ci、岩石材料参数mi、地质强度指标GSI和开挖扰动系数D等四个参数即可计算岩体强度参数。,地质强度指标分类法,数值试验法,数值试验法是近年发展的确定节理岩体力学参数的一种有效途径，该方法的基本思路为：首先建立岩体结构模型，在考虑岩块和结构面力学行为的基础上，利用数值方法在模型上施加荷载模拟力学试验的过程，以此来确定节理岩体的力学参数。以等效岩体技术为例对数值试验法进行简要说明。,1)等效岩体技术简介等效岩体技术提供了一种新的岩体强度计算与数值试验分析方法，该方法是以颗粒流理论为基础，以PFC软件为工具，采用颗粒体模型和光滑节理模型分别表征岩体中的岩块和节理，构建与现场岩体结构几何、力学效应等效的数值模型。,等效岩体技术工作流程示意图,2)节理三维网络模型构建岩体结构依赖于节理的空间分布，节理多为透入性结构面，其分布具有随机性，因此可借助统计学的方法进行研究，特别是对节理的形态参数(产状、间距、迹长等)进行概率学的描述和分析，进而研究岩体的工程性质，该方法即为岩体节理三维网络随机模拟。随机节理三维网络模型的构建一般包含节理岩体测区确定、现场节理地质采样调查、节理产状优势组划分、节理采样偏差校正、节理地质参数概率模型建立、节理网络模型Monte-Carlo随机模拟及模拟结果检验等过程。,随机节理三维网络模型,3)模型细观力学参数确定颗粒流理论采用细观力学参数表征颗粒及黏结的力学性质，对数值模型进行计算分析时，先赋予模型初定的细观力学参数，进行数值试样试验，岩石压缩和节理直剪试验结果分别如图811和图812所示，并将计算得到的试样宏观力学参数与室内试验结果对比。通过不断调整细观力学参数，确定最终用于实际计算模型的细观力学参数。,岩块压缩数值试验结果图,节理直剪数值试验结果图,4)等效岩体模型构建在确定细观力学参数的基础上，构建岩石颗粒体模型，并将随机节理三维网络模型嵌入其中，确保两者的几何中心重合，此模型即为能充分反映现场节理空间分布特征的各类尺度(试验室尺度、现场原位试验尺度、工程尺度)等效岩体模型。,X向等效岩体模型,Y向等效岩体模型,Z向等效岩体模型,5)等效岩体模型的应用对等效岩体数值模型开展各类数值试验，可实现节理岩体力学特性的量化研究，并能较为准确、方便地量化获取节理岩体峰前力学性质(弹性模量、起裂强度、抗压强度等)及峰后力学性质(脆性、剪胀角、损伤率、残余强度等)。等效岩体技术是一种全新的节理岩体宏观力学参数计算方法，可代替部分节理岩体