岩体工程与岩体力学

1、岩体工程与岩体力学,工程地质与岩体力学的关系,岩体结构,不同的岩体结构类型与其对应的破坏模式 整体状结构 块状结构 层状结构 碎裂状结构 散体状结构,岩块力学特征,吸水性抗冻性 渗透系数不等于岩体的渗透性 岩石热学性质深埋岩体工程 变形模量弹性模量 单轴饱和抗压强度 如何看待抗拉强度 剪切强度与抗剪断强度,岩体结构面,结构面的规模 结构面产状（走向、倾向、倾角） 结构面的连通率 结构面密度 现场量测方法 结构面的隙宽（张开度） Kn，Ks 结构面强度 JRC JRS 巴顿公式,岩体质量的确定,现场试验获取岩体变形模量与剪切强度方法 Heok-Brown强度准则 现场渗透系数量测 RQD、Q、R

2、MR岩体质量分类（国外） 工程岩体分级标准,地应力,高地应力集中存在的常见地形特征 地应力的量测方法 地应力在数值分析中表达与估算,5.2.1 研究围岩稳定性的意义 围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的稳定性。 问题：什么是隧道工程的头等大事？ 研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定,5.2 围岩的稳定性,围岩级别的工程作用： 判断围岩稳定性。 判断施工难易程度，投资依据。 结构分析计算的依据,地质因素客观因素 人为因素主观因素、工程因素,5.2.2 影响围岩稳定性的因素,1、地质因素 从5个方面来分析： 岩体结构特征 结构面性质和空间的组合 岩石的力学性质 地下水的影响 围岩的初始应力

3、状态,岩体结构特征 指岩体的破碎程度或完整状态。 破碎程度：裂隙率、裂隙间距。 裂隙是广义的：包括层理、节理、断裂及夹层等结构面。 完整状态：整块状、大块状等。 按这2个指标有下图,结构面性质和空间组合 性质 1) 结构面的成因； 2) 结构面的光滑程度； 3) 结构面的物质组成； 4) 结构面的规模； 5) 结构面的密集度。 空间组合 指结构面的相互位置状态。 问题： 软弱结构面有怎样的害处？ 什么是不利空间组合,岩石的力学性质 主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb。 岩石强度越高，隧道越稳定,4) 围岩的初应力状态 初始应力是隧道围岩变形、破坏的根本作用力。 已初步将初始应力考虑进围岩分级

4、之中。 在高的初始应力场条件下，围岩级别应适当降低,地下水的影响 软化围岩； 减少层间摩阻力促使岩块滑动； 具膨胀性的围岩，遇水后产生膨胀等,超挖,5.3.1 概 述 围岩分级：根据岩体的若干指标，按照稳定性将围岩分成不同的级别。 工程目的： （1）结构设计依据 （2）施工方法依据 （3）工程造价依据,5.3 围岩分级,围岩分级的发展过程,土石分类法,单一因素分类法,综合物性分类法,其它分级法,组合多因素分类法,与地质勘探手段相联系的分类法,总结：早期仅岩石强度； 现在综合多种因素，如岩体构造、岩石强度、RQD指标等,5.3.2围岩分级方法 3个基本因素： 岩性：抗压强度、弹性模量、弹性波速等

5、。 地质构造：岩体完整性或结构状态。 地下水：地下水发育时，围岩级别应降低。 1个附加因素： 初始地应力：适当考虑,一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 1.以岩石强度为基础的分级法 代表：土石分类法坚石、次坚石、松石、土。 2.以岩石物性指标为基础的分级法 代表：岩石坚固性系数(f值)分级法普氏法 f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆性、强度等。 但核心还是岩石强度,二) 以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 代表： 泰沙基法考虑围岩的完整状态和岩性，共9级。 我国交通隧道围岩分级法借鉴了泰沙基法，考虑岩体综合物性，共6级,三）与地质勘探手段相联系的分级方法 代表： 弹性

6、波速分级法波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标，波速越高，围岩越好,岩石质量指标RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标。 RQD指标的具体含义为岩芯复原率,表中R为RQD指标,四)组合多种因素的分级方法 代表： 岩体质量分级法 巴顿等人提出的“岩体质量Q”分级法。表达如下,组合了6个参数： 岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、 节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数,五)我国铁路与公路隧道的围岩分级方法 1.铁路隧道 沿革 岩体综合分类60年代，成昆线，五类。 隧道围岩分类74年版，首部铁路隧道规范，六类。 隧道围岩分类86年版，加入围岩弹性波速指标。 隧道围岩分级99年版，采

7、用国标分级排序，改称“围岩分级”，六级。 隧道围岩分级2001年版，不变。 隧道围岩分级2005年版，不变,分级的理论基础 以围岩的稳定性判断为基础。 属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。 主要考虑4种因素： 岩石坚硬程度 围岩完整状态 地下水 围岩初始地应力,基本分级,修正基本分级,基本分级 修正基本分级 最终分级,基本分级 依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成： 岩石坚硬程度 软硬岩分界指标：30Mpa Rb30 硬岩 5 Rb30 软岩 Rb 5 极软岩 围岩完整程度 指标1：结构面发育程度 指标2：地质构造影响程度 由此两指标，将岩体完整程度分为5个级别，见下表,围岩节理（

8、裂隙）发育程度划分,特点 给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。 尚未考虑地下水和地应力,地下水状态的分级表,六)问题及研究方向 1.问题 指标定性的多、定量的少。如何做到准确、方便、好用？ 2.研究 发展物探手段，增加定量指标。 发展分析理论 模糊数学围岩分级； 隧道位移围岩分级； 人工智能专家系统围岩分级等,自重应力 构造应力 地下水压力 温度应力,原岩,毛洞,稳定洞室,开挖,支护,5.4 围岩压力,一、围岩压力及其分类 (一)围岩压力,围岩压力,地层对洞室的作用力,广义：包括有、无支护时的压力,狭义：仅指对支护的压力,二）围岩压力分类 1松动压力围岩变形过大，发生松动而形成的压力。 2形变

9、压力围岩变形在有限范围内而形成的压力。 这是最重要的两种压力形态,问题： 1.这两种压力性质上有何不同？ 2.压力的性质与围岩稳定性有何关系,3膨胀压力膨胀性岩层。 4冲击压力明洞，落石； 暗洞，坍方、岩爆,5.4.2 影响围岩压力的因素 地质因素 1.岩体初始应力状态 2.岩石力学性质 3.岩体结构面 4.地下水等 工程因素 1.施工方法 2.支护设置时间 3.支护本身刚度 4.隧道断面形状等,1.围岩松动压力的形成 自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍落，最终在洞室上方形成拱形。 (a) 变形阶段； (b) 松动阶段； (c) 塌落阶段； (d

10、) 成拱阶段,5.4.3 围岩松动压力的形成和确定方法,自然拱,影响自然拱的因素： 隧道埋深成拱的必要条件 隧道断面形状和大小拱的范围 施工因素对围岩的扰动程度,2、围岩压力的确定方法 直接量测法 理论估算法 统计法（经验法、工程类比法,只介绍 （其它情况太复杂、不介绍,深埋圆形洞室弹塑性围岩二次应力状态-理论估算解,假设岩体服从库仑-莫尔准则，是理想塑性体（极限平衡理论,4）求解塑性区应力,得,分离变量，解微分方程,5）求解塑性区半径和支反力（修正的Fenner公式,6）求解弹性区应力,1)深埋隧道围岩松动压力的确定方法,1) 统计法我国隧规所推荐的方法,式中 围岩容重； hq坍落拱高度；

11、s 围岩级别； w 宽度影响系数，由 w=1+i（B-5）计算： B 坑道宽度，当 B5m时，取 i =0.2，当 B5m时，取i =0.1,水平压力见表4-7,表4-7围岩水平均布压力,统计法公式的适用条件： H/B1.7，H为坑道的高度； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩； 采用矿山法施工,据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为4种，如图4-7,图4-7 围岩竖向松动压力的分布图形,统计法公式仅针对图中第一种情况,2) 普氏理论 散粒体理论：岩体被节理、裂隙所切割，视为散粒体。 普氏系数f(岩体坚固性系数,岩体坚固性系数 f 的概念： f是一个以岩体强度为主的指标，兼顾抗钻性

12、、抗爆性、地下水等性质,前述自然拱概念最早由普氏提出,坚硬岩体: 松散破碎岩体,式中 为隧道净跨度的一半； 为隧道净高度,一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中,图4-8 自然拱的两种形态,3) 泰沙基理论 理论：散粒体理论,假定： 破裂面为折线OAB 方法： 研究微分条带dh的平衡。 步骤： 1.V=0，建立微分方程 2.边界条件,3.解微分方程，得： 4.讨论： 当埋深h 达到一定程度时， 为恒值： 取侧压力系数k=1， 则有： 与普氏法对照，能发现什么,2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 深、浅埋隧道的判定原则,Hp（22.5）hq,I一III级围岩取: Hp2hq IVVI级围

13、岩取: Hp2.5hq,HHp时为深埋 HHp时为浅埋 H 为覆盖层厚度,2) 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法,土柱法 要点：忽略滑动面上的阻力。 适于：埋深 H hq 垂直压力：q=H 水平压力按朗金公式：e = (H + 1/2 Ht)tg2(450 /2) Ht 为隧道净高,一院法 重点： 当Hhq 时，应该考虑滑动面上的阻力。 分析下图,5.4.6 围岩应力的现场量测 直接量测 间接量测,思考题： 1.试说明影响围岩稳定性的主要因素有哪些？在进行围岩分类时主要考虑什么因素？我国交通隧道围岩分类对这些因素是如何处理的？ 2.某隧道埋深为30m，围岩为级，净宽为12m，净高为10m，围岩天

14、然容重20KN/m3，试计算该隧道围岩压力,隧道支护结构设计,6.4 隧道洞门计算,6.3 岩体力学方法,6.1 隧道结构体系的计算模型,6.2 结构力学方法,6.5 隧道抗震计算,6.1.1隧道工程的受力特点,1.荷载的模糊性,2.围岩物理力学参数难以准确获得,3.围岩压力承载体系,围岩不仅是荷载，同时又是承载体； 地层压力由围岩和支护结构共同承受； 充分发挥围岩自身承载力的重要性,6.1 隧道结构体系的计算模型,4.设计参数受施工方法和施作时机的影响很大,5.隧道与地面结构受力的不同点围岩抗力的存在,6.1.2 隧道结构体系的计算模型,1.结构力学模型,特点： 以支护结构作为承载主体； 围

15、岩对支护结构的作用间接地体现为两点： 围岩压力； 围岩弹性抗力。 采用结构力学方法计算。 适用于：模筑砼衬砌,2.岩体力学模型,特点： 支护结构与围岩视为一体，共同承受荷载，且以 围岩作为承载主体； 支护结构约束围岩的变形； 采用岩体力学方法计算； 围岩体现为形变压力。适用于：锚喷支护,6.2.1概 述,1.基本原理,将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载的主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承，与其对应的计算模型称为荷载结构模型,6.2 结构力学方法,根据对荷载的处理不同，它大致有如下三种模式,主动荷载模式（图51（a） 主动荷载加被动荷载模式（图51（b）) 实际荷载模式（图51（c,

16、图51 荷载结构模式,2.隧道衬砌受力变形的特点,3.隧道衬砌承受的荷载及分类,1) 主动荷载 主要荷载 附加荷载 (2) 被动荷载围岩抗力 共同变形理论 局部变形理论,图5-3 局部变形示意图,结构力学方法,6.2.3 隧道衬砌结构计算的矩阵位移法,1.基本原理,矩阵位移法又叫直接刚度法，它是以结构节点位移为基本未知量，联接在同一节点各单元的节点位移应该相等，并等于该点的结构节点位移（变形协调条件）；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡（静力平衡条件,计算特点: 三种单刚 衬砌单刚：梁单元 抗力单刚：二力杆单元 基础单刚：支座单元 拼总刚(结构刚度矩阵) 边

17、界条件墙基础水平位移为0 求解以节点位移为未知量的方程组高斯消去法等 由节点位移求出单元节点力内力,2.计算图式,衬砌结构的处理 衬砌的处理：将衬砌沿其轴线离散化为直杆单元（梁单元），并将单元的联接点称为节点。 墙基础的处理：假设边墙底端是弹性固定，即能产生转动和垂直下沉，不能产生水平位移,图5-4 直刚法计算图式,2)等效节点荷载的处理 按“静力等效”原则进行，即均布荷载所作的虚功应等于节点荷载所作的虚功,图5-5 等效节点荷载计算示意图,垂直均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为,水平均布荷载作用在单元上的等效节点力分量为,3)围岩弹性抗力的处理 以弹簧支承模拟围岩弹性抗力，即在每个节点上

18、设置一根弹簧链杆，弹簧力即为围岩抗力； 以温氏假定反映抗力与节点位移的关系； 弹簧支承的方向：应按衬砌与围岩的接触状态而定,图5-6 围岩弹性抗力链秆设置示意图,3.单元刚度矩阵,衬砌单元刚度矩阵(衬砌单刚) 弹性支承链杆单元刚度矩阵(抗力单刚)要点： 其局部坐标系与总体坐标系一致； 由温氏假定求抗力。 墙脚弹性支座单元刚度矩阵,图5-7 弹性链秆单元示意图,图5-8 墙角弹性支座单元示意图,4.建立结构刚度方程,1）结构刚度方程的形成,2） 结构刚度矩阵的特点 对称矩阵(反力互等定理)； 稀疏的带状矩阵，非零元素的个数一般只占元素总 数的5左右； 是非奇异矩阵。因抗力弹簧本身就是对衬砌结构的

19、 约束，故衬砌结构不能作刚体移动,5. 未知节点位移的求解和弹性支承的调整,1）边界条件 围岩抗力弹簧支承就是一种边界约束，已在拼总刚中考虑了； 基底支座水平位移为0。 （2）方程组求解：高斯消去法；迭代法 （3）对围岩抗力弹簧支承的自动调整,6.衬砌内力的计算,1）单元结点位移,2）单元结点力,7.直刚法计算流程图,6.2.4 衬砌截面强度检算,1.破损阶段法,破损阶段法考虑到结构的塑性阶段，材料塑性极限强度Rb已进入塑性阶段,当 时，由抗压强度控制其承载能力，因此仅需按抗压强度进行检算,当 时，由抗拉强度控制承载能力，仅需按抗拉强度进行检算,偏心距限制 混凝土衬砌的偏心距不宜大于0.45倍

20、截面厚度； 石砌体偏心距不应大于0.3倍截面厚度； 基底偏心距，对岩石地基不大于1/4倍墙底厚度，对土质地基不大于1/6倍墙底厚度,2.概率极限状态法,极限状态法采用数理统计方法，用概率来衡量结构的安全度，或称“可靠度,1）承载能力极限状态 混凝土矩形截面中心及偏心受压构件，其受压承载能力,2）正常使用极限状态 从抗裂要求出发，混凝土矩形偏心受压构件的抗裂承载力按下式检算,6.3.1 解析法,6.3 岩体力学方法,6.3.2 数值分析法,1.概述,边界元法、无限元法、有限元法、有限元法耦合方法等，仅介绍有限元法,2.有限元法处理特点,1）单元类型的选择和网格划分,图5-11 隧道计算范围及网格

21、划分,2）计算范围的选取,隧道开挖影响范围距开挖面中心点35倍洞跨的范围,边界上位移为零,3）边界条件和初始应力,4）卸荷释放荷载及卸荷过程模拟,5）开挖施工步骤的模拟,6）求单元应力,7）围岩与支护结构稳定性判断,8）有限元法计算的可信度,计算方法：洞门可视作挡土墙，按计算挡土墙的方法进行计算,计算处理：主动土压力按库仑理论进行计算；无论墙背仰斜或直立，土压力的作用方向均假定为水平；不考虑被动土压力。取最不利位置的墙体条带计算，称为“检算条带”。条带宽度一般为1m，最不利位置墙体最高点,6.4 隧道洞门计算,6.4.1 计算部位（检算条带）的选取及计算要点,1柱式、端墙式洞门,2有挡、翼墙的

22、洞门,6.4.2 洞门计算内容,1. 洞门计算内容：墙身偏心及强度；绕墙趾的抗倾覆性(墙趾墙身外表面与基底面的交点)；沿基底滑动的稳定性；基底应力检算,2. 洞门端墙及挡（翼）墙检算规定,6.4.3 洞门计算的概率极限状态法,铁路隧道设计规范规定隧道洞门除按破损阶段法进行检算外，还可采用极限状态法进行设计计算。基本方法仍同破损阶段法，如取计算条带，具体公式不同，按可靠度理论得出,1.洞门墙墙身抗压承载能力计算(承载能力极限状态,2.洞门墙墙身抗裂承载能力计算(正常使用极限状态,3.洞门墙地基承载能力计算,4.抗倾覆计算,5.抗滑动计算,6.5.1 概 述,规定：在地震基本烈度为7度及以上地区的

23、隧道，需要进行抗震设计,抗震设计方法：地震系数法,其它方法：波动法；相互作用法；数值分析方法，等,6.5 隧道抗震计算,6.5.2 地震系数法,考虑两种情况： 水平地震力的方向横交隧道纵轴 应考虑洞口、浅埋、偏压地段和明洞。 水平地震力的方向沿隧道纵轴 仅需考虑洞门及洞口一个环节衬砌,图5-20 纵向水平地震力作用下洞口环节计算图式,1.地震力的计算,1）横向水平地震力,2）纵向水平地震力,水平梁,竖向梁,2.衬砌内力计算,1）衬砌任一截面内的弯矩按图（b）可得,2）衬砌任一截面内的弯矩按图（c）可得,3）在衬砌任一截面中，由于地震力产生的最大应力为,思考题,1.隧道结构的受力特点？隧道结构体

24、系的概念？2.什么是荷载结构模型？什么是岩体力学模型？3.什么是围岩弹性抗力？计算模型中有几种处理方式？温氏假定与它有什么关系？4.采用直刚法计算时，隧道结构有哪三种单刚？拼总刚的两个条件是什么？5.衬砌截面强度检算目前有几种方法？6.洞门是如何检算的,第一章 绪论,课程的内容,边坡与滑坡的概述,边坡地质与勘察,边坡稳定性分析及分析软件,边坡加固方法与手段,边坡的设计,边坡监测与长期观测,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。 建筑边坡工程技术规范GB 50330-2002 建（构）筑物场地或其周边，由于建（构）筑物和市政工程开挖或填

25、筑施工所形成的人工边坡和对建（构）筑物安全或稳定有影响的自然边坡 水电水利工程边坡设计规范DL/T 5353-2006 地壳表面具有侧向临空面的地质体，由坡顶、坡面、坡脚及其下部一定深度内的坡体组成。 水利水电工程边坡设计规范SL 386-2007 修建水利水电工程形成的和因修建水利水电工程有可能影响其稳定的边坡统称为水利水电工程边坡,边坡的定义,边坡失稳的危害,汶川地震中滑坡灾害考察与初步分析考察报告,滑坡、崩塌、泥石流,自然边坡,危害的形式,工程边坡,各种工程破坏形式,危害的程度,经济、人员,滑坡、滑塌（坍塌）、崩塌、剥落、拉裂、 流动 滑坡(slides) 是斜坡部分岩土体在重力作用下，

26、沿一定的软弱面，缓慢地整体向下移动，具有蠕动变形、滑动破坏和渐趋稳定三个阶段，有时也具有高速急剧移动现象。 滑塌(slipslumps) 是因开挖、填筑、堆载引起斜坡的滑动或塌落，一般较突然，粘性土类边坡有时也会出现一个变形发展过程。 崩塌(fallslumps) 是整个岩土体块脱离母体，突然从较陡的斜坡上崩落、翻转、跳跃、堆落在坡脚，规模巨大的称为山崩，规模较小的称为塌方 溃屈 发生在层状结构岩体顺向坡内的一种破坏形式，又称滑动弯曲破坏，岩体上部沿层面滑动，下部发生弯曲和鼓胀 剥落(falls) 是斜坡岩土长期遭受风化、侵蚀，在冲刷和重力作用下，岩(土)屑(块)不断沿斜坡滚落堆积在坡脚。 倾

27、倒 发生在层状及似层状结构岩体的一种破坏形式，岩体向临空方向倾倒，底部形成折断面,边坡的失稳模式,边坡的分类,第三章 边坡稳定性分析,稳定性概念,真实物理量与虚拟物理量,稳定性概念是强度问题，而不是力的概念,整体稳定性与局部稳定性的关系,边坡的稳定性问题的缺陷,点安全系数,安全系数,稳定系数,强度稳定,变形稳定,显然,1，土坡稳定,1，土坡失稳,1，土坡处于临界状态,其问题的关键是如何寻求滑裂面，如何寻求滑裂面上的平均抗剪强度,和平均剪应力,荷载,岩土体的自重作用,在地下水位以上时，岩土体的自重采用天然重度； 在地下水位以下时，则应根据计算方法正确选择。（水土合算或分算） 在边界面上和计算的分

28、条、分块面上以面力计算水压时采用饱和重度：以体力法计算水压力时采用浮重度，同时在滑面上扣除自坡外水位起算的静水压力； 降雨情况下的非饱和岩、土体采用具一定含水量的重度，根据测试或估算确定 上述各种重度应取平均值,地下水作用,孔隙水、裂隙水或层间承压水,对具有疏掉地下水设施的边坡，应首先确定经疏排作用后的地下水位线，再确定地下水压力为提高计算可靠性，应视工程具体情况，乘以大于1的增大系数,在地下水位以下的岩体内的贯通性结构面和强卸荷裂隙带，按地下水等水位线图内插或外延，确定作用其面上的地下水压力,岩质边坡深部潜在不稳定体边界面并非完全贯通时，裂隙水压力可以相应折减。具体方法可将裂隙水压力乘以小于

29、1的折减系数,对于有地下水渗流的水下岩土体，当采用体力法以浮重度计算时，应考虑渗透水压力作用，对于没有被河水完全淹没的滑体部分，其渗透水压力或动水压力值 按下式计算,水库蓄水后岸坡内地下水位宜根据实测值确定：当缺少实测值或水库尚未蓄水时，可根据水库浸没计算确定,在对降水或泄流雨雾引起地下水位短期壅高情况，以及水库水位骤降情况进行边坡稳定分析时，渗透系数应采用小值平均值，地下水位宜按不稳定渗流估算确定,对于经受泄洪雨雾作用的边坡，应首先根据经验和工程类比确定泄洪雨雾的影响范围和雨雾强度分布,加固力作用,加固力指采用加固结构将不稳定岩体(或潜在不稳定岩体，下同)固定到滑面以下稳定岩体的力,计算安全

30、系数时加固力应按增加的抗滑力考虑,地震作用,在地震基本烈度为度和度以上的地区，应计算地震作用力的影响,荷载组合,基本组合：自重+岸边外水压力+地下水压力+加固力,偶然组合：基本组合+地震作用,设计工况,1 持久设计工况：主要为边坡正常运用工况，此时应采用基本组合设计,2 短暂设计工况；包括施工期缺少或部分缺少加固力；缺少排水设施或施工用水形成地下水位增高；运行期暴雨或久雨、或可能的泄流雾化雨，以及地下排水失效形成的地下水位增高；水库水位奠降等情况。此时应采用基本组合设计,3 偶然设计工况；主要为遭遇地震、水库紧急放空等情况，此时应采用偶然组合设计,参数确定,确定参数的方法,室内试验,现场试验,

31、反演分析,工程地质类比,参数对应的方法,总应力法,有效应力法,按水土合算原则计算时，地下水位以下宜采用土的自重固结不排水抗剪强度指标 按水土分算原则计算时地下水位以下宜采用土的有效抗剪强度指标,土质边坡的参数确定,土的抗剪强度直剪试验宜采用峰值强度指标，其标准值应取试验资料的小值平均值或概率分布的0.2分位值 非填筑边坡的参数尽量取原状土样的试验成果 地下水浸润线以上的土体采用天然原状土试验成果，地下水浸润线以下土体采用饱和原状土试验成果 无特殊工况与施工状况，参数宜采用慢剪试验的成果 降雨、挡水、雾化工况时参数应采用饱和参数 已发生滑移的边坡采用残余强度 具有流变特性的特殊土边坡，应采用流变

32、强度 临界稳定状态反算推求滑面的综合抗剪强度参数，一般来说，变性边坡抗滑稳定安全系数取1.051，失稳边坡抗滑稳定安全系数取0.950.99,粘性土参数指标,膨胀土边坡宜采用反复剪切试验,施工开挖和水位降落工况，有效应力法与总应力法同时采用，取小值,砂土参数指标宜采用有效应力法计算抗滑稳定安全系数，试验方法可采用三轴仪固结排水剪(CD)和直剪仪慢剪(S,现场原位测试应用,砂土 有效应力,标准贯入,静力触探,大型锥探,粘土 总应力,十字板剪切,静力触探,旁压试验,固结不排水,对于一级边坡，岩体结构面的抗剪强度指标宜根据现场原位试验确定，试验应符合国家标准工程岩体试验方法标准GB/T50266。

33、抗剪断强度与抗剪强度 岩质边坡中不同性质的结构面抗剪强度指标取值规定： 硬质结构面应取抗剪断峰值强度的标准值或小值平均值 软弱夹层及软弱结构面应取抗剪峰值强度或屈服强度 成组节理按其采用的优势方向考虑连通率与抗剪断峰值强度标准值折减 泥化夹层应取残余强度 岩体抗剪断强度 整体块状结构、层状结构硬质岩体呈脆性破坏时采用峰值强度参数概率分布的0.2分位值、或小值平均值、或优定斜率罚下限值为标准值 无填充、闭合的镶嵌碎裂结构、碎裂结构及隐微裂隙发育岩体呈塑性破坏或弹塑性破坏时采用屈服强度的平均值为标准值 无特定控制结构面的各向同性节理岩体强度采用霍克-布朗岩体破坏准则或GSI或RMR系统,岩质边坡的

34、参数确定,对于无条件的二、三级边坡可按照下表和反算分析等方法综合确定,结构面抗剪强度指标标准值,注：1、无经验时取表中的低值 2、极软岩、软岩取表中的较低值 3、岩体结构面连通性差取表中的高值 4、岩体结构面浸水时取表中较低值 5、临时性边坡可取表中的高值 6、表中数值已考虑结构面的时间效应,结构面的结合程度,边坡岩体内摩擦角折减系数,边坡岩体等效内摩擦角标准值,注：1、边坡高度较大时宜取低值，反之取高值，坚硬岩、较硬岩、较软岩 和完整性好的岩体取高值，软岩、极软岩和完整性差的岩体取低值 2、临时性边坡取表中高值 3、表中数值已考虑时间效应和工作条件等因素,土坡稳定性分析方法,条分法思路,两个

35、极限平衡状态,滑裂面,坡体内部,土条底部有效法向反力 n个 安全系数 1个 法向条间力 n-1个 切向条间力 n-1个 底部合力作用位置 n个 条间合力作用位置 n-1个,共计5n-2个未知数,水平向方程 n个 垂直向方程 n个 力矩方程 n个,共计3n个方程,高次超静定问题,假定土条极薄，合力为土条中点,共计4n-2个未知数,两条可 能途径,引入土体的应力-应变关系,简化假定 减少未知数 增加方程数,假定的分类,假定n-1个条间剪应力 毕肖普法,假定条间合力的方向 Spance法、Sarma法、摩根斯坦-普莱斯法 不平衡推力法,假定条间合力作用点位置 简布-普遍条分法,条分法各类方法推导一览

36、表,条分法计算的流程与步骤,寻找滑裂面,确定方法,求解安全系数,确定最小安全系数与相应滑裂面,条分法计算结果,正确评价条分法,条间作用力的考虑对分析结果的作用 条件假定应满足的条件 计算条件与实际工作条件的差距,土条界面不违反土体破坏准则,土条界面不出现拉应力,岩质边坡稳定性分析方法,当张裂缝位于坡顶面时,当张裂缝位于坡面时,平面滑动岩质边坡稳定性分析,楔形滑动岩坡稳定性分析,设滑动面1和2的内摩擦角分别 和 ，粘聚力分别为 和 ，其面积分别为 和 ，其倾角分别为 和 ，走向分别为 和 ，棱线的倾角为 ，走向 ，棱线的法线与滑动面之间的夹角分别为 和 ，楔形体重量为 ，两个滑面上的法向反力为

37、和,楔形体法,岩石基础工程,1概述 2岩石地基工程 3岩石桩基工程 4岩石路基工程 5岩石地基的加固,1 概述,建筑物基础、路基、桥基,岩石地基经常遇到各种不良现象，从而对不良岩基上的建筑物构成直接或潜在的威胁,自然界中的岩体是岩块与各种节理，裂隙及其填充物组成的复合体,2.1 岩基的承载能力,地基承受荷载的能力称为地基承载力。 地基岩体的承载力就是指作为地基的岩体受荷后不会因产生破坏而丧失稳定，其变形量亦不会超过容许值时的承载能力。 地基承载力分为极限承载力和容许承载力两种。 极限承载力是指地基发生强度破坏，致使丧失稳定时的最大承载能力。 容许承载力是指地基发生变形破坏，致使其变形量超出容许

38、范围内时的最大承载力,2 岩石地基工程,2.2 影响岩基承载能力的因素,岩体强度参数,风化程度,岩体结构,岩体性质 硬岩 软岩,地基破坏的模式,2.3 岩基破坏模式,直面滑动,剪切 节理、弱软岩体（滑移体,冲切 多孔隙岩体,劈裂 应力大,压碎 应力较大,开裂 较均质岩体、坚硬、应力水平较小,开裂,压碎,劈裂,冲切,剪切,较均质、 坚硬岩体,应力水 平较小,应力水 平较大,应力水 平大,多孔隙 岩体,节理、弱 软岩体,材料压剪破坏模式,楔形块体滑动破坏模式,破坏机理,已知滑面滑动破坏模式,2.4 岩基允许承载力的确定,现场试验法 材料破坏极限平衡方法 楔形体破坏极限平衡方法 经验规范法,极限承载

39、力,容许承载力,经验规范方法 现场试验法 地基的沉降计算,2.5 岩基中的应力分布,集中力作用下的岩基,半无限体垂直边界上作用一集中力的弹性理论解 (布辛涅斯克，1886,式中 P垂直于边界岩OZ轴作用的力 z从半无限体界面算起的深度 x所研究点到OZ轴的距离 r所研究点到原点O的距离 在深度z处被角所确定的点的水平径向应力 在深度z处被角所确定的点的水平垂直应力 在垂直平面和水平面上的剪应力 最大主应力（在矢径方向） 中间主应力（在水平平面上） 最小主应力（在通过矢径的垂直面上,线荷载作用下岩基内的应力,半无限体的表面承受着面荷载,则按上式得,在圆形均布荷载P作用下，岩基表面以下M点深度z处

40、的垂直压力 。可用布辛涅斯克的解经过积分求得。这时，作用在微面积上的集中力为,式中 a圆形荷载面的半径,各向同性、均质、弹性地基岩体中的附加应力,垂直荷载情况,水平荷载情况,倾斜荷载情况,层状地基岩体中的附加应力,由于层状岩体为非均质、各向异性介质，因此外荷所引起的附加应力等值线不再为圆形，而是各种不规则形状,倾斜层状岩体上作用有倾斜荷载R的附加应力,一）材料压剪破坏承载力,极限平衡方法(Goodman,式中：Rc-岩体无侧限抗压强度； qf-岩基承载力,均匀、各向同性不连续岩体的极限承载力约等于岩体的三轴抗压强度,2.6 极限承载力的确定方法,基础脚部岩体压碎,A-压碎区,B-非压碎区,非压

41、碎区B岩体强度曲线,压碎区A岩体强度曲线,无侧限岩体抗压强度Rc,岩基承载力qf,基脚下岩体出现楔形滑体，滑移面为平直面、弧面、近似看成平直面，作极限平衡分析 （1）基本值设 破坏面由两个互相直交的平面组成； 荷载qf的作用范围很长，可为平面应变； 承载平面，即qf作用面上，剪力不存在； 对每个楔体，采用平均体积力。 （2）受力图,基脚岩体剪切破坏,二）楔形体滑动破坏承载力,4）求承载力qf,x楔体,y楔体,Y楔体体积力,由y楔体的几何关系得,将此式和前式的,代入上式得,注1：上式的最后一项和前两相比很小，可以忽略,承载力,注2：当在承载压面附近的表面上还有一个附加压力q时，则在x楔上的 变成

42、,所以，岩基的极限承载力为,上式又可写成,注3：若考虑破坏表面的弯曲，x与y块体之间界上承受剪应力，则上式的承载力将会提高,式中： 称为承载能力系数，均是,的函数，即,注5：对圆形截面,注4：当 时，上述方法算出的系数较接近精确解,三）固定滑面极限承载的抗滑稳定性,许多实践证明，对于大多数岩体并承受倾斜荷载的地基来说，地基的破坏往往由于岩基中存在软弱夹层，使地基中一部分的岩体沿着软弱夹层产生水平剪切滑动,例：大坝的基础下存在软弱夹层及一条大断层。当水库充水后，坝基承受倾斜荷载产生了坝基沿AC滑移，或三角形ABC部分的岩体向下游滑移的可能,坝基滑动破坏模式的类型,滑动面的位置,基坝接触面或浅层的

43、抗滑稳定 （以稳定系数 为评价指标） 稳定系数为 式中： -垂直作用力之和，包括坝基水压； -水平力之和； -摩擦系数。 -接触面上的粘结力或混凝土与岩石面 间的粘结力； A -底面积,上述是一粗略分析，以致KS选用较大值。美国垦务局推荐，在坝工上采用的稳定系数为4，以作为最高水位、最大扬压力与地震力的设计条件,岩基深层的抗滑稳定 （一）单斜滑移面倾向下游 稳定系数为,式中：U坝底扬压力；C粘结力。 当U、C为零时,单斜滑移面倾向上游 稳定系数为,式中： R抗力。 根据受力图9-15（d）（e）按力的平衡原理求得： 为AB及BC滑移面上的摩擦系数。 岩石的内摩擦角,双滑移面 稳定系数为,根据岩

44、块抗压强度确定地基承载力,对于微风化或中分化的岩体，可根据岩块饱和单轴抗压强度确定其承载力，经验公式如下,四）经验规范方法,为岩体裂隙影响系数；当裂隙不发育时取1.0； 较发育时取0.67；发育时取0.33； 为坡度影响系数； 当岩体地基表面坡度小于10度取1.0； 等于45度时取0.67； 大于80度时取0.33； 中间按插值法内插,根据规范确定地基岩体承载力,岩石承载力标准值（kPa,五）采用岩体现场载荷试验确定承载力,荷载试验方法： 对浅基础采用直径为30cm的圆形刚性承压板; 当岩石埋藏较深时,可用钢筋混泥土桩。但桩周需采取措施以消除桩身与土之间的摩擦力,主要的仪器设备包括： 液压千斤

45、顶；液压泵及高压管路；刚性承压板； 环形钢板；传力柱；反力装置；变形测表,操作步骤 1、在岩体预定部位开凿试验平洞，制备试点，试点面积应大于承压板，其中加压面积不宜小于2000cm2。 2、按要求安装加压和测试设备。 3、加压，观测。压力一般分5级加压，荷载应增加到不少于设计要求的2倍。 4、整理资料，试验结束,根据由试验结果绘制的荷载与沉降关系曲线（p-s）确定比例极限和极限荷载。 p-s曲线上起始直线的终点对应的荷载为比例极限 符合终止加荷条件的前一级荷载为极限荷载。 承载力的取值为两种情况：对于微风化和强风化岩体，承载力取极限荷载除以安全系数（安全系数一般取3.0）；对于中等风化岩体，需

46、要根据岩体裂隙发育情况确定，并与比例极限荷载比较，取二者中的小值,为岩坡影响系数，当岩石地基表面坡度 100时取 1.0，=450时取0.67，p800时取0.33，中间接插值法取值,为岩体裂隙影响系数，当裂隙不发育时取1.0，较发育时取0.67，发育时取0.33,微风化及中风化的岩石，根据室内饱和单轴抗压强度确定其承载力。试样尺寸为50mm100mm，数量不少于9个，在饱和状态试验，按500800kPas的速度加载，直至试样破坏。试验值按正态分布概率分布计算平均值 ，标准差 ，然后按下式计算单轴抗压强度的标准值,六）按室内单轴抗压强度确定承载力,岩石容许承载力值（kPa,一）根据规范确定地基

47、岩体承载力,2.7 容许承载力的确定方法,二）地基沉降理论计算确定容许承载力,地基应力分布,地基应力-应变关系,地基沉降计算,容许沉降确定承载力,2.8 岩基上基础的沉降,岩基上基础的沉降主要是由于岩基内岩层承载后出现的变形引起的。对于一般的中小工程来说，沉降变形较小。但是，对于重型结构或巨大结构来说，则产生较大变形。岩基的变形有两方面的影响,2）因岩基变形各点不一，造成了结构上各点间的相对位移,1）在绝对位移或下沉量直接使基础沉降，改变了原设计水准的要求,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，则用有限元法分析其沉降量是比较准确的 。 按弹性理论求解

48、各种基础的沉降，仍采用布辛涅斯克的解来求。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,式中：r为计算点至集中荷载P处之间的距离,计算沉降的基本公式,半无限体表面上 有分布荷载作用， 则可用积分求出 表面上任一点 M(x,y)处的沉降 量s(x,y,圆形基础的沉降,圆形基础为柔性 如果其上作用有均布荷载P和在基底接触面上没 有任何摩擦力，则基底反力 也是均布分布的， 并等于P，这时,总荷载引起M点处表面的沉降量,圆形基础底面中心(R=0)的沉降量s0,圆形基础底面边缘(R=a)的沉降量sa,可见，圆形柔性基础当其承受均布荷载时， 其中心沉降量为其边缘沉降

49、量的1.57倍,圆形刚性基础 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。这时可用式 解得,式中，R为计算点至基础中心之距离,圆形刚性基础,上式说明，在基础边缘上的接触压力为无限大。当然，这种无限大的压力实际上并不存在，因为基础结构并非完全刚性，而且纯粹的弹性理论也不见得适用于岩基的实际情况。因而，在基础边缘的岩层处，岩层会产生塑性屈服，使边缘处的压力重新分布。 圆形刚性基础的沉降量s0,矩形刚性基础当其承受中心荷载P时，基础底面上的各点皆有相同的沉降量，但是沿着基底的应力是不等的.设p为均布分布的外荷载当基础的底面宽度为b；长度为a时，沉降量s 为,Kconst为用于计

50、算绝对刚性基础承受中心荷载时沉降值的系数，Kconst=f(a/b), 见表91,矩形基础的沉降,刚性方形基础沉降量(边长为a) 刚性条形基础沉降量(宽度为a,921） 式中， （922） K0值列于表9-1中,柔性矩形基础的基底中心沉降量 当其承受中心均布荷载p时,基础底面上各点的沉降量皆不相同，当沿着基底的压力是相等的。当基础的底面宽度为b,长度为a时，基底中心的沉降量可按下式求得,正方形柔性基础中心沉降量(均布荷载) 正方形柔性基础角点处的沉降量(均布荷载,a为边长,可见，正方形柔性基础底面中心的沉降量s0为边角点沉降量的两倍,柔性矩形基础的基底角点沉降量(均布荷载,式中的Kc值列于表9

51、1中,柔性矩形基础平均沉降量 (承受中心载荷) （926） 式中：Km为基础平均沉降系数，见表91,表9-1 各种基础的沉降系数K值表,3 岩石桩基工程,D4墩为金塘大桥主通航孔桥两个主索塔墩之一，基础为42根国内首次采用的超长大直径变截面嵌岩桩，直径为2.5米2.85米，平均打入海平面下110米,3.1 嵌岩桩的承载力,1）采用静荷载试验确定嵌岩桩极限承载力 嵌岩桩静荷载试验的试桩数不得少于3根，当试桩的极限荷载实测值的极差不超过平均值的30%时，可取其平均值作为单桩极限承载力标准值，建筑物为一级建筑物，或为柱下单桩基础，且试桩数为3根时，应取最小值为单桩极限承载力，当极差超过平均值的30%时，应查明误差过大的原因，并应增加试桩数量,2）理论计算确定嵌岩桩极限承载力,Rk为嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值； Rsk为桩侧土总摩阻力标准值； Rrk为总嵌固力标准值； Rpk为总端阻力标准值,嵌岩桩的桩侧土摩阻力标准值RsK的确定 当桩穿越土层厚度小于10m时 一般不计算桩侧上摩阻力 当穿越的土层较厚时 对于地质不良区或软弱土层，均不宜计算 嵌岩桩的桩侧土摩阻力。 对其他土层，嵌岩桩的桩侧土摩阻力标准值 按下式计算,式中,为第,层士的桩侧土摩阻力折减系数,为第