岩石力学课件---7岩石边坡

1、第第 七七 章章岩岩 石石 边边 坡坡 7-1 边坡问题的评价边坡问题的评价一、岩石边坡分类一、岩石边坡分类 按成因分类：按成因分类： 1、自然边坡：在各种自然营力作用下形成的边坡（山坡）、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、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。因素。人工开挖边坡人工开挖边坡( (矿山边坡、路堑边坡矿山边坡、路堑边坡) )人工堆积边坡人工堆积边坡( (排土场边坡、路

2、堤边坡排土场边坡、路堤边坡) )二、边坡破坏的基本类型二、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：见的破坏形式主要有以下四种： 1、圆弧形破坏、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。在表土、废石堆或破碎或散体结构岩体中最常见。 2、平面破坏、平面破坏 当结构面走向与坡面走向平行或近于平行，结构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。出露，则可能产生这种破坏

3、。 3、楔体破坏、楔体破坏 在块状结构岩体中，当两组结构面与坡面斜交，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。坡面时楔形结构体则可能沿结构面组合交线滑移。 4、倾倒破坏、倾倒破坏 在层状结构岩体中，当结构面平行于坡面走向，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。的结构面切割，则可能发生倾倒破坏。 滑蹋模式p平面滑坡p楔体破坏p倾倒破坏p圆弧

4、破坏三、边坡岩体结构图的编制三、边坡岩体结构图的编制1、边坡岩体结构图的基本内容、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）拟建边坡外形轮廓线平面图，即台阶、平面线和境界线。境界线。 （2）边坡岩体结构类型分界线。）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）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。实体比例投影。 （4）边坡潜在稳定性评价）边坡潜在稳定性评价-基于赤平投影或块体理论基于赤平投影或块体理论等。等。 2、编制边坡岩体结构图的基础资料、编制边坡岩体结构图的基础资料 （1）工程地质平面图。）工程地质平面图

5、。 两个内容：工程地质岩组划分；构造结两个内容：工程地质岩组划分；构造结构面分级。构面分级。 （2）边坡工程布置平面图。）边坡工程布置平面图。 （3）岩体结构面力学性质。）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。性分析的重要依据。3、编制边坡岩体结构图的方法、编制边坡岩体结构图的方法 （1）绘坡底线）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。坡走向方位，在工程地质图上绘出坡底线。 （2）绘开挖线）绘开挖线 （3）统计在边坡

6、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 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，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）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。）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、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。进一步修改边坡工程设计。 5、危险结构面的检验、危险结构面的

7、检验7-2 平面破坏分析平面破坏分析一、平面破坏的条件一、平面破坏的条件 1、边坡上有一组接近与边坡走向平行、边坡上有一组接近与边坡走向平行(在在200范围内范围内)的结构面；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、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、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、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），切割面），而且这组结构面对结构体的抗滑力很小。而且这组结构面对结构体的抗滑力很小。二

8、、平面破坏的力学模型二、平面破坏的力学模型 1、坡顶上有张裂缝、坡顶上有张裂缝 2、坡面上有张裂缝、坡面上有张裂缝 3、假设条件、假设条件 （1）滑动面及张裂缝平行于边坡走向）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）张裂缝是直立的，其中充有深度为Zw的水；的水； （3）水沿张裂缝顶部进入滑动面并沿滑动面渗透，在）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。大气压力下沿滑动面出露处流出。 （4）结构体重力为）结构体重力为W，滑动面上水压所产生的上举力，滑动面上水压所产生的上举力为为U，张裂缝中水压所产生的推力为，张裂缝中水压所产生的推力为V

9、，三条力线都，三条力线都通过结构体重心，即假定只有滑动而无转动。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）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。结构体侧面没有对滑动的阻力。 （6）滑动面上抗剪强度为：）滑动面上抗剪强度为：=c0+tg0 三、边坡安全系数的计算三、边坡安全系数的计算 设安全系数为设安全系数为F: 式中：式中：A为滑动面面积；为滑动面面积；U为水对结构体的上举力；为水对结构体的上举力；V为水压产为水压产生的横推力；生的横推力；W为结构体自重；为结构体自重；w为水的重度。为水的重度。 ppppVWVU

10、WAcF cossintg)sincos(00 总下滑力总下滑力总抗滑力总抗滑力pZHA sin/ )( pwwZHZU sin/ )(21 221wwZV 讨论：讨论： 1、张裂缝在坡顶面时、张裂缝在坡顶面时 2、张裂缝在坡面时、张裂缝在坡面时 为岩石湿重度。为岩石湿重度。 221()ctgctg2pfHZWH22(1) ctgtg12ppfHZWctgH7-3 楔体破坏分析楔体破坏分析楔体破坏分析可分为楔体破坏分析可分为 三种情况来讨论：三种情况来讨论：1、只考虑结构面摩擦力、只考虑结构面摩擦力（安全系数大于（安全系数大于2，不会发生楔体破坏，不会发生楔体破坏， 反之反之则需作进一步分析）

11、；则需作进一步分析）； 2、同时考虑结构面摩擦力、同时考虑结构面摩擦力、粘结力和水压力；粘结力和水压力； 3、赤平投影分析方法。、赤平投影分析方法。 一、结构面摩擦力一、结构面摩擦力 设两个结构面的抗滑反力分别为设两个结构面的抗滑反力分别为RA和和RB ，楔体，楔体重力为重力为W，则安全系数，则安全系数F: i 为交线的倾角；为交线的倾角；0为结构面摩擦角，为结构面摩擦角，为两结构面夹为两结构面夹角；角；为楔体歪斜角。为楔体歪斜角。在静力平衡条件下在静力平衡条件下: 水平方向：水平方向： 垂直方向：垂直方向： iBAWRRF sintg)(0 总下滑力总下滑力总抗滑力总抗滑力)2sin()2s

12、in( BARRiBAWRR cos)2cos()2cos( 2sinsincos iBAWRR 安全系数安全系数:可写成：可写成： 式中：式中：Fw只考虑了摩擦力的楔体安全系数；只考虑了摩擦力的楔体安全系数； Fp平面破坏的安全系数；平面破坏的安全系数； K楔体系数；楔体系数； iiBAwWRRF tgtg2sinsinsintg)(00 pwFKF 二、同时考虑结构面摩擦力、黏聚力和水压力二、同时考虑结构面摩擦力、黏聚力和水压力 的楔体破坏分析的楔体破坏分析 对于每个结构面单独进行受力分析，对于每个结构面单独进行受力分析，考虑地下水对结构体的顶托作用，考虑地下水对结构体的顶托作用，分别计算

13、抗滑力与下滑力，分别计算抗滑力与下滑力，得安全系数为得安全系数为 式中：式中：c0A，c0B结构面结构面A和和B的黏聚力；的黏聚力； 0A，0B结构面结构面A和和B的摩擦角；的摩擦角； ，w岩石和水的重度；岩石和水的重度； H楔体高度；楔体高度； X、Y、A和和B取决于楔体几何形状的系数：取决于楔体几何形状的系数： BwAwBAYBXAYcXcHF0000tg)2(tg)2()(3F 抗滑力下滑力naX24524cossinsin nbY13513cossinsin nbnanbnabaA 25sinsincoscoscosnbnanbnaabB 25sinsincoscoscos式中：式中：

14、a, b 结构面结构面A和和B的倾角；的倾角； 5 两结构面交线的倾角；两结构面交线的倾角； ij为交线为交线i 和和j的夹角；的夹角； 2na, 1nb分别为交线分别为交线1，2与结构与结构 面面A，B的法线之夹角的法线之夹角 na.nb两结构面之夹角。两结构面之夹角。三、摩擦圆法对边坡稳定性进三、摩擦圆法对边坡稳定性进行初步分析行初步分析设在倾角为设在倾角为p 的平面上放一块重量为的平面上放一块重量为W的的块体，当块体，当p 由由0逐渐增大时，块体由稳定状逐渐增大时，块体由稳定状态到不稳定状态，当其增加到某一值时，即态到不稳定状态，当其增加到某一值时，即处于极限平衡状态，块体与坡面仅有摩擦

15、处于极限平衡状态，块体与坡面仅有摩擦力，此时块体下滑力为力，此时块体下滑力为S=Wsin p，摩擦力，摩擦力Rs=Wcon tan当当Wsin p Wcon p tanp 讨论：讨论：1）当结构面倾角小于摩擦角时，坡面保持稳定；）当结构面倾角小于摩擦角时，坡面保持稳定；2）当结构面倾角处于坡角与摩擦角时，坡面失稳；）当结构面倾角处于坡角与摩擦角时，坡面失稳；3）当结构面倾角大于坡角时，结构面在坡面不能出露，坡）当结构面倾角大于坡角时，结构面在坡面不能出露，坡面稳定。面稳定。pf不稳定条件的赤平投影表达画出坡面大圆，在坡面投影大圆外侧，以赤平面中心为圆心，以圆心至摩擦角投影点为半径画圆，与坡面大

16、圆相交，所得摩擦圆与坡面大圆围成的面积为滑动危险区。若结构面大圆通过该区，则可发生滑动。7-4 边坡监测边坡监测一、裂缝监测一、裂缝监测 二、岩体内部位移监测二、岩体内部位移监测 1、用多点位移计测岩体内部水平位移、用多点位移计测岩体内部水平位移 2、测斜仪测岩体内部剪切错动带、测斜仪测岩体内部剪切错动带 三、水压监测三、水压监测 水压监测目的是监测边坡疏干效果。水压监测目的是监测边坡疏干效果。 7-5 边坡维护边坡维护一、排水一、排水 1、基本原则、基本原则 以提高边坡稳定性为目的的边坡排水，必须遵循三项以提高边坡稳定性为目的的边坡排水，必须遵循三项基本原则：基本原则： （1）防止地表水由裂

17、隙进入边坡）防止地表水由裂隙进入边坡; （2）有选择性的进行地表和地下疏水，降低潜在破坏面）有选择性的进行地表和地下疏水，降低潜在破坏面 附近的水压附近的水压; （3）确定排水位置，使它只是降低边坡附近的水压。）确定排水位置，使它只是降低边坡附近的水压。 2、井点降水、井点降水 从地表施工大口径钻孔或井从地表施工大口径钻孔或井(如图如图)，延伸到需要，延伸到需要预先疏干的含水层内，在井内安装水泵，把水抽到地预先疏干的含水层内，在井内安装水泵，把水抽到地表，以降低地下水位。（临时）表，以降低地下水位。（临时）布置：岩体渗透性，井群可线性排列或圆形排列，依据实布置：岩体渗透性，井群可线性排列或圆形

18、排列，依据实际确定。际确定。 3、巷道排水、巷道排水 适于大型边坡排水。适于大型边坡排水。位置：受地质构造和边坡性质控制，应尽可能使之穿越较位置：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，巷道平行边多的含水层和含水构造。一般情况下，巷道平行边 坡布置。坡布置。 4、水平钻孔排水、水平钻孔排水 在坡面上钻水平疏水孔，能在坡面上钻水平疏水孔，能有效地降低张裂缝底部或潜在破有效地降低张裂缝底部或潜在破坏面的水压力。坏面的水压力。 疏水孔的间距和位置取决于边坡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几何形状以及岩体内的构造不连 续面。续面。 5、明

19、沟排水、明沟排水 疏水明沟可布置在边坡不稳定区段之外适当位置，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，排放到边坡以外区用来拦截地表水向不稳定区汇集，排放到边坡以外区域。域。二、边坡二、边坡加固加固（一）预应力锚杆（索）加固边坡（一）预应力锚杆（索）加固边坡 1、锚杆（索）结构：锚杆（索）结构：般由般由锚头锚头，张拉段张拉段和和锚固段锚固段三三部分组成，如图所示。锚头的作用是给锚杆（索）施部分组成，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，

20、可提供足周围的岩体，锚固段锚固在稳定的岩体内，可提供足够的锚固力。够的锚固力。2、锚杆锚杆(索索)作用原理作用原理：锚杆：锚杆(索索)插入钻孔中锚固插入钻孔中锚固后，用张拉设备在孔口给锚杆后，用张拉设备在孔口给锚杆(索索)施加拉力，施加拉力，由锚杆由锚杆(索索)将拉力作用在滑体上，即锚固力。将拉力作用在滑体上，即锚固力。其加固作用一部分是使滑体向稳固的岩体压紧，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，另一部分是锚固力的切向分量提供的直接抗滑力提供的直接抗滑力Pcos(+)，从而

21、提高了滑，从而提高了滑体的稳定性。体的稳定性。 3、锚固力计算、锚固力计算 （1）锚杆加固后滑体的安全系数）锚杆加固后滑体的安全系数 式中：式中： K滑体的安全系数滑体的安全系数; W滑体重量，滑体重量，N； 滑动面倾角滑动面倾角,(0); C滑动面单位粘结力，滑动面单位粘结力，Nm3 滑动面内摩擦角滑动面内摩擦角,(0)；S滑动面面积，滑动面面积，m2 锚杆安装角锚杆安装角,(0); P锚固力锚固力 sin)cos()sin(tgcosWcStgPWK （2）锚固力：）锚固力： 当分母为最大值时，所需的锚固力最小，分母中当分母为最大值时，所需的锚固力最小，分母中仅仅为变量，因而对为变量，因而

22、对求导，令导数等于零，得：求导，令导数等于零，得： =- 这时所需锚固力为最小。满足上式的这时所需锚固力为最小。满足上式的称为最佳安称为最佳安装角。装角。 在实践中，考虑到施工方便，一般安装角在实践中，考虑到施工方便，一般安装角常取常取60120，向下倾斜。，向下倾斜。 tgKcSWtgKP)sin()cos()cossin( （3）最小锚固长度）最小锚固长度l： 式中：式中：d锚杆直径，锚杆直径，m；p锚杆许用抗拉强度，锚杆许用抗拉强度，Nm2；Rc一水泥砂浆的握固力，一般一水泥砂浆的握固力，一般Rc=(2540)105 Nm2。在边坡加。在边坡加固工程中，实际采用的最小锚固段长常取固工程中

23、，实际采用的最小锚固段长常取l=45m。 214pcddlR 4pcdlR 4、锚杆布置、锚杆布置 锚杆锚杆(索索)布置合理与否直接影响加固效果。布置合理与否直接影响加固效果。 （1）锚杆）锚杆(索索)的数量的数量 视单根锚杆（索）的锚固力及滑体视单根锚杆（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。行稳定性计算来确定。 （2）锚杆位置及间距）锚杆位置及间距 视滑坡机理及岩体性质而定。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；、对于牵引式滑坡：锚杆（索）应在滑体下部位置； B

24、、推移式滑坡：锚杆（索）应布置在边坡上部；推移式滑坡：锚杆（索）应布置在边坡上部； C、当滑面为单一不连续面控制且岩体较完整时，锚杆、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；（索）间距并不重要； D、当岩体较破碎时，则锚杆（索）布、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，锚头与锚固段之间为原则。如图所示，锚头与锚固段之间 形成一个约形成一个约900的压力锥体，锥体范围内的压力锥体，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

25、缩锥体，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，（索）周围形成压缩锥体彼此联结， 并有并有 一定的互相重叠。一定的互相重叠。 （二）抗滑桩加固边坡（二）抗滑桩加固边坡 抗滑桩是埋设于滑动面上、抗滑桩是埋设于滑动面上、下岩体中阻止滑体移动的桩下岩体中阻止滑体移动的桩形结构物。形结构物。 1、抗滑桩作用原理、抗滑桩作用原理 作用于桩体上的滑坡推力，一部分作用于桩体上的滑坡推力，一部分 经由桩体传至桩前滑体，由桩前滑动面经由桩体传至桩前滑体，

26、由桩前滑动面 向上的抗滑力平衡，另一部分由桩体传向上的抗滑力平衡，另一部分由桩体传 至滑动面以下岩体中至滑动面以下岩体中(如图所示如图所示)，因而，因而 桩前滑坡推力减小，滑体稳定性提高。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。和剪断。2、桩承受最大滑坡推力计算、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桩承受最大滑坡推力的计算方法因桩受力破坏

27、状态的假设不同而异。目前有三种假设：破坏状态的假设不同而异。目前有三种假设： （1）桩剪切破坏；）桩剪切破坏； （2）桩弯曲而破坏；）桩弯曲而破坏； （3）将桩看成是埋设在岩体中的弹性地基梁。）将桩看成是埋设在岩体中的弹性地基梁。 （1）桩剪切破坏）桩剪切破坏 桩体附近滑动面上下的岩体应较坚硬完整，桩体附近滑动面上下的岩体应较坚硬完整，滑动面很薄，认为桩体只能被剪坏。桩体承受的滑动面很薄，认为桩体只能被剪坏。桩体承受的最大滑坡推力为最大滑坡推力为P ： P = S 式中：式中：桩的许用抗剪强度，桩的许用抗剪强度，Pa; S桩的计算抗剪面积，桩的计算抗剪面积，m2。 （2）桩弯曲破坏）桩弯曲破坏 桩体附近滑动面上下的围岩相对桩体较厚，因而桩体附近滑动面上下的围岩相对桩体较厚，因而认为桩体破坏前，桩周围滑动面附近