71-2岩石力学与工程岩石边坡工程

10/24/202217岩岩石石边边坡坡工工程程7.1概概述述（1））概概念念1.边边坡坡(slope)也也叫叫斜斜坡坡统指指地地表表一一切切具具有有侧侧向向临临空空面面的的地地质质体体，，包包括括天天然然边边坡坡和和人人工工边边坡坡。。2.天天然然边边坡坡是指自然然地质作作用形成成未经人人工改造造的斜坡坡。3.人工工边坡是指经人人工开挖挖或改造造后形成成的斜坡坡。10/24/202224.边边坡组成成的要素素图7-1边坡坡示意图图10/24/20223（2）研究边坡坡的目的的和意义义1.研究目目的研究边坡变变形破坏的的机理(包包括应力分分布及变形形破坏特征征)与稳定定性，为边边坡预测预预报及整治治提供岩体体力学依据据。其中稳稳定性计算算是岩体边边坡稳定性性分析的核核心。10/24/202242.研究的的意义1）研究边边坡工程对对露天矿建建设的意义义从露天矿的的生产能力力规模来看看，铁矿已已约占90%，有色色金属约占占46%。。煤矿露天天开采的比比例相对要要少些，但但是在我国国也占有一一定的比例例。从确定露天天矿合理边边坡角来看看，它对减减少剥离量量和生产安安全有着巨巨大影响。。实践和理论论证明，从从减少剥离离量和降低低开采成本本来看，边边坡角应该该尽量陡一一些，而从从生产安全全来考虑，，则边坡角角缓些为好好，所以，，研究边坡坡稳定性的的实质就是是确定最优优的边坡角角问题。10/24/202252）研究边边坡工程对对铁路、公公路、水利利建设也有有重要的意意义；图7-2滑滑坡对公公路桥梁的的损坏10/24/202263））研研究究边边坡坡工工程程对对市市政政建建设设和和防防灾灾救救灾灾的的意意义义是是关关系系民民生生长长期期安安全全稳稳定定发发展展的的大大事事。。图7-3滑滑坡坡对对建建筑筑物物的的损损坏坏（3））边坡坡应应力力分分布布特特征征1.在在岩岩体体中中进进行行开开挖挖，，形形成成人人工工边边坡坡后后，，由由于于开开挖挖卸卸荷荷，，在在近近边边坡坡面面一一定定范范围围内内的的岩岩体体中中，，发发生生应应力力重重分分布布作作用用，，使使边边坡坡岩岩体体处处于于重重分分布布应应力力状状态态。。2.边坡岩体体为适应重分分布应力状态态，将发生变变形和破坏。。因此，研究究边坡岩体重重分布应力特特征是进行稳稳定性分析的的基础。3.边坡面附附近的主应力力迹线发生偏偏转。最大主主应力与坡面面近于平行，，最小主应力力与坡面近于于正交，向坡坡体内逐渐恢恢复初始应力力状态。如图图7-4所示示。10/24/2022710/24/20228图7-4边边坡坡面面附附近近应应力力迹迹线线的的偏偏转转4.坡坡面面上上径径向向应应力力为为零零，，为为双双向向应应力力状状态态，，向向坡坡内内逐逐渐渐转转为为三三向向应应力力状状态态。。5.坡坡面面附附近近产产生生应应力力集集中中带带。。在在坡坡脚脚附附近近，，最最大大剪剪应应力力增增高高，，最最易易发发生生剪剪切切破破坏坏。。在在坡坡肩肩附附近近，，常常形形成成拉拉应应力力带带。。边边坡坡愈愈陡陡，，则则此此带带范范围围愈愈大大，，因因此此，，坡坡肩肩附附近近最最易易拉拉裂裂破破坏坏。。10/24/202297.2边边坡的的破坏坏形式式及其其影响响因素素（1））边坡坡岩体体的变变形特特征1.岩岩石边边坡的的变形形以坡坡体未未出现现贯通通性的的破坏坏面为为特点点，但但在坡坡体的的局部部区域域，特特别在在坡面面附近近也可可能出出现一一定程程度的的破裂裂与错错动，，但整整体而而言并并未产产生滑滑动破破坏。。2.边坡坡变形的的主要形形式1）松动动坡体表面面出现一一系列与与坡面近近于平行行的陡倾倾角张开开裂隙，，被这些些张开裂裂隙切割割的岩体体便向临临空面方方向松开开、移动动，这种种过程和和现象称称为松动动。10/24/202210松动裂隙隙形成原原因：①①是岩体体剥脱时时，由于于卸除载载荷，应应力重新新分布出出现的卸卸荷回弹弹裂隙；；②是沿沿原有的的陡倾角角裂隙经经风化、、剥蚀后后发育而而成的。。2）蠕动动边坡岩体体在自重重应力为为主的坡坡体剪应应力长期期作用下下，向临临空面方方向缓慢慢而持续续的变形形。蠕动的形形成机制制：①是是岩土的的粒间滑滑动；②②是沿岩岩石裂纹纹微错，，或由于于岩体中中一系列列裂隙扩扩展所致致。10/24/202211（2））边边坡坡岩岩体体的的破破坏坏形形式式1.崩崩塌塌1））定定义义崩塌塌是是指指块块状状岩岩体体与与岩岩坡坡分分离离向向前前翻翻滚滚而而下下的的一一种种破破坏坏方方式式。。2））现现象象在崩崩塌塌过过程程中中，，岩岩体体无无明明显显滑滑移移面面，，同同时时下下落落岩岩块块未未经经阻阻挡挡而而直直接接坠坠落落于于坡坡脚脚，，或或经经过过斜斜坡坡面面上上滚滚落落、、滑滑移移、、碰碰撞撞后后堆堆积积于于坡坡脚脚。。3）原因因岩体在重重力与其其他外力力共同作作用下超超过岩体体强度而而引起的的破坏现现象。这这里所说说的外力力是指由由于裂隙隙水的冻冻结而产产生的楔楔开效应应、裂隙隙水的静静水压力力、植物物根茎的的膨胀压压力以及及地震引引起的坡坡体晃动动、雷击击等的动动力载荷荷。10/24/202212图7-5边坡坡岩体崩崩塌示意意图坚硬岩石石组成的的边坡前前缘软软硬硬岩性互互层的陡陡坡局部部卸载裂隙隙导致崩崩塌示意意图崩崩塌塌示意图图10/24/2022132.滑滑坡1）定定义滑坡是是指岩岩体在在重力力作用用下，，沿坡坡内软软弱结结构面面产生生的整整体滑滑动。。2）现现象滑坡通通常是是边坡坡深层层的破破坏形形式，，有明明显的的滑动动面，，且往往往深深入边边坡内内部，，甚至至延伸伸到坡坡脚以以下，，滑动动速度度主要要取决决于滑滑动面面的物物理、、力学学性质质。3）滑滑动形形式根据滑滑动面面形状状，可可分为为平面面剪切切滑动动和旋旋转剪剪切滑滑动两两种。。10/24/202214①平平面面剪剪切切滑滑动动特点点：：岩岩块块沿沿着着平平面面滑滑移移;原因因：：由由于于这这一一平平面面上上的的剪剪切切抗抗力力与与边边坡坡形形状状不不相相适适应应，，剪剪切切抗抗力力小小于于重重应应力力引引起起的的下下滑滑力力而而形形成成的的。。平面面剪剪切切滑滑坡坡的的类类型型：：简简单单平平面面剪剪切切滑滑动动、、阶阶梯梯式式滑滑坡坡、、三三维维楔楔体体滑滑坡坡和和多多块块滑滑动动几几种种破破坏坏模模式式，，如如图图7-6所所示示。。产生平面剪切切滑动所必备备的条件岩体中必须存存在可供滑移移的节理面；；滑动面的走向向近似平行或或平行坡面；；破坏面必须在在边坡面上露露头；破坏面的倾角角必须大于该该面的摩擦角角。10/24/202215图7-6平平面剪切滑坡坡及其分类10/24/202216②旋转转剪切切滑动动特点：：岩块块滑动动面通通常成成弧形形，如如图7-7所示示；产生圆圆弧形形剪切切滑动动的条条件当岩体体中的的单个个颗粒粒与边边坡尺尺寸相相比是是极小小的，，且这这些颗颗粒由由于它它们的的形状状关系系不是是相互互咬合合的。。图7-7边边坡坡的旋旋转剪剪切滑滑动示示意图图10/24/2022173.滑滑塌1）定义是指边边坡松松散岩岩土的的边坡坡角大大于该该边坡坡岩石石的内内摩擦擦角时时，因因表层层蠕动动进一一步发发展，，使它它沿着着剪变变带表表现为为顺坡坡滑移移、滚滚动与与坐塌塌，从从而重重新达达到稳稳定边边坡脚脚的斜斜坡破破坏过过程，，其示示意简简图如如图7-8所示示。2）原原因是一种种松散散岩体体或岩岩、土土混合合体的的浅层层破坏坏形式式，与与风化化、地地表水水、边边坡角角及震震动有有关。。图7-8边边坡滑滑塌示示意图图10/24/2022184.岩岩块流流动1）特特点通常发发生在在均质质的硬硬岩层层中，，没有有明显显的滑滑动扇扇形体体，其其破坏坏面极极不规规则，，没有有一定定形状状，如图7-9所示。2）原因是在岩层内内部某一应应力集中点点上的岩石石遭到高应应力的作用用而开始破破裂或破碎碎，于是所所增加的荷荷载传给邻邻近的岩石石，从而又又使邻近岩岩石受到超超过某本身身强度的荷荷载，又导导致了进一一步的破裂裂。这一过过程的不断断进行，直直至岩层出出现全面破破裂而崩塌塌为止。这这样，岩块块像流体一一样地沿坡坡面向下流流动，而成成岩块流动动。10/24/202219图7-9边边坡的岩岩块流动破破坏示意图图10/24/2022205.岩块曲曲折当岩层成层层状沿坡面面分布时，，由于岩层层本身的重重力作用，，或由于裂裂隙水的冰冰胀作用，，增加了岩岩层之间的的张拉应力力，使边坡坡面岩层曲曲折，导致致岩层破坏坏，岩块沿沿坡向下崩崩落，如图图7-10所示。图7-10边坡岩岩层曲折破破坏示意图图10/24/202221（3）边坡坡稳定性的的主要影响响因素1.不连续续结构面的的影响因素素岩体中存在在各种各样样的结构面面，它们降降低了岩体体的整体强强度，增大大了岩体的的变形性能能和流变性性质，加深深了岩体的的不均匀性性、各向异异性和非连连续性。2.风化化作用的的影响因因素风化作用用使边坡坡岩体强强度减小小，坡体体的稳定定性降低低，促进进边坡岩岩体变形形与破坏坏。3.水对对边坡岩岩体稳定定性的影影响因素素1）岩体体中的水水形成静静水压力力和动水水压力作作用于岩岩体，成成为一种种推动岩岩体向下下滑动的的力。10/24/2022222）水对对边坡岩岩体的物物理化学学作用，，造成边边坡岩体体膨胀、、收缩而而导致岩岩体松散散、破碎碎或使其其软化、、泥化或或崩解，，导致边边坡变形形与破坏坏。3）水还还是一种种润滑剂剂，使岩岩体的内内凝聚力力、内摩摩擦角减减小，使使岩体的的强度参参数弱化化，而导导致边坡坡的破坏坏。4.直接接受各种种外力影影响的因因素区域性构构造应力力的变化化、地震震、爆破破以及施施工载荷荷等，都都使边坡坡直接受受力，对对边坡稳稳定性的的影响直直接而迅迅速。7.3边边坡坡岩体稳稳定性分分析7.3.1概述述（1）边边坡稳定定性分析析方法1.定性性分析是是在工程程地质勘勘察工作作的基础础上，对对边坡岩岩体变形形破坏的的可能性性及破坏坏形式进进行初步步判断。。2.定量量分析是是在定性性分析的的基础上上，应用用一定的的计算方方法对边边坡岩体体进行稳稳定性计计算及定定量评价价。评价方法法数学力学分析法模型模拟试验法工程类比法图解法块体极限平衡法弹性力学、弹塑性力学法有限元法等数值模拟方法10/24/20222310/24/202224（2）极限平平衡分析法1.定义极限平衡分析析法是根据边坡上上的滑体或滑滑体分块的力力学平衡原理理，分析边坡坡各种破坏模模式下的受力力状态，以及及滑体上的抗抗滑力和下滑滑力之间的关关系来评价边边坡的稳定性性，它是边坡坡稳定性分析析计算的主要要方法。2.假设条件件1）滑动面上上实际岩体提提供的抗剪强强度与与作用在在滑动面上的的垂直应力符符合库仑准则则或由此引申申的准则，如如：或：2）稳定系数数（（即安全系数数）是指沿最最危险破坏面面作用的最大大抗滑力与下下滑力的比值值。3）二维极限限分析的基本本单元是单位位宽度的分块块滑体。10/24/20222510/24/202226（3）极限平平衡分析法分分析计算步骤骤1.在断面面上绘制滑面面形状，这主主要是根据滑滑坡外形、滑滑坡中段滑面面深度、坍塌塌情况、破坏坏方式等，推推测几个可能能的滑动面形形状；2.推定滑滑坡后裂缝即即塌陷带的深深度，计算确确定其产生的的影响范围；；3.对滑坡坡的滑体进行行分块，分块块数目要根据据滑坡的具体体情况确定。。一般来说，，分块数目越越多，计算结结果越精确。。4.计算滑滑动面上的孔孔隙水压力，，可采用地下下水监测数据据确定；5.采用合合适的计算方方法，计算稳稳定系数。但但一般要采用用两种或两种种以上的不同同计算方法进进行计算，然然后进行结果果比较。10/24/2022277.3.2平平面破坏计计算法（1）计算模模型平面破坏计算算法是针对边边坡上滑体只只沿单一结构构面或软弱面面产生平面滑滑动的分析方方法。其力学学模型如图7-11所示示。图7-11平平面破坏计计算法分析模模型10/24/202228（2）假设设条件1.滑动面面及张裂隙隙的走向平平行于坡面面；2.张裂隙隙是直立的的，其中充充有高度为为的水柱；；3.水沿张张裂隙的底底进入滑动动面并沿滑滑动面渗透透；4.滑体沿沿滑动面做做刚体下滑滑。（3）力学学分析及方方程1.滑体上上的受力分分析滑体上的作作用力有：：滑体重力力；；滑面面上的法向向力；滑动面上上的裂隙水水压（该力只在在库仑准则则中考虑））；抗滑力力；；作用用在滑体重重心处的水水平外力（（可以是是地震产生生的作用力力）；张裂裂隙孔隙水水压力等等。10/24/2022292.方程1）滑动面面法向方向向有，，得：2）滑动面面切向方向向有，，得：：3）由库仑仑准则及安安全系数定定义得：4）安全系系数的表达达式为：（7-1））（7-2））（7-3））（7-4））10/24/202230其中：：式中：：—滑动动面的的粘结结力；；—滑动动面的的内摩摩擦角角；—滑动动面的的长度度。（4））主要要特点点及适适用条条件1.适适用条条件：：适用用于均均质砂砂性土土、顺顺层岩岩质边边坡以以及沿沿基岩岩产生生平面面破坏坏的稳稳定性性分析析；2.优优点：：力学学模型型和计计算公公式简简单；；3.缺缺点：：要求求滑体体做整整体刚刚体运运动，，如果果滑体体内产产生剪剪切破破坏的的边坡坡稳定定性分分析误误差较较大。。10/24/2022317.3.3简化化Bishop法（1））计算算模型型Bishop法法是一一种适适合于于圆弧弧形破破坏滑滑动面面的边边坡稳稳定性性分析析方法法，但但它不不要求求滑动动面为为严格格的圆圆弧，，而只只需要要是近近似圆圆弧即即可。。其力力学计计算模模型如如图7-12所所示。。图7-12Bishop法法计算算力学学模型型10/24/202232（2））假设设条件件1.滑滑动动面为为圆弧弧形或或近似似圆弧弧形；；2.条条块块侧侧面面的的垂垂直直剪剪力力（3））力力学学分分析析与与计计算算公公式式1.条条块块的的力力学学分分析析滑块块的的条条块块上上的的作作用用力力有有：：重重力力；；作作用用在在条条块块上上的的上上部部外外载载荷荷；作用在条条块上的的水平作作用外载载荷（如如地震作作用）；；条条间作用用力的水水平分量量；；条条间作用用力的垂垂直分量量；；条条块底面面的抗剪剪力；条块底底面的法法向力。。10/24/2022332.计算算公式1）条块块上垂直直方向静静力平衡衡条件，，得得：2）由库库仑准则则得：3）由（（7-5）式和和（7-6）式式可求得得的表达达式为：：式中：（7-5）（7-6）（7-7）10/24/2022344）由滑体绕绕圆弧中心列列力矩平衡方方程，，得得：若取，，联立立（7-5））式、（7-6）式和（（7-7）式式，可得稳定定系数表达式式：利用假设条件件简简化，则：（7-8）（7-8）10/24/202235（4）主要特特点及应用条条件1.特点：Bishop法稳定系数数的计算考虑虑了条块间的的作用力，是是Fellenius法法的改进，计计算较为准确确，但要采用用迭代法，分分割条块时要要求垂直条分分。2.适应性：：适用于均质质粘性及碎石石堆土等斜坡坡形成的圆弧弧形或近似圆圆弧形滑动滑滑坡的计算。。此法当时时计算较为准准确，当时时计算误差较较大。10/24/2022367.3.4Janbu法（1）计算算模型对于松散均均质的边坡坡，由于受受基岩的限限制而产生生两端为圆圆弧、中间间为平面或或折线的复复合滑动，，分析具有有这种复合合破坏面的的边坡稳定定性可用Janbu法，其力力学模型如如图7-13所示。。图7-13Janbu法法力学分析析模型10/24/202237（2）假设设条件1.垂直条条块侧面上上的作用力力位于滑面面之上条条块高处；；2.作用于于条块上的的重力、反反力通过条条块底面的的中点。（3）力学学分析与计计算公式1.条块的的力学分析析条块上的作作用力有：：重力；；作作用在条块块上的上部部外载荷；作用在条块块上的水平平作用外载载荷（如地地震作用））；；条间作作用力的水水平分量；；条间作用用力的垂直直分量；；条条块底面的的抗剪力；条条块块底底面面的的法法向向力力。。10/24/2022382.计计算算公公式式推推导导1））条条块块上上垂垂直直方方向向静静力力平平衡衡条条件件，，得得：：2））条条块块上上水水平平方方向向静静力力平平衡衡条条件件，得得：：3））由由库库仑仑准准则则可可得得：：（7-9））（7-10））（7-11））10/24/2022394）由由（（7-9））式式、、（（7-10））式式和和（（7-11））式式联联合合可可解解得得稳稳定定系系数数为为:其中：：5）若若令，，并引引入修修正系系数，，将上上式化化简为为：（7-13）式式称为为简化化的Janbu法，，其中中符号号的物物理意意义同同Bishop法。。（7-12）（7-13）10/24/202240从上式式（7-13））可以以看出出与Bishop法法的计计算式式是一一样的的，只只是多多了一一个修修正系系数。。在在时时可用用下式式求得得：当时时，，即为为Bishop法，，因此此简化化Bishop法只只是Janbu法的的一个个特例例。d和L的取取法如如图7-14所所示。。图7-14Janbu法法修正正系数数中d和L的测测量方方法10/24/202241的图解解法如如图7-15所所示。。Janbu法的的精确确解法法见教教材P385的的推导导（略略）。。图7-15Janbu法f0与d/L的的关系曲线线10/24/202242（4）主要要特点及适适用条件Janbu法计算稳稳定系数的的特点是计计算准确但但很复杂。。主要适用用于复合破破坏面的边边坡，既可可用于圆弧弧滑动，也也可用于非非圆弧滑动动，但要求求条块分割割时垂直条条分。7.3.5Sarma法7.3.6三维楔楔形体法（（选学）10/24/2022437.4滑滑坡的防治治与监测（1）滑坡坡的类型1.岩块流流动滑坡由于边坡岩岩石内部的的变形而使使坚硬、脆脆性岩石的的块状岩体体破坏而形形成的滑坡坡；2.平面剪剪切滑坡由于破内危危险方位软软弱面的存存在，从而而使边坡呈呈相当大的的扇形体顺顺着这些结结构面滑动动；3.旋转剪剪切滑坡由于在软岩岩和土内出出现了屈服服与剪应力力的重新分分布，使岩岩石在粘性性破坏之前前就形成一一个近呼圆圆形的破坏坏面，且沿沿着此面旋旋转形成的的滑动。10/24/202244（2）滑坡的监监测1.监测测的目的的1）在滑滑坡整治治之前，，配合地地面调查查和勘探探工作，，收集各各种位移移、变形形数据，，为整治治、设计计提供资资料；2）研究滑坡坡的主要影响响因素；3）研究抗滑滑构筑物的受受力状态；4）研究滑坡坡的预报方法法；5）在整治过过程中，监视视滑坡的发展展变化情况，，预测发展动动向，作出危危险预报，以以防事故发生生；6）整治完成成后，可以通通过一定时期期的观测，了了解边坡发展展趋势，检验验整治效果。。10/24/2022452.监测方法法1）滑坡地面面位移观测——建网观测滑坡观测网是是指设置在滑滑坡体及周界界附近稳定区区地表的各个个位移观测桩桩，以及设置置在滑坡体外外稳定区地面面的置镜桩、、照准标、护护桩等辅助桩桩组成的观测测系统。布置置方法有：十十字交叉网法法、方格网法法、任意交叉叉网法、横排排观测网法、、射线网和基基线交点网法法等六种。建立观测网虽虽然费时长和和工作量大，，但它能较全全面了解滑坡坡的动态，是是研究滑坡的的传统方法之之一，也是其其他观测方法法的基础，因因此，目前仍仍然是一种主主要的观测方方法。10/24/2022462）地表裂缝缝简易观测法法由于滑坡变形形过程中，在在滑体的不同同部位所产生生的裂缝，随随着滑坡变形形的发展有明明显变化规律律的特点，并并能及时对地地表及建筑物物上的裂缝进进行动态观测测，扩大观测测范围，准确确地了解滑动动体变形的全全过程，既方方便易行又能能直观反映滑滑坡变形的一一系列特征，，能及时掌握握滑坡灾害发发生、发展的的变化规律。。它对已建立立观测网的滑滑坡能提供补补充和局部校校正资料，对对那些不能设设立观测桩的的地方就更为为重要。3）建建筑物物裂缝缝简易易观测测法对滑坡坡体上上及其其附近近的所所有建建筑物物的开开裂、、沉陷陷、位位移和和倾斜斜等变变形均均应进进行观观测。。因为为这些些建筑筑物对对滑坡坡变形形反映映敏感感、表表现清清楚，，据此此能详详细掌掌握山山体稳稳定程程度、、发展展趋势势，为为采取取防护护措施施提供供确切切的参参考参参数。。建筑筑物变变形观观测方方法有有：灰灰块侧侧标、、标钉钉侧标标、金金属板板侧标标等方方法。。10/24/2022474）地地面倾倾斜变变化观观测观测地地面倾倾斜度度一方方面对对未确确定边边界的的滑坡坡，可可以通通过观观测确确定滑滑坡的的边界界，另另一方方面对对已确确定边边界的的滑坡坡体，，可以以通过过观测测确定定滑体体是处处于稳稳定状状态还还是活活动状状态。。5）滑滑坡深深部位位移观观测由于滑滑坡在在滑动动过程程中，，地表表与深深部位位移常常常表表现出出局部部差异异，因因此，，在进进行地地表位位移观观测时时，必必须进进行滑滑体内内部深深层位位移观观测，，这样样就可可以了了解滑滑体内内部不不同深深度各各点的的位移移方向向、数数量和和速度度，结结合地地面位位移观观测和和地下下应力力测定定，研研究滑滑坡发发生的的机理理和动动态过过程，，为滑滑坡治治理提提供可可靠的的依据据。6）滑动动面位置置的测定定（通过过钻孔埋埋入物体体的方法法测定））7）滑坡坡滑动力力观测（（通过构构筑物上上的压力力盒观测测）10/24/202248（3））滑坡坡的防防治1.边边坡坡变形形破坏坏的防防治原原则1）以以防为为主：：正确确地选选择建建筑场场地，，合理理地制制订人人工边边坡的的布置置和开开挖方方案。。2）及时处处理：对已已出现的变变形的具体体情况，及及时采取必必要的增强强稳定性的的措施。3）考虑工工程的重要要性：对于于威胁到重重大永久性性工程安全全的边坡变变形和破坏坏，应采取取全面的、、严密的整整治措施，，以保证边边坡具有较较高的安全全系数。对对于一般性性工程或临临时性工程程，则可采采取较简易易