11第十一章 地基岩体稳定性的工程地质分析

图11-12
由水平的三角形荷载引起 的水平应力σ 的分布
（据 .耶格，1972）
拉应力区
压应力区
图11-13
重力坝坝基内水平拉应力区的分布
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
11.3.1 松软土地基的变形与破坏 11.3.1.1 垂直荷载作用下松软土坝基的变形与破坏 在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇到像团结水库土坝 那样的坝坡坍滑问题。根据实地观察，坝坡坍滑通常有 两种类型: (1) 滑动的速度相对比较缓慢，所涉及的地基滑动部分 的范围相对较小。 (2)坍滑的速度很快，坍滑所涉及的地基的范围可以很 大。例如美国一个高仅9m的土堤，在不到一分钟的时 间内300m长的堤顶下陷了4.5m，坍滑所涉及的地基土 水平方向的范围扩展到距堤脚约45m的地方。
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
（1）当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层 挖除，然后将基础砌臵在不易引起坍滑的土 层上。 （2）当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采 取相应的排水措施，以便较快的减少该层中 的超空隙水压力； （3）在有些情况下也可采用预压法或放缓施工 进度的方法，使土层预先沉陷或逐渐排水压 实，以提高地基的抗滑能力。
地基岩体稳定性的 工程地质分析
环境与土木工程学院地质工程系 2007年9月
本章学习内容及要求

掌握地基岩体稳定性的基本概念及研究意义； 掌握地基岩体内的应力分布特征； 掌握地基岩体的变形与破坏类型和条件；


理解坝基（肩）岩体稳定性工程地质评价方法；
了解改善坝基稳定条件的措施。
本章重点及难点
沉陷 沉陷
图11-1 坝体因不均匀沉陷而断裂
含漂砾的粘土 花岗片麻岩 透水的冰碛层 大坝 裂缝
§11.1 基本概念及研究意义

(3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝或
堆石坝坝基和坝坡的坍滑。
1:3
5 1:2
1:3
1:
2 1: 2 1: 3
亚粘土 未清除的耕土 亚粘土 含淤泥腐植土
图11-2 四川团结水库坝坡坍滑示意剖面
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
11.3.1.2 倾斜荷载作用下松软土地基的滑动破坏及抗 滑稳定性问题
理论计算和实验研究的结果表
明，当作用在松软坝基上的斜向 荷载增大到一定的临界值之后， 地基土即将沿着一定的深部弧形 面发生
滑动破坏（如图11－17）。有关这类弧形滑动破坏的极限
荷载条件，已在土力学课程中进行过详细讨论。
对于前述第一类情况[图11 －14（a）]，在施工过程 中，随着坝体的增高软粘土层的上下边缘部分的超空隙水 压力不断减小，有效压力(Qx-Pw)相应的不断增大。但是， 由于高塑性软粘土的透水性很低，排水缓慢，以致粘土层 中间部分在施工后期，
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
甚至竣工以后一段时间之内，还能保持很高的、甚至接近于 附加压力的超空隙水压力，因此(Qx-Pw)很小，甚至接近于 零。这样，施工期内软粘土层中间部分（ab面上）的抗滑力 S1≈ c • Lx，即随坝体加高而直线性的缓慢增大（如图11 － 16）。
kc f
P P
v
A c
(11－16)
H
Pv －作用在地基表面的垂直总荷载（t）;
PH－ 作用在挡水建筑物上的水平总荷载（t）; f . c－ 分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力；
A－ 基础底面的面积； kc－安全系数。
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
11.3.2 岩石坝基的变形及其对大坝稳定 性的影响
坝坡坍滑问题取决于促使坝坡滑动的力与阻止其滑动 的力之间的对比。当阻滑力大于滑动力时坝坡将是稳定 的，否则就会发生滑动。
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
ห้องสมุดไป่ตู้
图11－15 坝坡塌滑驱动力分解图
从图11－15中可以看出，作用在滑动面ab上的滑动力，等于作用在 坝坡上下两端截面aa1和bb1上的土压力的差值，即： P滑＝Pa－Pb
§11.1 基本概念及研究意义

(4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细 颗粒物质带走，使坝基被掏空而造成 的破坏。
坝体 砼基 裂隙 冲蚀洞 风化泥岩
图11-3 四川永川县陈食水库条石连拱坝坝基渗透变形发展情况示意图
§11.1 基本概念及研究意义



(5)由于坝肩岩体的稳定 性较低，运行期间空隙 水压力增大又使其稳定 性进一步恶化所造成的 坝肩滑动破坏。安徽梅 山水库大坝的事故就是 这样造成的。 (6)坝下游岩体冲刷(溢流 冲刷)掏空，也可造成大 坝的破坏（图11-4)。 (7)由地震和水库地震所 造成的破坏或损害。
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
(1)岩石地基内应力分布的不均 匀性。如前所述，当坝基内有 成组出现的陡倾软弱结构面发 育时(如图11－18)，地基内的 附加应力将在软弱结构面所限 岩体内产生高度的集中。
§11.1 基本概念及研究意义
从世界上坝的破坏情况来看， 原因是多种多样的。地质方面 的原因造成的破坏事故约占30 ％－40％，其中，从具体的破 坏原因和形式来看，又可详分 如下类型： (1)由于坝基的强度较低， 运行期间又遭到进一步恶化 所造成的破坏。 (2)由于坝基(肩)的抗滑稳 定性较低，运行期间又遇到 进一步恶化所造成的滑动破 坏。

(1)地基岩体的变形与破坏的类型和条件。表面滑
动、浅层滑动和深层滑动其产生条件； (2)坝肩岩体稳定性评价，岩体结构对坝肩岩体稳 定性的控制作用，坝肩岩体稳定性评价方法－块 体极限平衡分析方法。

§11.1 基本概念及研究意义

直接承受上部建筑物荷载作用的那部分土体或岩体称为 地基。 根据承载的特点，通常可将地基分为两种类型，即：

所受水平荷载，由于垂直 荷载是三角形分布，故底面摩 擦力而传给地基的水平荷载也 必然呈类似的三角形分布（图 11-10（b））
§11.2 地基岩体内的应力分布特征
B
Z=0.1B
+
Z=0.5B
+
p 或q
Z=B
图11-11 由垂直的三角形荷载引起 的水平应力σh的分布
据Del Campo等 1962
(1)承受垂直荷载的地基，一般工业民用建筑物的地基那是用于这 种类型； (2)承受斜向荷载(同时承受垂直荷载与水平荷载)的地基，各类挡 水建筑物，如闸、坝等的地基属此类。


承受垂直荷载的地基，大多都是“软基”，这类地基的 变形、破坏机制和稳定性评价原理是土力学课程讨论的 内容，这里不做详述，只准备根据本课程的需要指出有 关问题的一般特点。
式中： Qx—作用在ab面上的坝体重量，为一变量， 随坝体加高而增大； Pw —ab面处的超空隙水压力
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
c、φ —滑动面上土石的内聚力和内摩擦力；
Lx —ab段的长度，为一变量，随坝体加高、加宽 而增 大。
可见，抗滑力S的大小，一方面与滑动面的c、φ有关， 另一方面则取代于 Qx-Pw（即有效压力）的大小。
Pb 1 2
H 1 tan ( 45
2 2 o

2
) 2 cH 1 tan( 45
o


)
2
（11－14）
式中：γ－土的容重；c、φ－坝体土石的内聚力与内摩擦 角；其它符号见图11－15。 由式11－13、11－14可见，P滑的大小除与土的c、φ值 有关外，主要取决于坝体的高度，通常随着坝高的增加而 增大。作用在ab面上的抗滑力S为： S=(Qx-Pw)tanφ+c • Lx
均匀地基
层状结构地基
§11.2 地基岩体内的应力分布特征

图11-6（a）反应的地基内最大主应力等值线的分布图。 （b）（C）所示的条形荷载作用下层状结构地基内最大主应力等值 线的分布情况：有两点： （1）软弱结构面限制了应力向两侧传递，扩展，致使附加应力在所 限岩体内集中。附加应力可以顺着层理方向延伸到最大深度。分割岩 体的软弱结构面的抗剪强度越低，效应越强烈。 （2）当分割岩体的软弱结构面直立时，基础下岩体内的应力集中程 度最高，应力与形变区延伸深度也最大（图11-7（a））。当软弱结 构面倾斜产出时，地基内往往有两个高值最大主应力方向，两者相对 大小随结构面的陡缓而异（11-7（b）），11-7（c）则表示水平情 况下基础的应力集中相对较低的状态。
§11.2 地基岩体内的应力分布特征
等值线
图11-7
层状结构地基内应力分布与软弱结构面的产状之间的关系
§11.2 地基岩体内的应力分布特征
碎 裂 结 构 地 基
§11.2 地基岩体内的应力分布特征
§11.2 地基岩体内的应力分布特征
11〃2.2 斜向荷载作用下地基内的应力分布特征
各类挡水建筑物所受的都是斜向荷载。他实际上是垂直荷载和 水平荷载的合成。 一般认为，坝基所承受的垂直荷载呈三角形分布，即在上游 坝踵出垂直荷载为零，然后线性增大，至下游坝趾处达到最大值 （图11-10（a））。
与此同时，滑动力P滑却随坝体的 增高而加速的增大。当P滑与S1相 交时，坝基即将发生局部滑动并引 起坝坡的坍滑（图11 －16）。 这 就是第一类坍滑产生的机制。
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
对于前述第二类情况，在坝体堆砌过程中ab面上的滑 动力P滑与抗滑力S2的变化如图11－16所示。抗滑力S2之 所以不断减小，是因为随着地表荷载的增大，软粘土层中 的水不仅要通过其顶底面向上下砂土层中排出，而且也要 不断的流向中部的薄砂层，致使薄砂层中的空隙水压力不 断增大，有效压力(Qx-Pw)不断减小，当Pw增大至接近Qx时， 有效压力变得很小，甚至趋近于零。由于砂土的c=0，所以 此时ab面上砂土的抗滑力S2→0。由于这类坍滑通常是在 抗滑力很低的情况下发生的（图11－16），故坍滑的速度 一般较大。
坚硬岩石地基的变形性常远较松软土地基为小，故对 于一般的水工建筑物，研究其基础沉陷的绝对值往往没有 多大实际意义。但是，由于建筑在岩基上的坝大多数是具 有较大刚性的，它们对不均匀沉陷非常敏感，因此研究因 岩石地基的不均匀变形所造成的不均匀沉陷，对于保证这 类大坝的稳定有很大的实际意义。 岩石地基的不均匀变形通常是由下列因素造成的:
§11.3 坝基岩体的变形与破坏

研究表明，第一类坍滑一般是发生在地基土层中存在 有饱水的塑性软粘土或淤泥夹层的情况下[图11－ 14(a)]，而且地基中的滑动面都是通过这一软粘土层的 中部；第二类坍滑通常发生在地基土层中发育有软粘土， 且其中部夹有砂或粉砂之类的薄层或透镜体 [如图11－ 14(b)]，滑动面就通过这种部位。
图11-4 坝下游溢流冲刷发展 情况示意图
§11.2 地基岩体内的应力分布特征
11〃2.1 垂直荷载作用下地基内的应力分布特征 地基内的应力分布取决于荷载特点、地基岩体的结构 特征。
γ
γ
2β σ σ
1
3
图11-5
条形均布荷载作用下地基任 一点的附加主应力
图11-6
条形基础下地基内的应力分布
（ ）均质地基；( )各向异性的陡立 层状岩石地基； （ ）各向异性的倾斜层状岩石地基；
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时，由于 空隙水能很快的排出，超空隙水压力的消散很迅速，故有效 压力能在很短的时间增大至附加压力值，使S3= Qx tanφ。 因此，在施工期间，地基内的抗滑力S3将随着坝体的增高而 直线性地迅速增大（如图11－16）。图11－16中S3和P滑曲 线的关系表明，砂质土地基的抗坍滑的能力很大，足以支持 很高的坝体而不发生坍滑。 由上述可见，地基中存在有饱水且透水性小的土层， 如塑性软粘土或淤泥等，特别是当其中夹有砂或粉砂的薄层 或透镜体时，地基的抗坍滑能力通常是很低的，在设计土坝 或堆石坝时必须充分注意这个问题。当遇到这种情况时，为 了保证坝坡的稳定，可采取如下措施。
§11.3 坝基岩体的变形与破坏
通常可用П.Д.叶甫道基莫夫的图解法或B.B.索科洛夫斯基的理论 公式加以计算。 但是，当这类挡水结构物作用在此种地基上的垂直荷载小于地基 的临塑荷载（即按塑性区最大深度Zmax=0求出的荷载）时，如果建筑物 在库水水平推力的作用下发生滑动，则只能是沿基础底面的表层滑动。 此时，其抗滑稳定性可按下式验算：

2
（11－12）

2
2
由土力学中得知， Pa相当于主动土压力，可根据下式求得：
Pa 1 2
H 1 H 2 tan ( 45
2 o
) 2 c H 1 H tan( 45
o

)
2c
（11－13）

§11.3 坝基岩体的变形与破坏
Pb相当于被动土压力，可按下式求之：