岩土工程灾害

岩土工程灾害的分类
• 渐进破坏：地层缓慢沉降、风化、剥蚀 • 危害也是渐进，破坏范围较大，暂时危
害不大，但总体危害也特别大。可防治 性好。
• 失稳破坏：滑坡、岩爆、崩塌 • 破坏瞬间完成，范围相对较小，对人类
的生产和生命危害极大，可防治性差。
研究的方法
• 根据本学科的工程特点，采用现场调查、科学实验和 理论分析相结合的研究方法
地层沉陷损害控制（一）
• 活动基础：随意调整建筑物原基础高度的一组构件群，吸收采动 岩体向上传递非线性变形，达到保护建筑物安全使用的目的。
• 活动基础结构示意图
离层注浆控制地层沉陷
• 离层注浆控制沉陷就是利用矿体开采后覆岩层裂过程 中形成的离层空间，借助高压注浆泵从地面通过钻孔 向离层空间注入充填材料，占据采出空间向上传递， 支承岩层、减缓离层上位岩体的进一步弯曲下沉，从 而达到减缓地层沉陷的目的。其基本工艺原理图如下：
地下采煤引起的地表塌陷
原砂土堆坝
河 道
沉降量
右坝远景与干枯的河道
理论研究路径
• 理论研究是把岩体和临空面抽象为一定的理论模型， 根据该理论模型的理论解及实测、实验求得的参数， 对岩体内部及地表的应力和位移进行计算，其流程图 如下：
• 地层沉陷的理论研究示意图
理论研究的三种方法
• 唯象学理论研究：包括概率积分法、负指数函数法、 典型曲线法。它简便易行，避开了岩体的本构，对于 层状结构计算误差较小。
滑坡的分类
• 滑坡的分类比较繁杂，从不同角度去分类，例如按滑 坡的组成物质、滑动速度、力学特征、滑体形态、滑 体规模、发展阶段等进行分类。
• 我国按力学条件分类：牵引式滑坡、推动式滑坡两类。 • 牵引式滑坡是由于坡脚处任意开挖所引起，斜坡失去
平衡，靠近坡脚部分岩体首先开始向自由面膨胀、开 裂、挤出，然后依次向上发展，最后整个边坡失稳滑 移。
岩土工程灾变和防灾理论
• 主讲：陈忠辉 • 土木工程系
第一章 绪论
• 岩土工程灾害学的定义: • 岩土工程灾害学是研究工程建设过程中岩土工程的地
质灾害问题，它是一个力学过程。它是土建工程地质 学与岩土力学的交叉学科。
• 主要任务： • 研究岩土工程灾害的地质条件和发生机理；预测岩土
工程在自然因素和人为活动作用下岩土力学性质的变 化和破坏规律，控制它的发展和影响范围，并提出改 造环境、防治岩土灾害的方案和措施。
改进开采工艺或充填技术 大条带开采工艺
小煤柱开采
大条带开采
充填开采
对于有条件的矿山进行充填开采，减少地 面沉陷
第五章
滑坡
• 滑坡是一种常见的斜坡失稳而产生的岩土工程灾害。 在矿山、交通、水利和城市建设过程中由于大量开挖 和施工不当等原因，破坏了山体的稳定，从而诱发滑 坡的发生和发展，造成灾害性的事故。
滑坡的预测、预报
• 滑坡是一个典型的非线性系统的失稳，非线性系统失 稳前都要展示大量的异常信息——失稳前兆。
斜坡滑动类型
• Heok根据滑动面的差异把岩石边坡的破坏分为四种类 型：圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和倾覆破坏，前 三种破坏性质属于滑动破坏，最后一种属于崩塌破坏。 大量的理论研究和野外勘察表明，大多数岩石边坡的 破坏均为滑动破坏。
• (a)
• (a)
(b)
(c)
(d)
• 岩石边坡的滑动类型
平面破坏；(b) 圆弧破坏；(c) 楔体破坏；(d) 倾覆破 坏
边坡稳定性分析方法
• 岩石边坡稳定性分析目前有三种方法： • （1）解析方法，最常用是块体极限平衡法，
它通过块体在假定滑动面上抗滑力和滑动力之 间的平衡关系来判断边坡的稳定性。 • （2）数值方法，通过计算岩石边坡中的应力 分布，从而确定边坡体的不稳定区域。 • （3）概率法，把岩石边坡的一些参数视为一 个随机变量场，通过建立随机变量的分布函数 来确定边坡的稳定性。
• 现场调查包括：工程地质测绘、勘探、和物探，主要 收集现场资料。
• 科学实验：岩土物理力学参数、现场和室内模型实验、 水文实验，主要评价岩土工程的稳定性。现在实验包 括数值模拟实验。
• 理论分析：过去理论分析主要基于岩土力学、地质学 和土建工程学，目前把非线性科学理论应用于岩土工 程灾害分析。包括：分形理论、突变理论、耗散结构 理论、协同学理论、重整化群理论等，它们主要处理 自然界和社会活动过程中复杂现象和规律。
平面滑动稳定分析
• 边坡的稳定性用稳定性系数来表示，它定义为块体的抗滑力与下滑力
之比。因此单平面滑动时边坡的稳定性系数为：
• 假设两块体之间存在一对作F F用rs 力G 和c，osG 大s小tign 相 等C 方L向相反。作用的方向倾
角为。通过块体Ⅰ的平衡可以求得作用力的大小和方向。块体Ⅰ受到 滑动面以下岩体对它的作用力，
2G 2c o sG 2 tg 2s2 in 2 F Ⅱ s F iⅡ n (c o s(2 )tg 2) 2 C 2L 2
h
L
H

G
•

• 单平面滑动
D Ⅱ
FⅠ Ⅰ

A
G1
G2 FⅡ

1
R1
C
C
2
B
双平面滑动
圆弧面滑动
• 当边坡的岩性较软或结构面与边坡面倾向相反时，边坡都沿某一 个圆弧面滑动，而不是平面滑动。绝大多数土体边坡也是圆弧面 滑动。圆弧面滑动的边坡稳定性系数定义为抗滑力矩与滑动力矩 之比。
地层沉陷分区示意图
地表沉陷特征
• 沉陷盆地是在工作面推进过程中逐渐形成的，它比采空区域大得 多。
• 地表沉陷盆地的发生和发展 图
地表沉陷盆地区域划分示意
地表沉陷的危害
• 地层沉陷对建筑物的危害 • 地层沉陷对水体的危害 • 地层沉陷对铁路和公路的危害 • 地层沉陷对井巷的危害 • 地层沉陷对山体和露天矿边坡的危害 • 地层沉陷诱发矿山动力灾害
挡土墙、抗滑桩、锚固工程、竖井桩
第六章 岩爆和冲击地压
• 基本定义
• 岩爆是地下工程中的一种特殊现象，一般定义为在应力集中作用 下，脆性煤岩体内积聚的弹性应变能在外界的扰动触发下突然释 放，致使煤岩向自由空间产生位移的动力现象。在煤炭系统岩爆 习惯上称为冲击地压。它是煤炭、冶金、水电及铁道等地下工程 中重大灾害之一。
形成岩土工程灾害的因素
• 自然因素： • 生物圈的作用力：风化 • 太阳热能的作用力：风化和冻融 • 大气圈运动的搬运力：风蚀 • 大气降水的袭击力：剥蚀、冲沟 • 地表水圈的作用力：掏蚀、冲刷、岸边再造 • 地下水的作用力：岩溶、破碎带的管涌、塌陷 • 岩土的重力：滑坡、崩塌 • 地球引力和板块运动：地震、地壳变形、火山
防治措施大致分为减滑工程和抗滑工程，减滑工程
在于改变滑坡的地形、土质、地下水等状态。抗滑工
程在于利用抗滑构筑物来抵挡滑坡变形或滑动，这类
主要制止小规模的滑坡。 削坡减重
地表水沟
减滑 工程
地表水排除工程 地下水排除工程
防渗工程
水平钻孔 集水井
防治 工程
排气工程
泄水隧道 立体排水工程
河道构筑物
抗滑 工程
• 楔形体滑动模型及其稳定性计算
B
A
C
A
C
H
N1 1
N2 2
N
面A
面C
Fra Baidu bibliotek
B G
D

D

上述计算的缺陷
• 有关几种边坡滑动模式一般都只考虑滑 动块体重力的作用，而实际上研究的边 坡大多承受静水压力、地震力及建筑物 的作用力等外加荷载。在实际评价边坡 稳定性时都要考虑这些外加荷载的作用。
滑坡的防治措施
• 仅80年代一次性死亡人数在200人以上或直接经济损失 在千万元以上有十余起（如1980年的盐池河滑坡、 1981年鸡趴子滑坡、1984年新滩滑坡、1983年洒勒山 滑坡，1989年的溪口滑坡）。由滑坡造成水、陆路交 通中断引起的间接损失更无法估计。
• 由人类建设工程引起的滑坡也不少，如云南漫湾水电 站左岸缆机平台斜坡失稳，陇海线葡萄园段滑坡迫使 铁路改线，龙羊峡电站虎丘山斜坡变形，成昆线铁西 滑坡。
•滑动破坏阶段
滑体在整体下滑时，滑坡后缘迅速下陷，滑坡壁越露越 高，滑体分裂成数块。滑坡体上的建筑物严重变形以至 倒塌毁坏。
渐趋稳定阶段
滑动逐渐停止后，形成特殊的滑坡地形，在岩性、结构 构造和水文地质方面相继产生变化，例如斜坡岩体发生 整体性破坏、岩体变得松散破碎，透水性增强，含水量 增高，地层产状发生变化。
地层沉陷的预测（概率积分法）
• 地下矿体采出后，岩层和地表将发生移动，以统计的 观点将整个开采分解为无穷多个无限小的开采，整个
开采对岩层和地表沉陷的影响相当于无穷多个无限小 开采影响之和。
• 地表下沉 WA(x, y)W0CxCy
• 地表倾斜变W形0 mqcos
• 地表曲率变形 T T xC yco sTyC xsi n
• 基本特征：
• 滑动的岩土体具有整体性，并保持着斜坡原有的地质 结构特征；
• 滑移的方式为滑动，而不是滚动或倾覆。
2019年下半年~2000年上半年 622
252 m
37 0
南芬露天铁矿非工作帮的大规模滑坡（250万立方米）
滑坡的危害
• 我国是一个多山的国家，西部尤其如此，据初步统计 由滑坡、泥石流造成的灾害，每年达200亿左右。
• 经典力学理论研究（反分析）：利用黑箱原理，进行 岩体采动系统调制，老拟合采动岩体与地表的移动曲 线。计算结果较差，很少使用。
• 力学理论研究（正演分析）：利用力学原理，将岩体 抽象为力学模型，编制相应的计算程序对采动岩体与 地表沉陷进行模拟。
地下开采地层内部沉陷特征
• 矿体采空后，围岩的原始应力平衡状态被破坏，应力 开始重新分布，使围岩产生变形、移动、破坏，显然 破坏的程度距离采空区的远近有关。分成六个区域， 上覆岩层分为冒落带、裂隙带和弯曲带，底板分为底 板导水裂缝带、保护带和承压水导升带。
人为因素
• 人类活动一方面创造世界，另一方面破坏环境，造成 岩土工程灾害。
• 开挖斜坡：斜坡失稳 • 开采地下固体矿物：地表移动、地应力重分布 • 开采石油、天然气、地下水：地面沉降、塌落、地震 • 河流水系的改道和破坏：河床变形、边岸再造、水库
地震 • 灌溉：岩土盐碱化和湿化 • 土木工程建造：地基失稳、地层变形
随着张拉裂缝的出现，渗水作用加强，变形进一步 发展，后缘张拉，裂缝加宽，开始出现较小的错距， 两侧剪切裂缝相继出现。坡脚部分岩体被压裂致碎， 并有潮湿渗水，此时滑动面初步形成，但尚未贯通。
斜坡变形进一步发展，后缘裂缝不断加宽，错距不 断增大，两侧羽毛状剪切裂缝贯通并撕开，斜坡前缘 岩体挤碎并鼓出，出现鼓张裂缝，坡脚附近渗水浑浊， 滑动面已经形成，失稳岩体开始整体向下滑动。
本课程主要内容
• 典型的三种岩土工程灾害规律和防治措 施。
（1）地层沉陷 （2）滑坡 （3）岩爆和冲击地压 非线性科学的主要内容和应用
第四章 地层沉陷
• 基本概念 • 地层沉陷是指地层中岩体临空或受力而发生垂直和水
平方向上缓慢或突发性的变形、破坏和运动。其实则 是地层中岩土体的失稳破坏。 • 基本特点 （1）研究范围大，采动临空面及其周围岩体直至地表； （2）不仅研究应力、应变，更关心岩体及地表产生的大 变形和大位移； （3）不仅研究本身岩体的损害，而且研究地层沉陷所波 及的地层环境的破坏。
• 推动式滑坡开始发生斜坡的上部，失稳破坏的岩体向 下滑移，并挤压下部岩体，造成斜坡下部鼓丘和隆起。
• 治理的方法不一样：牵引式滑坡通过增加它的抗滑力， 而推动式滑坡通过卸荷方法来减少的下滑力。
滑坡的发育过程
• 蠕动变形阶段
由于开挖和外界因素的影响，首先在斜坡内部产生 微小的变形和移动，然后逐渐发展，直至坡面出现断 续的张拉裂缝。
• 危害
•
地表水平移动
K K xC yco 2 s K yC xsi2 nT W xT 0 ysi2 n
U U xC yco s U yC xsi n
• 地表水平变形 x C yc2 o sy C xs2 i n U y T x W 0 U x T ys ic n os
Gsin(Cl(ccoossG tgtgs0in)
x
o
Si G
Ni
Ni+1 Si+1
N
S

• 圆弧面滑动稳定性Bishop计算法
楔体滑动
• 楔形体滑动是常见的一种边坡破坏形式。因为楔形体是一个空间 块体，因此其稳定性计算是一个比较复杂的问题。
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