第四讲:岩石高边坡变形稳定性及其控制

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边坡经表生改造进入时效变形,再由时效变形进入 最终的破坏阶段,严格说来,这是任何一个边坡演化 都将经历的三个阶段。
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
关于表生改造变形
(1) 性质和特点
表生改造是与坡体开挖过程相伴生的地质-力学行为,是卸荷回 弹性质的变形。有以下特点:
• 表生改造的变形与边坡的开挖卸荷有很好的对应关系,是一种开挖坡体由于 卸荷作用产生的回弹变形,
MIP4多点位移计时间 -位移过程线
02-11-12 02-11-26 02-12-10 02-12-24 03-01-07 03-01-21 03-02-04 03-02-18 03-03-04 03-03-18 03-04-01 03-04-15 03-04-29 03-05-13 03-05-27 03-06-10 03-06-24 03-07-08 03-07-22 03-08-05 03-08-19 03-09-02 03-09-16 03-09-30
dlQ
中粒砂岩夹泥质粉砂 岩底部含煤含砾
33xj14- 1
33xj13- 9
33xj13- 8
33xj13- 7
中粒砂岩,局部含煤
33xj13- 6
粉砂岩,煤质页岩
33xj13- 4 + 5
含煤细-中粒砂岩底 部为含砾砂岩
N40°-70°E/NW∠45°-65°
L11 33xj13- 2
粉砂岩夹细砂岩,煤质页岩
0.0m
4.0m
MIP1多点位移计位移 -孔深曲线
源自文库
2022/3/22
位移(mm)
图 发电引水洞进口边坡MIP1位移-孔深曲线
时间
10.0m
18.0m
30.0m
55.000 50.000 45.000 40.000 35.000
30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 -5.000
• 这种变形性质宏观上是“弹性”的,随着开挖的进行,卸荷的过程而产生 ,一旦开挖过程结束,变形很快就停止,几乎没有后续的变形。
• 变形的方向也是指向与临空面垂直方向的;
• 会产生与变形相对应的卸荷破裂,但方向是平行临空面的。
表生改造一方面起到释放坡体应力,促进边坡应力场形成的作用;另一方面,这个过程的发生形
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0 30.0
35.0
40.0
边坡稳200定3-2性-16分析 2003-3李-7建中 2003-3-30
2003-4-27
2003-5-31 孔深(m)
位移(mm)
边坡图变形M监IP4测多点位移计位移-时间过程线
667050...000 5505..00 344505...000 223050...000 1105..00 05..00 -5.0
成了边坡浅表部的“卸荷松弛带”,从而劣化了岩体的工程地质条件,主要表现在:卸荷松弛带破
坏了边坡的岩体结构,导致岩体宏观强度和结构面强度的降低,形成边坡继续变形的几何和力学边
界条件等。2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
关于表生改造变形
有的边坡表生改造完成后,就会处于稳定状态,不会产生随时间的变形, 即进入不了“时效变形”阶段。反映在监测曲线上就是变形随开挖过程而发展 ,尽管开挖过程中还可能出现较大的变形速率(高应力、快速开挖情形),但 开挖结束后,位移速率将迅速降低,并趋于平缓,两者基本同步(“同步型” );边坡进入不了时效变形,进而也没有整体失稳破坏的可能。因此,这类边 坡通常整体是稳定的。
782.6 789.2
797.9
776.0
771.7 789.0
793.9
783.4
789.8
778.7
766.2
782.8
885
826.7 846.9
791.1
766.4 766.6
802.0
880
767.3 778.4 786.1
752.5
35463 300
边坡变形监测
2022/3/22
752.6 760.7
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
边坡变形监测
③ 2003年2月初,随着开挖量的增大,边坡的变形持续增大 ,自2003年4月中旬始,随着坡体开挖结束、锚索支护的加强以 及进水口处闸室修建等,尤其是边坡上部对穿锚索的施工完毕, 边坡的变形明显得到控制,位移曲线逐渐趋于平缓,2003年5月 份各支仪器表面点的平均位移速率均小于0.10mm/d,2003年5月 份始边坡已趋稳定。
760.2
767.4 768.2
776.9 785.6
785.3
791.7
801.6
823.1
855 850
845
840 835 830 825 820 815
800
827.3
836.3
847.2
875 870 865
边坡稳定性分析 李建中
878.7
877.2
序号 1.1
1.3 1.4 1.5 1.6 2 3 预留 工作 量
项目
规格型号
单位
多点位移计(6点式)
Geokon A-6-6

多点位移计(4点式)
Geokon A-6-4

多点位移计钻孔(水平孔) φ76mm
m
4点式位移计电缆
05-375V12(10芯)
m
6点式位移计电缆 读数仪
06-500V7(12或14芯) m
GK403

镀锌铁管
φ25-100mm
m
集线箱
AC-1-48
25
30
35
40
03-3-20
2003-3-31 孔深(m)
边坡变形监测
① 随着边坡的开挖(约7个月),边坡的变形有明显增大的趋 势;在受支护措施控制的情况下,边坡的最大变形量已达55mm以上。 从2002年11月30日开始(不包括此前的变形),到2003年5月31日, 位于865高程的MIP4测点表面点的位移量为55.8mm, 845m高程的 MIP3测点表面点的位移量为32.5mm。随着高程的降低,边坡的变形 具有减弱的趋势,表现在边坡的变形量及变形涉及深度均逐渐减小。
(2) 条件
那么,什么样的边坡只产 生表生改造变形呢?显然识 别这类边坡是很重要的!
边坡内没有特定的不利 结构面或结构面组合!
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
三峡船闸高边坡
(整体块状结构岩体的边坡)
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
1999.05
变形监测情况
外观点变形
2022/3/22
应力约束区
边坡稳定性分析 李建中
1 开挖过程中高边坡变形破坏响应
边坡岩体的“表生改造”和“时效变形”是边坡 稳定性地质-力学行为的两个重要方面。理论上,在 卸荷条件下任何高边坡都是在经历表生改造以后,才 进入后续的时效变形阶段;也只有通过时效变形,潜 在滑动面才得以充分发育并最终贯穿,从而导致边坡 的最终失稳。
岷江紫坪铺水电站
工程概况
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
900
2022/3/22
800
750
边坡稳定性分析 李建中
进水口边坡的岩体结构特征
900
850
delQ
8
岷 江
成 引水洞开挖线
阿 公 路
750 700
22#硐
冲砂洞开挖线
alQ
2 4
33xj12- 2
煤质页岩, 粉砂岩 33xj12- 1
MIP1多点位移计时间 -位移过程线
02-11-30 02-12-14 02-12-28 03-01-11 03-01-25 03-02-08 03-02-22 03-03-08 03-03-22 03-04-05 03-04-19 03-05-03 03-05-17 03-05-31 03-06-14 03-06-28 03-07-12 03-07-26 03-08-09 03-08-23 03-09-06 03-09-20
② 从位移与孔深的关系看,开挖量较大的硐脸边坡,845m高 程以上的MIP1、MIP3、MIP4等监测点一带的边坡变形的最大涉及深 度一般可达25-30m左右,但变形主体发生在0-10~12米的范围内, 如MIP4测点位移主要发生在7.0m以外的坡体,而7~26m位移随深度 的增加而递减,26.0m以内的岩体已基本未有变形。
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
1 开挖过程中高边坡变形破坏响应
二是“时效性质的变形”。当边坡完成表生改造而形成新的应 力场体系后,边坡的应力场将转为以自重应力场为主的状态。这时 ,边坡可能有两种走向,一是由于没有进一步变形的条件从而形成 新的稳定结构而处于平衡状态;另一种走向就是边坡内存在不良的 地质结构,边坡将在自重应力场的驱动下,继续发生随时间的变形 破裂过程,这个过程我们称之为时效变形。显然,这个阶段驱动边 坡变形、破裂甚至破坏的“动力”是边坡的自重。
含煤含
砾中粒
33xj11
砂岩
粉砂岩夹煤质页岩,中粒砂岩
808.00 800.00
L10 33xj12- 3 中粒砂岩 L9
33xj12- 4
煤质页岩,泥 质粉砂岩
dlQ
N10°-40°E/SE∠55°-70°
33xj13- 1
含煤含砾中粒 砂岩
含煤夹粉薄砂层岩状,煤局L质部1页2 岩 33xj13- 3
TP21GP02测点(右线南坡15571,高程200m) 变边形坡稳过定程性线分(析 据[2李8建])中
开挖引起的卸荷
三峡船闸高边坡卸荷带概化示意图
2022/3/22
强卸荷带 弱卸荷应带力调整带
全强风化带 弱风化带下部 微新岩体
强卸荷带 弱卸荷带
弱风化带上部
应力调整带
边坡稳定性分析 李建中
全强风化带 弱风化带上部 弱风化带下部 微新岩体
含煤含砾中粒砂岩
33xj13- 1
粉砂岩夹泥质粉砂岩
13- 1 - 1
900 850 8 750 700
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570
最后,随着“时效变形”的发展,边坡将进入以潜在滑动面累 进性破坏、滑动面贯穿、滑面形成为特征的破坏阶段。
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边坡稳定性分析 李建中
1 开挖过程中高边坡变形破坏响应
(1)强烈变形及破坏区 (2)时效变形区 (3)表生改造区 (4)应力约束区
破坏区 时效变形区
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表生改造区
2022/3/22
边坡稳定性分析
李建中
841.1
852.3
836.3
821.1
842.2
827.4
831.4 835.6
829.6
815.3 819.2
811.1
D 引水发电洞进水口边坡监测布置图
MP5
DB
MP3
A C
MP4
B A
MP2 MP1
C
791.1
784.3 793.2
796.0
784.9 797.2
岩石高边坡稳定性及其控制
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
1 开挖过程中高边坡变形破坏响应
大量事例表明,人工边坡在开挖过程中的变形破裂响应与自 然边坡在河谷下切过程中所发生的响应具有相似形,均属于“ 卸荷”响应。从变形破坏的地质-力学行表现上,这种变形具有 两种基本性质:
一是“表生改造型”的变形和破裂:即岩质高边坡形成过程 中,伴随河谷的下切或边坡的开挖,边坡应力释放,从而驱动 边坡岩体产生变形和破裂,以适应新的平衡状态,这个过程我 们称之为表生改造。 这个阶段驱动边坡变形和破裂的动力是边 坡开挖引起的内部应力释放,可以称为“释放应力”。
2022/3/22
边坡稳定性分析 李建中
L10
2022/3/22
边边坡坡稳定中性下分段析 上游李侧建中
变形破裂机理—压缩倾倒型
L11
2022/3/22
相对硬岩
L10
软岩基座
边坡稳定性分析 李建中
原地形线 开挖线
变形破裂现象
硐脸边坡顶部因压缩蠕变倾倒引起的墙体拉裂现象
硐脸边坡857m便道一带L11下部岩层的倾倒拉裂缝

多点位移计(4点式)
Geokon A-6-4

多点位移计钻孔(水平孔) φ76mm
m
4点式位移计电缆
05-375V12(10芯)
m
数量 2 3 162 330 100 1 300 1 1 30 150
位移(mm)
边坡变图形监M测IP1多点位移计时间-位移过程线
55.000 50.000 45.000 40.000 35.000 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0.000 -5.000
0.0m
3.0m
7.0m
MIP4多点位移计位移 -孔深曲线
2022/3/22
位移(mm)
12.0m 18.0m 图 26.0mMIP4多点位移计位移-时孔间深曲线
50.00
45.00
40.00
35.00
30.00
25.00
20.00
15.00
10.00
5.00
0.00
-5.00
0
5
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15
20
2003-1-1边5 坡稳20定03-性2-1分5 析 2003-3李-1 建中2003-3-10
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