岩体力学-第6讲-岩石边坡工程

几个概念提法
• 岩质边坡 土质边坡 • 岩石边坡 岩质边坡 • 露天矿边坡 路堑边坡 路堤边坡 坝坡 岸坡
边坡工程与经济建设
• 边坡与露天矿工程
维持边坡稳定、增大坡脚、减小采方
• 边坡与水利水电工程
近坝边坡的永久稳定性 库岸边坡的变形失稳与地质灾害
• 边坡与交通工程
路堑边坡和路堤边坡变形失稳
• 边坡与房屋建筑工程
平面滑动
平面滑动
平班水电站进 场所公路滑坡
云荞水库趾 板边坡滑坡
千将坪滑坡
洪家渡水电站进 场公路滑坡
楔体滑动
• 当两个软弱面相交，切割岩体形成四面 体时，就可能出现楔形滑动 • 如果两个结构面的交线因开挖而处于出 露状态，不需要地形上或结构上的解除 约束即可能产生滑动。
楔体滑动
青兰山边坡
锦屏库区
N1 N 2 W cos S cos sin 2
j
2 1
2
1 2
FS
sin t an j ( ) 1 t an S sin 2
FS
( N1 N 2 ) tan j W sin S
2 1
tan j sin(90 ) tan j 2 2 2 sin 1 tan S 2
边坡稳定影响因素
• 2、坡形坡率变化
• 河流、水库及湖海的冲刷及淘刷，使岸坡外形发生变 化。当侵蚀切露坡体底部的软弱结构面，使坡体处于 临空状态，或侵蚀切露坡体下伏软弱层的顶面时，使 坡体失去平衡，最后导致破坏。 • 人工削坡时未考虑岩体结构特点，切露了控制斜坡稳 定的主要软弱结构面，形成或扩大了临空面，使坡体 失去支撑，会导致斜坡的变形与破坏。
平面破坏分析
• • •
• 平面滑动分析简图
•
基本假定： 滑动面及张裂缝的走向平行 于坡面； 张裂缝垂直，其充水深度 为Z ； 水沿张裂缝底进入滑动面渗 漏，张裂缝底与坡趾间的长 度内水压力按线性变化至零 滑动块体重量、滑动面上水 压力和张裂缝中水压力三者 的作用线均通过滑体重心。
w
平面破坏分析
L H Z sin
底面上的作用力有 R 和 S
n n n
侧面上的作用力有 P ， Q ， P ， Q
n n 1
n 1
发生转动时， K
n
0 。 M n ， Ln 的位置见表
第 n 块岩块作用力 Pn，Pn－1 的位置表达式
岩块位于坡顶以下
M n Yn
岩块位于坡顶线处
M n Yn a2
Ln Yn a1
Sarma法
Sarma法
Sarma法
Sarma法
Sarma法
Sarma法
楔形体滑动
图 6-14
楔形滑动图形
（a）立面视图； b）沿交线视图； c）正交交线视图 （ （ A1—滑动面 1；A2—滑动面 2
楔形体滑动
设滑动面 1 和 2 的内摩擦角分别为 1 和 2 ，内聚力分别为 图 6-14 楔形滑动图形 （a）立面视图； l 和 A2，其倾角分别为 （ （ c1 和 c2，其面积分别为 Ab）沿交线视图； c）正交交线视图1 和 2 ，走向 A1—滑动面 1；A2—滑动面 2 分别为 1 和 2 ，二滑动面的交线的倾角为 S ，走向为 S ，交线 的法线 n 和滑动面之间的夹角分别为 1 和 2 ， 楔形体重量为 W， W 作用在滑动面上的法向力分别为 N1 和 N2。
岩块位于坡顶以上
M n Yn a2
Ln Yn a1
主要内容
岩石边坡工程概述
岩石边坡破坏类型
边坡稳定影响因素
岩石边坡稳定分析
岩石边坡防护加固
岩石边坡监测预警
边坡稳定影响因素
• 1、结构面效应 • 现象：
• 由于结构面的不同组合，有些边坡在陡坡角和几百米 高条件下是稳定的，许多平缓边坡仅高几十米就破坏
• 破坏机理：
• 顺坡向结构面周边的应力集中，导致破坏产生
双平面抗滑稳定分析模型
W1 sin(1 1 ) cos( 2 2 3 ) W2 sin( 2 2 ) cos(1 1 3 ) Fb cos( 2 2 ) cos(1 1 3 )
Sarma法
• 基本原理
• 边坡破坏的滑体除非是 沿一个理想的平面或弧 面滑动，才可能作一个 完整的刚体运动； • 否则，滑体必须先破裂 成多个可相对滑动的块 体，才可能发生滑动； • 滑体内部要发生剪切情 况下才可能滑动，破坏 模式如图
边坡稳定影响因素
• 4、外力作用导致边坡失稳
• 区域构造应力的变化、地震、爆破、地下静水 压力和动水压力，以及施工荷载等，都使斜坡 直接受力，对斜坡稳定的影响直接而迅速。
主要内容
岩石边坡工程概述
岩石边坡破坏类型
边坡稳定影响因素
岩石边坡稳定分析
岩石边坡防护加固
岩石边坡监测预警
边坡稳定性分析方法简介
图 6-3 岩滑类型 （a）平面破坏； （b）楔形破坏 （c）旋转滑动
平面剪切滑坡及其分类
蔡美峰 《岩石力学与工程》
斜坡块体运动主要类型示意图
a
b
c
d
e
f
王恭先：a.山崩（崩塌）；b.滑坡； c.错落；d.倾倒；e.坍塌；f.岩体深层蠕变
边坡破坏类型
陈祖煜 《岩质边坡稳定分析》
倾倒破坏
倾倒破坏
N1 cos1 N 2 cos 2
W cos S cos1 N2 sin 1 cos 2 cos1 sin 2
（i=1，2）
sin i sin i sin S sin( S i ) cos i cos S
简化和讨论
• 如果忽略滑动面上的内聚力c1和c2 • 并设两个面上的内摩擦角相同，都为
• 三、确定计算参数
• 试验数据、反算数据和经验数据
• 四、稳定性系数的计算
• 重点介绍刚体极限平衡法
• 五、稳定性评价
• 合理的安全系数
圆弧破坏分析（瑞典法）
荷载分解 抗滑力矩
N i Wi cos i Ti Wi sin i
(M R ) i (ci li N i tan i ) R



W
1 H 2 (1 Z / H ) 2 cot (cot tan 1) 2

双平面破坏分析
• 两条相交的结构面，形成潜 在的滑动面 • 上面的岩块体为主动岩块体 • 下面的岩块体为被动滑块体 • 假设主动块体与被动块体之 间的边界面为垂直 • Fb：使岩体保持平衡所必须 施加的支撑力
岩体力学
岩石边坡工程
俞 缙 bugyu0717@
Ph.D. J.Yu
主要内容
岩石边坡工程概述
岩石边坡破坏类型
边坡稳定影响因素
岩石边坡稳定分析
岩石边坡防护加固
岩石边坡监测预警
基本概念
• 边坡是自然斜坡和人工边坡的统称，是人类生存及工 程活动最常见的自然地质环境之一。 • 岩石边坡即指坡体物质主要为岩石组成的边坡。
M R ( ci li N i tan i )R
i 1 i 1 n n
圆弧法
下滑力矩
M S Ti R
i 1
n
FS
抗滑力矩 M R 滑动力矩 M S
FS
ci li N i t an i
i 1
n
n
T
i 1
i 1 n
i
圆弧破坏分析（瑞典法）
• 基本特征： • 弧形破坏面 • 适用条件： • 均质软岩边坡 • 破碎岩石边坡
平面破坏分析
• 基本特征： • 单一平面滑动 • • • • •
几何条件： 1)滑动面的走向必须与坡面平行或接近平行； 2)滑动面必须在边坡面露出； 3)滑动面的倾角必须大于该平面的摩擦角； 4)岩体中必须存在对于滑动阻力很小的分离面，定出滑动的 侧面边界。
三峡船闸边坡
三峡水电站 尾水出口边坡
旋转滑动
• 旋转滑动的滑面通常呈弧形 • 一般产生于： • 非成层的均质岩体 • 破碎岩石
旋转滑动
漫湾“三洞”滑坡
漫湾左坝肩滑坡
天荒坪大溪滑坡
京福高速南平段
溃屈（岩层曲折）
• 边坡开挖坡面临空，导致顺坡 向剪应力增大，而层间结合力 又很小，致使上部坡体沿软弱 结构面蠕滑，坡脚岩体剪切而 呈纵向弯曲状，在应力和变形 增长到一定程度时，岩桥被剪 断，边坡产生破坏。 • 溃屈破坏主要发育在中、陡倾 岩体，且当岩层倾角与坡角大 致相近时，坡脚岩层因剪切变 蔡美峰 《岩石力学与工程》 形而呈鼓起状，同时产生层面 拉裂、脱层等现象。
楔形体滑动
• 楔形体对滑动的安全系数为：
N1 tan1 N 2 tan 2 c1 A1 c2 A2 FS W sin S
• 由平衡条件
N1 sin 1 N 2 sin 2 W cos S
N1
W cos S cos 2 sin 1 cos 2 cos1 sin 2
• 倾倒变形是在边坡开挖卸 荷后，经应力重分布，坡 体表层向外回弹松弛，使 得坡体上部前缘开始向临 空方向作悬臂弯曲，并逐 渐向坡内发展，同时岩层 之间发生错动并伴有拉裂， 最后形成坡体失稳 • 常见于反倾或陡倾层状结 构边坡岩体中。
崩塌破坏
• 崩塌是指块状岩体与岩坡分离，向前翻滚而下。 • 其特点是，在崩塌过程中，岩体中无明显滑移面。 • 崩塌经常发生在坡顶裂隙发育的地方。
a1 x tan( ) a 2 x tan b x tan( )
x ——各个岩块的宽度
阶梯状底面上岩块倾倒的分析模型
倾倒分析
第 n 块岩块倾倒与滑动的极限平衡条件 （a）作用于第 n 块岩块上的力 （b）第 n 块岩块的倾倒 （c）第 n 块岩块的滑动
( Fs ) 楔 K ( Fs ) 平
2 FS 1 2 sin tan S 2Βιβλιοθήκη cos21
楔体系数K的曲线
倾倒破坏类型
倾倒破坏的主要类型 （a）弯曲式倾倒； （b）岩块式倾倒； （c）岩块弯曲复合式倾倒
倾倒的可能性
岩坡的倾倒破坏
倾倒分析
边坡坡角为 岩层倾角为 90 阶梯状底面总倾角为 图中的常量 a1 ， a 2 与 b 为
1）定性分析方法
（1） 地质分析法（历史成因分析法） （2）工程地质类比法 （3）图解法 （4）边坡稳定专家系统
2） 定量评价方法
（1） 极限平衡法 （2） 数值分析方法
边坡稳定性分析步骤
• 一、几何边界条件分析
• 赤平投影、实体比例投影、失稳模式识别
• 二、受力条件分析
• 岩体重力、静水压力、动水压力、建筑荷载及震动力
崩塌的发生过程
崩塌破坏
四川北川150万方山体崩塌
平面滑动
• 平面滑动是一部分岩体在重力作用下沿着某一软弱面 (层面、断层、裂隙)的滑动。 • 滑面的倾角必须大于滑面的内摩擦角，否则无论坡角 和坡高的大小如何，边坡都不会滑动。 • 平面滑动不仅要求滑体克服滑面底部的阻力，而且还 要克服滑面两侧的阻力。 • 在软岩（例如页岩）中，如果滑面倾角远大于内摩擦 角，则岩石本身的破坏即可解除侧边约束，从而产生 平面滑动。 • 在硬岩中，如果结构面横切到坡顶，解除了两侧约束 时，才可能发生平面滑动。
U 1 wZwL 2
V
1 2 wZw 2
FS
平面滑动分析简图
cL (W cos U V sin ) tan W sin V cos
当张裂缝位于坡顶面时 当张裂缝位于坡面上时
W
1 H 2 [1 Z / H 2 ] cot cot 2
斜坡基础的稳定问题
主要内容
岩石边坡工程概述
岩石边坡破坏类型
边坡稳定影响因素
岩石边坡稳定分析
岩石边坡防护加固
岩石边坡监测预警
岩石边坡破坏类型
倾倒破坏 岩崩 崩塌坠落
崩塌
岩 石 边 坡 破 坏 类 型
平面滑动
岩滑
楔体滑动
旋转滑动
溃屈
错落
岩崩与岩滑
图 6-2 岩崩类型 （a）倾倒破坏； （b）软硬互成坡体的局部崩塌和坠落； （c）崩塌破坏 1—砂岩；2—页岩
错落
• 王恭先：
• 错落是指被陡倾的构造结构面与后 山完整岩体分开的风化破碎岩体， 因坡脚受冲刷或人工开挖而被压缩， 引起的坡体以垂直下错为主的变形 现象
• 徐邦栋：
• 在一定的结构面组合下，如变形体 的后缘是沿一组陡而深的结构面发 育时，往往变形体比不动体破碎。 由于变形体在压力增大的条件下， 先自行下错压密，同时挤压中前部， 直到形成向临空面倾斜的底部破碎 带