岩石力学与工程岩石边坡工程课件.ppt
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- 岩石 力学 工程 课件
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1、2022-6-211.边坡边坡(slope) 也叫斜坡也叫斜坡 统指地表一切具有侧向临空面的地质体,包括统指地表一切具有侧向临空面的地质体,包括天然边坡和人工边坡。天然边坡和人工边坡。2.天然边坡天然边坡 是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。3.人工边坡人工边坡 是指经人工开挖或改造后形成的斜坡。是指经人工开挖或改造后形成的斜坡。2022-6-224. 边坡组成的要素边坡组成的要素图图7-1 边坡示意图边坡示意图 2022-6-23(2)研究边坡的目的和意义研究边坡的目的和意义1.研究目的研究目的 研究边坡变形破坏的机理研究边坡变形破坏的机理(包括应
2、力分布及变形破包括应力分布及变形破坏特征坏特征)与稳定性,为边坡预测预报及整治提供岩与稳定性,为边坡预测预报及整治提供岩体力学依据。其中稳定性计算是岩体边坡稳定性体力学依据。其中稳定性计算是岩体边坡稳定性分析的核心。分析的核心。2022-6-242.研究的意义研究的意义1)研究边坡工程对露天矿建设的意义)研究边坡工程对露天矿建设的意义从露天矿的生产能力规模来看,铁矿已约占从露天矿的生产能力规模来看,铁矿已约占90%,有色金属约占有色金属约占46%。煤矿露天开采的比例相对要少。煤矿露天开采的比例相对要少些,但是在我国也占有一定的比例。些,但是在我国也占有一定的比例。从确定露天矿合理边坡角来看,它
3、对减少剥离量从确定露天矿合理边坡角来看,它对减少剥离量和生产安全有着巨大影响。和生产安全有着巨大影响。2022-6-252)研究边坡工程对铁路、公路、水利建设也有)研究边坡工程对铁路、公路、水利建设也有重要的意义;重要的意义;图图7-2 滑坡对公路桥梁的损坏滑坡对公路桥梁的损坏2022-6-263)研究边坡工程对市政建设和防灾救灾的意义)研究边坡工程对市政建设和防灾救灾的意义是关系民生长期安全稳定发展的大事。是关系民生长期安全稳定发展的大事。图图7-3 滑坡对建筑物的损坏滑坡对建筑物的损坏 2022-6-272022-6-28图图7-4 边坡面附近应力迹线的偏转边坡面附近应力迹线的偏转4.坡面
4、上径向应力为零,为双向应力状态,向坡内逐渐转为坡面上径向应力为零,为双向应力状态,向坡内逐渐转为三向应力状态。三向应力状态。5.坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近,最大剪应力增高,坡面附近产生应力集中带。在坡脚附近,最大剪应力增高,最易发生剪切破坏。在坡肩附近,常形成拉应力带。边最易发生剪切破坏。在坡肩附近,常形成拉应力带。边坡愈陡,则此带范围愈大,因此,坡肩附近最易拉裂破坡愈陡,则此带范围愈大,因此,坡肩附近最易拉裂破坏。坏。2022-6-29 2022-6-2102022-6-211 崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下的一崩塌是指块状岩体与岩坡分离向前翻滚而下的一种破坏方式。种破坏方式
5、。 在崩塌过程中,岩体无明显滑移面,同时下落岩在崩塌过程中,岩体无明显滑移面,同时下落岩块未经阻挡而直接坠落于坡脚,或经过斜坡面上块未经阻挡而直接坠落于坡脚,或经过斜坡面上滚落、滑移、碰撞后堆积于坡脚。滚落、滑移、碰撞后堆积于坡脚。 岩体在重力与其他外力共同作用下超过岩体强度岩体在重力与其他外力共同作用下超过岩体强度而引起的破坏现象。这里所说的外力是指由于裂而引起的破坏现象。这里所说的外力是指由于裂隙水的冻结而产生的楔开效应、裂隙水的静水压隙水的冻结而产生的楔开效应、裂隙水的静水压力、植物根茎的膨胀压力以及地震引起的坡体晃力、植物根茎的膨胀压力以及地震引起的坡体晃动、雷击等的动力载荷。动、雷击
6、等的动力载荷。2022-6-212图图7-5 边坡岩体崩塌示意图边坡岩体崩塌示意图 2022-6-2131)定义)定义 滑坡是指岩体在重力作用下,沿坡内软弱结构面产滑坡是指岩体在重力作用下,沿坡内软弱结构面产生的整体滑动。生的整体滑动。2)现象)现象 滑坡通常是边坡深层的破坏形式,有明显的滑动面,滑坡通常是边坡深层的破坏形式,有明显的滑动面,且往往深入边坡内部,甚至延伸到坡脚以下,滑动且往往深入边坡内部,甚至延伸到坡脚以下,滑动速度主要取决于滑动面的物理、力学性质。速度主要取决于滑动面的物理、力学性质。3)滑动形式)滑动形式 根据滑动面形状,可分为平面剪切滑动和旋转剪切根据滑动面形状,可分为平
7、面剪切滑动和旋转剪切滑动两种。滑动两种。2022-6-214平面剪切滑动平面剪切滑动特点:岩块沿着平面滑移特点:岩块沿着平面滑移;原因:由于这一平面上的剪切抗力与边坡形状不相原因:由于这一平面上的剪切抗力与边坡形状不相适应,剪切抗力小于重应力引起的下滑力而形成的。适应,剪切抗力小于重应力引起的下滑力而形成的。简单平面剪切滑动、阶梯式简单平面剪切滑动、阶梯式滑坡、三维楔体滑坡和多块滑动几种破坏模式,如滑坡、三维楔体滑坡和多块滑动几种破坏模式,如图图7-6所示。所示。产生平面剪切滑动所必备的条件产生平面剪切滑动所必备的条件岩体中必须存在可供滑移的节理面;岩体中必须存在可供滑移的节理面;滑动面的走向
8、近似平行或平行坡面;滑动面的走向近似平行或平行坡面;破坏面必须在边坡面上露头;破坏面必须在边坡面上露头;破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角。破坏面的倾角必须大于该面的摩擦角。2022-6-215图图7-6 平面剪切滑坡及其分类平面剪切滑坡及其分类2022-6-216旋转剪切滑动旋转剪切滑动特点:岩块滑动面通常成弧形,如图特点:岩块滑动面通常成弧形,如图7-7所示所示产生圆弧形剪切滑动的条件产生圆弧形剪切滑动的条件 当岩体中的单个颗粒与边坡尺寸相比是极小的,且当岩体中的单个颗粒与边坡尺寸相比是极小的,且这些颗粒由于它们的形状关系不是相互咬合的。这些颗粒由于它们的形状关系不是相互咬合的。图图7-7
9、边坡的旋转剪切滑动示意图边坡的旋转剪切滑动示意图 2022-6-2173.滑塌滑塌1)定义定义 是指边坡松散岩土的边坡角大于该边坡岩石的内摩擦是指边坡松散岩土的边坡角大于该边坡岩石的内摩擦角时,因表层蠕动进一步发展,使它沿着剪变带表现角时,因表层蠕动进一步发展,使它沿着剪变带表现为顺坡滑移、滚动与坐塌,从而重新达到稳定边坡脚为顺坡滑移、滚动与坐塌,从而重新达到稳定边坡脚的斜坡破坏过程,其示意简图如图的斜坡破坏过程,其示意简图如图7-8所示。所示。2)原因)原因 是一种松散岩体或岩、土混合体的浅层破坏形式,与是一种松散岩体或岩、土混合体的浅层破坏形式,与风化、地表水、边坡角及震动有关。风化、地表
10、水、边坡角及震动有关。图图7-8 边坡滑塌示意图边坡滑塌示意图2022-6-2184.岩块流动岩块流动1)特点)特点 通常发生在均质的硬岩层中,没有明显的滑动扇形通常发生在均质的硬岩层中,没有明显的滑动扇形体,其破坏面极不规则,没有一定形状,体,其破坏面极不规则,没有一定形状, 如图如图7-9所示。所示。2)原因)原因 是在岩层内部某一应力集中点上的岩石遭到高应力是在岩层内部某一应力集中点上的岩石遭到高应力的作用而开始破裂或破碎,于是所增加的荷载传给的作用而开始破裂或破碎,于是所增加的荷载传给邻近的岩石,从而又使邻近岩石受到超过某本身强邻近的岩石,从而又使邻近岩石受到超过某本身强度的荷载,又导
11、致了进一步的破裂。这一过程的不度的荷载,又导致了进一步的破裂。这一过程的不断进行,直至岩层出现全面破裂而崩塌为止。这样,断进行,直至岩层出现全面破裂而崩塌为止。这样,岩块像流体一样地沿坡面向下流动,而成岩块流动。岩块像流体一样地沿坡面向下流动,而成岩块流动。2022-6-219图图7-9 边坡的岩块流动破坏示意图边坡的岩块流动破坏示意图 2022-6-2205.岩块曲折岩块曲折 当岩层成层状沿坡面分布时,由于岩层本身的重力作当岩层成层状沿坡面分布时,由于岩层本身的重力作用,或由于裂隙水的冰胀作用,增加了岩层之间的张用,或由于裂隙水的冰胀作用,增加了岩层之间的张拉应力,使边坡面岩层曲折,导致岩层
12、破坏,岩块沿拉应力,使边坡面岩层曲折,导致岩层破坏,岩块沿坡向下崩落,如图坡向下崩落,如图7-10所示。所示。图图7-10 边坡岩层曲折破坏示意图边坡岩层曲折破坏示意图2022-6-2213.水对边坡岩体稳定性的影响因素水对边坡岩体稳定性的影响因素 1)岩体中的水形成静水压力和动水压力作用于岩)岩体中的水形成静水压力和动水压力作用于岩体,成为一种推动岩体向下滑动的力。体,成为一种推动岩体向下滑动的力。2022-6-222 2)水对边坡岩体的物理化学作用,造成边坡岩体)水对边坡岩体的物理化学作用,造成边坡岩体膨胀、收缩而导致岩体松散、破碎或使其软化、膨胀、收缩而导致岩体松散、破碎或使其软化、泥化
13、或崩解,导致边坡变形与破坏。泥化或崩解,导致边坡变形与破坏。 3)水还是一种润滑剂,使岩体的内凝聚力、内摩)水还是一种润滑剂,使岩体的内凝聚力、内摩擦角减小,使岩体的强度参数弱化,而导致边坡擦角减小,使岩体的强度参数弱化,而导致边坡的破坏。的破坏。4.直接受各种外力影响的因素直接受各种外力影响的因素 区域性构造应力的变化、地震、爆破以及施工载区域性构造应力的变化、地震、爆破以及施工载荷等,都使边坡直接受力,对边坡稳定性的影响荷等,都使边坡直接受力,对边坡稳定性的影响直接而迅速。直接而迅速。7.3.1概述概述(1)边坡稳定性分析方法)边坡稳定性分析方法1.定性分析是在工程地质勘察工作的基础上,对
14、边坡定性分析是在工程地质勘察工作的基础上,对边坡岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。岩体变形破坏的可能性及破坏形式进行初步判断。2.定量分析是在定性分析的基础上,应用一定的计算定量分析是在定性分析的基础上,应用一定的计算方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评价。方法对边坡岩体进行稳定性计算及定量评价。评价方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2022-6-2232022-6-224FF 抗滑力下滑力stansctansctansuc2022-6-2252022-6-2261. 在断面上绘制滑面形状,这主要是根据滑坡外形、
15、滑在断面上绘制滑面形状,这主要是根据滑坡外形、滑坡中段滑面深度、坍塌情况、破坏方式等,推测几个坡中段滑面深度、坍塌情况、破坏方式等,推测几个可能的滑动面形状;可能的滑动面形状;2. 推定滑坡后裂缝即塌陷带的深度,计算确定其产生的推定滑坡后裂缝即塌陷带的深度,计算确定其产生的影响范围;影响范围;3. 对滑坡的滑体进行分块,分块数目要根据滑坡的具体对滑坡的滑体进行分块,分块数目要根据滑坡的具体情况确定。一般来说,分块数目越多,计算结果越精情况确定。一般来说,分块数目越多,计算结果越精确。确。4. 计算滑动面上的孔隙水压力,可采用地下水监测数据计算滑动面上的孔隙水压力,可采用地下水监测数据确定;确定
16、;5. 采用合适的计算方法,计算稳定系数。但一般要采用采用合适的计算方法,计算稳定系数。但一般要采用两种或两种以上的不同计算方法进行计算,然后进行两种或两种以上的不同计算方法进行计算,然后进行结果比较。结果比较。 2022-6-2277.3.2 平面破坏计算法平面破坏计算法 平面破坏计算法是针对边坡上滑体只沿单一平面破坏计算法是针对边坡上滑体只沿单一结构面或软弱面产生平面滑动的分析方法。结构面或软弱面产生平面滑动的分析方法。其力学模型如图其力学模型如图7-11所示。所示。 2022-6-2281.滑动面及张裂隙的走向平行于坡面;滑动面及张裂隙的走向平行于坡面;2.张裂隙是直立的,其中充有高度为
17、的水柱;张裂隙是直立的,其中充有高度为的水柱;3.水沿张裂隙的底进入滑动面并沿滑动面渗透;水沿张裂隙的底进入滑动面并沿滑动面渗透;4.滑体沿滑动面做刚体下滑。滑体沿滑动面做刚体下滑。1.滑体上的受力分析滑体上的受力分析 滑体上的作用力有:滑体重力滑体上的作用力有:滑体重力 ;滑面上的法向;滑面上的法向力力;滑动面上的裂隙水压;滑动面上的裂隙水压(该力只在库仑准则(该力只在库仑准则中考虑);抗滑力中考虑);抗滑力 ;作用在滑体重心处的水平外;作用在滑体重心处的水平外力力 (可以是地震产生的作用力);张裂隙孔隙水(可以是地震产生的作用力);张裂隙孔隙水压力压力 等。等。WNUSAQV2022-6-
18、2292.方程方程2)滑动面切向方向有)滑动面切向方向有 ,得:,得:3)由库仑准则及安全系数定义得:)由库仑准则及安全系数定义得:4)安全系数的表达式为:)安全系数的表达式为:0N cossinsinANWQV(7-1) 0S cossincosASQWV(7-2) 1tanSc lNUF cossinsintancossincosAAc lWQVUFQWV (7-3) (7-4) 2022-6-230其中:其中:滑动面的粘结力;滑动面的粘结力; 滑动面的内摩擦角;滑动面的内摩擦角;滑动面的长度。滑动面的长度。1.适用条件:适用于均质砂性土、顺层岩质边坡以适用条件:适用于均质砂性土、顺层岩质
19、边坡以及沿基岩产生平面破坏的稳定性分析;及沿基岩产生平面破坏的稳定性分析;2.优点:力学模型和计算公式简单;优点:力学模型和计算公式简单;3.缺点:要求滑体做整体刚体运动,如果滑体内产缺点:要求滑体做整体刚体运动,如果滑体内产生剪切破坏的边坡稳定性分析误差较大。生剪切破坏的边坡稳定性分析误差较大。c1s2wwUZHZ c c;212wwVZl2022-6-231 Bishop法是一种适合于圆弧形破坏滑动面的法是一种适合于圆弧形破坏滑动面的边坡稳定性分析方法,但它不要求滑动面为边坡稳定性分析方法,但它不要求滑动面为严格的圆弧,而只需要是近似圆弧即可。其严格的圆弧,而只需要是近似圆弧即可。其力学计
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