边坡岩体稳定性分析ppt课件.ppt

第九章边坡岩体稳定性分析,9.1 概述 9.2边坡岩体中的应力分布特征9.3 边坡岩体的变形与破坏9.4 边坡岩体稳定性分析步骤9.5 边坡岩体稳定性计算9.6 边坡岩体稳定性其他计算方法,斜坡(slope)统指地表一切具有侧向临空面的地质体，包括天然斜坡和人工边坡。天然斜坡(简称斜坡）是指自然地质作用形成未经人工改造的斜坡。人工边坡(简称边坡）是指经人工开挖或改造形成的斜坡。研究目的：研究边坡变形破坏的机理(包括应力分布及变形破坏特征)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分析的核心。,9.1 概述,天然斜坡,人工边坡,据有关资料介绍，近20年来，仅意、日、美、俄、印（度）、中、捷及奥（地利）、瑞（士）等国，各国每年因滑坡灾害所造成的经济损失，平均达1520亿美元，总和平均每年可达120160亿美元,2009 年，我国共发生地质灾害10840 起，其中滑坡6657 起、崩塌2309 起、泥石流1426 起、地面塌陷316 起、地裂缝115 起、地面沉降17 起。造成人员伤亡的地质灾害197 起，共导致331 人死亡、155 人失踪、315 受伤，直接经济损失17.65 亿元。,案例：贵州关岭滑坡,一、边坡的一般分类（1） 边坡按高度可分为超高边坡（大于100米）高边坡（50到100米）中边坡（20到50米）低边坡（小于20米）（2）按成因可分为剥蚀边坡侵蚀边坡塌滑及人为边坡,行业不同有所区别,小湾水电工程 700m,锦屏一级水电站左岸550米高边坡,不同部门岩石工程高边坡类型及特点,（3）按其人工改造程度可分为自然边坡（天然河谷或库区岸坡等）人工边坡（基坑、坝肩、洞脸等）,（4）工程地质部门通常对边坡进行岩性、结构、变形三级分类：1）按物质组成可分为：岩质边坡黄土边坡砂土边坡土石混合边坡,2).岩质边坡按边坡岩体结构可分为：,1.碎裂结构边坡,2.块状结构边坡,3.层状结构边坡,目前，用于边坡岩体稳定性分析的方法，主要有：数学力学分析法(包括块体极限平衡法、弹性力学与弹塑性力学分析法和有限元法等)模型模拟试验法(包括相似材料模型试验、光弹试验和离心模型试验等)原位观测法此外，还有破坏概率法、信息论方法及风险决策等新方法应用于边坡稳定性分析中。,二、常用的岩质边坡稳定性分析方法,离心模型试验是采用较小比例的模型.通过离心机产生的离心力来模拟土工结构物所受到的自重应力.使模型的应力水平与原型相同.从而达到分析原型结构物特性的目的。,正确理解稳定性系数和安全系数的概念和两者的区别。安全系数，允许的稳定性系数值，安全系数的大小是根据各种影响因素人为规定的。稳定性系数则是反映滑动面上抗滑力与滑动力的比例关系，用以说明边坡岩体的稳定程度。,四、稳定性系数和安全系数的概念,安全系数选取考虑的因素：岩体工程地质特征研究的详细程度；各种计算参数，特别是可能滑动面剪切强度参数确定中可能产生的误差大小；在计算稳定性系数时，是否考虑了岩体实际承受和可能承受的全部作用力；计算过程中各种中间结果的误差大小；工程的设计年限、重要性以及边坡破坏后的后果如何等等。,建筑边坡工程技术规范- GB 50330-2019,一、应力分布特征,在岩体中进行开挖，形成人工边坡后，由于开挖卸荷，在近边坡面一定范围内的岩体中，发生应力重分布作用，使边坡岩体处于重分布应力状态。边坡岩体为适应重分布应力状态，将发生变形或破坏。因此，研究边坡岩体重分布应力特征是进行稳定性分析的基础。,9.2边坡岩体中的应力分布特征,边坡面附近的主应力迹线发生偏转。最大主应力与坡面近于平行，最小主应力与坡面近于正交，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。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。,(3) 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。边坡愈陡，则此带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。,后缘拉裂，坡脚剪出,均质岩土体-圆弧形滑坡,(4) 最大剪应力迹线为凹向坡面的弧线。,二、影响边坡应力分布的因素,(1)天然应力 水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧。水平天然应力增加，坡内拉应力范围加大。(2)坡形、坡高、坡角及坡底宽度坡高不改变应力等值线的形状，但改变主应力的大小。坡角影响边坡岩体应力分布图象。坡底宽度对坡脚岩体应力有较大的影响。当坡底宽度0.8H时，最大剪应力保持常值。坡面形状对重分布应力也有明显的影响。凹形坡的应急集中度减缓。坡角处的最大剪应力仅为一般边坡的1/2左右。,水平应力、坡角与拉应力区的关系,(3)岩体性质及结构特征岩体变形模量对边坡应力影响不大，泊松比对边坡应力影响较大。这是由于泊松比的变化，可以使水平自重应力发生改变。(4)结构面结构面的存在使坡体中应力发生不连续分布，并在结构面周边或端点形成应力集中带或阻滞应力的传递，这种情况在坚硬岩体边坡中尤为明显。,张应力分布区,9.3 边坡岩体的变形与破坏,岩体边坡的变形与破坏是边坡发展演化过程中两个不同的阶段，变形属量变阶段，而破坏则是质变阶段，它们形成一个累进性变形破坏过程。,一、边坡岩体变形的基本类型二、边坡破坏的基本类型三、影响岩体边坡变形破坏的因素,一、边坡岩体变形的基本类型,1、卸荷回弹在成坡过程中，由于荷重不断减少，边坡岩体在减荷方向(临空面) 产生伸长变形，即卸荷回弹。天然应力越大，向临空方向的回弹变形量也越大。往往会伴随产生一系列的张性结构面。,2、蠕变变形边坡岩体中的应力对于人类工程活动的有限时间来说，可以认为是保持不变的。在这种近似不变的应力作用下，边坡岩体的变形也将会随时间不断增加，这种变形称为蠕变变形。当边坡内的应力未超过岩体的长期强度时，则这种变形所引起的破坏是局部的。反之，这种变形将导致边坡岩体的整体失稳。这种破裂失稳是经过局部破裂逐渐产生的，几乎所有的岩体边坡失稳都要经历逐渐变形破坏过程。,二、边坡破坏的基本类型,边坡破坏的基本类型,崩塌,单平面滑动,多平面滑动,圆弧滑动,楔形状滑动,倾倒破坏,崩塌：斜坡岩土体被结构面分割的块体，突然脱离母体以垂直运动为主、翻滚跌跃而下的现象与过程滑坡：斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面（带），产生以水平运动为主的现象，称为滑坡。倾倒破坏：由陡倾或直立板状岩体组成的斜坡，当岩层走向与坡面走向近平行时，在自重应力的长期作用下，由前缘开始向临空方向弯曲、折裂，并逐渐向坡内发展的现象称为倾倒破坏（弯曲倾倒）。,三、影响岩体边坡变形破坏的因素,1、岩性 决定岩体边坡稳定性的物质基础。 2、岩体结构 岩体结构及结构面的发育特征是岩体边坡破坏的控制因素。3、水的作用 使岩土的质量增大、滑动面的滑动力增大；岩土软化、抗剪强度降低；对岩体产生动水压力和静水压力。4、风化作用 使岩体内裂隙增多、扩大，透水性增强，抗剪强度降低。,5、地形地貌 直接影响边坡内的应力分布特征，进而影响边坡的变形破坏形式及边坡的稳定性。贵州地势可分三个梯级（台面），海拔高程分别是，第一梯级（台面）在2900-2200m，由西部威宁、赫章、水城一带的高原组成；第二梯级（台面）海拔降到1500-1000m由贵州中部山原（黔北、黔南）丘原（黔中）组成；第三梯级（台面）海拔继续降到800-500m、由江口-镇远以东的低山丘陵组成。6、地震 产生地震惯性力 7、天然应力8、人为因素,地震波以水平运动为主（剪切波）,汶川地震引起的滑坡,活断层,9.4 边坡岩体稳定性分析的步骤,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。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。,一、定性分析,工程地质类比法变形迹象判断法坡率允许值法极射赤平投影法,（1）工程地质类比法 在将边坡与己知稳定性的类似边坡进行对比的基础上，根据类似边坡的稳定性分析该边坡的稳定性。该方法既适用于既有边坡，也适用于拟建边坡。采用该方法时，要求类似边坡与所研究的边坡在坡高、坡形和内部地质特征（主要是岩体完整性、结构面产状、结构面结合程度、岩石坚硬程度和地下水活动情况)上有较强的可比性，应注意二者在空间形态和坡顶荷载等方面的差异。,边坡与岩层走向关系分类1）顺向边坡：岩层倾向与坡面倾向一致或岩层走向与边坡走向夹角小于15。2）斜向边坡：岩层走向与边坡走向夹角1530。3）横向边坡：岩层走向与边坡走向夹角30904）反向边坡：岩层倾向与坡面倾向相反。,（2）变形迹象判断法 根据已经出现的边坡变形破坏迹象判断边坡的稳定性。该方法适用于判断既有边坡在现有不利工况下的稳定性，由于岩石脆性较大，破坏前征兆不特别突显，对完整性较好的岩质边坡应慎用。边坡无明显变形时，可判断该边坡在现有不利工况下稳定或基本稳定；边坡变形明显时，可判断该边坡在现有不利工况下基本稳定或欠稳定;边坡变形强烈时可判断该边坡在现有不利工况下欠稳定或不稳定。,（3）坡率允许值法 通过将边坡坡率与相应坡率允许值进行比较判断边坡的稳定性。该方法适用于无贯通性较好的外倾结构面、坡顶近于水平、坡面近于平面的边坡。当坡率明显小于相应坡率允许值时，可判断该边坡稳定;当坡率等于或略小于相应坡率允许值时，可判断该边坡基本稳定;当坡率略大于相应坡率允许值时，可判断该边坡欠稳定;当坡率明显大于相应坡率允许值时，可判断该边坡不稳定。,GB50330-2019 建筑边坡工程技术规范,（4）极射赤平投影法 通过借助极射赤平投影图分析结构面之间及结构而与坡面之间的组合关系判断边坡的抗滑稳定性。该方法要用于岩质边坡中局部块体的稳定性分析，也可用于稳定性完全取决于结构面、岩体完整性较好、岩石强度较高的边坡岩体稳定性分析。 当无外倾结构面（或结构面组合交线)时，可判断该边坡稳定;当有外倾结构面（或结构面组合交线）但其倾角大于坡角时，可判断该边坡稳定或基本稳定;当有外倾结构面（或结构面组合交线)且其倾角小于坡角时，如结构面倾角小于其内摩擦角，可判断该边坡基本稳定或欠稳定，如结构面倾角大于其内摩擦角，可判断该边坡欠稳定或不稳定。分析时应考虑结构面的贯通程度和结合程度、侧向切割情祝。,一组软弱面控制,由两组软弱面控制,由两组软弱面控制,边坡结构面统计和失稳模式判断程序YCW,Dips模块界面,二、定量评价方法,边坡稳定性计算方法，根据边坡类型和可能的破坏形式，可按下列原则确定：1 土质边坡和较大规模的碎裂结构岩质边坡宜采用圆弧滑动法计算;2 对可能产生平面滑动的边坡宜采用平面滑动法进行计算:3 对可能产生折线滑动的边坡宜采用折线滑动法进行计算;4 对结构复杂的岩质边坡，可配合采用赤平极射透影法和实体比例投影法分析;5 当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。,建筑边坡工程技术规范- GB 50330-2019,块体极限平衡法,假设条件(1)边坡岩体将沿某一结构面（滑动面）产生滑移剪切破坏；(2)滑体在滑动过程中相对位置不变化，即为刚体；(3)滑动面上的应力分布均匀；(4)不考虑滑体两侧的抗滑力。稳定性系数=滑动面上可能利用抗滑力/滑动力1 稳定 1 不稳定在多数情况下，计算的稳定性系数都有一定误差，因此，为保险起见，引入安全系数的概念。,块体极限平衡法步骤,可能滑动岩体几何边界条件的分析,受力条件分析,确定计算参数,计算稳定性系数,确定安全系数，进行稳定性评价,（一）几何边界条件分析,几何边界条件是指构成可能滑动岩体的各种边界面及其组合关系，包括滑动面、切割面和临空面三种。滑动面是指起滑动(即失稳岩体沿其滑动)作用的面，包括潜在破坏面。切割面是指起切割岩体作用的面，由于失稳岩体不沿该面滑动，因而不起抗滑作用，如平面滑动的侧向切割面。临空面指临空的自由面，它的存在为滑动岩体提供活动空间，临空面常由地面或开挖面组成。,几何边界条件分析的内容是查清岩体中的各类结构面及其组合关系，确定出可能的滑移面、切割面。几何边界条件分析的目的是确定边坡中可能滑动岩体的位置、规模及形态，定性地判断边坡岩体的破坏类型及主滑方向。几何边界条件的分析可通过赤平投影、实体比例投影等图解法或三角几何分析法进行。,（二）受力条件分析,在工程使用期间，可能滑动岩体或其边界面上承受的力的类型及大小、方向和合力的作用点统称为受力条件。边坡岩体上承受的力常见有：岩体重力、静水压力、动水压力、建筑物作用力及震动力等等。1.地震作用水平地震作用：FEK=1G,2.水压力：包括渗透静水压力和渗透动水压力。静水压力水对岩体的静压力，数值上等于岩体受到的浮力。动水压力与水力梯度有关，数值上等于岩体受到的渗流阻力。,（三）确定计算参数,从偏安全的角度起见，一般选用的计算参数，应接近于残余强度。研究表明：残余强度与峰值强度的比值，大多变化在0.60.9之间，因此，在没有获得残余强度的条件下，建议摩擦系数计算值在峰值摩擦系数的6090之间选取，内聚力计算值在峰值内聚力的1030之间选取。,经验数据,极限状态下的反算数据,试验数据,（四）稳定性系数的计算和稳定性评价,稳定性系数=可供利用的抗滑力/滑动力,（五）确定安全系数，进行稳定性评价,安全系数：根据各种因素规定的允许的稳定性系数。大小是根据各种影响因素人为规定的，必须大于1。安全系数一般=1.051.5,9.5 边坡岩体稳定性计算,一、单平面滑动1、仅有重力作用时滑动面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL 滑动力FrGsin稳定性系数,滑动体极限高度Hcr为,当Cj=0，j时，1，Hcr=0,忽略滑动面上内聚力(Cj=0)时,2、有水压力作用,作用于CD上的静水压力V,作用于AD上的静水压力U为,边坡稳定性系数为,3、有水压力作用与地震作用,边坡的稳定性系数,FEK=1G,水平地震作用,二、同向双平面滑动,第一种情况为滑动体内不存在结构面，视滑动体为刚体，采用力平衡图解法计算稳定性系数第二种情况为滑动体内存在结构面并将滑动体切割成若干块体的情况，这时需分块计算边坡的稳定性系数,1.滑动体为刚体的情况ABCD为可能滑动体，根据滑动面产状分为、两个块体。F为块体对块体的作用力，F为块体对块体的作用力，F和F大小相等，方向相反，其作用方向的倾角为。滑动面AB以下岩体对块体的反力R1(摩阻力) 与AB面法线的夹角为1。,(9-17),2.滑动体内存在结构面的情况在滑动过程中，滑动体除沿滑动面滑动外，被结构面分割开的块体之间还要产生相互错动。采用分块极限平衡法和不平衡推力传递法进行稳定性计算。,在分块极限平衡法分析中，除认为各块体分别沿相应滑动面处于即将滑动的临界状态(极限平衡状态)外，并假定块体之间沿切割面BD也处于临界错动状态。当AB、BC和BD处于临界滑错状态时，各自应分别满足如下条件：,AB面BC面BD面,块体,块体,块体,块体,三、多平面滑动,边坡岩体的多平面滑动， 分为一般多平面滑动和 阶梯状滑动两个亚类。阶梯状滑动，破坏面由多个实际滑动面和受拉面组成，呈阶梯状，坡稳定性的计算思路与单平面滑动相同，即将滑动体的自重 (仅考虑重力作用时)分解为垂直滑动面的分量和平行滑动面的分量。,楔形体滑动的滑动面由两个倾向相反、且其交线倾向与坡面倾向相同、倾角小于边坡角的软弱结构面组成。,四、楔形体滑动,首先将滑体自重G分解为垂直交线BD的分量N和平行交线的分量(即滑动力Gsin)，然后将N投影到两个滑动面的法线方向，求得作用于滑动面上的法向力N1和N2，最后求得抗滑力及稳定性系数。可能滑动体的滑动力为Gsin，垂直交线的分量为NGcos。将Gcos投影到ABD和BCD面的法线方向上，得法向力N1、N2,稳定性系数计算的基本思路,边坡的稳定性系数,边坡的抗滑力,1.边坡岩层曲折分析,要点 当边坡坡面有顺向的岩层分布，而且岩层厚度不大时，如果沿着岩层有垂直节理切割，也就是使岩层成为长细柱体结构沿着坡面分布，在沿坡面倾向的重力分量作用下，导致岩层弯曲破坏。一般情况下，发生岩层曲折时，岩层的倾向与倾角皆与边坡的表面相同。,补充,边坡曲折的力学分析,用压杆失稳判断的欧拉公式，可近似确定岩层曲折的荷载：,如果将岩层简化为在坡顶处为铰接，在坡趾处为固接的力学模型(图b)。则由欧拉公式得：,注：如果岩层的倾角大于边坡的倾角，则折曲破坏不会这样发生,（1）,（2）,压杆的临界压力,代（2）入 （1）得：,忽略了对长柱体的侧向压力的作用，实际上，侧压力是能阻止此长柱体的曲折或起一部分的阻力作用。,有：,极限坡高Hcr,2.倾倒破坏岩坡稳定性分析,在不考虑岩体内聚力影响的情况下，当 及 时，岩块将发生倾倒；当 及 时，岩块将既会滑动又会倾倒。,根据破坏的形成过程，可将其细分为弯曲式倾倒、岩块式倾倒和岩块弯曲复合式倾倒（如图），以及因坡脚被侵蚀、开挖等而引起的次生倾倒等类型。,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,概念：陡坡上不稳定的岩土体在重力等作用下，突然向下崩落，在坡脚形成倒石堆的现象。,ok,3、崩塌,小湾电站左坝肩边坡高500m，6#山头发生10万m3崩塌,识 别,对于可能发生的崩塌体，主要根据坡体的地形、地貌和地质结构的特征进行识别。通常可能发生的坡体在宏观上有如下特征：,(1)坡度大于45度、且高差较大，或坡体成孤立山嘴，或凹形陡坡；(2)坡体内部裂隙发育，尤其垂直和平行斜坡延伸方向的陡裂隙发育或顺坡裂隙或软弱带发育，坡体上部已有拉张裂隙发育，并且切割坡体的裂隙、裂缝即将可能贯通，使之与母体(山体)形成了分离之势。,(3)坡体前部存在临空空间，或有崩塌物发育，这说明曾发生过崩塌，今后还可能再次发生。具备了上述特征的坡体，即是可能发生的崩塌体，尤其当上部拉张裂隙不断扩展、加宽，速度突增，小型坠落不断发生时，预示着崩塌很快就会发生，处于一触即发状态之中,挑战杯作品：危岩突发性崩塌应急安全警报系统与设备研发,采用三维应力采集器实时获取危岩崩塌的原始信息，即主控结构面端部的最大拉应力和剪应力，然后以有线方式传送至信号处理器，将获取的应力信号通过构建的危岩断裂稳定性计算方法计算危岩的稳定性，最后再结合危岩安全评价标准，实时判别危岩所处的安全状态，将危岩的安全状态最终以不同颜色灯光和鸣笛等显示的方式实时公布。,倾倒式崩塌,拉裂式崩塌,2,错断式崩塌,鼓胀式崩塌,思考题1、岩质边坡有那几种破坏类型，各有何特征？2、按经验不利于岩质边坡稳定的条件有那些？3、岩质边坡稳定性分析方法有那些？极限平衡法的原理是什么？,计算题1、在图中,坡高 滑面AC上的粘结力 ，内摩擦角 岩体容重 ，求此边坡的稳定系数 。,2、已探明某岩石边坡的滑面为AB,坡顶裂缝BC深 ，裂缝内水深 ，坡高 ，坡角 ，滑坡倾角 ，岩石容重 ，滑面粘聚力 ， 摩檫角 ，问此边坡稳定性系数,3、一岩质边坡坡角350，重度 ，岩层为顺坡，倾角与坡角相同，厚度t=0.63m，弹性模量E=350MPa，内摩擦角 ，则根据欧拉定理计算此岩坡的极限高度为多少？,