《矿山应用岩石力学》第八章露天开采边坡稳定性分析课件.ppt

矿山岩石力学,主讲：李俊平2013年10月,概况1您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。概况2您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。概况3您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后。,+,+,+,整体概况,第八章 露天开采边坡稳定性分析与控制 （6学时）,8.1 概述 掌握边坡破坏形式的分类8.2 影响边坡稳定性的主要因素 了解几种主要影响因素 一般设计程序，为什么边坡稳定=最终边坡角研究8.3 边坡稳定性分析方法(难点) 知道平面滑动分析法及楔体分析法，了解BISHOP、 SARMA法8.4 滑坡防治 知道露天矿边坡加固措施、滑坡防治原则及对监测仪器的一般要求,关键词：松动、蠕动、边坡稳定性系数,8.1 概述,简单边坡的概念与认识,基本概念,露天矿边坡构成要素认识,8.1 概述,非工作帮或最终边帮 AC底帮 、BF顶帮、走向两端称端帮工作帮 DF非工作帮坡面或最终帮坡面 AG、BH 最终帮坡面与水平面的夹角叫做最终帮坡角或最终边坡角 工作帮坡面 DE 工作帮坡角安全平台1 台阶高度的1/3 清扫平台2 间隔23安全平台，宽度由清扫设备决定运输平台4,基本概念（续）,8.1 概述,露天矿边坡与其它岩土工程边坡相比的特点,1）露天矿边坡的规模较大。边坡高度一般为200300m，最高可达500700m，边坡走向延伸可达数公里，因而边坡揭露地层多，边坡各部分的地质条件差异大，变化复杂。2）露天煤矿边坡容易发生顺层滑动，露天金属矿边坡多沿不连续面滑动。煤矿岩体主要是沉积岩，层理明显，岩石的强度较低。金属矿岩体主要是火成岩、变质岩，岩石强度较高，但断层、节理发育。3）露天矿边坡一般不维护。4）露天的边坡频繁受动荷载作用。同时随着采掘、运输及其它设备日益大型化，边坡台阶的负荷有日益增大的趋势。,5）露天边坡的服务期不一致。最终边坡由上至下逐渐形成，上部边坡服务期长，下部边坡服务期则相对较短。6）露天矿边坡的不同地段要求有不同的稳定程度。 研究露天矿边坡稳定性时，应考虑上述特点。,8.1 概述,边坡工程对国民经济建设的影响,Hctg,如果坡角从2 = 350-1 = 360，对深度400m的矿坑，每公里长的坡段可减少剥离量4.15 Mm3；如果坑深为 100 m，则剥离量减少0.26Mm3,Q=LH2(ctg2-ctg1)/2,边坡工程对铁路、公路、水利建设等工程的影响，也有类似效应,露天边坡稳定性问题实质是确定合理的边坡角？爆破震动测试？,8.1 概述,露天矿边坡变形形式,8.1 概述,1）松动： 边坡形成的初始阶段，坡体部位往往出现一系列与坡面近于平行的陡倾角张开裂隙，被这种裂隙切割的岩体便向临空方向松开、移动，这种过程和现象称为松动，它是一种斜坡卸荷回弹的过程和现象,2）蠕动： 边坡岩体在自重应力为主的坡体应力长期作用下，向临空方向缓慢而持续的变形，称为边坡蠕动 表层蠕动 、深层蠕动,*滑坡变形：初始蠕变、等速蠕变、加速蠕变,露天矿边坡的破坏形式,8.1 概述,崩塌 倾倒 滑坡,岩块流动 折曲,特殊岩体结构：,平面滑坡 楔形滑坡 圆弧滑动,露天矿边坡设计研究工作的一般程序是：1）初步估计 无论是新建或扩建矿山，在现场初步调查之后，就应该对给定矿山的边坡问题有一个初步估计，以便解决所需要收集资料的内容，甚至还需提供一个粗略的边坡角；2）收集资料 主要收集四方面的资料，即地质结构面的测量数据，岩体强度的测定数据，地下水资料，地震资料（包括天然地震和爆破地震）；3）资料分析 包括地质结构面的分析，岩石及岩体强度测定数据分析，边坡可能破坏模式的分析以及敏感度分析（即评价影响边坡稳定性诸因素中各个因素对边坡稳定性影响的程度）。4）露天边坡设计 这包括对边坡可能发生滑坡的地段进行稳定性分析，得出整个露天矿既安全又经济合理的边坡组成，以及提出需要采取哪些措施以保持边坡的稳定，确定是否需要安设仪器以监测可能滑坡地段的岩体变形。最后必须指出，露天矿边坡稳定性的研究工作不可能一次性完成，而应贯穿于露天矿勘探、设计与生产的全过程。,8.1 概述,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,影响露天矿边坡稳定的因素较多，其中岩体的岩石组成、岩体构造和地下水是最主要的因素，此外，爆破和地震、边坡形状等也有一定影响。现将其主要影响因素介绍如下： 1）岩 性 岩石的矿物成分和结构构造对岩石的工程地质性质起主要作用，通常，强度高的岩石边坡稳定性也高，片理、层理发育的岩石边坡稳定性相对较差。,2）岩体结构 边坡岩体的破坏主要受岩体中不连续面（结构面）的控制。影响边坡稳定的岩体结构因素主要包括下列几方面：结构面的倾向和倾角 一般来说，同向缓倾边坡（结构面倾向和边坡坡面倾向一致， 倾角小于坡角）的稳定性较反向坡差。同向缓倾坡中，岩层倾角愈陡，稳定性愈差；水平岩层稳定性较好。 结构面的走向 当倾向不利的结构面走向和坡面平行时，整个坡面都具有临空自由滑动的条件，对边坡的稳定不利。结构面走向与坡面走向夹角愈大，对边坡的稳定愈有利。,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,结构面的组数和数量 当边坡受多组相交的结构面切割时，整个边坡岩体自由变形的余地大，切割面、滑动面和临空面多，易于形成滑动的块体，且为地下水活动提供了较好的条件，对边坡稳定不利。其次，结构面的数量直接影响到被切割的岩块的大小，它不仅影响边坡的稳定性，也影响边坡变形破坏的形式。岩体严重破碎的边坡，甚至会出现圆弧形滑动破坏。 结构面的不连续性 在边坡稳定计算中，通常假定结构面是连续的，实际并非如此。因此，在解决实际工程问题时，认真研究结构面的不连续性，具有现实意义。,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,结构面的起伏差和表面性质 结构面光滑程度对结构面力学性质的影响：1）上覆压力不大，既要克服面上的摩擦阻力，还必须克服因表面起伏所带来的爬坡角的阻力；2）结构面上正应力过大，在滑动过程中不允许因爬坡而产生隆胀时，则滑动就必须剪断结构面上互相咬合的起伏岩石；3）结构面上充填的软弱物质的厚度大于起伏差高度时，就应当以软弱充填物的抗剪强度为计算依据。,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,3）地下水 露天矿的滑坡多发生在雨季或解冻期间， “大雨大滑，小雨小滑、无雨不滑” 地下水对边坡稳定性的影响的三表现：静水压力和浮托力 地下水赋存于岩石裂隙中时，水对裂隙两壁产生静水压力,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,由于边坡岩体位移而产生的张裂隙充水时，沿裂隙壁产生的静水压力为： 静水压力作用方向垂直于裂隙壁，作用点在Zw的下三分之一处当张裂隙中的水沿破坏面继续向下流动，流至坡脚逸出坡面时，沿AB面的总浮托力,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,静水压力边坡破坏的推动力,此力和沿AB面作用的正应力方向相反，抵消一部分正应力的作用，从而减小了沿该面的摩擦力，对边坡稳定不利。有利的一面是减小下滑力 当岩体比较破碎，地下水在岩体中比较均匀地渗透，并形成如图所示的统一的潜水面；当滑动面为平面时，作用于滑面上的浮托力可用滑面下所画的三角形水压分布来表示。,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,动水压力（或渗透力）当地下水在土体或碎裂岩体中流动时，受到土颗粒或岩石碎块的阻力，水要流动就得对它们施加作用力以克服它们对水的阻力，这种作用力称为动水压力或渗透力。动水压力D作用方向与渗透方向一致：D =nWI Vw 动水压力是一种体积力，其方向与水流方向一致。在计算土边坡和散体结构的岩石边坡时，要考虑动水压力的作用,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,水对某些岩石的软化作用 某些粘土质岩石浸水后发生软化作用，岩石强度显著降低，如含有大量蒙脱石粘土矿物岩体或边坡中的泥质软弱夹层等。对于主要是由坚硬的岩浆岩、变质岩构成的边坡岩体，水的软化作用一般不显著，但要特别注意水对这些岩石破碎带中充填物的软化作用。 总结，P360倒数第二自然段,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,4）爆破震动 露天矿爆破产生的地震波，给潜在破坏面施以额外的动应力，可使岩石节理面张开，甚至使岩石破碎，促使边坡破坏。 专门研究表明，爆破震动对岩体造成的损害取决于岩体质点振动速度的大小。质点振动速度的影响可用下列临界速度估计： 25.4cm/s完整岩体不破坏 25.461cm/s岩体出现少量剥落 61254cm/s发牛强烈拉伸和径向裂隙 254cm/s岩体完全破碎,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,对于爆破造成的岩体质点振动速度，目前研究尚不充分，通常采用下列经验公式确定：利用上述公式计算v值时，必须先通过爆破试验确定系数K和。在边坡稳定性计算时，一般不直接引用v值，而要将其转换为振动力。转换的程序是取爆破地震的实测图谱，把爆破波的主振相作为正弦波处理，根据谐振公式求出爆破地震造成的质点加速度：,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,分析边坡稳定性，为了安全起见，将上式计算所得的a值视为水平加速度，即F= KaW，Ka=a/g 式中F为指向矿坑的水平振动力，W为滑体重力，g为重力加速度。考虑到爆破震动频率高和作用时间短，在边坡稳定分析中，一般还要将此动荷载通过下式转变为等效静荷载P，即：天然地震和爆破振 (震)动同样地对待。也会给边坡稳定造成危害。,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,能综合考虑爆破振动的频谱结构、幅值和相位角效应揭示动力稳定安全系数对频率的依赖性,允许加速度峰值与振动主频关系曲线,爆破振动作用下边坡的潜在滑动模式,爆破振动时程曲线,基于时程分析的高边坡爆破振动动力稳定性分析方法,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,应用基于时程分析的高边坡爆破振动动力稳定性分析方法，使综合考虑爆破振动的频谱结构、幅值和相位角效应，揭示动力稳定安全系数对频率的依赖性成为可能。,5）其他因素 边坡几何形状 当凹边坡的曲率半径小于边坡的高度时，边坡角可以比常规分析建议的角度陡100，凸边坡的角度应缓100。 风化作用 风化作用可使边坡岩体随时间推移不断产生破坏而失稳。人为因素 在边坡上堆积废石和设备以及建筑房屋等，增加了岩体的下滑力；或挖掘坡脚，减小了岩体的抗滑力。,8.2 影响露天矿边坡稳定性的主要因素,8.3 边坡稳定性分析,边坡稳定性分析的任务：1) 验算已存在的边坡稳定性，以便决定是否需要采取边坡稳定防护措施，以及决定采取何种措施为宜； 2)设计新开露天矿的边坡角及边帮。,分析方法： 1）定性分析方法包括工程类比法和图解法（如赤平极射投影、实体比例投影、摩擦圆法等） 2）定量分析方法 主要有极限平衡法、块体理论、有限元、边界元、离散元等、FLAC-3D、非稳定渗流计算、可靠度分析方法 (如蒙特卡罗法、随机有限元法等）及其它方法（ 如模糊数学分析法、灰色理论分析法、 神经网络分析法、支持向量机分析法等）还处于研究发展阶段,8.3 边坡稳定性分析,（可不讲）还需要继续研究与探索的问题：高陡边坡稳定性自然演化规律、高边坡初始地应力场特征与反演分析、高地应力强卸荷条件下边坡岩体参数演化特征及取值方法、强降雨作用下高边坡岩体渗流特性与数值分析方法、高边坡应力变形数值分析方法、强震条件下高边坡变形破坏机理与失稳模式、复杂条件高边坡潜在滑裂面的搜索方法、边坡稳定性三维整体极限平衡分析方法、边坡岩体锚杆和锚索加固机理与优化设计、复杂条件高边坡安全监测系统与反馈分析、高边坡工程可靠度分析与风险控制、高边坡变形和稳定性预测预警与调控方法等,8.3 边坡稳定性分析,最成熟的方法之一极限平衡法的发展： Fellenius 法、 Bishop法、 Tayor 法、 Janbu法、Morgestern - Price法、 Spencer 法、 Sarma法、 楔形体法、 平面破坏计算法、 传递系数法、 Bake Garber 临界滑面法、刚体极限平衡法SLOPE2D和SLOPE3D(周创兵，陈益锋，2007)以及三维整体极限平衡分析法（ 周创兵，陈益锋，2009）等,8.3 边坡稳定性分析,极限平衡法的适用范围： 假设事先存在滑动面平面破坏，可以选择平面破坏计算法来计算；圆弧形破坏选择Fellenius法或Bishop法来计算；复合破坏滑动面采用Janbu法、Morgestern-Price法或Snencer法来计算；对于折线形破坏采用传递系数法、Janbu法等；对于楔形四面体采用楔形体法来计算；对于受岩体控制而产生的结构复杂的岩体滑坡可选择Sarma法等方法来计算；此外还可采用刚体极限平衡法或三维整体极限平衡法等对滑坡进行三维极限平衡分析；,8.3 边坡稳定性分析,极限平衡法的应用前提条件：滑动面上实际岩土提供的抗剪强度S与作用在滑面上的垂直应力。存在如下关系： S=c+tg 或 浮托力 S=c+(-u) tg P363-364稳定系数F，指沿最危险破坏面作用的最大抗滑力（或力矩）与下滑力（或力矩）的比值 F=抗滑力下滑力 二维（平面）极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。,8.3 边坡稳定性分析,极限平衡法的计算步骤：推测滑动面形状。在断面上绘制滑面形状，根据滑坡外形及滑坡中滑面深度、坍塌情况、破坏方式 (平面、圆弧、复合滑动等)，推测可能的滑动面形状。推定滑坡后裂缝及塌陷带的深度，分析其影响。对滑坡的滑体进行分块。分块的数目要根据滑坡的具体情况确定；条块垂直或不垂直条分，要根据计算方法和岩体结构确定。计算滑动面上的空隙水压力。空隙水压力可采用地下水监测等方法确定。采用合适的计算方法，计算稳定系数F。原则上应采取两种或两种以上的计算方法进行计算比较。,8.3 边坡稳定性分析,平面滑动计算应具备如下条件：滑动面及张裂隙的走向与坡面平行或近似平行（200）；滑面出露在坡面上，同时滑面的倾角大于该面的摩擦角；滑体两侧有割裂面，侧阻力很小，以致可以忽略不计。分两种计算情况： a）裂隙出露在坡顶面上，见左图；b）裂隙出露在坡面上，如右图。,8.3 边坡稳定性分析,假设条件：张裂隙是垂直的，深度为Z，其中充有高度为Zw的水柱；张力裂隙充水，而岩体不透水，水自垂直张裂隙渗入，流经滑面而从坡脚逸出，水压沿裂隙呈线性分布滑体重力W、沿滑动面渗流水的裂隙水压U（浮托力，该力在莫尔库仑准则里考虑）、张裂隙空隙水压力V、爆破地震附加力QA=KaW、滑动面上的法向力N等都作用在滑体中心，没有滑体转动力矩，仅仅只是沿滑面滑动，即滑体沿滑动面做刚体下滑；滑面的抗剪强度由凝聚力c和内摩擦角确定，并遵循莫尔库伦剪切定律，即=c+tg。设抗滑力为S。,8.3 边坡稳定性分析,计算分析 由滑线法向(N方向)力平衡，得到： N+QAsin-Wcos+V sin=0 (8.11) 由滑体下滑力与抗滑力平衡，有： QA cos+Wsin+V cos-S=0 (8.12) 由莫尔库伦破坏准则及安全系数的定义，有 S=cl+(N-U)tg/ F (8.13) 联立公式（8.11）（8.13）求解，得到：,8.3 边坡稳定性分析,式中，U =WZW(H-Z)csc/2；V =WZ2W/2；c为滑动面的粘结力；滑动面的内摩擦角；滑动面的倾角；l滑动面的长度，l=(H-Z)csc；W裂隙水容重；F稳定系数。,F=,cl+( Wcos-QAsin- V sin-U)tg,QA cos+Wsin+V cos,平面破坏计算法力学模型和计算公式简单，主要适用于均质砂性土、顺层岩质边坡以及沿基岩产生的平面破坏的稳定分析，但要求滑体做整体刚体运动；否则，则应该按力矩平衡进行计算,张裂缝的位置 可根据它在坡顶面或坡面上的可见迹线找到，其深度可以从边坡的精确断面图中确定。 坡顶或坡面有废石堆积时，坡面张裂缝的位置 张裂缝的临界深度Zc为： Zc=H1-(tgctg)1/2 a Zc相应的位置bc为： bc=H (ctgctg)1/2-ctg b,8.3 边坡稳定性分析,各种干边坡的张裂缝临界深度、临界位置计算图,如果b=0，即张裂缝正好出露在坡顶线(坡肩)，则张裂缝的临界深度为： Zc=H（1-tgctg） c,这时正好处于一种情况转变为另一种情况的过渡阶段,8.3 边坡稳定性分析,如果张裂缝是在大雨的作用下形成的，或者张裂缝位于先存的地质构造（如直立节理）上，则公式（a）、（b）不再适用。这时，若不知道张裂缝的位置和深度，唯一的合理办法就是假设它与坡顶线一致并充满水，即按公式（c）确定临界深度:,Zc=H（1-tgctg）,8.3 边坡稳定性分析,实例,张裂缝随充水增多，安全系数逐步减小；一旦水位Zw超过张裂缝深度Z的1/4左右，随裂缝深度的增加，安全系数减小到一定值后保持稳定，随着裂缝深度的继续增加，安全系数急剧减小；当b=0（张裂裂缝与边坡坡顶线重合）且充满水时，才得到最小的安全系数。,8.3 边坡稳定性分析,破坏面的临界倾角,当一个连贯的不连续面如层面在边坡中存在，并且这个面的倾角满足本节的平面破坏条件时，则边坡破坏就为此结构面所控制。但是，如果没有这样的结构面存在，而当破坏面系沿着较小的地质结构面发展并在某些地方穿过完整岩石时，按下述来确定破坏面的倾角。 假设坡面比较平缓，即450的软岩边坡或土质边坡，破坏面呈圆弧形在陡的岩质边坡中，破坏面几乎都为平面，该平面的倾角为 （干边坡无震动影响）,c=(+)/2,张裂缝中有水将使破坏面倾角减小10%。,8.3 边坡稳定性分析,楔体滑动计算,1）只考虑摩擦强度的楔体滑动分析,假定滑动面只有两摩擦角相等的摩擦强度，楔体沿组合交线下滑。只考虑岩体重力 ，则楔体滑动时下滑力为岩体重力W沿组合交线分力 Wsini，i 为交线倾角。 抗滑力为两滑动面法向反力RA、RB产生的摩擦力(RA+RB)tg。,安全系数 =(RA+RB)tg/(Wsini) 求RA、RB，将它们沿水平方向和垂直方向分解，有： RAsin(-/2)=RB sin(+/2) RAcos(-/2)-RB cos(+/2)= Wcosi,8.3 边坡稳定性分析,从上两式中解出RA和RB，并相加后得到： RA+RB=Wcosisin/ sin(/2)得到： = sin/sin(/2)tg/tgi =K tg/tgi 角度和可在赤平极射投影图上求得，它们分别为楔体的倾角和内角。,8.3 边坡稳定性分析,由以上分析可以看出，楔体滑动的安全系数可用平面滑动系数tg/tgi乘以K值表示，其中K称为楔体系数。楔体系数K与成反比。 当=1800就相当于平面滑动条件，此时K=1，=tg/tgi，因此平面滑动可视为楔体滑动的一个特例。 当越小，也就是楔体越尖，则RA+RB越大，因而K值也就越大。同时假定是倾向于较缓的A面量测，即1。K与楔体几何形态间的关系如图,8.3 边坡稳定性分析,8.3 边坡稳定性分析,2）考虑摩擦力、粘结力和水压的楔体分析（了解）,假定楔体本身不透水，水从楔体顶部沿交线 3 和4 流入，再沿 1 、2 从边坡面流出。合成的水压分布如左图，最大压力沿交线5 分布，沿交线 1、2、3和4 的压力等于零。代表发生在大雨时的极端条件,这种条件下边坡稳定性系数的计算公式为：=3(CAX+CBY)/H +A-wX/(2) tgA +B-wY/(2) tgB,更复杂的空间块体，借助发展的DDA程序,8.3 边坡稳定性分析,圆弧形滑动-土边坡,土坡滑动的滑面多呈圆弧（圆柱）形，露天矿的废石堆和尾矿坝也多呈圆弧形破坏，在强风化或非常破碎的岩体中，边坡破坏面也近于圆弧形。圆弧形滑动的分析与计算，一般分为两步进行。首先要确定危险滑动面的位置，然后将滑动面上的岩体划分为若干垂直条块，进行受力分析。 1）危险滑动面位置的确定对于直接由边坡体内的软弱结构面控制的滑面，可由工程地质的方法确定其位置和形状；而对于无软弱结构面控制或部分受软弱结构面控制的边坡滑面，其最危险滑动面的确定就成为必须解决的问题,8.3 边坡稳定性分析,寻找最危险滑面，实际上是找出安全系数最小(最容易发生滑坡)的那个滑面，即找出安全系数函数F(Xi)的最小值。其中Xi是N维向量，控制着第i个滑面的几何形状和位置 一般采用非线性优化求解方法，如0.618法、最优梯度法、单纯形法等 王恭先提出先从地貌形态上划分滑坡的条块和级数，再从坡体构造和结构上划分滑坡的条块和级、层，然后从各条块的变形行迹和作用因素的分析上判定大型复杂滑坡的条块、级、层，并将坡体结构划分为六大类18个亚类,海石弯煤矿滑坡,8.3 边坡稳定性分析,8.3 边坡稳定性分析,坡体结构类型与滑坡的破坏模式,8.3 边坡稳定性分析,应用计算机和数值模拟技术，基于边坡变形机理和滑动模式，采用关键快理论和极限分析方法等对局部块体稳定性进行预测预报，采用基于残留储能释放的反馈分析方法，可实现边坡开挖变形和整体稳定性动态反馈与预测预警,8.3 边坡稳定性分析,）稳定系数（安全系数）极限值FS的确定不同性质工程对边坡安全性有不同的要求，其稳定系数FS就有不同取值，建议值多在1.051.5范围内 E.Hock和J.W.Bary认为，在大部分采矿条件下，短期保持稳定的边坡FS值取1.3，较永久的边坡取1.5。I.K.Lee等认为，边坡常用FS取值范围是1.21.3。G.S.G.dnev等提出，公路工程边坡设计FS一般为1.251.5。T.W.Lambe和R.V.Whitman认为，对均质土坡良好试验并估算了空隙水压力后至少取1.5，对裂隙粘土和非均质土坡必须更加慎重 我国岩体工程勘察规范规定： a）新设计的边坡，对一级FS取1.31.5，二级取1.151.3，三级为1.051.15；b）验算已有边坡的稳定性时取1.101.25。当需对边坡加载、增大坡角或开挖坡角时，应按新设计的边坡选用,8.3 边坡稳定性分析,3)圆弧滑动的分析计算 不考虑分条间作用力圆弧滑动的计算，一般采用条块法。即将滑动面上的岩体划分为若干垂直条块，然后对每个条块逐一按平面滑动法计算，并求和计算，即： 式中，i为通过条块重心的垂线与底边法线的夹角；li条块底边长度；ci 条块滑动面上的凝聚力；V 边坡上部张裂隙中的静水压力；Ui 条块承受的地下水浮托力；i 条块滑动面的摩擦角；Ka条块所受爆破振动的质点加速度 a与重力加速度 g的比值；而且=i/m, =i/m，m划分成垂直条块数目。,8.3 边坡稳定性分析,4)考虑分条间相互作用力举例简化Bishop法 *分块的重量i；作用在分块上的地面荷载Q I ；作用在分块上的水平作用力（如地震力）Q Ai；条间作用力的水平分量X I ；条间作用力的垂直分量Y I ；条块底面的抗剪力(抗滑力)Si；条块底面的法向力N i 。条块垂直方向Y =0 ，得 i-N i cosi+Y i-Y i+1-Si sini +Q i=0 莫尔库伦破坏准则和安全系数的定义，得 S i =c i l i +(N i -u i l i)tgi/ F 由滑体绕圆弧中心O点的力矩平衡Mo=0，得： (i+Q i)R sini -S i R+Q Ai R cosi =0,8.3 边坡稳定性分析,联立求解，并令b i = l i cosi，可得稳定性系数F为：用简化Bishop法时，令(Y i-Y i+1)tgi=0，则 式中，F 为稳定系数；ui 为作用在分块滑面上的空隙水压力(应力)；l i为第i块滑面长度(li =cosi/b i）；bi 为岩土条分块宽度；i为分块滑面相对于水平面的夹角；ci为滑体分块滑动面上的粘结力；i为滑面岩土的内摩擦角；R为圆弧形滑面的半径；i为分析条块序数（i=1，2，n），n为分块数。,8.3 边坡稳定性分析,Bishop法稳定性系数的计算考虑了条块间作用力，是对Fellenius法的改进，计算较准确，但要采用迭代法分割条块时要求垂直条分。此法适用于均质粘性及碎石堆土等斜坡形成的圆弧形或近似圆弧形滑动滑坡。当i=cosi+tgisini/F0.2时计算误差较小，当i0.2时计算误差大。,5)考虑分条间相互作用力举例Sarma法* 分块重量i; 构造水平力Ki; 块体侧面上空隙水压力 PW i、 PW i+1；块体底面上水压力 Ui ；块体侧面上总法向力E I 、Ei+1 ； 块体侧面上总剪切力X I 、Xi+1 ； 块体底面抗剪力（抗滑力） Si ；块体底面上的法向力N i 。由块体x方向的平衡方程X =0，得 Sicosi-N isini+X isini-X i+1sini+1-Ki+E icosi-E i+1cosi+1=0 由块体y方向的平衡方程Y=0，得 Sisini-N icosi-i+X icosi-X i+1cosi+1+E isini-E i+1sini+1=0 由莫尔库伦破坏准则和安全系数的定义，得 S i =c bi l i -(N i -U i )tgbi/F,8.3 边坡稳定性分析,及分块侧面上，有 X i =csi d i -(E i -P W i )tgsi/F X i+1=csi+1 d i+1-(E i+1-P W i+1)tgsi +1/F 联立消去S i、X i、X i+1、Ni，得到： E i+1=a i+ E i ei-P iK 递推，有En+1=an+Enen-P nK = an+en(an-1+En-1en-1-Pn-1K)-P nK = (an+an-1en)-(Pn-1en+P n)K+En-1enen-1 = (an+an-1en+ an-2enen-1) -( P n+Pn-1en+Pn-2enen-1)K+En-1enen-1+En-2enen-1 en-2 = (an+an-1en+ an-2enen-1 + a1enen-1e3e2) - (P n+Pn-1en+Pn-2enen-1+ P1enen-1e3e2)K + E1enen-1 en-2e2e1,8.3 边坡稳定性分析,由边界条件E n+1= E1=0，得,F=,an+an-1en+ an-2enen-1+ a1enen-1e3e2,P n+Pn-1en+Pn-2enen-1+ P1enen-1e3e2,（a）,计算稳定系数时，首先假设稳定系数F，用（a）式求解KC ，此时的KC即极限水平加速度。（a）式的物理意义是：使岩体达到极限平衡状态，必须在滑体上施加一个临界水平加速度KC ；KC为正时方向向坡外；KC为负时方向向坡内。计算中一般假定有一个水平加速度为KC的水平外力作用，求其稳定系数F，此时要采用改变F值的方法，即初定一F=F0，计算K，比较K与K0是否接近精度要求。若不满足，要改变F值的大小，直到满足K-K0。此时的F值即为稳定系数。Sarrna法特点：用极限加速度系数KC来描述边坡稳定程度，它可以用于评价各种破坏模式下边坡稳定性，诸如平面破坏、楔体破坏、圆弧面破坏和非圆弧面破坏等，而且条块分条是任意的，无需条块边界垂直，从而可以分析各种特殊边坡破坏模式的稳定性。Sarrna法计算比较复杂，要用迭代法计算。,8.3 边坡稳定性分析,6）三维整体极限平衡分析方法 为了提高计算精度，克服分条迭代计算的繁琐性、不方便性， 2009 年周创兵和陈益锋提出了边坡三维整体极限平衡分析方法。该方法无需对整个滑体进行条分，直接分片三角形线性插值构造滑面法向应力，严格满足三个力的平衡和三个力矩平衡。该方法数值收敛特性好。其力学平衡方程式为：,8.3 边坡稳定性分析,国内外岩质边坡稳定性研究的常用方法,8.3 边坡稳定性分析总结计算方法,国内外岩质边坡稳定性研究的新方法,近10年逐步发展成熟的方法,三维弹塑性有限元法,53o最终边坡角,8.3 边坡稳定性分析总结计算方法,国内外岩质边坡稳定性研究的新方法,近10年逐步发展成熟的方法,拉格朗日三维有限差分法FLAC-3D,50O最终边坡,54O最终边坡,8.3 边坡稳定性分析总结计算方法,8.4 滑坡的防治,滑坡防治方法分类,按其力学作用特征分为三类： 减小下滑力增大抗滑力的方法，如削坡减载、减重压脚；增大边坡岩体强度的方法，如滑坡面麻面爆破、压力灌浆、滑坡中用巷道或钻孔疏干、焙烧；用人工建筑物加固不稳定边坡的方法，如挡墙及护坡、抗滑桩、坡面植被、滑动面上开挖浇筑抗滑键或栓塞、锚杆和锚索加固、土工布和土工网护坡、地面排水及地面铺盖防渗,根据影响滑坡失稳的因素，归纳滑坡治理与加固方法，也可分成直接加固、间接加固和特殊加固三类。a）直接加固方法，如：挡墙及护坡、抗滑桩、坡面植被、滑动面上开挖浇筑抗滑键或栓塞、锚杆和锚索加固、土工布和土工网护坡。b）间接加固方法，如：滑坡中用巷道或钻孔疏干、地面排水及地面铺盖防渗、削坡减载。c）特殊加固方法，如：麻面爆破、压力灌浆。,按照边坡设计与治理的整个防治过程，我国将滑坡治理分为绕避、排水、力学平衡和滑带改良四大类，见下表,8.4 滑坡的防治,滑坡防治的工程方法,从滑坡防治措施上我国与国外发达国家没有大的区别。 在滑坡防治中大量应用挖孔钢筋混凝土抗滑桩及锚索抗滑桩，其基本形式如下图，抗滑桩安置的位置很重要。 如果桩位设置在靠近滑坡体前缘，桩位偏低，滑体容易从桩顶滑出；桩位靠近滑坡体后缘，桩位偏高，桩下侧可能出现新的张裂隙。抗滑桩最合适位置应设置在滑体中部偏下的位置，以保证桩下岩体能提供足够的抗力。,8.4 滑坡的防治,选用滑坡防治工程的考虑顺序是：截集并排除流入滑坡区地下水；采取疏干措施降低地下水位；采取削坡减载或反压坡角等工程措施；采用人工加固工程 滑坡防治原则 1）正确认识滑坡的原则；2）预防为主的原则；3）一次根治，不留后患的原则；4）全面规划，分期治理的原则；5）治早、治小的原则；6）综合治理的原则；7）技术可行经济合理的原则；8）科学施工的原则；9）动态设计，信息化施工的原则。例如，下图列举了一种信息化动态设计流程；10）加强防滑工程维修保养的原则。,8.4 滑坡的防治,8.4 滑坡的防治,边坡信息化动态设计流程图,露天矿预防爆破震动危害的措施：用控制爆破穿爆1）减少每次延发爆破炸药量到最小限度；2）靠近最终边坡面附近采用预裂爆破； 3）预裂爆破与正常生产爆破间采用缓冲爆破。减少每次延发爆破的炸药量，使爆破冲击波的振幅保持在最小范围内。延发爆破最优炸药量、最优延发系统应根据矿山条件和其爆破振动测试确定。预裂爆破是当前国内外露天矿山用以改善最终边坡状况的最好办法。它是指在最终边坡沿线先钻一排倾斜小直径钻孔，并在生产爆破前起爆，形成破碎槽，反射生产爆破引起的冲击波，从而保护最终边坡面免受破坏。一般孔径D=63.5 127mm，孔间距按经验取d1=1020D。预裂孔的装药直径为孔径的一半，装药长度仅为孔深的一半。缓冲爆破(孔间距d2)指布置在预裂爆破和生产爆破(孔间距d3)带间的一排炮孔， d1 d2 d3 ，以便吸收生产区爆破的冲击波，进一步减弱通过预裂爆破带传至边坡面的冲击波。,8.4 滑坡的防治,如何开展滑坡监测：在滑坡整治前配合地面调查和勘探工作，收集各种地质、力学资料，为整治设计提供依据。研究影响滑坡的主要因素。如斜坡坡脚开挖、河水冲刷或坡体上部超载对滑带应力状态的影响；地下水和地表水对滑坡的产生和发展的影响；水库或渠道蓄水和放水对滑坡稳定性的影响等。研究抗滑构筑物的受力状态。研究滑坡的预报方法。在整治过程中，监视滑坡的发展变化情况，预测发展动向，作出危险预报，以防止事故发生。整治工程完成后，通过一定时期的延续观测，了解滑坡发展趋势，判断其是否逐渐稳定及其趋势，并评价工程的整治效果。必要时可采取追加工程，以补先期设计之不足。,8.4 滑坡的防治,对滑坡变形监测仪器一般有如下几点要求： 1）具有长期的稳定性；2）具有足够的量程；3）具有合适的精度；4）简单、方便；5）坚固耐用，具有防腐蚀、防潮、防震性能；6）价格便宜，便于推广应用。滑坡稳定性观测方法主要有：1）三角测量及精密水准测量(位移观测网)；2）滑坡记录仪观测(变形、裂缝观测制动记录)；3）裂缝观测(地面裂缝、建筑物裂缝)；4）探硐观测(深部位移、滑移带)；5）声发射监测。,8.4 滑坡的防治,滑坡观测可以达到的目的1）绘制滑坡位移图，确定主轴方向；2）确定滑坡周界；3）确定滑坡各部分变形的速度；4）确定滑坡受力的性质；5）判断滑动面的形状；6）确定滑坡移动与时间的关系；7）绘制滑坡移动的平面图和纵断面图；8）确定地表的下沉或上升；9）估算滑体厚度；10）滑坡平衡计算。,8.4 滑坡的防治,滑坡预测的基本内容：可能发生滑坡的区域、地段和地点；区域内可能发生滑坡的基本类型、规模、特别是运动方式、滑动速度和可能造成的危害。依据研究区域的范围和目的的不同，可以把预测大致划分为三大类：区域性预测、地区性预测、场地预测 预测方法分类：因子叠加法、综合指标法,8.4 滑坡的防治,提问与解答环节Questions and answers,结束语CONCLUSION感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边，来自于您的声音是对我们最大的鼓励和帮助，大家在填写评估表的同时，也预祝各位步步高升，真心期待着再次相会！,谢谢聆听THANK YOU FOR LISTENING演讲者：XX 时间：202X.XX.XX,