地基岩体稳定性的工程地质研究.ppt
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1、第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,主要内容:一、基本概念及研究意义二、地基岩体内的应力分布特征三、地基岩体的变形与破坏四、坝基(肩)岩体稳定性的工程地质评价五、改善坝基稳定性的措施,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,一、基本概念及研究意义直接承受上部建筑物荷载作用的那部分土体或岩体称为地基。根据承载的特点,通常可将地基分为两种类型,即:(1)承受垂直荷载的地基,一般工业民用建筑物的地基就属于这种类型;(2)承受斜向荷载(同时承受垂直荷载与水平荷载)的地基,各类挡水建筑物如闸、坝等的地基属此类。承受垂直荷载的地基,大多都是“软基”,这类地基的变形、破坏机制和稳定性评价原理是土力学课程讨论
2、的内容。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,从世界上坝的破坏情况来看,原因是多种多样的。地质方面的原因造成的破坏事故约占30一40%。其中,从具体的破坏原因和形式来看,又可详分如下类型:(1)由于坝基的强度较低,运行期间又遭到进一步恶化所造成的破坏。如美国的奥斯汀坝,坝基为岩溶化石灰岩,裂隙发育并有断层,建成后就产生裂缝,8年后倒塌。原因是强度因渗流而进一步降低,在坝的压力和溢出水流的冲刷下坝基破坏。(2)由于坝基(肩)的抗滑稳定性较低,运行期间又遭到进一步恶化所造成的滑动破坏。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝或堆石坝坝基和坝坡的坍滑
3、。(4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走,使坝基被掏空而造成的破坏。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(5)由于坝肩岩体的稳定性较低,运行期间空隙水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破坏。如安徽梅山水库大坝的事故就是这样造成的。(6)坝下游岩体被冲刷(溢流冲刷)掏空,也可造成大坝的破坏。(7)由地震和水库地震所造成的破坏或损害。由地震直接导致的大坝彻底破坏的事例不多,如1925年美国米费里德坝。水库诱发地震使大坝受损如印度的科因纳坝、希腊的科列马斯塔坝和我国的新丰江坝等。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,二、地基岩体内的应力分布特征(一)垂直荷载作用下地基内应
4、力分布地基内应力分布取决于荷载特点及地基岩体的结构特征。1均质地基内应力等值线是以基础底边为弦的圆弧(a)。2层状地基内应力分布具有明显的各向异性(b、c):(1)分割岩体的软弱结构面如层面、节理等,由于抗剪强度低,限制着应力向两侧传递、扩展,致使附加应力在所限岩体内集中。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(2)层状结构地基岩体内应力分布与软弱结构面的产状关系密切:软弱结构面直立时,应力集中程度最高,影响深度最大(a);倾斜时,产生两个高值最大主应力方向(b):一个顺着结构面方向(应力集中程度较高),另一个垂直结构面方向(应力集中程度次之);近水平时,应力集中程度相对较低(c)。,第五章
5、 地基岩体稳定性的工程地质研究,3碎裂地基内应力分布与基础刚度、块体间缝隙的充填胶结情况、块体堆砌的紧密程度以及受力状况等密切相关。应力分布的主要特点是:(1)块体间不充填、地基不预压、基础柔性大时,基础中心线上产生极高的应力集中,在地基上部较大范围内可出现垂直应力大于表面荷载强度的情况。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(2)基础刚度加强时,可使应力集中线移至基础两侧近边缘处,垂直应力等值线转变为驼峰型。(3)块体间隙的充填胶结时,地基内应力集中程度将降低,使地基范围内不出现垂直应力高于表面荷载强度的区域。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(二)斜向荷载作用下地基内应力分布各类挡
6、水建筑物的地基。为垂向与水平方向荷载的合成。坝基所受垂向荷载呈三角形分布(a),在上游坝踵处垂直荷载为0,然后线性增大,至下游坝趾处达到最大。这是坝踵与库水推力所造成的力偶共同作用的结果。坝基所受的水平荷载,是库水推力作用在坝体上,然后通过坝底面摩擦力而传至坝基,也呈三角形分布(b)。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,由弹性理论可分别得坝基在垂向(a)和水平(b)荷载作用下内部水平附加应力分布以及合成后的水平附加应力分布(c)。可以看出,在坝上游面附近的坝基上部,存在一个水平拉应力分布区,该水平拉应力区的存在对坝基的变形、破坏发展有很大的影响。,拉应力,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研
7、究,三、坝基岩体的变形与破坏(一)松软土地基的变形与破坏1垂直荷载作用下松软土坝基的变形与破坏如前所述,在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇到像因结水库土坝那样的坝坡坍滑问题。根据实地观察,坝坡坍滑通常有两种类型。一种是滑动的速度相对比较缓慢,所涉及的地基滑动部分的范围相对较小。另一种类型是坍滑的速度很快,坍滑所涉及的地基的范围可以很大,例如美国一个高仅9m的土堤,在不到一分钟的时间内300m长的堤顶下陷了45m,坍滑所涉及的地基土水平方向的范围扩展到距堤脚约45m的地方。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,第一类坍滑一般是发生在地基土层中存在有饱水的塑性软粘上或淤泥夹层的情况下图1114(a
8、),而且地基土的滑动面都是通过这一软黏土层的中部;第二类坍滑通常发生在地基土层中发育有软黏土,且其中部夹有砂或粉砂之类的薄层或透镜体如图lI一14(b),滑动面就通过这种部位。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,显然,坝坊坍滑问题取决于促使坝坡滑动的力与阻止其滑动的力之间的对比。当阻滑力大于滑动力时坝坡将是稳定的,否则就会发生滑动。从左图中可以看出,作用在滑动面ab上的滑动力,等于作用在坝坡上下两端截面aa1和bb1上的土压力的差值,即:P滑PaPb,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,由土力学中得知,Pa相当于主动土压力,可根据下式求得:Pb相当于被动土压力,可按下式求之:式中:土的容
9、重;c、坝体土石的内聚力与内摩擦角;其它符号见图1115。可见,P滑的大小除与土的c、值有关外,主要取决于坝体的高度。通常随着坝高的增加而增大。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,作用在ab面上的抗滑力S为:S=(Qx-Pw)tan+c Lx式中:Qx作用在ab面上的坝体重量,为一变量,随坝体加高而增大;Pwab面处的超空隙水压力;c、滑动面上土石的内聚力和内摩擦力;Lx ab段的长度,为一变量,随坝体加高、加宽而增大。可见,抗滑力S的大小,一方面与滑动面的c、有关,另一方面则取代于Qx-Pw(即有效压力)的大小。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,第一类坍滑产生的机制:在施工过程中,
10、随着坝体的增高软粘土层的上下边缘部分的超空隙水压力不断减小,有效压力(Qx-Pw)相应的不断增大。而高塑性软粘土的透水性很低,排水缓慢,以致粘土层中间部分在施工后期,甚至竣工以后一段时间之内,还能保持很高甚至接近于附加压力的超空隙水压力,因此(Qx-Pw)很小甚至接近于零。这样,施工期内软粘土层中间部分(ab面上)的抗滑力S1c Lx,即随坝体加高而成直线性的缓慢增大(左图)。与此同时,滑动力P滑却随坝体的增高而加速的增大。当P滑与S1相交时,坝基即将发生局部滑动并引起坝坡的坍滑(左图)。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,第二类坍滑机理:在坝体堆砌过程中ab面上的滑动力P滑与抗滑力S2的
11、变化见左图。抗滑力S2之所以不断减小,是因为随着地表荷载的增大,软粘土层中的水不仅要通过其顶底面向上下砂土层中排出,而且也要不断的流向中部底薄砂层,致使薄砂层中的空隙水压力不断增大,有效压力(Qx-Pw)不断减小,当Pw增大至接近Qx时,有效压力变得很小甚至趋近于零。由于砂土的c=0,所以此时ab面上砂土的抗滑力S20。这类坍滑通常时在抗滑力很低的情况下发生的,故坍滑的速度一般较大。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时,由于空隙水能很快的排出,超空隙水压力的消散很迅速,故有效压力能在很短的时间增大至附加压力值,使S3=Qx tan。因此,在施工期间,
12、地基内的抗滑力S3将随着坝体的增高而直线性地迅速增大。左图中S3和P滑曲线关系表明,砂质土地基的抗坍滑的能力很大,足以支持很高的坝体而不发生坍滑。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,由上述可见,地基中存在有饱水且透水性小的土层,如塑性软粘土或淤泥等,特别是当其中夹有沙或粉砂的薄层或透镜体时,地基的抗坍滑能力通常是很低的,在设计土坝或堆石坝时必须充分注意这个问题。当遇到这种情况时,为了保证坝坡的稳定,可采取如下措施:(1)当这类土层埋藏较浅时,最好将这类土层挖除,然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上。(2)当这类土层埋藏较深而无法挖除时,可采取相应的排水措施,以便较快的减少该层中的超空隙水压
13、力;(3)在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进度的方法,使土层预先沉陷或逐渐排水压实,以提高地基的抗滑能力。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2倾斜荷载作用下松软土地基的滑动当作用在松软坝基上的斜向荷载增大到一定的临界值之后,地基土即将沿着一定的深部弧形面发生滑动破坏。有关这类弧形滑动破坏的极限荷载条件,已在土力学课程中进行过详细讨论,通常可用.叶甫道基莫夫的图解法或B.B.索科洛夫斯基的理论公式加以计算。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,但是,当这类挡水结构物作用在此种地基上的垂直荷载小于地基的临塑荷载(即按塑性区最大深度Zmax=0求出的荷载)时,如果建筑物在库水水平推力的作
14、用下发生滑动,则只能是沿基础底面的表层滑动。此时,其抗滑稳定性可按下式验算:Pv作用地基表面的垂直总荷载(t);PH作用在挡水建筑物上的水平总荷载(t);f、c分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力;A基础底面的面积;Kc安全系数。一般认为Kc=45时是稳定的。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(二)岩石坝基的变形及其对大坝稳定性的影响坚硬岩石上的坝基沉陷量的绝对值研究意义不大,而刚性的坝基对不均匀变形非常敏感。造成岩石地基的不均匀变形的因素:(1)岩石地基内应力分布不均匀。如坝基内存在结构面、坝基所受荷载不均匀、坝体刚度大等引起。(2)地基不同部分岩体的变形性质存在差异。一是坝体砌置于
15、软硬差别较大的岩体上;二是坝基内开口裂隙发育不均匀。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(三)岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定性问题1岩石坝基滑动破坏形式、特点及发生条件(1)表面滑动沿混凝土基础与基岩接触面产生的剪切滑动。发生于坝基岩体强度远大于坝体混凝土强度,且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面的条件下。对于此种情况,混凝土基础与基岩接触面上摩擦系数值是控制重力坝设计的主要指标。要求坝体有足够的重量,以使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总的水平推力。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(2)浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土强度时,剪切破坏往往发生于浅层岩体内,形成浅层滑
16、动。有三种主要类型:(a)坝基岩体软弱,岩石本身强度低于坝体混凝土与基岩接触面,在库水推力作用下沿表层岩体内部发生剪切破坏。(b)坝基由近水平的薄层岩层组成,在库水推力作用下发生滑移弯曲。(c)坝基为碎裂岩体构成,在库水推力作用下发生剪切滑移。,a,b,c,滑动条件:(a)(b),第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,(3)深层滑动在工程应力条件下岩体的深层滑动主要沿已有的软弱结构面发生,因此,只有当坝基内部存在弱弱结构面,且按一定组合能构成危险滑移体时,才有发生深层滑动的可能。能构成危险滑移体的结构面分为滑移控制面和切割面,它们与一定的临空面组合就构成了深部滑移的边界条件。切割面一般陡倾,不
17、起抗滑作用;滑移控制面一般缓倾,起切割和抗滑作用。滑移控制面的抗剪指标是控制设计的重要数据。滑移控制面的确定:1)坝基内存在有方位有利于滑动的软弱结构面,且其实际抗滑能力低于坝体混凝土与基岩接触面的抗滑能力。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2)坝基内软弱结构面发育没有明显的分异,不同方向的裂隙均发育。此时,深层滑移控制面往往由坝基内最大剪应力带的分布所决定。设计时有时需要用这个带的综合抗剪指标(裂隙段的抗剪强度指标与完整岩石段的康健强度指标的面积加权平均值)来校核沿该带坝基的抗滑稳定性。临空面主要是地形表面,河床为水平临空面;而河床深潭、深槽、溢流冲刷坑、下游厂房及建筑基坑等,都可形成
18、陡立临空面,对岩体抗滑稳定性极为不利。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,由结构面与临空面组合构成的危险滑移体一般有两类:1)不具备抗力体的滑移结构。当滑移控制面倾向上游(a),或滑移结构面倾向下游但被下游陡立临空面所切割时(b),可构成这类滑移结构。,(a)(b),第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2)具有抗力体的滑移结构。当滑移控制面近于水平或倾向下游时,可构成这类滑移结构。如图,坝基岩体沿滑移控制面滑动时,受到下游岩体的抵抗,只有当下游岩体沿着某一面如bc面被剪破后,坝基岩体才有可能沿着滑移控制面ab滑动。因此,抗力体提供的抗力的大小对坝基稳定性有重要意义。,第五章 地基岩体稳定
19、性的工程地质研究,2降低坝基抗滑稳定性的作用与坝基滑动破坏的发展大坝施工和运行期间,有一系列的作用可降低坝基的抗滑稳定性:(1)基坑开挖过程中卸荷回弹与应力释放所造成的岩体变形和破坏。(2)在附加应力作用下坝基变形、破裂的逐渐发展以及与之相联系的空隙水压力的增高。两种情况:坝基在附加应力作用下产生不均匀变形,使坝体因不均匀沉陷而断裂,丧失其整体性;坝基上游拉应力区内的岩体,在水平拉应力作用下产生近垂直的张裂,在与空隙水压力相互促进作用下,张裂向深处发展到与已有的缓倾结构面相连,使垂向张裂面和缓倾结构面上的空隙水压力急剧增高。(3)高水头作用下地下水渗流和地表水溢流造成的坝基岩体的性质和状态的恶
20、化。包括泥化、软化、渗透变形、冲刷等。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,四、坝基(肩)岩体稳定性的工程地质评价(一)坝基(肩)稳定性的岩体结构条件分析1平缓层状岩体分布区岩层倾角在30度以下,岩体内构造结构面不甚发育。断层规模小,以产状陡立的X节理为主。偶发育走向与岩层走向一致或垂直的小型张断层。产状平缓的原生软弱结构面如粘土质夹层等发育,并有层间错动等构造形迹。层间错动、夹层等是这类岩体兴建水工建筑的主要问题,易产生软化、泥化,构成滑移控制面。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2倾斜岩层地区岩层倾角在30度以上,一般4050度。构造形迹进一步发展,各种力学成因的构造结构面均可出现
21、。当岩体中与层面一致或倾向相反的压性结构面一般倾角较陡,扭性结构面多陡立。它们的组合形成的结构体往往嵌入地基深处,稳定条件相对良好。当岩层走向平行河流时,层面与反倾向压性断裂共同构成复合楔形滑移体,兼有纵向切割作用,张性断裂起横向切割作用,对稳定不利。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,当岩层走向与河流正交时,反倾的压性结构面产状有时平缓,起滑移控制面的作用。当斜交时,稳定性相对较好,但应注意层间软弱结构面与反倾压性结构面的配合对局部地段岩体稳定的破坏。总体上,坝基稳定性由坝体与地基接触面控制。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,3陡倾斜或倒转岩层分布区岩层倾角在60度以上。构造形变强
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