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

22、烈，各类断裂构造均很发育。层间结构面一般不起滑移控制面作用。但较为平缓且延续性较强的扭性和反倾的压性结构面对稳定性有一定的影响。当岩层走向与河流正交时，X节理间相互组合而充当滑移面，反倾的压性结构面也往往起滑移控制面的作用。由于节理等结构面延续性不如层面，故稳定条件尚好,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,当岩层走向与河流平行或斜交时，可出现与倾斜岩层中相同的滑移边界条件。在陡立岩层区，反倾压性结构面倾角较为平缓，深部滑移问题较倾斜岩层区要多，但由于延续性较差，出现机会较少，稳定条件较 平缓岩体为好。宽大断裂带可造成坝基局部地段上的浅层滑移。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,4块状岩体

23、地区除断裂构造有较大的影响外，还有三个方面应注意：（1）有较厚的风化壳，风化岩体强度低；（2）岩体内缓倾结构面较发育，常成为坝基抗滑稳定性的不利条件。（3）河谷下水平卸荷裂隙较发育，对坝基稳定不利。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（二）坝基岩体强度及变形性的评价总体上，岩石坝基强度远高于松散土地基。强度取决于软弱结构面的发育及分布。具有不均匀和各向异性的特点。岩石坝基的允许压力P一般根据岩石的极限抗压强度R的试验资料确定，一般P=(1/51/25)R：很坚硬岩石：P=(1/201/25)R；一般坚硬岩石：P=(1/101/20)R；软弱岩石：P=(1/51/10)R。坝基实际的受力条件

24、，应满足：P=PP为混凝土水工建筑物基础底面的最大垂直压力。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（三）坝基岩体抗滑稳定性的评价按以下程序分析研究：1分析确定坝基滑移破坏的基本模式（按下表）,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2确定可能滑移体的形态及规模根据所查明的岩体结构特征，分析确定坝基内的主要滑移控制面及与之相配合的切割面和临空面，从而判明可能的滑移体的形态和规模：（1）对于单滑面的滑移体，通常可用纵剖面表示其形态和规模；（2）对于双滑面的滑移体，可采用赤平极射投影及实体比例投影法确定形态及规模。如设某河床实地测得三组结构面的产状分别为：G1

25、N75W30，SW；G2 N80E45，NW；G3 SN70，E。按以下步骤确定：,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,按一定的比例画在平面图上（图a），然后通过赤平投影作图，求得三组结构面的交线方位OM、OA和OB（图c）；在平面图上过M、A、B点绘制分别平行于赤平投影图上三组结构面的交线OM、OA、OB的三条直线相交于O，所得的OABM三角锥就是由G1、G2、G3及河床表面组成的潜在滑移体的实体比例投影，OM为滑移交线（图b）；按公式Li=li/cosi计算潜在滑移体的边长，并计算其体积和重量。公式中，Li所求的边长，li图上量得的该边的边长，i该边的倾角（在赤平投影图上量取）。,第五章

26、 地基岩体稳定性的工程地质研究,3选定各种计算参数（1）坝基的受力条件要区分正常受力条件和非常受力条件：正常受力条件：坝体重力、正常洪水位时的库水推力与扬压力非常受力条件：非常洪水位时的库水推力与扬压力、地震力一般情况下，按正常受力条件设计，按非常受力条件校核。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（2）扬压力的确定坝基混凝土与岩石接触面上的扬压力等于浮托力W1与渗透压力W2之和。其中渗透压力随防渗帷幕及排水孔的设置而降低，在上游面其值为H1-H2，通过帷幕线后降为a1(H1-H2)，在通过排水孔后降为a2(H1-H2)。a1和a2是两个系数，取决于帷幕灌浆的深度和排水设计的情况，一般情况下

27、a1，a2。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（2）扬压力的确定岩体深部滑移面上的空隙水压力（扬压力），岩体深部滑移面上的空隙水压力(扬压力)，可近似地根据岩石接触面上的扬压力，并考虑滑移面埋深而选用，即假定上游基岩内的裂隙在水平推力的作用下可能张裂到计算的深层面，故该处的空隙水压力值等于库内水头H与该深层面埋探y之和。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（3）地震力的考虑在地震波的水平惯性力作用下，挡水坝除了承受原有的静水压力外，还要承受附加的水平惯性力的作用。此附加水平惯性力拟等于坝体本身的水平惯性力Qamax/g与水体的水平惯性力0.55wH2amax/g之和。在地震波垂直惯性

28、力的作用下，方向向上的地震力使建筑物的重量减轻Qamax/g，从而降低了它的抗滑稳定性，计算时须从总垂直荷载中减出这一数值。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（4）抗滑安全系数的选取按摩擦公式计算时，正常受力条件下K通常取，非常受力条件下取1-1.05。按抗剪断公式计算时，为避免累进性破坏的发生，K值通常取3.4-4，但也有些工程采用K值高于或低于此值。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（5）抗剪指标的确定各类抗剪指标通常由地质、设计和试验人员共同研究确定。对于高坝，抗剪指标的确定应有野外大型试验的资料做依据；但对于低坝，则可仅根据室内试验资料，参照类似工程的实际经验分析采用。试验

29、时，抗剪强度指标的选取标准，脆性岩石通常按比例极限选取（约为峰值的0.5）；塑性岩石按屈服强度取值（约为峰值的0.60.8）。然后考虑时间效应，乘以适当的折减系数（约为0.93）作为采用值。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,4软弱结构面抗滑稳定性的初步评价举例说明双滑面结构体抗滑稳定性的初步评价方法。前例为一个以OM为组合滑动交线的三角形锥体（图a），为了初步评价此锥体的稳定性，需先求出由G1和G2两个结构面的复合滑移面的综合摩擦角1-2。通常可按下述作图法求得：,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,在赤平投影图上画出G1和G2两个结构面的极点P1、P2。作过MP1、MP2、P1P2及

30、MO四个大圆。在MP1大圆上，从P1点向M方向截取1角（结构面G1的内摩擦角），定出K1点；在MP2大圆上，从P2点向M方向截取2角（结构面G2的内摩擦角），定出K2点。然后作过K1K2的大圆。此K1K2大圆与P1P2大圆在OM线上所截的夹角PK即为所求的1-2。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,求得1-2后再在赤平投影图上量出组合滑移交线的倾角i，则三角锥体的抗滑稳定性判断方法为：当1-2c-i时（c为岩石的内摩擦角），该三角锥体稳定，且不需要校核沿G1、G2两结构面的组合交线发生深层滑动的可能性；当1-2c-i时，该三角锥体可能不稳定，需要进一步定量验算沿G1、G2两结构面的组合交线

31、发生深层滑动的问题。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,5坝基岩体抗滑稳定性的定量计算（1）平面问题的坝基稳定性定量计算可采用岩体力学的有关公式进行。（2）三维问题的坝基稳定性计算可采用赤平投影解析法。举例（下图）说明其方法步骤如下：,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,1）通过赤平投影及实体比例投影作图确定滑移结构体的形态、规模以及可能的滑动方向和滑移控制面，同时求出该结构体的有关数据，如滑移面的面积以及结构体的体积和重量等。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2）将各种作用力分别表示在赤平投影图上坝体及结构体的总重量Pv为垂直力，应分布在球心O处；三个结构面上的空隙水压力W1、W

32、2、W3分别垂直于G1、G2、G3，故应分别分布于三个结构面的极点P1、P2、P3上；库水推力Ph为指向东的水平力，故应分布于赤平大圆上的W处。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,3）力的合成本例中，为简化计算，根据水力学原理，将作用于结构体上的各空隙水压力直接合成为浮托力Wv和水平渗透压力Wh。Wv=-wVWh=AB(H-h)H/3式中，V结构体体积；w水的重度；AB图a中的AB长度；H坝上游水头高度；h坝下游水头高度；H结构体高度（图b）。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,在赤平投影图上，Wv分布于O处，它与Pv构成的合力Pv=Pv-wV；Wh分布于W点处，指向东，它与Ph构成的

33、合力Ph=Ph+AB(H-h)H/3。再用图解法合成Pv和Ph，即可求得作用于结构体上的总合力R的大小及方向。为此，先画出过和的大圆（过圆心，实际为直径，图a）；然后作过此大圆的剖面（图b），并按一定比例表示出和的大小；最后合成之，并将其转绘至赤平投影图上（图a）。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,4）合力分解将合力R分解为平行于组合滑动交线OM的滑动力S和垂直于该交线的法向力N。作过R及M的大圆，然后作沿此大圆的剖面，并按图c所示的方式进行分解。将总法向压力N分解为分别垂直于G1和G2的法向力N1和N2。先作过P1P2的大圆，与RM大圆交于P点；然后作沿P1P2大圆的剖面，并按图d方式

34、将N分解为N1和N2。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,5）稳定性计算求得参数后，按下式计算稳定系数Kc：Kc=(N1f1+A1c1+N2f2+A2c2)/S式中，f1、c1和f2、c2分别为G1、G2的摩擦系数和粘聚力；A1、A2分别为G1、G2两个滑移面的面积。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（四）拱坝坝肩岩体抗滑稳定性的评价拱坝的作用好比一个平放的石拱桥，通过拱的作用将水的推力传递到两岸坝肩岩体上，即库水推力主要由坝肩岩体承担。坝肩岩体的受力情况见图。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（四）拱坝坝肩岩体抗滑稳定性的评价1坝肩岩体抗滑稳定性的定性分析通常有两类结构面对坝

35、肩岩体的抗滑稳定性影响最大：平缓的软弱夹层、缓倾角裂隙以及缓倾角的压性断裂等，易构成下部的平缓滑移控制面；大体平行或小角度斜交于岸坡的卸荷裂隙和各类陡倾角的构造结构面则往往成为侧向的切割面或滑移控制面。特别是卸荷裂隙，其广布于岸坡地带，常为夹泥充填，抗滑能力低。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,侧向临空面的存在是坝肩岩体滑出的条件：冲沟、河流急弯、岸坡突出段等往往构成侧向临空面的地形条件，对坝肩岩体稳定不利。岩体内某些断裂破碎带、软弱岩层以及潜伏溶洞等可构成侧向临空面的地质条件，也对坝肩岩体稳定不利。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,评价时，需要在地质研究的基础上，分析确定坝肩岩体

36、的滑移控制面及相配合的切割面及临空面，判明可能滑移体的形态及规模。定性的方法可采用赤平投影及实体比例投影方法。其步骤：1）利用赤平投影图确定结构面间交线的产状；2）利用实体比例投影确定滑移体的空间形状及方位（可能的滑移面方位），并计算其体积和重量；3）根据拱端传给坝肩的水平推力与主要滑移控制面的法线间的夹角和该结构面的内摩擦角之间的关系，初步评价其稳定性。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2坝端岩体整体抗滑稳定性验算U形谷最大应力部位多在坝底，V形和梯形谷则多在1/3坝高处。该处岩体稳定，则整个坝肩岩体也稳定。该处是主要研究部位。验算岩体稳定性的步骤：1）确定滑移控制面；2）计算该面上的

37、滑动力及抗滑力；3）计算抗滑稳定系数，评价稳定性。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,如下图中，平行于岸坡的垂直结构面1和水平结构面2是主要滑移面，坝肩分离岩体的滑动力S是由拱端轴向力H和切向力V在结构面1上的分力；抗滑力则由两个结构面上的阻力构成。滑动力S=Hcos+Vsin；抗滑力T=f1(N1-N2)+C1L1+f2G+c2L2抗滑稳定系数Kc=T/S,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,3坝端三维不稳定结构体的抗滑稳定性验算应用赤平投影解析法进行验算，其方法和步骤同坝基稳定验算，不同之处是各个作用力的合成是逐步进行的。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,五、改善坝基稳定性的措

38、施主要措施：清基岩体的局部或整体加固防渗改变建筑物的结构以适应不良地质条件,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（一）清基将坝基表部的软弱土层、风化破碎岩体或浅部软弱夹层等清除掉，使坝基位于较完整新鲜的岩体或较致密坚实的土层之上。原则：根据坝基地质条件、岩石物理力学性质以及建筑物的规模与设计意图等，从安全与经济两方面综合分析确定清基深度。过深会造成浪费，过浅则会影响安全。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,技术要求：对于混凝土高坝或重要的水工建筑物，清基要求达到坚硬、新鲜、渗透性很小的基岩，并应挖成一定的反坡，以提高坝基的稳定性。对于中等高度坝或低坝（混凝土坝），一般不必清到新鲜基岩，只

39、要各项力学指标能满足抗滑稳定要求，有时只清至轻微风化带。如果岩石是坚硬的、只因裂隙切割使其力学性质降低，为避免清基过深，可采用其它加固措施来提高坝基的抗滑稳定性。中小型土坝一般不要全部清基，除地基中存在有压缩性大、抗剪性能很低的软弱土层如淤泥、高塑性软黏土、流砂、腐植土等必须清除外，其它稳定性较好的砂砾层、密实黏土层等不必清除。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（二）岩体的局部或整体加固1固结灌浆适用范围：破碎的节理裂隙岩体、土体技术要点：根据地质特点设计；在典型地段预先进行灌浆试验；以确定灌浆的施工工艺和参数；灌浆孔一般布置成梅花形，孔距根据浆液扩散的有效范围确定，通常23m；孔深根据

40、加固岩体的要求确定，一般不大于15m。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2锚固适用范围发育软弱滑移控制面的岩体方法：预应力钢缆或钢筋；大口径钢筋混凝土管柱。技术要求：穿过分离岩体达到稳定岩体内部一定深度。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,3断裂破碎带的槽、井、洞挖及回填处理适用范围倾角较大的断裂破碎带；埋藏深度较大的软弱夹层。方法：将一定范围内的软弱破碎物质挖除，回填混凝土，提高稳定性和防渗能力。,不易彻底清除,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,具体方法类型：槽形混凝土塞沿断裂破碎带开挖倒梯形槽子，回填混凝土。防沉井沿主要软弱破碎带的走向，每隔一定间距开挖的一个一定断面的竖井，

41、井多沿软弱带的倾向开挖到一定深度，回填混凝土。防渗井在坝上游面帷幕处，在断裂带上顺倾向开挖一竖井，回填混凝土，防止沿断裂带的渗流。混凝土键沿软弱夹层开挖平硐，其顶底切入坚硬岩层，回填混凝土。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,4桩基加固适用范围软土地基种类摩擦桩桩身在软土中，利用桩身表面摩擦作用将建筑物的荷载传递到周围土体上。支承桩下端直接支承于硬土或基岩上。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（三）防渗及排水措施作用：防渗漏防渗透变形（管涌、流砂等）减小坝基扬压力对大坝稳定的影响手段：帷幕灌浆防渗墙及防渗铺盖,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（三）防渗及排水措施1帷幕灌浆在大坝

42、靠近上游面地基中布置一排或几排密布的钻孔，在高压下将水泥浆等压入基岩裂隙或断裂破碎带中，形成一道不透水的幕墙。技术要求：应根据地质条件设计；深度应达到实际不透水层；孔距视浆液有效扩散范围，一般23m；排数一般13排，排距12m；岩石坝基，为提高减压效果，可在帷幕后增设排水孔。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,2防渗墙及防渗铺盖在砂砾层河床上修建土、石坝，如果基础下的不透水层埋深不大，可用混凝土防渗墙切穿透水层，使心墙、防渗墙与不透水层连接起来，达到防渗的目的。当基础下的不透水层埋深很深时，可在土坝的上游设置黏土防渗铺盖，盖层厚度一般为水头的1/61/10。,第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究,（四）改变建筑物的结构，以适应地质条件方法：增大坝体放缓边坡加深齿墙（切段软弱层）延长上游防冲板或护坦预留沉陷缝,增大垂直荷载,消除不均匀沉降,