岩石力学课程Cha.ppt

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1、第七章 岩基应力及稳定分析Chapter 7 Stress of Rock Foundation and Stability Analysis,学习内容 岩石基础的类型、岩基的几种破坏形式；岩基抗滑稳定性的计算。,学习对象岩基、岩基承载力、岩基滑动,学习目的 了解岩基、岩基承载力、岩基滑动；掌握岩石基础的类型、岩基的几种破坏形式、岩基抗滑稳定性的计算。,学习提示Learning Hints,7.1 概述,建基面不均匀沉降,建基面及坝基应力的强度复核承载能力复核,坝基稳定重点（重力坝、拱坝坝基、坝肩）,7.1.1 岩基的基本类型,7.1 概述,7.1.2 重力坝的工作原理,7.1 概述,岩基上重

2、力坝的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水的推力，以达到稳定的要求。,主要关键词（Keywords）：重力坝（Gravity dam）抗滑稳定（Stability against sliding）稳定分析（Stability analysis）,7.1.2 重力坝的工作原理,7.1 概述,重力坝设计关键技术：坝体应力与稳定分析坝基抗滑稳定与加固措施,7.1.3 重力坝的类型,7.1 概述,实体重力坝,宽缝重力坝,空腹重力坝,预应力重力坝,装配式重力坝,浆砌石重力坝,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.1 重

3、力坝的稳定分析,根据混凝土重力坝设计规范（DL5108-1999）的相关规定，承载能力极限状态：坝体断面、结构及坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算，必要时进行抗浮、抗倾验算；对需抗震设防的坝及结构，尚需按DL5703（水工建筑物抗震设计规范）进行验算。,稳定问题的提出：,抗滑稳定：坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动；抗浮稳定：坝体在上、下游水荷载作用下，产生向上浮起破坏形式；抗倾稳定：上游坝踵以下岩体受拉产生斜裂缝及坝趾以下岩体受压发生压碎而产生倾倒滑移破坏形式。,稳定问题的类型：,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.1 重力坝的稳定分析,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.1 重力坝的稳定分析,

4、稳定分析的方法 刚体极限平衡法(rigid limit equilibrium method)；有限单元法(finite element method)；地质力学模型试验法(model testing method)。,问题分类平面问题各坝段独立受力。空间问题坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体或地形陡峻的岸坡段。,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.1 重力坝的稳定分析,刚体极限平衡法：将断裂面（指坝体、岩体或大坝与岩体组成的滑裂体等）看成刚体，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑滑裂面上应力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、剪应力），而忽略力矩的作用效应。优点：概念清

5、楚，计算简便，任何规模的工程均可采用；缺点：是不能考虑岩体受力后所产生变形的影响，极限状态与允许的工作状态也有较大的出入。,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.1 重力坝的稳定分析,有限单元法：可计算地基受力后的应力场和位移场，并可模拟地基中软弱结构面局部化效应及多场耦合作用效应等，研究地基破坏发展全过程。优点：可以考虑复杂地基的局部化效应及材料的非线性本构关系，模拟地基及坝体变形与破坏的全过程等；缺点：对有限元计算结果应用及稳定判据的应用上尚需进一步研究。,节点数8592单元数7705,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.1 重力坝的稳定分析,地质力学模型方法：能较好地模拟基岩的结构、强度和

6、变形特性，以及自重、静水压力等荷载，能形象地显示滑移破坏的过程。模拟内容不够全面和完善，不能完全依靠试验定量解决问题。优点：能直观的模拟坝体与地基稳定体系中的主要影响因素及变形与破坏全过程；缺点：模拟内容有限，往往需要依据经验作适当简化，模型一旦建立，不易修改、费用高、周期长，试验结果受到测试技术与若干不确定性因素的影响等。,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.1 坝基岩体的破坏形式,实践表明：岩基滑动破坏模式不同于松软地基，主要受岩体中节理、裂隙、断层以及软弱结构面的空间形状及相互组合的控制。因此，对岩基中各种结构面及软弱夹层位置、方向、性质等必须给予充分认识。,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,

7、7.2.1 坝基岩体的破坏形式,表层滑动沿坝体与基岩接触面发生滑动,深层滑动岩基内部存在着节理裂隙或软弱夹层及其他不利的结构面 产生。,浅层滑动岩基内部存在着节理裂隙或软弱夹层及其他不利的结构面 产生。,我国修建的大中型重力坝，其中有1/3存在深层滑动问题。,7.2.2 表层滑动稳定性计算,设坝体重V，坝底扬压力为U，坝体混凝土与坝基岩体之间的参数为f、c，,抗剪公式坝体与坝基间看成是一个接触面，而不是胶结面,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,要求Ks11.001.05,抗剪断公式认为坝体与基岩接触良好，直接采用接触面上的抗剪断参数f、c,要求Ks22.503.00,7.2.2 表层滑动稳定性计算,

8、7.2 重力坝坝基抗滑稳定,当接触面倾向上游时，并有的夹角时，其抗滑稳定安全系数为：,可以看出：坝基面微倾向上游对Ks有利。,7.2.2 表层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,一般由若干组试验确定。但由于试验岩体自身的非均匀性质和每次试验条件不可能完全相同，导致试验成果具有较大的离散性，如何选用试验值，还值得研究。,规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定。,摩擦系数f的选取问题,根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的f值常取在0.50.8之间。,摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与

9、安全，f值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若f值减小0.01，坝体混凝土方量增加2万m3。,7.2.2 表层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.2 深层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,在进行深层滑动的稳定计算中，必须首先判断岩基中可能滑动的形状及位置，确定岩基中可能产生滑动的块体，然后根据力学原理分析块体受力情况，即可求出块体的抗滑安全系数Fs。,关键点,7.2.2 深层滑动稳定性计算,滑动面倾向上游的情况,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,破坏模式,块体CBA,抗滑力,滑动力,7.2.2 深层滑动稳定性计算,滑动面倾向下游的情况,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,破坏模

10、式：块体ABD沿AB面滑动推块体BCD 剪断BC面假定：1）假定ABC中存在一个结构面BD；（2）P与AB平行滑出分析：1.将ABC划分为ABD（滑移体）、BCD（抗力体）2.由力平衡条件，分别建立ABD，BCD平衡方程 3.将1.2块联合起来,7.2.2 深层滑动稳定性计算,滑动面倾向下游的情况,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,滑动面选定后，如何根据岩基中已知滑动面来确定相应的安全系数？,对于重力坝或拱坝而言，通常采用三种方法，即：抗力体极限平衡法；（2）等K法；（3）不平衡推力法/剩余下滑力法。,7.2.2 深层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,Method1:抗力体极限平衡法,1）

11、BCD处于极限平衡，滑动力=抗滑力，可求得两个滑块之间的作用力,抗滑力,滑动力,7.2.2 深层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,2）分析ABD块体,抗滑力,滑动力,1.AB面用抗剪强度，BD面用抗剪断强度,2.实际工程中：B点位置，角须要实验加以 确定搜索最危险滑块,3.若BC为一软弱面（即坝基下双软弱面切割 形滑块）,Method1:抗力体极限平衡法,4.BB，BC为完整块体，含间断裂隙面,7.2.2 深层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,1）分析滑动块ABD,抗滑力,滑动力,Method2:等K法(即假定滑动块ABD+抗力体BCD抗滑K相等),2）分析抗力体BCD,抗

12、滑力,滑动力,代入上面两式，可分别求得安全系数,7.2.2 深层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,基本观点：1.滑动块ABC抗滑力小于滑动力剩余滑动力作用于抗力体BCD；2.分析BCD抗力体在剩余推力及自重荷载作用下的K,Method3:不平衡推力法,剩余滑动力=滑动力-抗滑力,1）分析滑动块ABD,抗滑力,滑动力,2）分析抗力体BCD,7.2.2 深层滑动稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,三种方法的对比分析,上述三种计算方法中的前两种（剩余推力法、被动抗力法），由于先令一个区处于极限平衡状态，也即相当于这一区的K1，因而推算出另一区的K值要比等安全系数法的大，相比之下，等安全

13、系数法更合理。,以上分析方法人为地将滑动岩体分成区和区两块，等于在地基内增加了一个软弱面，这样必然使抗滑稳定安全系数有所降低。当岩体比较完整坚固，或BD面上的抗剪强度足以承担该面上的剪应力时，则应验算该滑移体的整体抗滑稳定性。,7.2.3 岸坡坝段抗滑稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,靠近岸坡的一个坝段设岸坡倾角为，坝块总重为W，坝基面上的扬压力为U，上游坝面水压力为P，坝基面的抗剪强度参数为f或f和c，滑动面面积为A。将自重分解为对滑动面的法向分力N=Wcos和切向分力T=sin，并将切向分力和水压力合成为S，则岸坡坝段的抗滑稳定安全系数为：,重力坝岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面

14、或折面。除在水压力作用下有下游滑动趋势。在三向荷载作用下，岸坡坝段的稳定条件比河床坝段差。,7.2.3 岸坡坝段抗滑稳定性计算,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.2.4 提高重力坝抗滑稳定性的工程措施,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,选择有利于稳定的地基；利用水重；将坝基开挖成有利的轮廓线；设置齿墙；增加建筑物重量；减少扬压力(如抽水措施)；预加应力措施；加固地基；横缝灌浆，增加整体性。,7.2.4 提高重力坝抗滑稳定性的工程措施,7.2 重力坝坝基抗滑稳定,7.3.1 应力控制标准,7.3 重力坝坝体应力与稳定分析,混凝土重力坝设计规范（DL5108-1999）规定用有限元计算时，“当计扬压力时，

15、拉应力区宽度应小于坝底宽度的0.07倍（垂直拉应力分布宽度坝底面宽度），或不超过帷幕中心线”,7.3.1 应力控制标准,7.3 重力坝坝体应力与稳定分析,7.3.1 应力控制标准,7.3 重力坝坝体应力与稳定分析,7.3.1 应力控制标准,7.3 重力坝坝体应力与稳定分析,超载法,7.4其他稳定性分析方法,超载法主要考虑作用荷载的不确定性，以此研究结构承受超载作用的能力该方法较直观，便于在结构物理模型试验中采用，从而使数值模拟与物理模拟结果相互印证，且积累了较多的工程经验但要使结构达到最终整体失稳的极限状态，其相应的超载系数是很大的，而实际上结构的这种荷载状态几乎是不可能出现的，故这种方法求得

16、的超载系数只是结构安全度的一个表征指标,超载法,7.4其他稳定性分析方法,用逐渐增加超载系数研究坝从局部到整体破坏的渐进破坏过程的方法，称为超载法。超载法分为超水容重K(三角形超载)和超水位KH(矩形超载)两种方法超载法主要考虑作用荷载的不确定性，以此研究结构承受超载作用的能力该方法较直观，便于在结构物理模型试验中采用，从而使数值模拟与物理模拟结果相互印证，且积累了较多的工程经验但要使结构达到最终整体失稳的极限状态，其相应的超载系数是很大的，而实际上结构的这种荷载状态几乎是不可能出现的，故这种方法求得的超载系数只是结构安全度的一个表征指标超载法认为，作用在坝上的外荷载由于某些特殊原因有可能超过设计荷载，超过的总荷载与设计总荷载之比称为超载系数,强度储备系数法,7.4其他稳定性分析方法,用降低强度参数的方法，研究大坝失稳的渐进破坏过程，如令K表示强度储备系数，K为大于1.0的值，f、c为实际的抗剪强度参数，降强度就是用fK、cK代替f、c值进行计算，随着K值的逐渐增大，可以求出大坝从局部破坏到全部破坏的破坏全过程，所算得的整体破坏时的K值的大小也能反映大坝安全的程度强度储备系数法包括对f、c值采用等比例降强度和不等比例降强度（等保证率）两种方法,