巖體力學(xué)在邊坡工程中的應(yīng)用

1、邊坡巖體中的應(yīng)力分布特征邊坡巖體中的應(yīng)力分布特征( 邊坡面附近的主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最大主應(yīng)邊坡面附近的主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最大主應(yīng)力與坡面近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近于正力與坡面近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近于正交，向坡體內(nèi)逐漸恢復(fù)初始應(yīng)力狀態(tài)。交，向坡體內(nèi)逐漸恢復(fù)初始應(yīng)力狀態(tài)。( 坡面上徑向應(yīng)力為零，為雙向應(yīng)力狀態(tài)，向坡坡面上徑向應(yīng)力為零，為雙向應(yīng)力狀態(tài)，向坡內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)。內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài)。( 坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶。在坡腳附近，最大剪坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶。在坡腳附近，最大剪應(yīng)力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，常應(yīng)力增高，最易發(fā)生剪切破壞。在坡肩附近，常形成拉應(yīng)力帶。形

2、成拉應(yīng)力帶。( 最大剪應(yīng)力跡線為凹向坡面的弧線。最大剪應(yīng)力跡線為凹向坡面的弧線。( 初始應(yīng)力初始應(yīng)力 水平天然應(yīng)力使坡水平天然應(yīng)力使坡體應(yīng)力重分布作用加劇。體應(yīng)力重分布作用加劇。( 坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡形、坡高、坡角及坡底寬度 坡高不改變等值線的形狀狀，坡高不改變等值線的形狀狀，但改變主應(yīng)力的大?。坏淖冎鲬?yīng)力的大??； 坡角影響邊坡巖體應(yīng)力分布圖坡角影響邊坡巖體應(yīng)力分布圖象；象； 坡底寬度對(duì)坡腳巖體應(yīng)力有較坡底寬度對(duì)坡腳巖體應(yīng)力有較大的影響；大的影響； 坡面形狀對(duì)重分布應(yīng)力也有明坡面形狀對(duì)重分布應(yīng)力也有明顯的影響。顯的影響。邊坡巖體中的應(yīng)力分布特征( 巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特

3、征 巖體變形模量對(duì)邊坡應(yīng)力影響不大，泊松比對(duì)邊坡巖體變形模量對(duì)邊坡應(yīng)力影響不大，泊松比對(duì)邊坡應(yīng)力影響較大。應(yīng)力影響較大。 結(jié)構(gòu)面的存在使坡體中應(yīng)力發(fā)生不連續(xù)分布，并在結(jié)構(gòu)面的存在使坡體中應(yīng)力發(fā)生不連續(xù)分布，并在結(jié)構(gòu)面周邊或端點(diǎn)形成應(yīng)力集中帶或阻滯應(yīng)力的傳結(jié)構(gòu)面周邊或端點(diǎn)形成應(yīng)力集中帶或阻滯應(yīng)力的傳遞，這種情況在堅(jiān)硬巖體邊坡中尤為明顯。遞，這種情況在堅(jiān)硬巖體邊坡中尤為明顯。邊坡巖體中的變形與破壞1、卸荷回彈、卸荷回彈在成坡過(guò)程中，由于在成坡過(guò)程中，由于荷重不斷減少，邊坡巖荷重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向體在減荷方向(臨空面臨空面) 產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，即卸荷產(chǎn)生伸長(zhǎng)變形，即卸荷回彈。回彈。天然應(yīng)力越大

4、，向臨天然應(yīng)力越大，向臨空方向的回彈變形量也空方向的回彈變形量也越大。往往會(huì)伴隨產(chǎn)生越大。往往會(huì)伴隨產(chǎn)生一系列的張性結(jié)構(gòu)面。一系列的張性結(jié)構(gòu)面。2、蠕變變形、蠕變變形邊坡巖體的變形也將會(huì)隨時(shí)間不斷增加，這種變邊坡巖體的變形也將會(huì)隨時(shí)間不斷增加，這種變形稱為蠕變變形。形稱為蠕變變形。當(dāng)邊坡內(nèi)的應(yīng)力未超過(guò)巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，蠕變當(dāng)邊坡內(nèi)的應(yīng)力未超過(guò)巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度時(shí)，蠕變引起的局部破壞。反之，將導(dǎo)致整體失穩(wěn)。引起的局部破壞。反之，將導(dǎo)致整體失穩(wěn)。幾乎所有的巖體邊坡失穩(wěn)都要經(jīng)歷這種逐漸變形幾乎所有的巖體邊坡失穩(wěn)都要經(jīng)歷這種逐漸變形破壞過(guò)程。破壞過(guò)程。邊坡巖體中的變形與破壞1、巖石崩塌：巖體在陡坡面上脫落

5、而下的一種、巖石崩塌：巖體在陡坡面上脫落而下的一種邊坡破壞形式。常發(fā)生于陡坡頂部裂隙的發(fā)育地方。邊坡破壞形式。常發(fā)生于陡坡頂部裂隙的發(fā)育地方。 原因：裂隙水壓力、凍脹力致原因：裂隙水壓力、凍脹力致2、平移滑動(dòng)部分巖體沿著地質(zhì)軟弱面，如層面、平移滑動(dòng)部分巖體沿著地質(zhì)軟弱面，如層面、斷層、裂隙或節(jié)理面的滑動(dòng)。斷層、裂隙或節(jié)理面的滑動(dòng)。3、旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)滑動(dòng) 由于外界條件干擾，在均質(zhì)頁(yè)巖或由于外界條件干擾，在均質(zhì)頁(yè)巖或泥巖中產(chǎn)生新的圓弧破裂面，巖體沿此圓弧面產(chǎn)生泥巖中產(chǎn)生新的圓弧破裂面，巖體沿此圓弧面產(chǎn)生滑移?；?。4、巖塊流動(dòng)、巖塊流動(dòng) 高應(yīng)力作用下，產(chǎn)生脆性破裂（破高應(yīng)力作用下，產(chǎn)生脆性破裂（破

6、壞）面。壞）面。 不規(guī)則。不規(guī)則。5、巖層曲折、巖層曲折 在自重與裂隙水壓力共同作用下巖在自重與裂隙水壓力共同作用下巖層面發(fā)生層面發(fā)生巖石崩塌平移滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑移巖塊流動(dòng)巖層曲折邊坡破壞的基本類型邊坡破壞的基本類型 主要受巖體的工程地質(zhì)條件特別是巖體結(jié)構(gòu)面的控制。常主要受巖體的工程地質(zhì)條件特別是巖體結(jié)構(gòu)面的控制。常見(jiàn)的破壞形式主要有以下四種：見(jiàn)的破壞形式主要有以下四種： 1、圓弧形破壞、圓弧形破壞 在表土、廢石堆或破碎或散體結(jié)構(gòu)巖體中最常見(jiàn)。在表土、廢石堆或破碎或散體結(jié)構(gòu)巖體中最常見(jiàn)。 7-1 邊坡問(wèn)題的評(píng)價(jià)邊坡問(wèn)題的評(píng)價(jià)二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型 2、平面破壞、平面破壞 當(dāng)結(jié)構(gòu)

7、面走向與坡面走向平行或近于平行，結(jié)構(gòu)面傾向與當(dāng)結(jié)構(gòu)面走向與坡面走向平行或近于平行，結(jié)構(gòu)面傾向與平面傾向一致時(shí)，如果結(jié)構(gòu)面跡線在平面出露，則可能產(chǎn)生這平面傾向一致時(shí)，如果結(jié)構(gòu)面跡線在平面出露，則可能產(chǎn)生這種破壞。種破壞。 7-1 邊坡問(wèn)題的評(píng)價(jià)邊坡問(wèn)題的評(píng)價(jià)二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型 3、楔體破壞、楔體破壞 在塊狀結(jié)構(gòu)巖體中，當(dāng)兩組結(jié)構(gòu)面與坡面斜交，切割成楔在塊狀結(jié)構(gòu)巖體中，當(dāng)兩組結(jié)構(gòu)面與坡面斜交，切割成楔形結(jié)構(gòu)體，并且兩結(jié)構(gòu)面交線出露于邊坡坡面時(shí)楔形結(jié)構(gòu)體則形結(jié)構(gòu)體，并且兩結(jié)構(gòu)面交線出露于邊坡坡面時(shí)楔形結(jié)構(gòu)體則可能沿結(jié)構(gòu)面組合交線滑移?？赡苎亟Y(jié)構(gòu)面組合交線滑移。 7-1 邊坡

8、問(wèn)題的評(píng)價(jià)邊坡問(wèn)題的評(píng)價(jià)二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型 4、傾倒破壞、傾倒破壞 在層狀結(jié)構(gòu)巖體中，當(dāng)結(jié)構(gòu)面平行于坡面走向，傾向與邊在層狀結(jié)構(gòu)巖體中，當(dāng)結(jié)構(gòu)面平行于坡面走向，傾向與邊坡傾向相反，傾角較陡，且受垂直于坡面的結(jié)構(gòu)面切割，則可坡傾向相反，傾角較陡，且受垂直于坡面的結(jié)構(gòu)面切割，則可能發(fā)生傾倒破壞。能發(fā)生傾倒破壞。 7-2 平面破壞分析平面破壞分析一、平面破壞的條件一、平面破壞的條件 1、邊坡上有一組接近與邊坡走向平行、邊坡上有一組接近與邊坡走向平行(在在200范圍內(nèi)范圍內(nèi))的結(jié)構(gòu)面；的結(jié)構(gòu)面； 2、這組結(jié)構(gòu)面必須在坡面上出露，也就是說(shuō)它的傾角小于坡面傾角，即、這組結(jié)構(gòu)面必須

9、在坡面上出露，也就是說(shuō)它的傾角小于坡面傾角，即fp； 3、結(jié)構(gòu)面的傾角大于其摩擦角，即、結(jié)構(gòu)面的傾角大于其摩擦角，即P0 ； 4、在邊坡上還必須存在一組與邊坡接近正交的結(jié)構(gòu)面（解離面、在邊坡上還必須存在一組與邊坡接近正交的結(jié)構(gòu)面（解離面/切割面），切割面），而且這組結(jié)構(gòu)面對(duì)結(jié)構(gòu)體的抗滑力很小。而且這組結(jié)構(gòu)面對(duì)結(jié)構(gòu)體的抗滑力很小。7-2 平面破壞分析平面破壞分析二、平面破壞的力學(xué)模型二、平面破壞的力學(xué)模型 1、坡頂上有張裂縫、坡頂上有張裂縫 2、坡面上有張裂縫、坡面上有張裂縫 邊坡穩(wěn)定性分析2sin()2sin sincostansinsinABDjjHiWSiHRWcFW2sin2tan22s

10、injjWc HRKFW單一連續(xù)滑動(dòng)面WWcosWsin注：在實(shí)際觀測(cè)中，順層滑動(dòng)體不是ABD楔體，而是AECD楔體。EBC楔體仍保留在原處不動(dòng)。這說(shuō)明靠近滑體的后部產(chǎn)生張應(yīng)力，使滑體后緣產(chǎn)生了許多張裂縫CE。CBECBE穩(wěn)定塊體穩(wěn)定塊體K1K1，DCEADCEA滑動(dòng)體滑動(dòng)體張裂縫張裂縫CECE的理論深度：的理論深度：2452tgrCZO基本假設(shè) 1.滑動(dòng)面和張性斷裂面與邊坡面走向平行。2.張性斷裂是豎直向的，并注滿水,水深為Zw。3.水沿張性斷裂的底部進(jìn)入滑面，并沿滑面滲透 4.各個(gè)力都通過(guò)滑動(dòng)面的形心起作用5.滑面的抗剪強(qiáng)度由粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角確定，符合庫(kù)侖方程6.計(jì)算厚度為單位厚度，巖片兩

11、側(cè)有釋放面2 2、張性斷裂邊坡單面滑動(dòng)、張性斷裂邊坡單面滑動(dòng)211;22sinwwwwwwHZVZUZ(cossin)sinsincosWWjjHZWUVtgCKWV邊坡穩(wěn)定性分析111111()()nnijnij innijnij iRRKTT 折線滑動(dòng)法又叫不平衡推力傳遞法、傳遞系數(shù)法、剩余推力法。當(dāng)滑動(dòng)面為折線形時(shí)，可用折線滑動(dòng)法。 山區(qū)土坡往往覆蓋在起伏變化的基巖上，土坡失穩(wěn)多數(shù)沿這些界面發(fā)生，形成折線滑動(dòng)面，對(duì)這類邊坡的穩(wěn)定分析可采用傳遞系數(shù)法。假定條間力的合力與上一土條底面平行，根據(jù)各分條力的平衡條件，逐條向下推求，直至最后一條土條的作用力由第i條塊平行于底面方向力的平衡得：iii

12、iiiiiiiiiiiPNl cRTPPRtan)sin(0)cos(1111iiiiiitan)sin()cos(11iiiiiNl cRtaniiiiiRTPP1 在滑動(dòng)主軸方向的地質(zhì)縱斷面上，按照巖土性質(zhì)及滑動(dòng)面的產(chǎn)狀將滑動(dòng)體分成n個(gè)豎直條塊，取單寬滑動(dòng)體的任一條塊分離體作極限平衡的靜力分析。 滑坡推力是滑坡體向下滑動(dòng)的力與抵抗滑動(dòng)力之差。通過(guò)計(jì)算的滑坡推力的符號(hào)判斷穩(wěn)定性。 如果小于或等于零穩(wěn)定；如果大于零不穩(wěn)定。 常用的傳遞系數(shù)法假定1、滑坡體整體下滑，不考慮條塊之間的擠壓變形。2、塊條之間只傳遞推力，不傳遞拉力。3、塊間作用力以集中力表示，作用線平行于前一塊 的滑面方向，作用線在分

13、界線的中點(diǎn)。4、順滑坡主軸取單寬作計(jì)算的基本斷面，不考慮條 塊兩側(cè)的摩擦力。力平衡莫爾庫(kù)侖準(zhǔn)則 （安全系數(shù)減少 抗剪能力）安全系數(shù)的考慮方法1:安全系數(shù)加大自重下滑力，則：1tancossiniiiiiiiiiiElcWKWEiiiiiitan)sin()cos(11安全系數(shù)的考慮方法2:說(shuō)明1、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可用指標(biāo)，或根據(jù)土的性質(zhì)和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。2、，而對(duì)下一土條取推力為零。3、如果有逆坡時(shí)，傾角為負(fù)值，不乘K值。例題：某一堆積層滑坡體下臥基巖。各分塊重量及計(jì)算參數(shù)均已知，外荷載（如車輛荷載）作用在第一塊上，并已經(jīng)包含在W1中。試計(jì)算滑坡推力并判斷其穩(wěn)定性。【解】對(duì)滑坡體從上到下逐塊進(jìn)行計(jì)算

14、，分兩種情況，K1時(shí)的臨界狀的滑坡推力*iE6.2第一塊kNlcWWE2 .565015tan40cos150040sin1500tancossin0001111111*1第2塊計(jì)算傳遞系數(shù):848. 015tan)2040sin()2040cos(tan)sin()cos(00000221212kNElcWWE0 .7162 .565848. 015515tan20cos260020sin2600tancossin000*122222222*2第3塊計(jì)算傳遞系數(shù):注意：第3塊為逆坡，傾角為負(fù)值第一項(xiàng)變成了抗滑力.793. 015tan)5(20sin)5(20costan)sin()cos(

15、00000332323kNElcWWE8 .480 .716793. 010515tan)5cos(1600)5sin(1600tancossin000*233333333*3注意：第3得出的說(shuō)明前3塊已穩(wěn)定；計(jì)算第4塊滑坡推力時(shí)按沒(méi)有以上巖塊計(jì)算。由計(jì)算得第4塊滑坡推力為負(fù)值，說(shuō)明在安全度K1情況下，邊坡是安全的。kNE8 .48*3kNlcWWE6 .26517515tan)10cos(2000)10sin(2000tancossin0004444444*4三、Sarma法基本原理：邊坡破壞的滑體除非是沿一個(gè)理想的平面或弧面滑動(dòng)，才可能作一個(gè)完整的剛體運(yùn)動(dòng)，否則，滑體必須先破裂成多個(gè)可相對(duì)

16、滑動(dòng)的塊體，才可能發(fā)生滑動(dòng)，即，滑體內(nèi)部要發(fā)生剪切情況下才可能滑動(dòng)。0sinsincoscoscossin1111iiiiiiiiiiiiiEEXXWNR0coscossinsinsincos1111iiiiiiiiiiiiiEEWaXXNR穩(wěn)定系數(shù)折減：KPEdcXKPEdcXKUNlcRsiwiisiisiwiiisiibiiiibiii11111tan)(tan)(tan)(1aPnEmEiiiii1Sarma法可以用于評(píng)價(jià)各種破壞模式下邊坡穩(wěn)定性，如平面破壞、楔形體破壞、圓弧面破壞和非圓弧面破壞等。的而且條塊的分條是任意的，條塊邊界無(wú)需垂直，從而可以對(duì)各種特殊的邊坡破壞模式進(jìn)行穩(wěn)定性分

17、析。四、Janbu法假設(shè)條塊上作用力有：垂直條塊側(cè)面上的作用力位于滑面之上1/3條塊高度處；作用于條塊上的重力、反力，作用于底面的中點(diǎn)。0cossin0sincos11iiiiiAiiiiiiiiiiXRNQXYYRNQWKbuNbcRbiiiiiiitan)(得：其中：tan)(tan)()(111iiiiiiiiiiiiiiiaiQQYYWYYbuQWbcmK)tantan1 (cos2Kmiiiai 令： ，并引入修正系數(shù)f001iiYYtantan)(1iiiiiiiiiiiaiQQWbuQWbcmKf0的取值，d，L的取法如圖：邊坡穩(wěn)定性分析11221122sinN tgN tgc Sc