[PPT]巖體工程(包括巖石地基、巖石地下、巖石邊坡等)課程講稿_ppt

1、3、 邊坡穩(wěn)定分析與評價邊坡穩(wěn)定性分析與評價的目的：一是對與工程有關的天然邊坡穩(wěn)定性作出定性和定量評價；二是要為合理地設計人工邊坡和邊坡變形破壞的防治措施提供依據(jù)。 1 、邊坡穩(wěn)定性分析方法簡介1）定性分析方法定性分析是在工程地質(zhì)勘察工作的基礎上，對邊坡巖體變形破壞的可能性及破壞形式進行初步判斷。（1） 地質(zhì)分析法（歷史成因分析法）（2） 工程地質(zhì)類比法（3）圖解法(赤平極射投影、實體比例投影、摩擦圓法等)（4）邊坡穩(wěn)定專家系統(tǒng)2） 定量評價方法在定性分析的基礎上，應用一定的計算方法對邊坡巖體進行穩(wěn)定性計算及定量評價。（1） 極限平衡法（2） 極限分析方法(有限元（），邊界元（），離散元（）)

2、（3）可靠度分析方法（蒙特卡羅法和隨機有限元法等）（4）其他：模糊數(shù)學分析法、灰色理論分析法及神經(jīng)網(wǎng)絡分析法等（處于研究階段）、極限平衡法 極限平衡法是根據(jù)邊坡上的滑體或滑體分塊的力學平衡原理（即靜力平衡原理）分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及邊坡滑體上的抗滑力和下滑力之間的關系來評價邊坡的穩(wěn)定性。 極限平衡法是邊坡穩(wěn)定性分析計算的主要方法，也是工程實踐中應用最多的一種方法。目前工程中用到的極限平衡穩(wěn)定性分析方法：1、Fellenius法（.Fellenius，1963）2、Bishop法（.Bishop，1955）3、Tayor法（Tayo，1937）4、Janbu法（N.Janbu，1

3、954，1973）5、Morgestern-Price法（Morgestern-Price，1965）6、Spencer法（Spencer，）7、Sarma法（Sarma，1979）8、楔形體法、9、平面破壞計算法、10、傳遞系數(shù)法11、Bake-Garber臨界滑面法（Bake-Garber，1978）等極限平衡法的選擇依據(jù)： 主要是根據(jù)邊坡破壞滑動面的形態(tài)來選擇 例如： 平面破壞滑動的邊坡：平面破壞計算法； 圓弧形破壞的滑坡：Fellenius法或Bishop法； 復合破壞滑動面的滑坡：Janbu法、Morgestern-Price法、Spencer法；折線形破壞滑動面的滑坡：傳遞系數(shù)法、

4、Janbu法等；楔形四面體巖石滑坡：楔形體法；受巖體控制而產(chǎn)生的結(jié)構復雜的巖體滑坡：Sarrna法等；三維極限平衡分析：Hovland法和Lshchinsky法等。極限平衡法的三個前提條件：（）滑動面上實際巖土提供的抗剪強度與作用在滑面上的垂直應力滿足莫爾庫侖準則；（）穩(wěn)定系數(shù)F(安全系數(shù))定義為沿最危險破壞面作用的最大抗滑力（或力矩）與下滑力（或力矩）的比值即：=抗滑力下滑力（3）二維（平面）極限分析的基本單元是單位寬度的分塊滑體。注:邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)規(guī)定極限平衡穩(wěn)定性分析方法基本分析計算步驟：（）在斷面上繪制滑面形狀：根據(jù)滑坡外形，及滑坡中段滑面深度、坍塌情況。破壞方式（平面、圓弧、復合滑

5、動等），推測幾個可能的滑動面形狀；（）推定滑坡后裂縫及塌陷帶的深度，計算或確定其產(chǎn)生的影響。（）對滑坡的滑體進行分塊：分塊的數(shù)目要根據(jù)滑坡的具體情況確定。一般來說應盡量使分塊小些。條塊數(shù)目 越多，結(jié)果誤差越小。此外，條塊垂直或不垂直條分要根據(jù)計算方法和巖體結(jié)構確定。（）計算滑動面上的空隙水壓力，可采用地下水監(jiān)測等方法確定。（）采用合適的計算方法，計算穩(wěn)定系數(shù)。原則上應采取兩種或兩種以上的計算方法進行結(jié)果比較。二、條分法的基本概念1. 原理：條分法是將滑動土體豎直分成若干土條，把土條當成剛體，分別求作用于各土條上的力對圓心的滑動力矩和抗滑力矩，然后按下式求土坡的穩(wěn)定安全系數(shù)：2. 受力分析圖：1

6、)重力W2)條塊側(cè)面法向力Pi、Pi+1，其作用點離弧面為hi、hi+13)條塊側(cè)面切向力Hi、Hi+14)土條底部的法向力N、切向力T， 條塊弧段長為li3. 土條i所受的力包括：n個土條，n-1個分界面，Pi 、Hi、hi共3(n-1)個未知數(shù)；Ni 、Ti共2n個未知數(shù)；Fs一個未知數(shù)。4. 土條i平衡方程：若把滑動土體分成n個條塊，則共有未知數(shù)5n-2個，可建方程4n個，為超靜定問題。5. 求解方法：（1）假定條間力的大小與方向的 畢肖普法和瑞典條分法；（2）假定條間力的作用方向的不平衡推力傳遞法；（3）假定條間力的作用點位置的簡布法。瑞典圓弧法 瑞典圓弧法又簡稱為瑞典法或費倫紐斯法，

7、它是極限平衡方法中最早而又最簡單的方法，其基本假定如下： (1)假定土坡穩(wěn)定屬平面應變問題，即可取其某一橫剖面為代表進行分析計算。 (2)假定滑裂面為圓柱面，即在橫剖面上滑裂面為圓?。换∶嫔系幕瑒油馏w視為剛體，即計算中不考慮滑動土體內(nèi)部的相互作用力(Ei，Xi不考慮)。 (3)定義安全系數(shù)為滑裂面上所能提供的抗滑力矩之和與外荷載及滑動土體在滑裂面上所產(chǎn)生的滑動力矩和之比；所有力矩都以圓心O為矩心。 (4)采用條分法進行計算。 dOCAWTf整體圓弧滑動受力示意圖2.求解方法：3.方法的特點：(1)忽略條間力的作用(2)滿足滑動土體整體力矩平衡條件(3)不滿足條塊的靜力平衡條件(4)滿足極限平衡

8、條件(5)得到的安全系數(shù)偏低，誤差偏于安全四、畢肖普法（Bishop法） 考慮條塊側(cè)面力1.求解方法：2、簡化比肖普公式(1) 假設條塊間作用力只有法向力沒有切向力；(2) 滿足滑動土體整體力矩平衡條件； 滿足各條塊力的多邊形閉合條件，但不滿足條 塊的力矩平衡條件；(4) 滿足極限平衡條件；得到的安全系數(shù)比瑞典條分法略高一點；適用于任意形狀的滑裂面3.簡化Bishop方法的特點五、普遍條分法（Janbu法）1. 求解前提： 假定條塊間水平作用力的位置。2.求解方法：XihiHi+1Pi+1hi+1iHiPihiOiNiWiTiiHi=Hi+1-HiWiNiPi=Pi+1-PiTi=(cili+

9、Nitgi)/Fsii令Hi =0代入求FS/求Pi求Pi， Hi求Hi求FsFS/=FSFSFS/0時：一、單平面滑動1、僅有重力作用時滑動面上的抗滑力Fs=Gcostgj+CjL 滑動力FrGsin穩(wěn)定性系數(shù)滑動體極限高度Hcr為當Cj=0，j時，1，Hcr=0忽略滑動面上內(nèi)聚力(Cj=0)時2、有水壓力作用作用于CD上的靜水壓力V作用于AD上的靜水壓力U為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為3、有水壓力作用與地震作用邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)FEK=1G水平地震作用二、同向雙平面滑動第一種情況為滑動體內(nèi)不存在結(jié)構面，視滑動體為剛體，采用力平衡圖解法計算穩(wěn)定性系數(shù)第二種情況為滑動體內(nèi)存在結(jié)構面并將滑動體切割成若干塊體的

10、情況，這時需分塊計算邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)1.滑動體為剛體的情況ABCD為可能滑動體，根據(jù)滑動面產(chǎn)狀分為、兩個塊體。F為塊體對塊體的作用力，F(xiàn)為塊體對塊體的作用力，F(xiàn)和F大小相等，方向相反，其作用方向的傾角為。滑動面AB以下巖體對塊體的反力R1(摩阻力) 與AB面法線的夾角為1。2.滑動體內(nèi)存在結(jié)構面的情況在滑動過程中，滑動體除沿滑動面滑動外，被結(jié)構面分割開的塊體之間還要產(chǎn)生相互錯動。采用分塊極限平衡法和不平衡推力傳遞法進行穩(wěn)定性計算。AB面BC面BD面塊體塊體塊體塊體塊體三、多平面滑動邊坡巖體的多平面滑動， 分為一般多平面滑動和 階梯狀滑動兩個亞類。階梯狀滑動：破壞面由多個實際滑動面和受拉面組成，

11、呈階梯狀，坡穩(wěn)定性的計算思路與單平面滑動相同，即將滑動體的自重 (僅考慮重力作用時)分解為垂直滑動面的分量和平行滑動面的分量。楔形體滑動的滑動面由兩個傾向相反、且其交線傾向與坡面傾向相同、傾角小于邊坡角的軟弱結(jié)構面組成。四、楔形體滑動首先將滑體自重G分解為垂直交線BD的分量N和平行交線的分量(即滑動力Gsin)，然后將N投影到兩個滑動面的法線方向，求得作用于滑動面上的法向力N1和N2，最后求得抗滑力及穩(wěn)定性系數(shù)?？赡芑瑒芋w的滑動力為Gsin，垂直交線的分量為NGcos。將Gcos投影到ABD和BCD面的法線方向上，得法向力N1、N2穩(wěn)定性系數(shù)計算的基本思路邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)邊坡的抗滑力 注1：由

12、式(8-20)求得的K值為上限值。注2：如果計算K值為負，則表示不可能失穩(wěn)。注3：此分析適合于主滑面較長、輔助面較短的 情況。如果輔助面較平坦、較長、則計算K值偏大。Sarma法基本原理：邊坡破壞的滑體除非是沿一個理想的平面或弧面滑動，才可能作一個完整的剛體運動，否則，滑體必須先破裂成多個可相對滑動的塊體，才可能發(fā)生滑動.也就是說在滑體內(nèi)部要發(fā)生剪切情況下才可能滑動。破壞形式： (1)分析作用在第i條塊上的作用力。作用在第i個條塊上的作用力，如下圖所示。Sarma建議了一個體積力KcWi(假想的水平體積力如水平地震慣性力, 以此來實現(xiàn)邊坡的極限狀態(tài)，w為滑坡體的自重。Sarma (1973)首

13、先提出這一思路) 假定在其作用下，滑坡體處于極限平衡狀態(tài)，其中Kc是臨界加速度系數(shù)(2)根據(jù)條塊垂直和水平方向力的平衡，可以得到:式中：E、 X分別為作用于條塊的法向力和切向力; 為條塊左側(cè)界面的傾角。根據(jù)Mohr-Coulomb破壞準則，在底面和左、右界面有式中: 和cj為界面上的平均摩擦角和凝聚力;d為界面的長度;b為條塊底面的寬度;PW為界面上的孔隙水壓力。消掉Ti、Xi、Xi+1和Ni，可以得到：上式是個循環(huán)式，可以得到進一步得到：(3)計算Kc ：如沒有外荷載作用，則En+ 1=E1=0,可以得到: （7-28）穩(wěn)定系數(shù)計算計算穩(wěn)定系數(shù)時；首先假設穩(wěn)定系數(shù)，用（7-28）式求解，此時為C，即極限水平加速度。（7-28）式的物理意義是，使滑體達到極限平衡時的平衡狀態(tài)，必須在滑體上施加一個臨界水平加速度C。C為正時，方向向坡外；C為負時，方向向坡內(nèi)。但計算中一般假定有一個水平加速度為C的水平外力作用，求其穩(wěn)定系數(shù)F。此時要采用改變值的方法：即初定