水工地質(zhì)7(地基與邊坡穩(wěn)定)

1、第七章第七章 地基與邊坡穩(wěn)定的工地基與邊坡穩(wěn)定的工 程地質(zhì)分析程地質(zhì)分析 Engineering geological analysise on stability of foundation and slope 第一節(jié)第一節(jié) 巖質(zhì)地基穩(wěn)定分析巖質(zhì)地基穩(wěn)定分析 本章結(jié)構(gòu)本章結(jié)構(gòu) 第二節(jié)第二節(jié) 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問題巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問題 第一節(jié)第一節(jié) 巖質(zhì)地基巖質(zhì)地基 穩(wěn)定分析穩(wěn)定分析 地基的工程地質(zhì)問題可分為土質(zhì)地基和巖質(zhì)地基兩類。地基的工程地質(zhì)問題可分為土質(zhì)地基和巖質(zhì)地基兩類。 早期人們認(rèn)為，巖質(zhì)地基對大多數(shù)工程類型而言都有足夠早期人們認(rèn)為，巖質(zhì)地基對大多數(shù)工程類型而言都有足夠 的承載能力，但實(shí)際上，

2、巖質(zhì)地基失穩(wěn)導(dǎo)致水工或其他建的承載能力，但實(shí)際上，巖質(zhì)地基失穩(wěn)導(dǎo)致水工或其他建 筑損毀的事例也不少，加拿大特朗斯康谷倉事故就是明顯筑損毀的事例也不少，加拿大特朗斯康谷倉事故就是明顯 一例。一例。 加拿大特朗加拿大特朗 斯康谷倉事斯康谷倉事 故故1911 一、巖質(zhì)地基洞穴問題及其分析 1 1洞穴問題洞穴問題 巖質(zhì)地基中的洞穴主要包括三類，即：巖質(zhì)地基中的洞穴主要包括三類，即： 可溶巖區(qū)的溶洞；可溶巖區(qū)的溶洞； 構(gòu)造發(fā)育區(qū)中被淘空的構(gòu)造裂隙段；構(gòu)造發(fā)育區(qū)中被淘空的構(gòu)造裂隙段； 人工洞穴如礦洞、隧洞等。人工洞穴如礦洞、隧洞等。 洞穴以上修建工程時(shí)，洞頂巖石會(huì)在洞穴以上修建工程時(shí)，洞頂巖石會(huì)在基礎(chǔ)荷載

3、基礎(chǔ)荷載P P0引發(fā)引發(fā) 的的附加應(yīng)力附加應(yīng)力P PZ Z作用下發(fā)生變形，甚至破裂塌陷，引發(fā)地基作用下發(fā)生變形，甚至破裂塌陷，引發(fā)地基 失效，危及建筑的安全穩(wěn)定。失效，危及建筑的安全穩(wěn)定。 2 2洞穴穩(wěn)定性分析洞穴穩(wěn)定性分析 巖質(zhì)地基洞穴穩(wěn)定的關(guān)鍵是基礎(chǔ)底面到洞穴頂?shù)膸r巖質(zhì)地基洞穴穩(wěn)定的關(guān)鍵是基礎(chǔ)底面到洞穴頂?shù)膸r 體厚度達(dá)到可維持穩(wěn)定的安全值，即建筑基礎(chǔ)下的巖體體厚度達(dá)到可維持穩(wěn)定的安全值，即建筑基礎(chǔ)下的巖體 厚度大于安全厚度厚度大于安全厚度Z Z0 0。 如右圖，假定建筑基礎(chǔ)如右圖，假定建筑基礎(chǔ) 底寬為底寬為b b，荷載為，荷載為P P0 0，附，附 加應(yīng)力擴(kuò)散角為加應(yīng)力擴(kuò)散角為，則，則 至

4、基礎(chǔ)下至基礎(chǔ)下ZZ深度時(shí)，附深度時(shí)，附 加應(yīng)加應(yīng)力力為為P PZ Z。 tgP bPP Z tgZb bP P Z Z Z 2 )( 2 00 P PZ Z P P0 0 ZZ b b 一般認(rèn)為：堅(jiān)硬巖體中一般認(rèn)為：堅(jiān)硬巖體中P PZ Z=0.2P=0.2P0 0；軟弱巖體中；軟弱巖體中 P PZ Z=0.1P=0.1P0 0時(shí)，巖體不會(huì)發(fā)生大的變形與產(chǎn)生新的裂隙，時(shí)，巖體不會(huì)發(fā)生大的變形與產(chǎn)生新的裂隙， 故故 tgP bPP Z Z Z 2 )( 0 )( 2 4 . 0/8 . 0 00 硬巖 tg b tgPbP )( 5 . 4 2 9 2 . 0/9 . 0 00 軟巖 tg b t

5、g b tgPbP 而據(jù)經(jīng)驗(yàn)而據(jù)經(jīng)驗(yàn) =30=30 一般巖體；一般巖體； =40=40 堅(jiān)固完整巖體堅(jiān)固完整巖體 為安全見，通常所有巖體取為安全見，通常所有巖體取=30=30故有，故有， 堅(jiān)硬巖體（花崗巖、石英巖）堅(jiān)硬巖體（花崗巖、石英巖） 30/2 0 tgbZ 30/5 . 4 0 tgbZ軟弱巖體（泥灰?guī)r、千枚巖）軟弱巖體（泥灰?guī)r、千枚巖） 二、巖質(zhì)地基沉降變形 巖質(zhì)地基在上部荷載下可產(chǎn)生受壓變形，最簡單巖質(zhì)地基在上部荷載下可產(chǎn)生受壓變形，最簡單 的情況是受到鉛垂向下的單軸應(yīng)力作用而產(chǎn)生壓縮。常的情況是受到鉛垂向下的單軸應(yīng)力作用而產(chǎn)生壓縮。常 識(shí)與經(jīng)驗(yàn)告訴我們，識(shí)與經(jīng)驗(yàn)告訴我們，巖質(zhì)地基

6、未破壞前的變形量均處在巖質(zhì)地基未破壞前的變形量均處在 彈性變形階段，彈性變形階段，故壓縮變形量一是與附加應(yīng)力大小有關(guān)故壓縮變形量一是與附加應(yīng)力大小有關(guān) 系，另一個(gè)則是與巖石的彈性模量有關(guān)系。系，另一個(gè)則是與巖石的彈性模量有關(guān)系。 理解關(guān)鍵：理解關(guān)鍵： 均布荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力在基礎(chǔ)中心均布荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力在基礎(chǔ)中心 線下最大。線下最大。 沉降變形均發(fā)生于彈性變形階段。沉降變形均發(fā)生于彈性變形階段。 詳見彈性力學(xué)詳見彈性力學(xué) 1 1巖質(zhì)地基內(nèi)附加應(yīng)力巖質(zhì)地基內(nèi)附加應(yīng)力P PZ Z的分布的分布 假定巖質(zhì)地基承受的是均布荷載假定巖質(zhì)地基承受的是均布荷載P P0 0，基礎(chǔ)寬度為，基礎(chǔ)寬度為b b， 則

7、地基內(nèi)各處的附加應(yīng)力則地基內(nèi)各處的附加應(yīng)力P PZ Z在中心線上是最大的，由彈性在中心線上是最大的，由彈性 力學(xué)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，巖質(zhì)地基中一般當(dāng)力學(xué)和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，巖質(zhì)地基中一般當(dāng)： Z=0.5bZ=0.5b時(shí)，時(shí)，P PZ Z=0.5P=0.5P0 0 Z=2.5b Z=2.5b時(shí)，時(shí)，P PZ Z=0.2P=0.2P0 0 Z=5b Z=5b時(shí)，時(shí)，P PZ Z=0.05P=0.05P0 0 P P0 0 P PZ Z Z Z b b 2 2巖質(zhì)地基沉降量計(jì)算巖質(zhì)地基沉降量計(jì)算 以巖石彈性模量計(jì)算公式可知：以巖石彈性模量計(jì)算公式可知： E E 對于巖質(zhì)地基而言，對于巖質(zhì)地基而言，就

8、是垂向沉降量，具體到巖質(zhì)地就是垂向沉降量，具體到巖質(zhì)地 基，則有基，則有 Z z Z E P 當(dāng)某深度處的巖層（可天然也可人工分層）厚為當(dāng)某深度處的巖層（可天然也可人工分層）厚為h h時(shí)，時(shí)， 沉降變形量應(yīng)為：沉降變形量應(yīng)為： Z Z z E hP hS 當(dāng)已知巖基受壓層范圍（一般取當(dāng)已知巖基受壓層范圍（一般取P PZ Z=0.1P=0.1P0 0范圍內(nèi)的深度）范圍內(nèi)的深度） 內(nèi)巖基各分層的內(nèi)巖基各分層的EiEi值（原位試驗(yàn)確定），各分層的厚度及值（原位試驗(yàn)確定），各分層的厚度及 各層的平均附加應(yīng)力時(shí)，地基巖體在基礎(chǔ)荷載各層的平均附加應(yīng)力時(shí)，地基巖體在基礎(chǔ)荷載P P0 0下的沉降下的沉降 變形

9、值就為：變形值就為： n i n i Zi hi Ei P SiS 11 三、不良巖質(zhì)地基處理措施三、不良巖質(zhì)地基處理措施 1 1清基清基：即清除地基表面的風(fēng)化層和破碎巖塊，建筑等即清除地基表面的風(fēng)化層和破碎巖塊，建筑等 級(jí)不同，清基程度不同。級(jí)不同，清基程度不同。 超高層建筑：重型設(shè)備（水壓機(jī)等）、高大砼壩、重型橋梁基礎(chǔ)超高層建筑：重型設(shè)備（水壓機(jī)等）、高大砼壩、重型橋梁基礎(chǔ) 清到微風(fēng)化層甚至完整基巖上清到微風(fēng)化層甚至完整基巖上 中、小型工程中、小型工程只須清到弱風(fēng)化層甚至強(qiáng)風(fēng)化層只須清到弱風(fēng)化層甚至強(qiáng)風(fēng)化層 2 2固結(jié)灌漿固結(jié)灌漿：即鉆孔灌注水泥砂漿入裂隙中，膠結(jié)加固即鉆孔灌注水泥砂漿入裂

10、隙中，膠結(jié)加固 巖體。巖體。 3 3錨固錨固：地基巖體中有控制性大型滑移面時(shí)用。地基巖體中有控制性大型滑移面時(shí)用。 4 4砼塞、砼鍵加固法砼塞、砼鍵加固法：用用井、硐（巷道）、槽開挖，再井、硐（巷道）、槽開挖，再 灌注形成塞。灌注形成塞。 第二節(jié)第二節(jié) 巖質(zhì)邊坡巖質(zhì)邊坡 穩(wěn)定問題穩(wěn)定問題 自然界的邊坡按其巖土性質(zhì)也可自然界的邊坡按其巖土性質(zhì)也可 分為巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡兩類。土質(zhì)分為巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡兩類。土質(zhì) 邊坡的穩(wěn)定問題屬于土力學(xué)處理的經(jīng)邊坡的穩(wěn)定問題屬于土力學(xué)處理的經(jīng) 典問題。而巖質(zhì)邊坡問題則屬于工程典問題。而巖質(zhì)邊坡問題則屬于工程 地質(zhì)學(xué)研究的對象。地質(zhì)學(xué)研究的對象。 一、巖質(zhì)邊坡的破

11、壞類型一、巖質(zhì)邊坡的破壞類型 包括崩塌和滑坡兩種類型。包括崩塌和滑坡兩種類型。 1 1崩塌崩塌 陡峻邊坡上巨大巖塊在重力作用下突發(fā)式地翻滾跌落。陡峻邊坡上巨大巖塊在重力作用下突發(fā)式地翻滾跌落。 崩塌是一種拉裂破壞，發(fā)生時(shí)要求邊坡上部有拉應(yīng)力的集崩塌是一種拉裂破壞，發(fā)生時(shí)要求邊坡上部有拉應(yīng)力的集 中現(xiàn)象，即產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)。中現(xiàn)象，即產(chǎn)生拉應(yīng)力區(qū)。 坡角大小不同，拉應(yīng)力區(qū)范圍不同，一般坡角越大，坡角大小不同，拉應(yīng)力區(qū)范圍不同，一般坡角越大， 拉應(yīng)力區(qū)范圍也越大，越易產(chǎn)生崩塌。拉應(yīng)力區(qū)范圍也越大，越易產(chǎn)生崩塌。 30300 045450 0 9090 0 0 崩塌規(guī)模也可以較大，由此產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞性導(dǎo)

12、致巨崩塌規(guī)模也可以較大，由此產(chǎn)生較強(qiáng)的破壞性導(dǎo)致巨 大的生命財(cái)產(chǎn)損失大的生命財(cái)產(chǎn)損失. . 2 2滑坡滑坡 滑坡：斜坡巖土體在重力作用下去失原有穩(wěn)定性，沿斜坡滑坡：斜坡巖土體在重力作用下去失原有穩(wěn)定性，沿斜坡 內(nèi)某些軟弱滑移面作整體下滑破壞的現(xiàn)象（剪切破壞）。內(nèi)某些軟弱滑移面作整體下滑破壞的現(xiàn)象（剪切破壞）。 巖質(zhì)邊坡：軟弱滑移面為巖質(zhì)邊坡：軟弱滑移面為 實(shí)際存在的結(jié)構(gòu)面。實(shí)際存在的結(jié)構(gòu)面。 土質(zhì)邊坡：滑移面為不可土質(zhì)邊坡：滑移面為不可 見的潛在面，計(jì)算時(shí)需假見的潛在面，計(jì)算時(shí)需假 定。定。 （1 1）滑坡的構(gòu)成）滑坡的構(gòu)成 圖圖3-9 3-9 滑坡要素及滑坡形態(tài)特征示意圖滑坡要素及滑坡形態(tài)特

13、征示意圖 11滑坡體；滑坡體；22滑坡周界；滑坡周界；33破裂壁；破裂壁；44滑坡臺(tái)階；滑坡臺(tái)階；55滑動(dòng)面；滑動(dòng)面；66滑動(dòng)帶；滑動(dòng)帶； 77滑坡舌；滑坡舌；88滑動(dòng)鼓丘；滑動(dòng)鼓丘；99滑動(dòng)軸；滑動(dòng)軸；1010破裂緣；破裂緣；1111封閉洼地；封閉洼地；1212拉張拉張 裂隙；裂隙；1313剪切裂隙；剪切裂隙；1414扇形裂隙；扇形裂隙；1515鼓張裂隙；鼓張裂隙；1616滑坡床滑坡床 （2 2）滑坡的類型）滑坡的類型 依據(jù)不同，類型不同。依據(jù)不同，類型不同。 依滑坡體規(guī)模：依滑坡體規(guī)模： 小型：小型： 3300300萬萬m m3 3 牽引式滑坡牽引式滑坡 推動(dòng)式滑坡推動(dòng)式滑坡 依力學(xué)條件：

14、依力學(xué)條件： 牽引式滑坡牽引式滑坡，推動(dòng)式滑坡推動(dòng)式滑坡 順層滑坡順層滑坡 切層滑坡切層滑坡 均質(zhì)滑坡均質(zhì)滑坡 依滑動(dòng)面與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系：依滑動(dòng)面與結(jié)構(gòu)面的關(guān)系： 順層滑坡順層滑坡，切層滑坡切層滑坡，均質(zhì)滑坡均質(zhì)滑坡 二、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析二、巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析 巖質(zhì)邊坡能否滑移取決于邊坡內(nèi)部是否巖質(zhì)邊坡能否滑移取決于邊坡內(nèi)部是否 有適宜的軟弱結(jié)構(gòu)面以及結(jié)構(gòu)面上的抗滑穩(wěn)有適宜的軟弱結(jié)構(gòu)面以及結(jié)構(gòu)面上的抗滑穩(wěn) 定性，而這種穩(wěn)定性又受到地形、構(gòu)造、巖定性，而這種穩(wěn)定性又受到地形、構(gòu)造、巖 性、地下水情況以及氣候因素的影響。顯然：性、地下水情況以及氣候因素的影響。顯然： 邊坡越陡峻邊坡越陡峻, ,巖體越破

15、碎，膠結(jié)越松散，越易巖體越破碎，膠結(jié)越松散，越易 形成邊坡滑移。形成邊坡滑移。 工程地質(zhì)研究中，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的分析方法有：工程地質(zhì)研究中，巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定的分析方法有： 地質(zhì)地貌條件分析法；地質(zhì)地貌條件分析法； 工程地質(zhì)類比法（人工邊坡的設(shè)計(jì)分析）工程地質(zhì)類比法（人工邊坡的設(shè)計(jì)分析）； 圖解分析法（極射赤平投影分析）圖解分析法（極射赤平投影分析）； 穩(wěn)定計(jì)算法。穩(wěn)定計(jì)算法。 最常最常用用的的是是穩(wěn)定計(jì)算法穩(wěn)定計(jì)算法。 顯然：顯然：K K1 1時(shí)，邊坡穩(wěn)定時(shí)，邊坡穩(wěn)定 K K1 1時(shí)，邊坡失穩(wěn)時(shí)，邊坡失穩(wěn) K=1K=1時(shí)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。 T F K 穩(wěn)定計(jì)算法穩(wěn)定計(jì)算

16、法 1 1方法原理方法原理 巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定計(jì)算是力學(xué)平衡問題。即在某潛巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定計(jì)算是力學(xué)平衡問題。即在某潛 在滑移面上，當(dāng)滑動(dòng)力在滑移面上，當(dāng)滑動(dòng)力T T抗滑阻力抗滑阻力F F時(shí)，邊坡就失去時(shí)，邊坡就失去 其抗滑穩(wěn)定性，該穩(wěn)定性用穩(wěn)定系數(shù)其抗滑穩(wěn)定性，該穩(wěn)定性用穩(wěn)定系數(shù)k k來表示，即有：來表示，即有： （K K無量綱）無量綱） 單一直線型（傾斜平面）單一直線型（傾斜平面） 復(fù)雜折線型（折面型）復(fù)雜折線型（折面型） 復(fù)合復(fù)合V V字型字型 2 2滑移面形態(tài)分類滑移面形態(tài)分類： 常見巖質(zhì)邊坡的滑移面形態(tài)可分為以下三種，主要是常見巖質(zhì)邊坡的滑移面形態(tài)可分為以下三種，主要是 剖面上的形態(tài)：剖面

17、上的形態(tài)： 后兩種滑移面的穩(wěn)定計(jì)算均比較復(fù)雜，這里只就后兩種滑移面的穩(wěn)定計(jì)算均比較復(fù)雜，這里只就 最簡單的單一直線型滑移面的穩(wěn)定計(jì)算作以分析。最簡單的單一直線型滑移面的穩(wěn)定計(jì)算作以分析。 假定有一直線型假定有一直線型 邊坡如右圖。邊坡如右圖。 滑動(dòng)體滑動(dòng)體abcabc中中 hh變形體高度變形體高度 LL滑移面長度滑移面長度 滑移面傾角滑移面傾角 GG滑動(dòng)體重量滑動(dòng)體重量 3 3巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定計(jì)算 G G F F L L a b c c T T N N h h 另，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，滑移面上粘聚力為另，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測定，滑移面上粘聚力為C C，巖體內(nèi)摩擦，巖體內(nèi)摩擦 角角，則，則 cLtgGF

18、cos 下滑力下滑力: : T=GsinT=Gsin 抗滑力抗滑力( (摩阻力摩阻力) :) : L L a b T T N N h h c G sin cos G cLtgG T F K sinG cL tg tg 而而 cos 2 1 hLG （1 1） K K判據(jù)判據(jù): :當(dāng)滑動(dòng)體處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，有當(dāng)滑動(dòng)體處于相對靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，有: : L L a b c c T T N N h h 顯然：當(dāng)顯然：當(dāng)C=0C=0時(shí)時(shí) 2sin 4 h C tg tg K tg tg K 代入上式，得代入上式，得 顯然：顯然： K1 K1 穩(wěn)定穩(wěn)定 K=1 K=1 極限平衡極限平衡 K1 K，就可以保證滑動(dòng)體不產(chǎn)生滑動(dòng)，就可以保證滑動(dòng)體不產(chǎn)