巖體結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性分析(6)

1、第六章第六章 巖體結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性分析巖體結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性分析掌握巖體的概念，了解巖體的的主要特征；掌握巖體與巖石的區(qū)別巖體的結(jié)構(gòu)特性巖體穩(wěn)定性分析重點掌握一組結(jié)構(gòu)面的分析1.巖體概述1.1 巖體定義 在漫長的地質(zhì)歷史過程中形成的，具有一定結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，并與工程建筑有關(guān)的天然地質(zhì)體。 巖體通常被結(jié)構(gòu)面切割，多裂隙的不連續(xù)介質(zhì)。 巖石可理解為完整巖塊。1.巖體概述1.2 巖體特征巖體性質(zhì)受巖石、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力等影響。巖體為結(jié)構(gòu)面切割，其軟弱結(jié)構(gòu)面?？刂茙r體穩(wěn)定。巖體變形和破壞主要受控于結(jié)構(gòu)面及其組合。巖體中存在著復(fù)雜的天然應(yīng)力場。1.巖體概述1.3 巖體與巖石的區(qū)別巖石：單一巖塊巖體：巖體中的巖

2、石被各種結(jié)構(gòu)面所切割，結(jié)構(gòu)面的強度比巖石的強度低，破壞了巖體的連續(xù)性和完整性。2. 巖體結(jié)構(gòu)特性2.1巖體結(jié)構(gòu) 存在于巖體中的各種地質(zhì)界面，如巖層層面、裂隙面、斷裂面、不整合面等，統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)面。巖體受結(jié)構(gòu)面切割而產(chǎn)生的單個塊體（巖體）稱為結(jié)構(gòu)體。巖體結(jié)構(gòu)=結(jié)構(gòu)面+結(jié)構(gòu)體。 所謂所謂巖體結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)就指結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個要素的就指結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體兩個要素的組合特征。巖體結(jié)構(gòu)既表達巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程組合特征。巖體結(jié)構(gòu)既表達巖體結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及組合，又反映結(jié)構(gòu)體的大小、幾何形狀及排度及組合，又反映結(jié)構(gòu)體的大小、幾何形狀及排列。列。 巖體的工程性質(zhì)主要由結(jié)構(gòu)面尤其是軟弱結(jié)構(gòu)巖體的工程性質(zhì)主要由結(jié)構(gòu)面尤

3、其是軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)控制。面的性質(zhì)控制。 2.2 結(jié)構(gòu)面 存在于巖體中的各種地質(zhì)界面，如巖層層面、裂隙面、斷層面、不整合面等2.2.1 結(jié)構(gòu)面成因類型 原生結(jié)構(gòu)面：沉積結(jié)構(gòu)面、火成結(jié)構(gòu)面、變質(zhì)結(jié)構(gòu)面 構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：裂隙、斷層、層間錯動面 次生結(jié)構(gòu)面：卸荷裂隙、風(fēng)化裂隙、風(fēng)化夾層、泥化夾層、次生夾泥層層面火成結(jié)構(gòu)面裂隙斷裂面裂隙面層間錯動面風(fēng)化裂隙1風(fēng)化裂隙2泥化夾層泥化夾層卸荷裂隙斷裂面2 .2.2 結(jié)構(gòu)面特征1）成生年代；2）成因類型；P1133）延續(xù)性及穿切性（規(guī)模）：五級劃分；P1154）形態(tài)：（平整、光滑和粗糙程度） P1155）充填膠結(jié)情況：泥、鈣膠結(jié)和未充填6）產(chǎn)狀及組合關(guān)系：7）密

4、集程度：8）力學(xué)性質(zhì) ：抗剪切能力軟弱夾層軟弱夾層是具有一定厚度的特殊的巖體軟弱結(jié)構(gòu)面；特征：強度低，壓縮性高。成因分類：原生的、構(gòu)造的和次生的。性質(zhì)分：松軟的，固結(jié)的和淺變質(zhì)的。2.3 結(jié)構(gòu)體 巖體受結(jié)構(gòu)面切割而產(chǎn)生的單元塊體，稱為結(jié)構(gòu)體。一般常見的結(jié)構(gòu)體形式有：柱狀、塊狀、板狀、楔形、菱形、錐形等六種形態(tài)。不同形態(tài)和產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)體，其穩(wěn)定程度不同。柱狀結(jié)構(gòu)體塊狀結(jié)構(gòu)體板狀、塊狀結(jié)構(gòu)體2.4 巖體結(jié)構(gòu)類型 巖體結(jié)構(gòu)類型主要取決于不同巖性及不同形式結(jié)構(gòu)體的組合方式，這是在對結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體研究的基礎(chǔ)上進一步概括的結(jié)果。整體狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)和散體結(jié)構(gòu)。塊狀結(jié)構(gòu)層狀結(jié)構(gòu)碎裂、散體結(jié)

5、構(gòu)3.巖體穩(wěn)定性分析3.1穩(wěn)定性分析方法地質(zhì)分析（巖體結(jié)構(gòu)分析）、塊體力學(xué)分析、有限元分析和模型試驗邊坡穩(wěn)定性分析方法評評價價方方法法數(shù)學(xué)力學(xué)分析法數(shù)學(xué)力學(xué)分析法模型模擬試驗法模型模擬試驗法工程類比法工程類比法圖解法圖解法塊體極限平衡法塊體極限平衡法彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)法彈性力學(xué)、彈塑性力學(xué)法有限元法等數(shù)值方法有限元法等數(shù)值方法邊坡赤平投影圖 （圖15）第組裂隙產(chǎn)狀：7583第組裂隙產(chǎn)狀：14075邊坡產(chǎn)狀： 9583巖層產(chǎn)狀： 3426邊坡坡面層巖層面03.2 赤平極射投影 通過圖解分析，確定邊坡是否具備失穩(wěn)的條件。3.2 赤平極射投影一般操作步驟：一般操作步驟： 將透明紙蒙在吳氏網(wǎng)上，將透

6、明紙蒙在吳氏網(wǎng)上， 畫畫“+”+”中心，中心， 標(biāo)出標(biāo)出E E、S S、W W、N N方位（順鐘方位（順鐘向）。向）。利用投影網(wǎng)，在圓周上經(jīng)過圓心利用投影網(wǎng)，在圓周上經(jīng)過圓心繪制走向，并標(biāo)注，轉(zhuǎn)動透明紙，繪制走向，并標(biāo)注，轉(zhuǎn)動透明紙，使走向與投影網(wǎng)的南北相合，在投使走向與投影網(wǎng)的南北相合，在投影網(wǎng)的東西線上找出傾角，傾向在影網(wǎng)的東西線上找出傾角，傾向在反方向找，獲得投影弧反方向找，獲得投影弧。S2S1穩(wěn)定性分析不穩(wěn)定最穩(wěn)定穩(wěn)定基本穩(wěn)定3.3一組結(jié)構(gòu)面切割的邊坡3.3.1巖層的走向與邊坡的走向一致時， 順向坡：方向相同，結(jié)構(gòu)面投影弧性位于邊坡投影弧之內(nèi)，基本穩(wěn)定；之外者，不穩(wěn)定。 反向坡：結(jié)構(gòu)面

7、投影弧形方向與邊坡投影方向相反,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。3.3一組結(jié)構(gòu)面切割的邊坡3.3.2巖層的走向與邊坡的走向斜交斜向坡：破壞的2個條件，（1）破壞一定是沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生的，（2）有一個直立的并垂直于結(jié)構(gòu)面的最小抗切面例如：結(jié)構(gòu)面走向N80oW，傾向SW，傾角50o，與邊坡斜交，邊坡走向N50oW，傾向SW，求穩(wěn)定坡角。步驟：1）結(jié)構(gòu)面的投影??；2）最小抗切面的投影弧，找交點。3）邊坡的走向、傾向和過交點作邊坡的投影弧；4）據(jù)邊坡的投影弧求得邊坡的穩(wěn)定坡角。穩(wěn)定性分析不穩(wěn)定基本穩(wěn)定較不穩(wěn)定穩(wěn)定性分析穩(wěn)定最穩(wěn)定多組結(jié)構(gòu)面切割的邊坡 看各組結(jié)構(gòu)面交線同邊坡面的組合關(guān)系。邊坡赤平投影圖 （圖15）第組裂隙產(chǎn)狀：7

8、583第組裂隙產(chǎn)狀：14075邊坡產(chǎn)狀： 9583巖層產(chǎn)狀： 3426邊坡坡面層巖層面0邊坡赤平投影圖 第組裂隙產(chǎn)狀：14780第組裂隙產(chǎn)狀：31078邊坡產(chǎn)狀： 14072巖層產(chǎn)狀： 3468邊坡坡面0巖層層面公路路基設(shè)計規(guī)范JTG D30-2004規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范GB50330-2002規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定6.3 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析6.2.1 邊坡巖體中的應(yīng)力分邊坡巖體中的應(yīng)力分6.2.2 邊坡巖體的變形與破壞邊坡巖體的變形與破壞6.2.3 邊坡巖體穩(wěn)定性分析步驟邊坡巖體穩(wěn)定性分析步驟6.2.4 邊坡巖體穩(wěn)定性計算邊坡巖體穩(wěn)定性計算 斜坡斜坡(slope)統(tǒng)指地表一切具有側(cè)

9、向臨空面的地質(zhì)統(tǒng)指地表一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，包括體，包括天然斜坡和人工邊坡天然斜坡和人工邊坡。 天然斜坡天然斜坡(簡稱斜坡）是指自然地質(zhì)作用形成未簡稱斜坡）是指自然地質(zhì)作用形成未經(jīng)人工改造的斜坡。經(jīng)人工改造的斜坡。 人工邊坡人工邊坡(簡稱邊坡）是指經(jīng)人工開挖或改造形簡稱邊坡）是指經(jīng)人工開挖或改造形成的斜坡。成的斜坡。 研究目的：研究邊坡變形破壞的研究目的：研究邊坡變形破壞的機理機理(包括應(yīng)力包括應(yīng)力分布及變形破壞特征分布及變形破壞特征)與與穩(wěn)定性穩(wěn)定性，為邊坡預(yù)測預(yù)，為邊坡預(yù)測預(yù)報及整治提供巖體力學(xué)依據(jù)。其中報及整治提供巖體力學(xué)依據(jù)。其中穩(wěn)定性計算穩(wěn)定性計算是巖體邊坡穩(wěn)定性分析的核心是巖

10、體邊坡穩(wěn)定性分析的核心。天然斜坡天然斜坡天然斜坡天然斜坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡人工邊坡 在巖體中進行開挖，形成人工邊坡后，由于在巖體中進行開挖，形成人工邊坡后，由于開挖卸荷，在近邊坡面一定范圍內(nèi)的巖體中，開挖卸荷，在近邊坡面一定范圍內(nèi)的巖體中，發(fā)生應(yīng)力重分布作用，使邊坡巖體處于重分發(fā)生應(yīng)力重分布作用，使邊坡巖體處于重分布應(yīng)力狀態(tài)。布應(yīng)力狀態(tài)。6.3.1 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v 邊坡面附近的邊坡面附近的主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)。最大主。最大主應(yīng)力與坡面近于平行，最小主應(yīng)力與坡面近應(yīng)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

11、復(fù)初始應(yīng)力狀態(tài)。于正交，向坡體內(nèi)逐漸恢復(fù)初始應(yīng)力狀態(tài)。 (3) 坡面附近產(chǎn)生應(yīng)力集中帶。在坡腳附近，最大坡面附近產(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，剪應(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。邊坡愈陡，則此帶范圍愈大，常形成拉應(yīng)力帶。邊坡愈陡，則此帶范圍愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破壞。因此，坡肩附近最易拉裂破壞。 (4) 最大剪應(yīng)力跡線為凹向坡面的弧線。在坡面處最大剪應(yīng)力跡線為凹向坡面的弧線。在坡面處徑向壓力為零。徑向壓力為零。 (1)天然應(yīng)力天然應(yīng)力 水平天然應(yīng)力使坡體應(yīng)力水平天然應(yīng)力使坡體應(yīng)力重分布作用加劇。在臨空面附近出現(xiàn)應(yīng)重分布作用

12、加劇。在臨空面附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，坡面及坡肩出現(xiàn)拉張應(yīng)力帶。力集中，坡面及坡肩出現(xiàn)拉張應(yīng)力帶。P126表表6-5 (2)坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡形、坡高、坡角及坡底寬度坡高坡高不改變應(yīng)力等值線的形狀，但不改變應(yīng)力等值線的形狀，但改變主應(yīng)力的大小。改變主應(yīng)力的大小。坡角坡角影響邊坡巖體應(yīng)力分布圖象。影響邊坡巖體應(yīng)力分布圖象。坡底坡底寬度對坡腳巖體應(yīng)力有較大的寬度對坡腳巖體應(yīng)力有較大的影響。影響。坡面坡面形狀對重分布應(yīng)力也有明顯的形狀對重分布應(yīng)力也有明顯的影響。影響。 (3)巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征巖體性質(zhì)及結(jié)構(gòu)特征 巖體變形模量對邊坡應(yīng)力影響不大，泊松比對巖體變形模量對邊坡應(yīng)力影響不大，泊松比對邊坡

13、應(yīng)力影響較大。這是由于泊松比的變化，邊坡應(yīng)力影響較大。這是由于泊松比的變化，可以使水平自重應(yīng)力發(fā)生改變。可以使水平自重應(yīng)力發(fā)生改變。 (4)結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu)面 結(jié)構(gòu)面的存在使坡體中應(yīng)力發(fā)生不連續(xù)分布，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)面周邊或端點形成應(yīng)力集中帶或阻滯并在結(jié)構(gòu)面周邊或端點形成應(yīng)力集中帶或阻滯應(yīng)力的傳遞，這種情況在堅硬巖體邊坡中尤為應(yīng)力的傳遞，這種情況在堅硬巖體邊坡中尤為明顯。明顯。6.3.2 邊坡巖體的變形與破壞 巖體邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中巖體邊坡的變形與破壞是邊坡發(fā)展演化過程中兩個不同的階段，變形屬量變階段，而破壞則兩個不同的階段，變形屬量變階段，而破壞則

14、是質(zhì)變階段，它們形成一個累進性變形破壞過是質(zhì)變階段，它們形成一個累進性變形破壞過程。程。 斜坡變形以坡體未出現(xiàn)貫通的破壞面為特點，斜坡變形以坡體未出現(xiàn)貫通的破壞面為特點，但在坡體各個局部，特別是坡面附近也可能出現(xiàn)、但在坡體各個局部，特別是坡面附近也可能出現(xiàn)、一定程度的破裂與錯動。而從整體上看，并未出現(xiàn)一定程度的破裂與錯動。而從整體上看，并未出現(xiàn)滑動破壞，表現(xiàn)為滑動破壞，表現(xiàn)為松動和蠕動松動和蠕動。斜坡破壞斜坡破壞 斜坡中出現(xiàn)了與外界連續(xù)貫通的破裂面，被斜坡中出現(xiàn)了與外界連續(xù)貫通的破裂面，被分割的坡體便以一定加速度滑離母體。稱為斜分割的坡體便以一定加速度滑離母體。稱為斜坡破壞。斜坡破壞的形式很多

15、，主要有崩塌和坡破壞。斜坡破壞的形式很多，主要有崩塌和滑坡。滑坡。一、邊坡巖體變形的基本類型一、邊坡巖體變形的基本類型二、邊坡破壞的基本類型二、邊坡破壞的基本類型三、影響巖體邊坡變形破壞的因素三、影響巖體邊坡變形破壞的因素1 1、卸荷回彈、卸荷回彈在成坡過程中，由于荷在成坡過程中，由于荷重不斷減少，邊坡巖體重不斷減少，邊坡巖體在減荷方向在減荷方向( (臨空面臨空面) ) 產(chǎn)產(chǎn)生伸長變形，即卸荷回生伸長變形，即卸荷回彈。彈。天然應(yīng)力越大，向臨空天然應(yīng)力越大，向臨空方向的回彈變形量也越方向的回彈變形量也越大。往往會伴隨產(chǎn)生一大。往往會伴隨產(chǎn)生一系列的張性結(jié)構(gòu)面。系列的張性結(jié)構(gòu)面。邊坡巖體中的應(yīng)力對

16、于人類工程活動的有限邊坡巖體中的應(yīng)力對于人類工程活動的有限時間來說，可以認為是保持不變的。在這種近似不時間來說，可以認為是保持不變的。在這種近似不變的應(yīng)力作用下，邊坡巖體的變形也將會隨時間不變的應(yīng)力作用下，邊坡巖體的變形也將會隨時間不斷增加，這種變形稱為蠕變變形。斷增加，這種變形稱為蠕變變形。 斜坡淺部巖土體在重力的長期作用下，向斜坡淺部巖土體在重力的長期作用下，向臨空面方向緩慢變形構(gòu)成一剪變帶，其位臨空面方向緩慢變形構(gòu)成一剪變帶，其位移由坡面向坡體內(nèi)部逐漸降低直至消失。移由坡面向坡體內(nèi)部逐漸降低直至消失。 破碎的巖質(zhì)邊坡及疏松的土質(zhì)邊坡，其表破碎的巖質(zhì)邊坡及疏松的土質(zhì)邊坡，其表層蠕動甚為典型

17、。層蠕動甚為典型。 深層蠕動主要發(fā)育于斜坡下部或坡體內(nèi)深層蠕動主要發(fā)育于斜坡下部或坡體內(nèi)部，按其部，按其形成機制特點形成機制特點，深層蠕動有：軟，深層蠕動有：軟弱基座蠕動和坡體蠕動兩類。弱基座蠕動和坡體蠕動兩類。 坡體基座產(chǎn)狀較緩且有一定厚度的相對坡體基座產(chǎn)狀較緩且有一定厚度的相對軟弱巖層，在上覆巖層重力作用下，致使軟弱巖層，在上覆巖層重力作用下，致使基座部分向臨空方向蠕動，并引起上覆巖基座部分向臨空方向蠕動，并引起上覆巖層的變形與解體，這是層的變形與解體，這是“軟弱基座蠕動軟弱基座蠕動”的特征。的特征。 坡體沿緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空方向坡體沿緩傾軟弱結(jié)構(gòu)面向臨空方向緩慢變形，稱為緩慢變形，稱為坡體蠕動坡體蠕動。它在卸荷裂。它在卸荷裂隙較發(fā)育并有緩傾結(jié)構(gòu)面的坡體中比較隙較發(fā)育并有緩傾結(jié)構(gòu)面的坡體中比較普遍。普遍。 （P130圖圖6-19）。）。 軟弱基座塑性較大，坡腳主要表現(xiàn)為軟弱基座塑性較大，坡腳主要表現(xiàn)為向臨空方向蠕動、擠出。（向臨空方向蠕動、擠出。（P129圖圖6-17、6-18）。）。 1、巖性、巖性 決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)。決定巖體邊坡穩(wěn)定性的物質(zhì)基礎(chǔ)。 2、巖體結(jié)構(gòu)、巖體結(jié)構(gòu) 巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征巖體結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征是巖體邊坡破壞的控制因素。是巖體邊坡破壞的控制因素。 3、水的作用、水的作用 使巖土的質(zhì)