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1、第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究主要内容主要内容:一、基本概念及研究意义一、基本概念及研究意义二、地基岩体内的应力分布特征二、地基岩体内的应力分布特征三、地基岩体的变形与破坏三、地基岩体的变形与破坏四、坝基四、坝基(肩肩)岩体稳定性的工程地质评价岩体稳定性的工程地质评价五、改善坝基稳定性的措施五、改善坝基稳定性的措施第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究一、基本概念及研究意义一、基本概念及研究意义直接承受上部建筑物荷载作用的那部分土体或岩体称为直接承受上部建筑物荷载作用的那部分土体或岩体称为地基。地基。根据承载的特点，通常可将地基分为两种类型，即：根据承载的特点，通常可将地基分为两种类型，即
2、：(1)(1)承受垂直荷载的地基，一般工业民用建筑物的地承受垂直荷载的地基，一般工业民用建筑物的地基就属于这种类型；基就属于这种类型；(2)(2)承受斜向荷载承受斜向荷载(同时承受垂直荷载与水平荷载同时承受垂直荷载与水平荷载)的的地基，各类挡水建筑物如闸、坝等的地基属此类。地基，各类挡水建筑物如闸、坝等的地基属此类。承受垂直荷载的地基，大多都是承受垂直荷载的地基，大多都是“软基软基”，这类地基的，这类地基的变形、破坏机制和稳定性评价原理是土力学课程讨论的变形、破坏机制和稳定性评价原理是土力学课程讨论的内容。内容。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究从世界上坝的破坏情况来看，原因是多种多样的。地
3、质方面的原因从世界上坝的破坏情况来看，原因是多种多样的。地质方面的原因造成的破坏事故约占造成的破坏事故约占3030一一40%40%。其中，从具体的破坏原因和形式。其中，从具体的破坏原因和形式来看，又可详分如下类型：来看，又可详分如下类型：(1)(1)由于坝基的强度较低，运行期间又遭到进一步恶化所造成的由于坝基的强度较低，运行期间又遭到进一步恶化所造成的破坏。如美国的奥斯汀坝，坝基为岩溶化石灰岩，裂隙发育并破坏。如美国的奥斯汀坝，坝基为岩溶化石灰岩，裂隙发育并有断层，建成后就产生裂缝，有断层，建成后就产生裂缝，8 8年后倒塌。原因是强度因渗流而年后倒塌。原因是强度因渗流而进一步降低，在坝的压力和
4、溢出水流的冲刷下坝基破坏。进一步降低，在坝的压力和溢出水流的冲刷下坝基破坏。(2)(2)由于坝基由于坝基(肩肩)的抗滑稳定性较低，运行期间又遭到进一步恶的抗滑稳定性较低，运行期间又遭到进一步恶化所造成的滑动破坏。化所造成的滑动破坏。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究(3)(3)因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝因坝基中存在有抗剪强度低的土层而造成的土坝或堆石坝坝基和坝坡的坍滑。或堆石坝坝基和坝坡的坍滑。(4)(4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走，因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走，使坝基被掏空而造成的破坏。使坝基被掏空而造成的破坏。第五章 地基岩体稳定性的工程地质
5、研究(5)(5)由于坝肩岩体的稳定性较低，运行期间空隙水压由于坝肩岩体的稳定性较低，运行期间空隙水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破力增大又使其稳定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破坏。如安徽梅山水库大坝的事故就是这样造成的。坏。如安徽梅山水库大坝的事故就是这样造成的。(6)(6)坝下游岩体被冲刷坝下游岩体被冲刷(溢流冲刷溢流冲刷)掏空，也可造成大掏空，也可造成大坝的破坏。坝的破坏。(7)(7)由地震和水库地震所造成的破坏或损害。由地震由地震和水库地震所造成的破坏或损害。由地震直接导致的大坝彻底破坏的事例不多，如直接导致的大坝彻底破坏的事例不多，如19251925年美国年美国米费里德
6、坝。水库诱发地震使大坝受损如印度的科因米费里德坝。水库诱发地震使大坝受损如印度的科因纳坝、希腊的科列马斯塔坝和我国的新丰江坝等。纳坝、希腊的科列马斯塔坝和我国的新丰江坝等。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究二、地基岩体内的应力分布特征二、地基岩体内的应力分布特征（一）垂直荷载作用下地基内应力分布（一）垂直荷载作用下地基内应力分布地基内应力分布取决于荷载特点及地基岩体的结构特征。地基内应力分布取决于荷载特点及地基岩体的结构特征。1 1均质地基内应力等值线是以基础底边为弦的圆弧（均质地基内应力等值线是以基础底边为弦的圆弧（a a）。）。2 2层状地基内应力分布具有明显的各向异性（层状地基内应力分
7、布具有明显的各向异性（b b、c c）：）：（1 1）分割岩体的软弱结构面如层面、节理等，由于抗剪强度低，限）分割岩体的软弱结构面如层面、节理等，由于抗剪强度低，限制着应力向两侧传递、扩展，致使附加应力在所限岩体内集中。制着应力向两侧传递、扩展，致使附加应力在所限岩体内集中。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（2 2）层状结构地基岩体内应力分布与软弱结构面的产状关系密）层状结构地基岩体内应力分布与软弱结构面的产状关系密切：切：软弱结构面直立时，应力集中程度最高，影响深度最大软弱结构面直立时，应力集中程度最高，影响深度最大(a)(a)；倾斜时，产生两个高值最大主应力方向倾斜时，产生两个高值最大
8、主应力方向(b)(b)：一个顺着结构：一个顺着结构面方向（应力集中程度较高），另一个垂直结构面方向（应面方向（应力集中程度较高），另一个垂直结构面方向（应力集中程度次之）；力集中程度次之）；近水平时，应力集中程度相对较低近水平时，应力集中程度相对较低(c)(c)。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究3 3碎裂地基内应力分布与基础刚度、块体间缝隙的充填碎裂地基内应力分布与基础刚度、块体间缝隙的充填胶结情况、块体堆砌的紧密程度以及受力状况等密切相胶结情况、块体堆砌的紧密程度以及受力状况等密切相关。应力分布的主要特点是：关。应力分布的主要特点是：（1 1）块体间不充填、地基不预压、基础柔性大时，）块
9、体间不充填、地基不预压、基础柔性大时，基础中心线上产生极高的应力集中，在地基上部较大基础中心线上产生极高的应力集中，在地基上部较大范围内可出现垂直应力大于表面荷载强度的情况。范围内可出现垂直应力大于表面荷载强度的情况。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（2 2）基础刚度加强时，）基础刚度加强时，可使应力集中线移至基础可使应力集中线移至基础两侧近边缘处，垂直应力两侧近边缘处，垂直应力等值线转变为驼峰型。等值线转变为驼峰型。（3 3）块体间隙的充填胶）块体间隙的充填胶结时，地基内应力集中程结时，地基内应力集中程度将降低，使地基范围内度将降低，使地基范围内不出现垂直应力高于表面不出现垂直应力高于表
10、面荷载强度的区域。荷载强度的区域。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（二）斜向荷载作用下地基内应力分布（二）斜向荷载作用下地基内应力分布各类挡水建筑物的地基。为垂向与水平方向荷载的合成。各类挡水建筑物的地基。为垂向与水平方向荷载的合成。坝基所受垂向荷载呈三角形分布（坝基所受垂向荷载呈三角形分布（a a），在上游坝踵处垂直荷载为），在上游坝踵处垂直荷载为0 0，然后线性增大，至下游坝趾处达到最大。这是坝踵与库水推力所，然后线性增大，至下游坝趾处达到最大。这是坝踵与库水推力所造成的力偶共同作用的结果。造成的力偶共同作用的结果。坝基所受的水平荷载，是库水推力作用在坝体上，然后通过坝底面坝基所受的水
11、平荷载，是库水推力作用在坝体上，然后通过坝底面摩擦力而传至坝基，也呈三角形分布（摩擦力而传至坝基，也呈三角形分布（b b）。）。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究由弹性理论可分别得坝由弹性理论可分别得坝基在垂向（基在垂向（a a）和水平）和水平（b b）荷载作用下内部）荷载作用下内部水平附加应力分布以及水平附加应力分布以及合成后的水平附加应力合成后的水平附加应力分布（分布（c c）。）。可以看出，在坝上游面可以看出，在坝上游面附近的坝基上部，存在附近的坝基上部，存在一个水平拉应力分布区，一个水平拉应力分布区，该水平拉应力区的存在该水平拉应力区的存在对坝基的变形、破坏发对坝基的变形、破坏发展有
12、很大的影响。展有很大的影响。（c）（b）（a）拉应力拉应力第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究三、坝基岩体的变形与破坏三、坝基岩体的变形与破坏（一）松软土地基的变形与破坏（一）松软土地基的变形与破坏1 1垂直荷载作用下松软土坝基的变形与破坏垂直荷载作用下松软土坝基的变形与破坏如前所述，在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇到像如前所述，在土坝或堆石坝的建筑实践中常可遇到像因结水库土坝那样的坝坡坍滑问题。根据实地观察，因结水库土坝那样的坝坡坍滑问题。根据实地观察，坝坡坍滑通常有两种类型。坝坡坍滑通常有两种类型。一种是滑动的速度相对比较缓慢，所涉及的地基滑一种是滑动的速度相对比较缓慢，所涉及的地基滑动部
13、分的范围相对较小。动部分的范围相对较小。另一种类型是坍滑的速度很快，坍滑所涉及的地基另一种类型是坍滑的速度很快，坍滑所涉及的地基的范围可以很大，例如美国一个高仅的范围可以很大，例如美国一个高仅9m9m的土堤，在的土堤，在不到一分钟的时间内不到一分钟的时间内300m300m长的堤顶下陷了长的堤顶下陷了4 45m5m，坍滑所涉及的地基土水平方向的范围扩展到距堤脚坍滑所涉及的地基土水平方向的范围扩展到距堤脚约约45m45m的地方。的地方。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究第一类坍滑一般是发生第一类坍滑一般是发生在地基土层中存在有饱在地基土层中存在有饱水的塑性软粘上或淤泥水的塑性软粘上或淤泥夹层的情
14、况下夹层的情况下 图图111114(a)14(a)，而且地基土的，而且地基土的滑动面都是通过这一软滑动面都是通过这一软黏土层的中部；黏土层的中部；第二类坍滑通常发生在第二类坍滑通常发生在地基土层中发育有软黏地基土层中发育有软黏土，且其中部夹有砂或土，且其中部夹有砂或粉砂之类的薄层或透镜粉砂之类的薄层或透镜体体 如图如图lIlI一一14(b)14(b)，滑动面就通过这种部位。滑动面就通过这种部位。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究显然，坝坊坍滑问题取决于促显然，坝坊坍滑问题取决于促使坝坡滑动的力与阻止其滑动使坝坡滑动的力与阻止其滑动的力之间的对比。当阻滑力大的力之间的对比。当阻滑力大于滑动力时
15、坝坡将是稳定的，于滑动力时坝坡将是稳定的，否则就会发生滑动。否则就会发生滑动。从左图中可以看出，作用在滑从左图中可以看出，作用在滑动面动面abab上的滑动力，等于作用上的滑动力，等于作用在坝坡上下两端截面在坝坡上下两端截面aaaa1 1和和bbbb1 1上的土压力的差值，即：上的土压力的差值，即：P P滑滑P Pa aP Pb b第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究由土力学中得知，由土力学中得知，P Pa a相当于主动土压力，可根据下式相当于主动土压力，可根据下式求得：求得：P Pb b相当于被动土压力，可按下式求之：相当于被动土压力，可按下式求之：式中：式中：土的容重；土的容重；c c、坝体
16、土石的内聚力与内坝体土石的内聚力与内摩擦角；其它符号见图摩擦角；其它符号见图11111515。可见，可见，P P滑滑的大小除与土的的大小除与土的c c、值有关外，主要取决于值有关外，主要取决于坝体的高度。通常随着坝高的增加而增大。坝体的高度。通常随着坝高的增加而增大。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究作用在作用在abab面上的抗滑力面上的抗滑力S S为：为：S=(QS=(Qx x-P-Pw w)tan)tan+c Lc Lx x式中：式中：Q Qx x作用在作用在abab面上的坝体重量，为一变面上的坝体重量，为一变量，随坝体加高而增大；量，随坝体加高而增大；P Pw wabab面处的超空隙面
17、处的超空隙水压力；水压力；c、滑动面上土石的内聚力和内摩滑动面上土石的内聚力和内摩擦力；擦力；Lx x ab段的长度，为一变量，随坝体加段的长度，为一变量，随坝体加高、加宽而增大。高、加宽而增大。可见，抗滑力可见，抗滑力S的大小，一方面与滑动面的的大小，一方面与滑动面的c、有关，另一方面则取代于有关，另一方面则取代于Qx x-Pw w（即有效压力）（即有效压力）的大小。的大小。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究第一类坍滑产生的机制：第一类坍滑产生的机制：在施工过程中，随着坝体的增高软粘在施工过程中，随着坝体的增高软粘土层的上下边缘部分的超空隙水压力土层的上下边缘部分的超空隙水压力不断减小，有
18、效压力不断减小，有效压力(Qx x-Pw w)相应的相应的不断增大。而高塑性软粘土的透水性不断增大。而高塑性软粘土的透水性很低，排水缓慢，以致粘土层中间部很低，排水缓慢，以致粘土层中间部分在施工后期，甚至竣工以后一段时分在施工后期，甚至竣工以后一段时间之内，还能保持很高甚至接近于附间之内，还能保持很高甚至接近于附加压力的超空隙水压力，因此加压力的超空隙水压力，因此(Qx x-Pw w)很小甚至接近于零。这样，施工很小甚至接近于零。这样，施工期内软粘土层中间部分（期内软粘土层中间部分（ab面上）面上）的抗滑力的抗滑力S1 1c Lx x，即随坝体加高而，即随坝体加高而成直线性的缓慢增大（左图）。
19、与此成直线性的缓慢增大（左图）。与此同时，滑动力同时，滑动力P滑滑却随坝体的增高而却随坝体的增高而加速的增大。当加速的增大。当P滑滑与与S1 1相交时，坝相交时，坝基即将发生局部滑动并引起坝坡的坍基即将发生局部滑动并引起坝坡的坍滑（左图）。滑（左图）。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究第二类坍滑机理：第二类坍滑机理：在坝体堆砌过程中在坝体堆砌过程中ab面上的滑动力面上的滑动力P滑滑与抗滑力与抗滑力S2 2的变化见左图。抗滑的变化见左图。抗滑力力S2 2之所以不断减小，是因为随着之所以不断减小，是因为随着地表荷载的增大，软粘土层中的水地表荷载的增大，软粘土层中的水不仅要通过其顶底面向上下砂土层
20、不仅要通过其顶底面向上下砂土层中排出，而且也要不断的流向中部中排出，而且也要不断的流向中部底薄砂层，致使薄砂层中的空隙水底薄砂层，致使薄砂层中的空隙水压力不断增大，有效压力压力不断增大，有效压力(Qx x-Pw w)不不断减小，当断减小，当Pw w增大至接近增大至接近Qx x时，有时，有效压力变得很小甚至趋近于零。由效压力变得很小甚至趋近于零。由于砂土的于砂土的c=0，所以此时，所以此时ab面上砂面上砂土的抗滑力土的抗滑力S2 20。这类坍滑通常时。这类坍滑通常时在抗滑力很低的情况下发生的，故在抗滑力很低的情况下发生的，故坍滑的速度一般较大。坍滑的速度一般较大。第五章 地基岩体稳定性的工程地质
21、研究当地基土主要是由透水性良好当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时，由于空隙水的砂质土组成时，由于空隙水能很快的排出，超空隙水压力能很快的排出，超空隙水压力的消散很迅速，故有效压力能的消散很迅速，故有效压力能在很短的时间增大至附加压力在很短的时间增大至附加压力值，使值，使S3 3=Qx x tan。因此，。因此，在施工期间，地基内的抗滑力在施工期间，地基内的抗滑力S3 3将随着坝体的增高而直线性将随着坝体的增高而直线性地迅速增大。左图中地迅速增大。左图中S3 3和和P滑滑曲线关系表明，砂质土地基的曲线关系表明，砂质土地基的抗坍滑的能力很大，足以支持抗坍滑的能力很大，足以支持很高的坝体而不发
22、生坍滑。很高的坝体而不发生坍滑。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究由上述可见，地基中存在有饱水且透水性小的土层，由上述可见，地基中存在有饱水且透水性小的土层，如塑性软粘土或淤泥等，特别是当其中夹有沙或粉砂如塑性软粘土或淤泥等，特别是当其中夹有沙或粉砂的薄层或透镜体时，地基的抗坍滑能力通常是很低的，的薄层或透镜体时，地基的抗坍滑能力通常是很低的，在设计土坝或堆石坝时必须充分注意这个问题。当遇在设计土坝或堆石坝时必须充分注意这个问题。当遇到这种情况时，为了保证坝坡的稳定，可采取如下措到这种情况时，为了保证坝坡的稳定，可采取如下措施：施：（1）当这类土层埋藏较浅时，最好将这类土层挖）当这类土层埋藏
23、较浅时，最好将这类土层挖除，然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上。除，然后将基础砌置在不易引起坍滑的土层上。（2）当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取）当这类土层埋藏较深而无法挖除时，可采取相应的排水措施，以便较快的减少该层中的超空相应的排水措施，以便较快的减少该层中的超空隙水压力；隙水压力；（3）在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进）在有些情况下也可采用预压法或放缓施工进度的方法，使土层预先沉陷或逐渐排水压实，以度的方法，使土层预先沉陷或逐渐排水压实，以提高地基的抗滑能力。提高地基的抗滑能力。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究2倾斜荷载作用下松软土地基的滑动倾斜荷载作用下松软土地基的滑
24、动当作用在松软坝基上的斜向荷载增大到一定的临界值当作用在松软坝基上的斜向荷载增大到一定的临界值之后，地基土即将沿着一定的深部弧形面发生滑动破之后，地基土即将沿着一定的深部弧形面发生滑动破坏。有关这类弧形滑动破坏的极限荷载条件，已在土坏。有关这类弧形滑动破坏的极限荷载条件，已在土力学课程中进行过详细讨论，通常可用力学课程中进行过详细讨论，通常可用.叶甫道基叶甫道基莫夫的图解法或莫夫的图解法或B.B.索科洛夫斯基的理论公式加以计索科洛夫斯基的理论公式加以计算。算。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究但是，当这类挡水结构物作用在此种地基上的垂直荷但是，当这类挡水结构物作用在此种地基上的垂直荷载小于地
25、基的临塑荷载（即按塑性区最大深度载小于地基的临塑荷载（即按塑性区最大深度Zmax=0求出的荷载）时，如果建筑物在库水水平推力的作用求出的荷载）时，如果建筑物在库水水平推力的作用下发生滑动，则只能是沿基础底面的表层滑动。此时，下发生滑动，则只能是沿基础底面的表层滑动。此时，其抗滑稳定性可按下式验算：其抗滑稳定性可按下式验算：Pv作用地基表面的垂直总荷载（作用地基表面的垂直总荷载（t）;PH作用作用在挡水建筑物上的水平总荷载（在挡水建筑物上的水平总荷载（t）;f、c分别为土分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力；与基础底面间的摩擦系数和内聚力；A基础底面的基础底面的面积；面积；Kc安全系数。安全系
26、数。一般认为一般认为Kc=45时是稳定的。时是稳定的。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（二）岩石坝基的变形及其对大坝稳定性的影响（二）岩石坝基的变形及其对大坝稳定性的影响坚硬岩石上的坝基沉陷量的绝对值研究意义不大，坚硬岩石上的坝基沉陷量的绝对值研究意义不大，而刚性的坝基对不均匀变形非常敏感。造成岩石而刚性的坝基对不均匀变形非常敏感。造成岩石地基的不均匀变形的因素：地基的不均匀变形的因素：（1）岩石地基内应力分布不均匀。如坝基内）岩石地基内应力分布不均匀。如坝基内存在结构面、坝基所受荷载不均匀、坝体刚存在结构面、坝基所受荷载不均匀、坝体刚度大等引起。度大等引起。（2）地基不同部分岩体的变形性
27、质存在差异。）地基不同部分岩体的变形性质存在差异。一是坝体砌置于软硬差别较大的岩体上；二一是坝体砌置于软硬差别较大的岩体上；二是坝基内开口裂隙发育不均匀。是坝基内开口裂隙发育不均匀。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（三）岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定性问题（三）岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定性问题1岩石坝基滑动破坏形式、特点及发生条件岩石坝基滑动破坏形式、特点及发生条件（1）表面滑动）表面滑动沿混凝土基础与基岩接触面产生的剪切滑动。沿混凝土基础与基岩接触面产生的剪切滑动。发生于坝基岩体强度远大于坝体混凝土强度，且岩体发生于坝基岩体强度远大于坝体混凝土强度，且岩体完整、无控制滑移的软弱结构面的条
28、件下。完整、无控制滑移的软弱结构面的条件下。对于此种情况，混凝土基础与基岩接触面上摩擦系数对于此种情况，混凝土基础与基岩接触面上摩擦系数值是控制重力坝设计的主要指标。要求坝体有足够的值是控制重力坝设计的主要指标。要求坝体有足够的重量，以使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的重量，以使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总的水平推力。总的水平推力。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（2）浅层滑动）浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土强度时，剪切破坏往往发生于混凝土强度时，剪切破坏往往发生于浅层岩体内，形成浅层滑动。有三种浅层岩体内，形成浅层滑动。有三种
29、主要类型：主要类型：（a）坝基岩体软弱，岩石本身强）坝基岩体软弱，岩石本身强度低于坝体混凝土与基岩接触面，度低于坝体混凝土与基岩接触面，在库水推力作用下沿表层岩体内部在库水推力作用下沿表层岩体内部发生剪切破坏。发生剪切破坏。（b）坝基由近水平的薄层岩层组）坝基由近水平的薄层岩层组成，在库水推力作用下发生滑移弯成，在库水推力作用下发生滑移弯曲。曲。（c）坝基为碎裂岩体构成，在库）坝基为碎裂岩体构成，在库水推力作用下发生剪切滑移。水推力作用下发生剪切滑移。abc滑动条件：滑动条件：(a)（b）第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（3）深层滑动）深层滑动在工程应力条件下岩体的深层滑动主要沿已有的软弱
30、结构面发生，在工程应力条件下岩体的深层滑动主要沿已有的软弱结构面发生，因此，只有当坝基内部存在弱弱结构面，且按一定组合能构成危因此，只有当坝基内部存在弱弱结构面，且按一定组合能构成危险滑移体时，才有发生深层滑动的可能。险滑移体时，才有发生深层滑动的可能。能构成危险滑移体的结构面分为滑移控制面和切割面，它们与一能构成危险滑移体的结构面分为滑移控制面和切割面，它们与一定的临空面组合就构成了深部滑移的边界条件。定的临空面组合就构成了深部滑移的边界条件。切割面一般陡倾，不起抗滑作用；滑移控制面一般缓倾，起切割切割面一般陡倾，不起抗滑作用；滑移控制面一般缓倾，起切割和抗滑作用。滑移控制面的抗剪指标是控制
31、设计的重要数据。和抗滑作用。滑移控制面的抗剪指标是控制设计的重要数据。滑移控制面的确定：滑移控制面的确定：1）坝基内存在有方位有利于滑动的软弱结构面，且其实际抗）坝基内存在有方位有利于滑动的软弱结构面，且其实际抗滑能力低于坝体混凝土与基岩接触面的抗滑能力。滑能力低于坝体混凝土与基岩接触面的抗滑能力。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究2）坝基内软弱结构面发育没有明显的分异，不同方向的裂隙）坝基内软弱结构面发育没有明显的分异，不同方向的裂隙均发育。此时，深层滑移控制面往往由坝基内最大剪应力带的均发育。此时，深层滑移控制面往往由坝基内最大剪应力带的分布所决定。设计时有时需要用这个带的综合抗剪指标（
32、裂隙分布所决定。设计时有时需要用这个带的综合抗剪指标（裂隙段的抗剪强度指标与完整岩石段的康健强度指标的面积加权平段的抗剪强度指标与完整岩石段的康健强度指标的面积加权平均值）来校核沿该带坝基的抗滑稳定性。均值）来校核沿该带坝基的抗滑稳定性。临空面主要是地形表面，河床为水平临空面；而河床深潭、深槽、临空面主要是地形表面，河床为水平临空面；而河床深潭、深槽、溢流冲刷坑、下游厂房及建筑基坑等，都可形成陡立临空面，对溢流冲刷坑、下游厂房及建筑基坑等，都可形成陡立临空面，对岩体抗滑稳定性极为不利。岩体抗滑稳定性极为不利。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究由结构面与临空面组合构成的危险滑移体一般由结构面与
33、临空面组合构成的危险滑移体一般有两类：有两类：1）不具备抗力体的滑移结构。当滑移控制面）不具备抗力体的滑移结构。当滑移控制面倾向上游（倾向上游（a），或滑移结构面倾向下游但被），或滑移结构面倾向下游但被下游陡立临空面所切割时（下游陡立临空面所切割时（b），可构成这），可构成这类滑移结构。类滑移结构。（a）（b）第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究2）具有抗力体的滑移结构。当滑移控制面近）具有抗力体的滑移结构。当滑移控制面近于水平或倾向下游时，可构成这类滑移结构。于水平或倾向下游时，可构成这类滑移结构。如图，坝基岩体沿滑移控制面滑动时，受到如图，坝基岩体沿滑移控制面滑动时，受到下游岩体的抵抗，只
34、有当下游岩体沿着某一下游岩体的抵抗，只有当下游岩体沿着某一面如面如bc面被剪破后，坝基岩体才有可能沿着面被剪破后，坝基岩体才有可能沿着滑移控制面滑移控制面ab滑动。因此，抗力体提供的抗滑动。因此，抗力体提供的抗力的大小对坝基稳定性有重要意义。力的大小对坝基稳定性有重要意义。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究2降低坝基抗滑稳定性的作用与坝基滑动破坏的发展降低坝基抗滑稳定性的作用与坝基滑动破坏的发展大坝施工和运行期间，有一系列的作用可降低坝基的抗滑稳定性：大坝施工和运行期间，有一系列的作用可降低坝基的抗滑稳定性：（1）基坑开挖过程中卸荷回弹与应力释放所造成的岩体变形和）基坑开挖过程中卸荷回弹与应
35、力释放所造成的岩体变形和破坏。破坏。（2）在附加应力作用下坝基变形、破裂的逐渐发展以及与之相）在附加应力作用下坝基变形、破裂的逐渐发展以及与之相联系的空隙水压力的增高。两种情况：联系的空隙水压力的增高。两种情况：坝基在附加应力作用下产生不均匀变形，使坝体因不均匀沉坝基在附加应力作用下产生不均匀变形，使坝体因不均匀沉陷而断裂，丧失其整体性；陷而断裂，丧失其整体性；坝基上游拉应力区内的岩体，在水平拉应力作用下产生近垂坝基上游拉应力区内的岩体，在水平拉应力作用下产生近垂直的张裂，在与空隙水压力相互促进作用下，张裂向深处发直的张裂，在与空隙水压力相互促进作用下，张裂向深处发展到与已有的缓倾结构面相连，
36、使垂向张裂面和缓倾结构面展到与已有的缓倾结构面相连，使垂向张裂面和缓倾结构面上的空隙水压力急剧增高。上的空隙水压力急剧增高。（3）高水头作用下地下水渗流和地表水溢流造成的坝基岩体的）高水头作用下地下水渗流和地表水溢流造成的坝基岩体的性质和状态的恶化。包括泥化、软化、渗透变形、冲刷等。性质和状态的恶化。包括泥化、软化、渗透变形、冲刷等。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究四、坝基（肩）岩体稳定性的工程地质评价四、坝基（肩）岩体稳定性的工程地质评价（一）坝基（肩）稳定性的岩体结构条件分析（一）坝基（肩）稳定性的岩体结构条件分析1 1平缓层状岩体分布区平缓层状岩体分布区岩层倾角在岩层倾角在3030度
37、以下，岩体内构造结构面不甚发育。度以下，岩体内构造结构面不甚发育。断层规模小，以产状陡立的断层规模小，以产状陡立的X X节理为主。偶发育走向节理为主。偶发育走向与岩层走向一致或垂直的小型张断层。与岩层走向一致或垂直的小型张断层。产状平缓的原生软弱结构面如粘土质夹层等发育，产状平缓的原生软弱结构面如粘土质夹层等发育，并有层间错动等构造形迹。层间错动、夹层等是这并有层间错动等构造形迹。层间错动、夹层等是这类岩体兴建水工建筑的主要问题，易产生软化、泥类岩体兴建水工建筑的主要问题，易产生软化、泥化，构成滑移控制面。化，构成滑移控制面。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究2 2倾斜岩层地区倾斜岩层地区岩
38、层倾角在岩层倾角在3030度以上，一般度以上，一般40504050度。构造形度。构造形迹进一步发展，各种力学成因的构造结构面均迹进一步发展，各种力学成因的构造结构面均可出现。可出现。当岩体中与层面一致或倾向相反的压性结构面当岩体中与层面一致或倾向相反的压性结构面一般倾角较陡，扭性结构面多陡立。它们的组一般倾角较陡，扭性结构面多陡立。它们的组合形成的结构体往往嵌入地基深处，稳定条件合形成的结构体往往嵌入地基深处，稳定条件相对良好。相对良好。当岩层走向平行河流时，层面与反倾向压性断当岩层走向平行河流时，层面与反倾向压性断裂共同构成复合楔形滑移体，兼有纵向切割作裂共同构成复合楔形滑移体，兼有纵向切割
39、作用，张性断裂起横向切割作用，对稳定不利。用，张性断裂起横向切割作用，对稳定不利。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究当岩层走向与河流正交时，反倾的压性结构当岩层走向与河流正交时，反倾的压性结构面产状有时平缓，起滑移控制面的作用。面产状有时平缓，起滑移控制面的作用。当斜交时，稳定性相对较好，但应注意层间当斜交时，稳定性相对较好，但应注意层间软弱结构面与反倾压性结构面的配合对局部软弱结构面与反倾压性结构面的配合对局部地段岩体稳定的破坏。地段岩体稳定的破坏。总体上，坝基稳定性由坝体与地基接触面控总体上，坝基稳定性由坝体与地基接触面控制。制。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究3 3陡倾斜或倒转岩层
40、分布区陡倾斜或倒转岩层分布区岩层倾角在岩层倾角在6060度以上。构造形变强烈，各类度以上。构造形变强烈，各类断裂构造均很发育。断裂构造均很发育。层间结构面一般不起滑移控制面作用。但较层间结构面一般不起滑移控制面作用。但较为平缓且延续性较强的扭性和反倾的压性结为平缓且延续性较强的扭性和反倾的压性结构面对稳定性有一定的影响。构面对稳定性有一定的影响。当岩层走向与河流正交时，当岩层走向与河流正交时，X X节理间相互组合节理间相互组合而充当滑移面，反倾的压性结构面也往往起而充当滑移面，反倾的压性结构面也往往起滑移控制面的作用。由于节理等结构面延续滑移控制面的作用。由于节理等结构面延续性不如层面，故稳定
41、条件尚好性不如层面，故稳定条件尚好第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究当岩层走向与河流平行或斜交时，可出现与当岩层走向与河流平行或斜交时，可出现与倾斜岩层中相同的滑移边界条件。倾斜岩层中相同的滑移边界条件。在陡立岩层区，反倾压性结构面倾角较为平在陡立岩层区，反倾压性结构面倾角较为平缓，深部滑移问题较倾斜岩层区要多，但由缓，深部滑移问题较倾斜岩层区要多，但由于延续性较差，出现机会较少，稳定条件较于延续性较差，出现机会较少，稳定条件较 平缓岩体为好。平缓岩体为好。宽大断裂带可造成坝基局部地段上的浅层滑宽大断裂带可造成坝基局部地段上的浅层滑移。移。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究4 4块状岩体地
42、区块状岩体地区除断裂构造有较大的影响外，还有三个方面除断裂构造有较大的影响外，还有三个方面应注意：应注意：（1 1）有较厚的风化壳，风化岩体强度低；）有较厚的风化壳，风化岩体强度低；（2 2）岩体内缓倾结构面较发育，常成为坝基）岩体内缓倾结构面较发育，常成为坝基抗滑稳定性的不利条件。抗滑稳定性的不利条件。（3 3）河谷下水平卸荷裂隙较发育，对坝基稳）河谷下水平卸荷裂隙较发育，对坝基稳定不利。定不利。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（二）坝基岩体强度及变形性的评价（二）坝基岩体强度及变形性的评价总体上，岩石坝基强度远高于松散土地基。强度取决总体上，岩石坝基强度远高于松散土地基。强度取决于软弱
43、结构面的发育及分布。具有不均匀和各向异性于软弱结构面的发育及分布。具有不均匀和各向异性的特点。的特点。岩石坝基的允许压力岩石坝基的允许压力PP一般根据岩石的极限抗压强度一般根据岩石的极限抗压强度R R的试验资料确定，一般的试验资料确定，一般P=(1/51/25)RP=(1/51/25)R：很坚硬岩石：很坚硬岩石：P=(1/201/25)RP=(1/201/25)R；一般坚硬岩石：一般坚硬岩石：P=(1/101/20)RP=(1/101/20)R；软弱岩石：软弱岩石：P=(1/51/10)RP=(1/51/10)R。坝基实际的受力条件，应满足：坝基实际的受力条件，应满足：P=PPc-i时（时（c
44、为岩石的内摩擦角），为岩石的内摩擦角），该三角锥体稳定，且不需要校核沿该三角锥体稳定，且不需要校核沿G1、G2两结构面的组合交线发生深层滑两结构面的组合交线发生深层滑动的可能性；动的可能性；当当1-2c-i时，该三角锥体可能不稳定，时，该三角锥体可能不稳定，需要进一步定量验算沿需要进一步定量验算沿G1、G2两结构两结构面的组合交线发生深层滑动的问题。面的组合交线发生深层滑动的问题。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究5坝基岩体抗滑稳定性的定量计算坝基岩体抗滑稳定性的定量计算（1）平面问题的坝基稳定性定量计算可采用）平面问题的坝基稳定性定量计算可采用岩体力学的有关公式进行。岩体力学的有关公式进行
45、。（2）三维问题的坝基稳定性计算可采用赤平）三维问题的坝基稳定性计算可采用赤平投影解析法。举例（下图）说明其方法步骤如投影解析法。举例（下图）说明其方法步骤如下：下：第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究1）通过赤平投影及实体比例投影作）通过赤平投影及实体比例投影作图确定滑移结构体的形态、规模以及图确定滑移结构体的形态、规模以及可能的滑动方向和滑移控制面，同时可能的滑动方向和滑移控制面，同时求出该结构体的有关数据，如滑移面求出该结构体的有关数据，如滑移面的面积以及结构体的体积和重量等。的面积以及结构体的体积和重量等。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究2）将各种作用力分别表示在）将各种作用力分别
46、表示在赤平投影图上赤平投影图上坝体及结构体的总重量坝体及结构体的总重量Pv为垂直力，应分布在球心为垂直力，应分布在球心O处；三个结构面上的空处；三个结构面上的空隙水压力隙水压力W1、W2、W3分别垂直于分别垂直于G1、G2、G3，故应分别分布于三个结，故应分别分布于三个结构面的极点构面的极点P1、P2、P3上；库水推力上；库水推力Ph为指向东为指向东的水平力，故应分布于赤的水平力，故应分布于赤平大圆上的平大圆上的W处。处。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究3）力的合成）力的合成本例中，为简化计算，根据水力学原理，将作用本例中，为简化计算，根据水力学原理，将作用于结构体上的各空隙水压力直接合成
47、为浮托力于结构体上的各空隙水压力直接合成为浮托力Wv和水平渗透压力和水平渗透压力Wh。Wv=-wVWh=AB(H-h)H/3式中，式中，V结构体体积；结构体体积；w水的重度；水的重度；A AB B图图a a中的中的A AB B长度；长度；HH坝上游水头高坝上游水头高度；度；hh坝下游水头高度；坝下游水头高度；H 结构体高度（图结构体高度（图b b）。）。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究在赤平投影图上，在赤平投影图上，W Wv分布于分布于O O处，它与处，它与PvPv构成的构成的合力合力P Pv=P=Pv-wV；Wh分布于分布于W点处，指向东，点处，指向东，它与它与Ph构成的合力构成的合力P
48、 Ph=Ph+AB(H-h)H/3。再。再用图解法合成用图解法合成P Pv和和P Ph，即可求得作用于结构，即可求得作用于结构体上的总合力体上的总合力R R的大小及方向。为此，先画出过的大小及方向。为此，先画出过和的大圆（过圆心，实际为直径，图和的大圆（过圆心，实际为直径，图a a）；然后）；然后作过此大圆的剖面（图作过此大圆的剖面（图b b），并按一定比例表示），并按一定比例表示出和的大小；最后合成之，并将其转绘至赤平投出和的大小；最后合成之，并将其转绘至赤平投影图上（图影图上（图a a）。）。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究4）合力分解）合力分解将合力将合力R分解为平行于组合滑动交线分
49、解为平行于组合滑动交线OM的滑动力的滑动力S和垂直于该交线的法向力和垂直于该交线的法向力N。作过。作过R及及M的大圆，的大圆，然后作沿此大圆的剖面，并按图然后作沿此大圆的剖面，并按图c所示的方式进行所示的方式进行分解。分解。将总法向压力将总法向压力N分解为分别垂直于分解为分别垂直于G1和和G2的法向的法向力力N1和和N2。先作过。先作过P1P2的大圆，与的大圆，与RM大圆交于大圆交于P点；然后作沿点；然后作沿P1P2大圆的剖面，并按图大圆的剖面，并按图d方式将方式将N分解为分解为N1和和N2。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究5）稳定性计算）稳定性计算求得参数后，按下式计算稳定系数求得参数后
50、，按下式计算稳定系数Kc：Kc=(N1f1+A1c1+N2f2+A2c2)/S式中，式中，f1、c1和和f2、c2分别为分别为G1、G2的摩擦的摩擦系数和粘聚力；系数和粘聚力；A1、A2分别为分别为G1、G2两个两个滑移面的面积。滑移面的面积。第五章 地基岩体稳定性的工程地质研究（四）拱坝坝肩岩体抗滑稳定性的评价（四）拱坝坝肩岩体抗滑稳定性的评价拱坝的作用好比一个平放的石拱桥，通过拱的拱坝的作用好比一个平放的石拱桥，通过拱的作用将水的推力传递到两岸坝肩岩体上，即库作用将水的推力传递到两岸坝肩岩体上，即库水推力主要由坝肩岩体承担。水推力主要由坝肩岩体承担。坝肩岩体的受力情况见图。坝肩岩体的受力情