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1、 岩体力学 贾洪彪 中国地质大学工程学院6/7/2023 1第十章 地基岩体稳定性分析10.1 地基岩体中的应力分布特征10.2 地基岩体的承载力10.3 坝基岩体抗滑稳定性分析10.4 坝肩岩体抗滑稳定性分析6/7/2023 2一、各向同性、均质、弹性地基岩体中的附加应力 1垂直荷载情况6/7/2023 32水平荷载情况6/7/2023 43倾斜荷载情况6/7/2023 5二、层状地基岩体中的附加应力 由于层状岩体为非均质、各向异性介质，因此外荷所引起的附加应力等值线不再为圆形，而是各种不规则形状 6/7/2023 6倾斜层状岩体上作用有倾斜荷载R的附加应力 6/7/2023 7第十章 地基
2、岩体稳定性分析10.1 地基岩体中的应力分布特征10.2 地基岩体的承载力10.3 坝基岩体抗滑稳定性分析10.4 坝肩岩体抗滑稳定性分析6/7/2023 8地基承受荷载的能力称为地基承载力。地基岩体的承载力就是指作为地基的岩体受荷后不会因产生破坏而丧失稳定，其变形量亦不会超过容许值时的承载能力。地基承载力分为极限承载力和容许承载力两种，前者是指地基不致丧失稳定时的最大承载能力，后者是指地基有足够的安全度，其变形量亦控制在容许范围内时的承载力。一、地基岩体承载力的确定 6/7/2023 91、由极限平衡理论确定承载力设在半无限体上作用着宽度为b的条形均布荷载q1假设：破坏面由两个互相直交的平面
3、组成q1的作用范围很长，两端面的阻力可以忽略q1作用面上不存在剪力对于每个破坏楔体可以采用平均的体积力6/7/2023 10将岩基分为楔体x和yx楔体:y楔体作用于x楔体的水平正应力h 为最大主应力；岩体的自重应力v为最小主应力。y楔体:h 为最小主应力；自重应力v加q1为最小主应力。6/7/2023 11q1=岩基的极限承载力qf6/7/2023 12如果x楔体表面作用有q，基岩极限承载力qf6/7/2023 13承载力系数6/7/2023 142、由岩体强度确定极限承载力荷载作用下岩体压碎并向两侧膨胀而诱发裂隙，因此，可分为压碎区A和原岩区B，A区受到B区的约束力ph的作用。6/7/202
4、3 15均匀、各向同性不连续岩体的极限承载力约等于岩体的三轴抗压强度6/7/2023 163、根据岩块抗压强度确定地基承载力 对于微风化或中分化的岩体，可根据岩块饱和单轴抗压强度确定其承载力，经验公式如下：6/7/2023 174、根据规范确定地基岩体承载力岩石承载力标准值（kPa）强风化 中等风化 微风化硬质岩石 500 1000 1500 2500 4000软质岩石 200 500 700 1200 1500 20006/7/2023 18岩石容许承载力值（kPa）节理间距（cm）220 2040 40破碎程度碎石状 碎块状 大块状硬质岩（c30MPa）1500 2000 2000 300
5、0 4000软质岩（c530MPa）800 1200 1000 1500 1500 3000极软岩（c5MPa）400 800 600 1000 800 1200（1000）6/7/2023 195、采用岩体现场载荷试验确定承载力对于浅基础，岩体现场载荷试验多采用直径为30cm的圆形刚性承压板，当岩体埋深较大时，可采用钢筋混凝土桩，但桩周需采取措施以消除桩身与土之间的摩擦力。在试验过程中，荷载分级施加，同时量测沉降量s，荷载应增加到不少于设计要求的2倍。根据由试验结果绘制的荷载与沉降关系曲线（p-s）确定比例极限和极限荷载。p-s曲线上起始直线的终点对应的荷载为比例极限，符合终止加荷条件的前一
6、级荷载为极限荷载。承载力的取值为两种情况：对于微风化和强风化岩体，承载力取极限荷载除以安全系数（安全系数一般取3.0）；对于中等风化岩体，需要根据岩体裂隙发育情况确定，并与比例极限荷载比较，取二者中的小值。6/7/2023 206、嵌岩桩的承载力（1）采用静荷载试验确定嵌岩桩极限承载力嵌岩桩静荷载试验的试桩数不得少于3根，当试桩的极限荷载实测值的极差不超过平均值的30%时，可取其平均值作为单桩极限承载力标准值，建筑物为一级建筑物，或为柱下单桩基础，且试桩数为3根时，应取最小值为单桩极限承载力，当极差超过平均值的30%时，应查明误差过大的原因，并应增加试桩数量。6/7/2023 21（2）理论计
7、算确定嵌岩桩极限承载力Rk为嵌岩桩单桩竖向极限承载力标准值；Rsk为桩侧土总摩阻力标准值；Rrk为总嵌固力标准值；Rpk为总端阻力标准值。6/7/2023 22二、地基岩体基础沉降的确定地基岩体的基础沉降主要是由于岩体在上部荷载作用下变形而引起的。对于一般的中小型工程来说，由于荷载相对较小所引起的沉降量也较小。但对于重型和巨型建筑物来说，则可能产生较大的变形，尤其是当地基较软弱或破碎时，产生的变形量会更大，沉降量也会较大。另外，现在越来越多的高层建筑和重型建筑多采用桩基等深基础，把上部荷载传递到下伏基岩上由岩体来承担。在这类深基础设计时，需要考虑由于岩体变形而引起的桩基等的沉陷量。6/7/20
8、23 231、浅基础的沉降当半无限体表面上作用有一垂直集中力p时 6/7/2023 24如果半无限体表面作用荷载p（，）6/7/2023 25（1）圆形基础的沉降圆形柔性基础中心（R=0）处的沉降量W0 圆形柔性基础边缘（Ra）处的沉降量Wa为 圆形刚性基础，当作用有集中荷载p时 常数 6/7/2023 26（2）矩形基础的沉降矩形刚性基础承受中心荷载或均布荷载p时，基础底面上各点沉降量相同，但基底压力不同；矩形柔性基础承受均布荷载p时，基础底面各点沉降量不同，但基底压力相同。当基础底面宽度为b，长度为a时，无论刚性基础还是柔性基础，其基底的沉降量都可按下式计算 6/7/2023 27各种基础
9、的沉降系数值表 基础形状沉 降 系 数（）a/b 柔性基础中点 柔性基础角点柔性基础平均值刚性基础圆形基础 1.00 0.64 0.58 0.79方形基础 1.0 1.12 0.56 0.95 0.88矩形基础1.52.03.04.05.06.07.08.09.010.01.361.531.781.962.102.232.332.422.492.530.680.740.890.981.051.121.171.211.251.271.151.301.531.701.831.962.042.122.192.251.081.221.441.611.722.12条形基础30.050.0100.03.2
10、33.544.001.621.772.002.883.223.706/7/2023 282、嵌岩桩的沉降嵌岩桩基沉降量由下列三部分组成：桩端压力作用下，桩端的沉降量（Wb）桩顶压力作用下，桩本身的缩短量（Wp）考虑沿桩侧由侧壁粘聚力传递荷载而对沉降量的修正值（W）6/7/2023 29第十章 地基岩体稳定性分析10.1 地基岩体中的应力分布特征10.2 地基岩体的承载力10.3 坝基岩体抗滑稳定性分析10.4 坝肩岩体抗滑稳定性分析6/7/2023 30一、坝基承受的荷载(1)坝体重力(2)静水压力水平静水压力竖直静水压力6/7/2023 31(3)泥沙压力 当坝体上游坡面接近竖直面时，作用于
11、单宽坝体的泥沙压力的方向近于水平，并从上游指向坝体，按朗肯土压力理论其大小为6/7/2023 32（4）坝基扬压力确定定义：在坝基底面和岩体深部滑移面上由于渗流等作用而产生的上抬的水压力，称为扬压力。它包括浮托力与渗透压力两部分。坝基底面上的扬压力 坝基下无防渗排水措施6/7/2023 33 坝基下有防渗排水措施6/7/2023 34 空腹、宽缝重力坝和支墩坝6/7/2023 35(5)岩体重力(6)地震作用 水平地震作用6/7/2023 36(7)浪压力 当坝体迎水面坡度大于1:1，水深 Hw满足 hfHwLw/2时，水深Hw处浪压力的剩余强度p作用于单宽坝体上的浪压力为6/7/2023 3
12、7二、坝基滑动破坏的类型及边界条件的构成滑动面的位置接触面滑动岩体内滑动混合型滑动沿倾向上游软弱结构面滑动沿水平软弱面滑动沿倾向下游软弱结构面滑动沿倾向上下游两个软弱结构面滑动6/7/2023 381、接触面滑动接触面滑动是坝体沿着坝基与岩基接触面发生的滑动。对于一个具体的挡水 建筑物来说，是否发 生接触面滑动，不单 纯取决于岩基质量的好坏，而往往受设计和施工方面的因素影响很大。因此，当坝基岩体坚硬完整，其剪切强度远大于接触面强度时，最可能发生接触面滑动。6/7/2023 392、岩体内滑动岩体内滑动是坝体连同一部分岩体在倾斜荷载作用下，沿着坝基岩体内的软弱面发生的滑动破坏。该类型滑动破 坏主
13、要受坝基 岩体中发育的结构面网络所控制，而且只在具备滑动几何边界条件的情况下才有可能发生。6/7/2023 40（1）沿水平软弱面滑动当坝基为产状水平或近水平的岩层而大坝基础砌置深度又不大，坝趾部被动压力很小，岩体中又发育有走向与坝轴线垂直或近于垂直的高倾角破裂构造面时，往往会发生沿层面或软弱夹层的滑动6/7/2023 41坝基中存在着向上游缓倾的软弱结构面，同时还存在着走向垂直或近于垂直坝轴线方向的高角度破裂面（2）沿倾向上游软弱结构面滑动6/7/2023 42（3）沿倾向下游软弱结构面滑动坝基岩体中存在着倾向下游的缓倾角软弱结构面和走向垂直或近于垂直坝轴线方向的高角度破裂面，并在下游存在着
14、切穿可能滑动面的自由面6/7/2023 43坝基岩体中发育有分别倾向上游和下游的两个软弱结构面以及走向垂直或近于垂直坝轴线的高角度切割（4）沿倾向上下游两个软弱结构面滑动6/7/2023 44（5）沿交线垂直坝轴线的两个软弱结构面滑动坝基岩体中发育有交线垂直或近于垂直坝轴线的两个软弱结构面，且坝趾附近倾向下游的岩基自由面有一定的倾斜度，能切穿可能滑动面的交线6/7/2023 453、混合型滑动混合型滑动则是部分沿接触面、部分沿岩体内结构面发生的。它是接触面滑动和岩体内滑动的组合破坏类型。6/7/2023 46三、坝基抗滑稳定性计算计算的基础：充分研究岩基工程地质条件的基础上并获得必要的计算参数
15、计算方法：刚体极限平衡法数值模拟方法地质力学模型试验法类比法图解法6/7/2023 471、接触面抗滑稳定性计算坝底接触面多为水平或近于水平我国坝工设计多采用第1式，计算中采用的摩擦 系数多采用原位测试峰值摩擦系数的折减值6/7/2023 48坝、闸基础底面与地基岩土体之间的力学参数地基土类型摩擦系数f卵石、砾石0.500.55砂0.400.50粉土0.250.40粘土坚硬中等坚硬软弱0.350.450.250.350.200.25岩体分类混凝土与岩体抗剪断强度f C（Mpa）1.31.5 1.31.5 1.11.3 1.11.3 0.91.1 0.71.1 0.70.9 0.30.7 0.4
16、0.7 0.36/7/2023 49为增大坝基抗滑稳定性系数，将坝体和岩体接触面设计成向上游倾斜的平面6/7/2023 506/7/2023 51如果坝底面水平且嵌入岩基较深，在计算抗滑稳定性系数时应考虑下游岩体的抗力(被动压力)被动楔体abd的受力分析6/7/2023 52由于岩体抗力要达到最大值(即计算值)，抗力体必须要产生一定量的位移，因此，坝基可能滑动面的抗滑力和抗力体的抗力难以同步发挥到最大值。6/7/2023 53一般，抗滑力出现在前，经一段位移才能使抗力达到最大。也就是说要使岩体抗力充分发挥，坝体需沿滑动面产生较大的位移，这在一般的坝工设计中不允许因此，在坝工设计中通常只是部分利
17、用或不利用岩体抗力，其利用程度主要取决于坝体水平位移的允许范围，接触面的抗滑稳定性系数修正6/7/2023 542、坝基岩体内滑动的稳定性计算原则：首先应根据岩体软弱结构面的组合关系，充分研究可能发生滑动的各种几何边界条件对每一种可能的滑动都确定出稳定性系数然后根据最小的稳定性系数与所规定的安全系数相比较，进行评价。6/7/2023 55沿水平软弱结构面滑动 稳定性系数：6/7/2023 56沿倾向上游软弱结构面滑动 抗滑稳定性系数6/7/2023 57沿倾向下游软弱结构面滑动抗滑稳定性系数6/7/2023 58沿两个相交软弱结构面滑动一种沿分别倾向上下游的两个软弱结构面滑动，可按照同向双平面
18、滑动稳定性的计算方法计算其稳定性系数6/7/2023 59一种沿交线垂直坝轴线方向的两个软弱结构面滑动，抗滑稳定性系数为6/7/2023 60结构面、软弱面、断层的抗剪强度类型f C（Mpa）胶结的结构面0.800.60 0.2500.100无充填的结构面0.700.45 0.1500.050岩块岩屑型0.550.45 0.2500.100岩屑夹泥型0.450.35 0.1000.050泥夹岩屑型0.350.25 0.0500.020泥0.250.18 0.0050.0026/7/2023 61第十章 地基岩体稳定性分析10.1 地基岩体中的应力分布特征10.2 地基岩体的承载力10.3 坝基
19、岩体抗滑稳定性分析10.4 坝肩岩体抗滑稳定性分析6/7/2023 62坝肩岩体在重力作用下的滑动对各种坝体都会产生危害，尤其是支墩坝、拱坝、连拱坝等对侧向变形反应敏感的轻型坝更容易造成危害。对于拱坝来说，研究坝肩抗滑稳定性问题不仅要研究坝肩岩体在重力作用下的稳定性，更要研究在拱坝传递来的水平推力作用下的稳定性。对于其他坝型，研究坝肩抗滑稳定性问题一般就研究岩体边坡在重力作用下的稳定性。6/7/2023 63拱坝通常修建在比较狭窄的峡谷中，坝体在平面上为弧形，两端嵌入坝肩岩体借助拱的作用把大部分水平推力传递给坝肩岩体，因此，坝肩承受的荷载一般较大。拱坝对坝肩岩体不均匀变形和过量变形比较敏感，于
20、是通常要求坝肩岩体具有完整、均质、坚固等良好性能。岩体滑动的几何边界条件主要由岩体中方向不利的软弱结构面和岩体自由面组成。对于拱坝坝肩岩体来说，产状水平或近水平的软弱结构面，走向与河谷方向夹角小于45而倾向河谷的软弱结构面往往都是不利的。岩体自由面决定着最小主应力方向，因此它的方位对岩体的稳定性影响很大。一、影响拱坝坝肩抗滑稳定性的因素6/7/2023 64岩体自由面的方向和位置由地形条件决定6/7/2023 65拱坝坝肩岩体形成的不同的可能滑动体示意图6/7/2023 66二、拱坝坝肩抗滑稳定性的计算对拱坝坝肩岩体进行抗滑稳定分析常用的方法有平面稳定分析（刚性截面法、有限元法等）和空间稳定分
21、析（刚性块体法、分段法、有限元法等）。平面稳定分析是分高程切取单位高度（Z1m）的坝体及基岩按平面核算坝肩岩体是否稳定。该方法历史悠久，并曾作为抗滑稳定分析的设计情况，即各层拱圈的基岩稳定了，就认为整个基岩稳定了。平面稳定分析往往偏于安全，计算也较为简便，因此在中小型拱坝的技施设计阶段和大型拱坝的初步设计阶段被广泛地采用。6/7/2023 671、平面稳定分析AB面上的正压力：ABC面上的正压力：6/7/2023 68滑动力抗滑力稳定性系数6/7/2023 69（1）坝肩岩体中存在垂直和水平软弱面的情况2、空间稳定分析坝肩岩块的抗滑力下滑力6/7/2023 70坝肩岩体的抗滑稳定性系数 6/7/2023 71（2）坝肩岩体中存在倾斜软弱面的情况坝肩岩体的抗滑稳定性系数 6/7/2023 72水平力H的分解：面（1）的法向分力面（2）的法向分力垂直力（W+V）的分解：面（1）的法向分力面（2）的法向分力6/7/2023 736/7/2023 74