河海大学工程地质.pptx
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1、第五章第五章 坝基岩体稳定性的工程地坝基岩体稳定性的工程地质分析质分析概述概述5.15.1坝基岩体的压缩变形与承载力坝基岩体的压缩变形与承载力5.25.2坝基(肩)岩体的抗滑稳定分析坝基(肩)岩体的抗滑稳定分析5.35.3坝基岩体抗滑稳定计算参数的选定坝基岩体抗滑稳定计算参数的选定5.45.4降低坝基岩体抗滑稳定性的作用降低坝基岩体抗滑稳定性的作用5.55.5坝基处理坝基处理概述概述从世界上坝的破坏情况来看,原因是多种多样的。地质方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面的原因造成的破坏事故约占3030一一40964096,其中,从具体,其中,从具体的破坏
2、原因和形式来看,又可详分如下类型:的破坏原因和形式来看,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。化所造成的破坏。(2)(2)由于坝基由于坝基(肩肩)的抗沿稳定性较低运行期间又遗的抗沿稳定性较低运行期间又遗到进一步恶化所造成的滑动破坏。到进一步恶化所造成的滑动破坏。(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
3、,使坝基被构空而造成的破坏。使坝基被构空而造成的破坏。(5)(5)由于坝肩岩体的稳由于坝肩岩体的稳定性较低,运行期间空定性较低,运行期间空隙水压力增大又使其稳隙水压力增大又使其稳定性进一步恶化所造成定性进一步恶化所造成的坝肩滑动破坏。安徽的坝肩滑动破坏。安徽拇山水库大坝的事故就拇山水库大坝的事故就是这样造成的。是这样造成的。(6)(6)坝下游岩体冲刷坝下游岩体冲刷(溢溢流冲刷流冲刷)构空,也可造构空,也可造成大坝的破坏。成大坝的破坏。(7)(7)由地震和水库地震由地震和水库地震所造成的破坏或损害。所造成的破坏或损害。各种坝型对工程地质条件的要求各种坝型对工程地质条件的要求土石坝土石坝 土石和堆
4、石坝是由粘土、黄土、砂土、砾石、碎石、块石土石和堆石坝是由粘土、黄土、砂土、砾石、碎石、块石料散体堆积而成的,上下游边坡与堆筑材料的稳定坡角应相适料散体堆积而成的,上下游边坡与堆筑材料的稳定坡角应相适应,以保持坝坡的稳定。应,以保持坝坡的稳定。特点:特点:坝体是柔性的,允许产生坝体是柔性的,允许产生较大的变形。较大的变形。坝体断面和底宽均较大,坝体断面和底宽均较大,对地基的压应力较小,抗滑对地基的压应力较小,抗滑稳定问题不突出。稳定问题不突出。防渗墙的重要性。防渗墙的重要性。坝顶不能溢流:对两岸地形(垭口或有布置洞群坝顶不能溢流:对两岸地形(垭口或有布置洞群的条件)要求高,对近坝库段稳定(涌浪
5、漫顶)要的条件)要求高,对近坝库段稳定(涌浪漫顶)要求高。求高。要求或问题要求或问题 总体上看,对坝基要求低,但应注意研究如下问题:总体上看,对坝基要求低,但应注意研究如下问题:坝肩边坡较陡时,应注意坝体与地基岩体的接触问题;坝肩边坡较陡时,应注意坝体与地基岩体的接触问题;当坝基分布有深厚砂砾石层时,应注意渗漏和渗透稳定;当坝基分布有深厚砂砾石层时,应注意渗漏和渗透稳定;当坝基分布有软土层时:承载力低,沉降大;厚度变化大时,不当坝基分布有软土层时:承载力低,沉降大;厚度变化大时,不均匀沉降问题突出;均匀沉降问题突出;当坝基分布有黄土时,应注意湿陷性问题;当坝基分布有黄土时,应注意湿陷性问题;当
6、坝基分布有疏松砂土及少粘性土(粘粒含量当坝基分布有疏松砂土及少粘性土(粘粒含量15%30MPac30MPa):):f fk k=1/7=1/7 R Rc c 裂隙不发育(间距裂隙不发育(间距1.0m1.0m)(1/7-1/101/7-1/10)R Rc c 裂隙较发育(间距裂隙较发育(间距1.0-0.3m1.0-0.3m)(1/10-1/161/10-1/16)R Rc c 裂隙发育(间距裂隙发育(间距0.3-0.1m0.3-0.1m)(1/16-1/201/16-1/20)R Rc c 裂隙极发育(间距裂隙极发育(间距0.1m0.1m)2 2)软弱岩石()软弱岩石(R Rc 30MPac 3
7、0MPa):):f fk k=1/5=1/5 R Rc c 裂隙不发育(间距裂隙不发育(间距 1.0m1.0m)(1/5-1/7)(1/5-1/7)R Rc c 裂隙较发育(间距裂隙较发育(间距1.0-0.3m1.0-0.3m)(1/7-1/10)(1/7-1/10)R Rc c 裂隙发育(间距裂隙发育(间距0.3-0.1m0.3-0.1m)(1/10-1/15)(1/10-1/15)R Rc c 裂隙极发育(间距裂隙极发育(间距0.1m7.07.07.04.07.04.04.02.04.02.02.00.52.00.50.50.5 工业与民用建筑地基岩体承载力的确定(工业与民用建筑地基岩体承
8、载力的确定(GB50218-94GB50218-94)基岩面形态基岩面形态 平坦型平坦型反坡型反坡型顺坡型顺坡型台阶型台阶型岩面坡度岩面坡度0 010101010202010102020台阶高台阶高5m5m1.01.00.90.90.80.80.70.7基岩承载力标准值基岩承载力标准值(f fk)k)的确定的确定;f fk=k=f fo o 为基岩形态折减系数:为基岩形态折减系数:关于标准值关于标准值水电工程:水电工程:标准值是试验成果经过分析整理、统计修正或考虑概率、岩石标准值是试验成果经过分析整理、统计修正或考虑概率、岩石强度破坏准则等经验修正后的参数值,只反映岩土试件的特性。强度破坏准则
9、等经验修正后的参数值,只反映岩土试件的特性。地质建议值是指地质人员根据试件所在层位的总体地质条件,地质建议值是指地质人员根据试件所在层位的总体地质条件,对标准值进行调整后提出的,使标准值更符合于岩土体所在的地对标准值进行调整后提出的,使标准值更符合于岩土体所在的地质环境,具有更好的地质代表性,其目的是使参数取值更合理。质环境,具有更好的地质代表性,其目的是使参数取值更合理。岩土工程:岩土工程:岩土参数的标准值岩土参数的标准值f fk k是岩土工程设计时所采用的基本代表值,是是岩土工程设计时所采用的基本代表值,是岩土参数的可靠性估值。岩土参数的可靠性估值。强度指标的选择强度指标的选择求解软土地基
10、承载力的理论方法中,抗剪参数是重要的参求解软土地基承载力的理论方法中,抗剪参数是重要的参数,应正确选用。数,应正确选用。不固结不排水剪(不固结不排水剪(UUUU),),也称也称快剪快剪:加加3 3和加和加1 1-3 3都不允许排水。都不允许排水。用于施工期短、加荷速率快、渗透系数小、排水条件差、厚度很用于施工期短、加荷速率快、渗透系数小、排水条件差、厚度很大的饱和粘土地基或斜坡的稳定性分析。大的饱和粘土地基或斜坡的稳定性分析。快剪试验不能反映土的天然应力状态,所以提出快剪试验不能反映土的天然应力状态,所以提出CKoUCKoU试验,即在试验,即在天然应力条件下固结,然后再进行排水剪切。天然应力条
11、件下固结,然后再进行排水剪切。3.3.软土地基承载力的计算软土地基承载力的计算固结不排水剪(固结不排水剪(CU),),也称也称固结快剪固结快剪:加加3允许排水,加允许排水,加13都不允许排水都不允许排水;用于一般性建筑在施工期中,加荷速率慢、渗透系数大、排水条件用于一般性建筑在施工期中,加荷速率慢、渗透系数大、排水条件好、土层较薄的地基土强度指标的计算。好、土层较薄的地基土强度指标的计算。加加3和加和加1-3都充分排水,都充分排水,u=0,所以施加的应力就是作用在,所以施加的应力就是作用在 土样上的有土样上的有效应力效应力;一般仅用于建筑物施工期较长、地基土的排水条件很好,能充分提高地基一般仅
12、用于建筑物施工期较长、地基土的排水条件很好,能充分提高地基土强度时使用土强度时使用;慢剪强度慢剪强度=有效应力强度,是一种比较稳定的指标有效应力强度,是一种比较稳定的指标;试验周期长,工程上应用较少。试验周期长,工程上应用较少。固结排水剪(固结排水剪(CDCD),也称),也称慢剪慢剪:计算方法的选择计算方法的选择目前,计算强度指标的方法有目前,计算强度指标的方法有2 2种:种:有效应力法有效应力法该方法最符合土的基本理论基础,抗剪强度与有效应力的对应关系已为该方法最符合土的基本理论基础,抗剪强度与有效应力的对应关系已为理论和试验证明。理论和试验证明。但目前较为困难的是:土中的但目前较为困难的是
13、:土中的u u难于准确确定,而有效快剪强度指标都难于准确确定,而有效快剪强度指标都是是u u的函数。的函数。不合理之处:总应力与抗剪强度无对应关系,不考虑不合理之处:总应力与抗剪强度无对应关系,不考虑u u影响。影响。但目前仍广泛应用于一般工程中。但目前仍广泛应用于一般工程中。优点:计算方便、多年应用中积累了不少经验。优点:计算方便、多年应用中积累了不少经验。对于软土地基,如果施工期短,有效应力变化不大,则抗剪对于软土地基,如果施工期短,有效应力变化不大,则抗剪强度往往接近于不排水总强度。强度往往接近于不排水总强度。总应力法总应力法高层建筑地基承载力的计算高层建筑地基承载力的计算目前我国有目前
14、我国有2类计算模式:类计算模式:极限荷载法极限荷载法(Pu):太沙基极限承载力公式;太沙基极限承载力公式;普朗特尔极限承载力公式;普朗特尔极限承载力公式;汉森极限承载力公式。汉森极限承载力公式。缺点或应注意的问题:临界深缺点或应注意的问题:临界深度问题。度问题。容许应力法:容许应力法:也称临塑荷载法(也称临塑荷载法(PcrPcr),过),过于保守于保守临界荷载法临界荷载法P P1/41/4、P P1/31/3(在偏心荷载作用下,且(在偏心荷载作用下,且B3mB3m)。)。注意注意:1)该方法的基本假定之一:)该方法的基本假定之一:Ko=1(实际上为(实际上为0.350.8),据以计算土的自重)
15、,据以计算土的自重应力,并用弹性理论计算附加应力应力,并用弹性理论计算附加应力当出现较大塑性变形时,不合实际。当出现较大塑性变形时,不合实际。2)计算公式是根据条形分布荷载推导而得,但用于空间问题偏于保守。)计算公式是根据条形分布荷载推导而得,但用于空间问题偏于保守。3)公式推导中未考虑基础刚度的影响。)公式推导中未考虑基础刚度的影响。在均布条形荷载作用下,土中任一点的应力来源于:在均布条形荷载作用下,土中任一点的应力来源于:1 1)基础底面的附加应力)基础底面的附加应力p p-DD:条形分布;:条形分布;2 2)基底处的边侧荷载)基底处的边侧荷载DD:均布;:均布;3 3)基底面以下土的自重
16、应力)基底面以下土的自重应力 zz。因因K Ko=1,o=1,所以土中任一点所以土中任一点M M的主应力:的主应力:2 2为为M M点视角(弧度);点视角(弧度);为土的重度(为土的重度(kN/m3kN/m3););D D为埋深(为埋深(m m););p p为为基底压力(基底压力(kN/m2kN/m2)。)。当当M M点的应力达到极限平衡时,据点的应力达到极限平衡时,据M-CM-C准则,应有准则,应有:将将1 1、3 3代入上式得:代入上式得:塑性区最深点的确定:塑性区最深点的确定:代入代入z z式,得:式,得:令令z zmaxmax=0=0时,得:时,得:临塑荷载临塑荷载p pcrcr(是指
17、理论上地基土中刚出现剪切破坏是指理论上地基土中刚出现剪切破坏塑性变形时,基底单位面积上所承塑性变形时,基底单位面积上所承受的荷载受的荷载)令令z zmaxmax=1/4B=1/4B时,得:时,得:临界荷载临界荷载p p1/41/4(实践证明,可以容许地基土中有不大的塑性区,对于建筑物安全无妨害实践证明,可以容许地基土中有不大的塑性区,对于建筑物安全无妨害)同理可得同理可得p p1/31/3:5.25.2坝基(肩)岩体的抗滑稳定分析坝基(肩)岩体的抗滑稳定分析1.1.坝基岩体滑动破坏的类型坝基岩体滑动破坏的类型试验研究的资料表明,由于坝基岩体特征不同,重力坝在库水试验研究的资料表明,由于坝基岩体
18、特征不同,重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型,即:推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型,即:表面滑动、表面滑动、浅层滑动和深层滑动浅层滑动和深层滑动。表面滑动表面滑动沿混轻土基础与基岩接沿混轻土基础与基岩接触面发生的剪切滑动。触面发生的剪切滑动。主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度,且岩体完主要发生在坝基岩体的强度远大于坝体混凝土强度,且岩体完整、无控制滑移的整、无控制滑移的软弱结构面软弱结构面的条件下。此时,混凝士基础与的条件下。此时,混凝士基础与基岩接触面的摩擦系数值,是控制重力坝设计的主要指标。坝基岩接触面的摩擦系数值,是控制重力坝设计的主要指标。坝体必须具有足
19、够的重量,以便使接触面上的摩擦阻力大于作用体必须具有足够的重量,以便使接触面上的摩擦阻力大于作用在坝体上的总水平推力。在坝体上的总水平推力。摩擦系数摩擦系数根据现场剪切试验资料,考感到坝区的工程地质、根据现场剪切试验资料,考感到坝区的工程地质、水文地质条件的特点,并参照国内外已建的类似工程的经验数水文地质条件的特点,并参照国内外已建的类似工程的经验数据确定的。据确定的。浅层滑动浅层滑动当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土当坝基表层岩体的抗剪强度低于坝体混凝土时,剪切破坏往往发生在浅部岩体之内,造成浅层滑动。时,剪切破坏往往发生在浅部岩体之内,造成浅层滑动。从产生条件从产生条件来看,这种浅层活
20、动可能有来看,这种浅层活动可能有三种三种主要类型:主要类型:一是坝甚岩体的一是坝甚岩体的岩性软弱岩性软弱,岩石本身,岩石本身的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的的抗剪强度低于坝体混凝土与基岩的接触面故在库水推力作用下,易于接触面故在库水推力作用下,易于沿表层岩体的内部发生如图沿表层岩体的内部发生如图11112222所所示的剪切破坏。示的剪切破坏。二是由近水平产出的二是由近水平产出的薄层状岩层薄层状岩层(特特别是夹有软弱层者别是夹有软弱层者)组成的坝基在库组成的坝基在库水推力作用下,产生如图水推力作用下,产生如图11112323所示所示的滑移弯曲。的滑移弯曲。薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低,在平
21、行于层理方向的荷载作用薄层状结构岩体的抗弯折变形能力很低,在平行于层理方向的荷载作用下,易于产生突向临空面方向的弯曲变形,故在水平荷裁作用下,坝趾下,易于产生突向临空面方向的弯曲变形,故在水平荷裁作用下,坝趾下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力,于是促进下游岩层往往因发生隆起而丧失对坝基沿软弱层滑动的抗力,于是促进了坝基整体滑动的发生。了坝基整体滑动的发生。破坏机理破坏机理三是三是碎裂结构岩体碎裂结构岩体组成的坝基在坝体推力作用下发生如组成的坝基在坝体推力作用下发生如图图11112424所示的剪切滑移破坏。所示的剪切滑移破坏。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
22、是沿已有的软弱结在工程应力条件下岩体的深层滑动主要是沿已有的软弱结构面发生。因此只有当地基岩体内存在有软弱结构面,且按构面发生。因此只有当地基岩体内存在有软弱结构面,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。一定组合能构成危险滑移体时,才有发生深层滑动的可能。能够构成危险滑移体的软弱结构面,通常可分为能够构成危险滑移体的软弱结构面,通常可分为滑移控制滑移控制面面和和切割面切割面两类。它们与一定的两类。它们与一定的临空面临空面组合就构成了探部滑移组合就构成了探部滑移的边界条件。的边界条件。典型的切割面典型的切割面通常是由陡立的断裂面构成的,只起将沿移体通常是由陡立的断裂面构成的,只
23、起将沿移体与周围岩体割裂开来的作用,不起抗滑作用。与周围岩体割裂开来的作用,不起抗滑作用。与作用力方向垂直的陡立结构面构成与作用力方向垂直的陡立结构面构成横向切割面横向切割面,平行于作,平行于作用力方向的陡立面则构成用力方向的陡立面则构成侧向切剖面侧向切剖面。滑移控制面滑移控制面通常是由平缓的软弱结构面构成的,它与切割面通常是由平缓的软弱结构面构成的,它与切割面不同,除了一定的切割、削弱的作用之外,还能对沿移休起不同,除了一定的切割、削弱的作用之外,还能对沿移休起抗滑的作用。抗滑的作用。滑动边界条件的组成滑动边界条件的组成滑动面滑动面(底滑面)(底滑面)特点:特点:1 1)产状平缓()产状平缓
24、(3030度)、稳定;度)、稳定;2 2)分布范围广,连续性强,埋藏浅;)分布范围广,连续性强,埋藏浅;3 3)夹泥多,)夹泥多,f f、c c值低;值低;4 4)走向与坝轴线小角度相交。)走向与坝轴线小角度相交。2.坝基岩体滑动的边界条件分析坝基岩体滑动的边界条件分析常见的滑动面:软弱夹层、断层面、片理面、层理面。常见的滑动面:软弱夹层、断层面、片理面、层理面。临空面临空面:滑移体的自由滑出面滑移体的自由滑出面 1 1)水平临空面:河床面;)水平临空面:河床面;2 2)陡立临空面:深潭、深槽、冲刷坑、下游基)陡立临空面:深潭、深槽、冲刷坑、下游基坑;陡倾角的横穿河床的断层破碎带、软岩、风化深
25、槽、坑;陡倾角的横穿河床的断层破碎带、软岩、风化深槽、裂隙密集带潜蚀溶洞。裂隙密集带潜蚀溶洞。1 1)纵向切割面:)纵向切割面:产状陡;产状陡;走向与坝轴线大角度相交;走向与坝轴线大角度相交;以剪应力为主,法向应力很小。以剪应力为主,法向应力很小。2 2)横向切割面:)横向切割面:产状陡,当产状平缓时,具有底滑面的作用(双滑面);产状陡,当产状平缓时,具有底滑面的作用(双滑面);走向与坝轴线小角度相交;走向与坝轴线小角度相交;属拉裂面,可为追踪面。属拉裂面,可为追踪面。切割面切割面 常见的滑动破坏类型常见的滑动破坏类型 缓倾(倾角缓倾(倾角3030)层状岩体)层状岩体最不利情况:地层走向最不利
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