第十一章地基岩体稳定性的.ppt
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1、第十一章 地基岩体稳定性的 工程地质分析n111 基本概念及研究意义n 直接承受上部建筑物荷载作用的别阴分土体或岩体称为地基。根据承栽的特点,通常可将地基分为两种类型,即:(1)承受垂直荷载的地基,一般工业民用建筑物的地基那是用于这种类型:(2)承受斜向荷载(同时承受垂直荷裁与水平荷载)的地基,各类挡水建筑物,如闹、坝等的地基恩此类。n 承受垂直荷载的地基,大多都是“软基”,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内容,这里不做详述,只准备根据本课程的需要指出有关问题的一般特点。n 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n占30一4096,
2、其中,从具体的破坏原因和形式来看,又可详分如下类型:n (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破坏。n(3)由于坝基(肩)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。n(3)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。n(4)因坝下渗透水流将坝基岩石中的细颗粒物质带走,使坝基被构空而造成的败n(5)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坏。安徽拇山水库大坝的事故就是这样造成的(见第九窜)。n(6)坝下游岩体冲刷(溢流冲80)构空,也n可造成大坝的破坏(如glI一4)。n (7)由地震和水
3、库地震所造成的破坏或损n害。n 112 地基岩体内的应力分布特征n1121 垂直荷朝作用下地基内的应力分布n 113 坝基岩体的变形与破坏n11.31 松软土地基的变形与破坏n11.31.1 垂直荷载作用下松软土坝基的变形与破坏n 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,坝坡坍滑通常有两种类型。n一种是滑动的速度相对比较缓慢,所涉及的地基滑动部分的范围相对较小。n另一种类型是坍滑的速度很快,坍洽所涉及的地基的范围可以很大,例如美国另一个高仅9m的土堤,在不到一分钟的时间内300m反的堤顶下陷了45m,坍滑所涉及的地基土水平方向n的范围扩展到距
4、堤脚约45m的地方。n 实地观察表明,第一类坍滑一般是发生在地基土层中存在有饱水的塑性软粘上或淤泥夹层的情况下图1114(a),而且地基个的滑动面部是通过这一软钻土层的中部;第二类坍滑通常发生在地基土层中发育有软钻土,且其中部夹有砂或粉砂之类的薄层或透镜体l如图lI一14(b),滑动面就通过这种部位。n 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的力之间的对比。当阻滑力大于滑动力时坝坡将是稳定的,否则就会发生滑动。从图1115中可以看出,作用在滑动面ab上的滑动力,等于作用在坝坡上下两端截面aa1和bb1上的土压力的差值,即:P滑PaPb (1112)由土力学中得知,Pa相当于主动土
5、压力,可根据下式求得:(1113)Pb相当于被动土压力,可按下式求之:(1114)式中:土的容重;c、坝体土石的内聚力与内摩擦角;其它符号见图1115。由式1113、1114可见,P滑的大小除与土的c、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。作用在ab面上的抗滑力S为:S=(Qx-Pw)tan+c Lx式中:Qx作用在ab面上的坝体重量,为一变量,随坝体加高而增大;Pw ab面处的超空隙水压力;c、滑动面上土石的内聚力和内摩擦力;Lx ab段的长度,为一变量,随坝体加高、加宽而增大。可见,抗滑力S的大小,一方面与滑动面的c、有关,另一方面则取代于 Qx-Pw(即有效压力)的大
6、小。对于前述第一类情况图11 14(a),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不断减小,有效压力(Qx-Pw)相应的不断增大。但是,由于高塑性软粘土的透水性很低,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间之内,还能保持很高的,甚至接近于附加压力的超空隙水压力,因此(Qx-Pw)很小,甚至接近于零。这样,施工期内软粘土层中间部分(ab面上)的抗滑力S1 c Lx,即随坝体加高而直线性的缓慢增大(如图11 16)。与此同时,滑动力P滑却随坝体的增高而加速的增大。当P滑与S1相交时,坝基即将发生局部滑动并引起坝坡的坍滑(图11 16)。这就是第一类坍滑产
7、生的机制。对于前述第二类情况,在坝体堆砌过程中ab面上的滑动力P滑与抗滑力S2的变化如图1116所示。抗滑力S2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底薄砂层,致使薄砂层中的空隙水压力不断增大,有效压力(Qx-Pw)不断减小,当Pw增大至接近Qx时,有效压力变得很小,甚至趋近于零。由于砂土的c=0,所以此时ab面上砂土的抗滑力S20。由于这类坍滑通常时在抗滑力很低的情况下发生的(图1116),故坍滑的速度一般较大。当地基土主要是由透水性良好的砂质土组成时,由于空隙水能很快的排出,超空隙水压力的消散很迅速,故有效压力能
8、在很短的时间增大至附加压力值,使S3=Qx tan.因此,在施工期间,地基内的抗滑力S3将随着坝体的增高而直线性地迅速增大(如图1116)。图1116中S3和P滑曲线地关系表明,砂质土地基的抗坍滑的能力很大,足以支持很高的坝体而不发生坍滑。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。当遇到这种情况时,为了保证坝坡的稳定,可采取如下措施。1.当这类土层埋藏较浅时,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。2.当这类土层埋藏较深而无法挖除时,可采
9、取相应的排水措施,以便较快的减少该层中的超空隙水压力;3.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,以提高地基的抗滑能力。n11.3.12 倾斜荷载作用下松软土地基的滑动破坏及抗滑稳定性问题理论计算和实验研究的结果表明,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坏(如图1117)。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.叶甫道基莫夫的图解法或B.B.索科洛夫斯基的理论公式加以计算。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基的临塑荷载(即按荷载性区最大深度Zm
10、ax=0求出的荷载)时,如果建筑物在库水水平推力(1116)作用地基表面的垂直总荷载(t);作用在挡水建筑物上的水平总荷载(t);分别为土与基础底面间的摩擦系数和内聚力;基础底面的面积;安全系数。的作用下发生滑动,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:n1132 岩石坝基的变形及篡对大坝稳定性的影响n 坚硬岩石地基的变形性常远较松软土地基为小,故对于一般的水工建筑物,研究其基础沉陷的绝对值往往没有多大实际意义。但是,由于建筑在岩基上的坝大多数是具有较大刚性的,它们对不均匀沉陷非常敏感,因此研究因岩石地基的不均匀变形所造成的不均匀沉陷,对于保证这类大坝的稳定有很大的实际意
11、义。n 岩石地基的不均匀变形通常是由下列因素造成的。n n(1)岩石地基内应力分布的不均匀性。如前所述,当坝基内有成组出现的陡倾软弱结构面发育时(如图1118),地基内酌附加应力将在软弱结构面历限岩体内产生高度的集中。由于这种原因,在具有三角形或梯形断面的重力坝自重作用下,地基内不同条形岩体中附加应力的大小及延展深度各不相同,因而其变形量也就彼此不等。通常坝体高、因而荷载强度大的部分变形最大;坝体低、因而荷载强度小的部分变形量就相对较小(如图1118),于是在不同条形体的交界处就会产生明显的差异沉陷,其结果往往使刚性坝体在这些部位发生断裂(如图1118)。n(2)地基不同部分岩体变形性质的差异
12、也往往是造成坝体不均匀沉陷的重要原因。n 这可能有两种情况;一是坝体砌置在软硬差别较大的岩层上,这种情况下,易于产生不均匀沉陷;二是坝基岩体内开口裂隙(如河床下的水平卸荷裂隙等)发育的不均匀,例如坝基一例张口裂隙较发育,而另一侧则不发育,在坝体压力作用下开口裂隙发育的一切由裂隙闭合所造成的压缩变形大于不发育的一例,其结果势必造成不均匀沉陷(如图1119n 应该指出,对于砌置在坚硬岩体上的大坝,尤应特别注意后一情况。因为这类岩体本n身的变形性通常较低,而开口裂隙在压力作用下产生闭合所造成的压纳变形往往可以达到n很大的数值。所以开口裂隙发育不均常是造成这类岩体不均匀变形的重要原因。n 鉴于不均匀沉
13、陷能对坝体稳定性造成较大的危害,在初勘阶段应尽可能地持坝基选择n在不致产生过大不均匀沉陷的部位。如果不能完全避开,也应采取相应的措施(例如予留n沉陷经等)以减少式消除不均匀沉陷对坝体稳定的影响。n除上述之外,还应强调指出的是,在坝基或坝肩范围内饼体变形性能子局部地带的突变(增大),对于拱坝的稳定性往往有很大的影响。模型试验表明,在外荷裁的作用下,拱坝的破坏总是先从局部软弱岩体发育部位开始,产生如图1120所示的各种破裂,然后导致整体破坏的。因此在拱坝的勘察和设计过程中对于这个问题必须予以充分的注意。n11.3.3岩石坝基的滑动破坏及抗滑稳定性问题n 11.3.3.1 岩石坝基滑动破坏的形式、特
14、点和发生条件n 试验研究的资料表明,由于坝基岩体特征不同,重力坝在库水推力作用下的滑动破坏可能有三种不同类型,即:表面滑动、浅部活动和深部滑动。n 1表面滑动n 表面滑动是沿混轻土基础与基岩接触面发生的剪切滑动,如图1131。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、无控制滑移的软弱结构面的条件下。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。n 这个接触面的摩擦系数通常是根据现场剪切试验资料,考感到坝区的工程地质、水文n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
15、的。当基岩面由不同岩石n组成时,接触面的摩擦系数的综合指标位,一班按面积加权平均法或应力加权平均法求n得。n 我国一些已建成的大坝工程所采用的摩擦系数资料例子表111。n 2浅层滑动n 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。从产生条件来看,这种浅层活动可能有三种主要类型:n一是坝甚岩体的岩性软弱,岩石本身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,易于沿表层岩体的内部发生如图1122所示的剪切破坏。n 二是由近水平产出的薄层状岩层(特别是夹有软弱层者)组成的坝基*在库水推力作用下,产生如图1123所示的滑移弯曲。这类变形破坏的产生
16、主要是因为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。n 在乎行于层理方向的荷载作用下,层状岩体的抗弯曲能力称为弯曲阻抗Rb(Buckling resistance),通常可根据EuIer所提出的下述公式进行计算:n由上式可见,岩层的抗弯曲能力与弯曲所涉及的层厚的三次方成正比,放下游岩层的抗弯曲能力随所涉及的岩层厚度的增加而迅速增大,所以这类变形破坏通常总是发生在浅部地层内。我国葛洲坝工程抗力体试验的结果充分地反映出这类岩体的上述变
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- 第十一章 地基岩体稳定性的 第十一 基岩 稳定性
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