岩石力学课程Cha.ppt

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1、第七章第七章 岩基应力及稳定分析岩基应力及稳定分析Chapter 7 Stress of Rock Foundation and Stability Analysis学习内容学习内容 岩石基础的类型、岩基的几种破坏形式；岩石基础的类型、岩基的几种破坏形式；岩基抗滑稳定性的计算。岩基抗滑稳定性的计算。学习对象学习对象岩基、岩基承载力、岩基滑动岩基、岩基承载力、岩基滑动学习目的学习目的 了解岩基、岩基承载力、岩基滑动；了解岩基、岩基承载力、岩基滑动；掌握岩石基础的类型、岩基的几种破坏形式、岩掌握岩石基础的类型、岩基的几种破坏形式、岩基抗滑稳定性的计算。基抗滑稳定性的计算。学习提示学习提示Learn

2、ing Hints7.1 概述概述岩石力学岩石力学岩石力学岩石力学基本理论基本理论基本理论基本理论工程应用工程应用工程应用工程应用岩岩体体强强度度岩岩体体强强度度岩岩体体变变形形岩岩体体变变形形地地 应应 力力地地 应应 力力地下洞室应力重分布（二次应力）、山地下洞室应力重分布（二次应力）、山地下洞室应力重分布（二次应力）、山地下洞室应力重分布（二次应力）、山岩压力、喷锚支护等岩压力、喷锚支护等岩压力、喷锚支护等岩压力、喷锚支护等坝基稳定坝基稳定坝基稳定坝基稳定(本章本章本章本章)边边坡坡稳稳定定边边坡坡稳稳定定建基面不均匀沉降建基面不均匀沉降建基面及坝基应力的强度复核承载能力复核建基面及坝基

3、应力的强度复核承载能力复核坝基稳定坝基稳定重点（重力坝、拱坝坝基、坝肩）重点（重力坝、拱坝坝基、坝肩）7.1.1 岩基的基本类型岩基的基本类型 7.1 概述概述7.1.2 重力坝的工作原理重力坝的工作原理7.1 概述概述 岩基上重力坝的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂岩基上重力坝的基本剖面呈三角形，上游面通常是垂直的或稍倾向上游的三角形断面。直的或稍倾向上游的三角形断面。主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生主要依靠坝体的重量，在坝体和地基的接触面上产生抗滑力来抵抗库水的推力，以达到稳定的要求。抗滑力来抵抗库水的推力，以达到稳定的要求。主要关键词主要关键词（Keywords）：重力坝重

4、力坝（Gravity dam）抗滑稳定抗滑稳定（Stability against sliding）稳定分析稳定分析（Stability analysis）7.1.2 重力坝的工作原理重力坝的工作原理7.1 概述概述重力坝设计关键技术：重力坝设计关键技术：l坝体应力与稳定分析坝体应力与稳定分析l坝基抗滑稳定与加固措施坝基抗滑稳定与加固措施7.1.3 重力坝的类型重力坝的类型7.1 概述概述p实体重力坝p宽缝重力坝p空腹重力坝p预应力重力坝p装配式重力坝p浆砌石重力坝7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析 根据混凝土重力坝设计规范（根据混凝土重力

5、坝设计规范（DL5108-1999）的相关规定，承）的相关规定，承载能力极限状态：坝体断面、结构及坝基岩体进行强度和抗滑稳定载能力极限状态：坝体断面、结构及坝基岩体进行强度和抗滑稳定计算，必要时进行抗浮、抗倾验算；对需抗震设防的坝及结构，尚计算，必要时进行抗浮、抗倾验算；对需抗震设防的坝及结构，尚需按需按DL5703（水工建筑物抗震设计规范）进行验算。（水工建筑物抗震设计规范）进行验算。稳定问题的提出：稳定问题的提出：抗滑稳定：坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动；抗滑稳定：坝体沿抗剪能力不足的薄弱面产生滑动；抗浮稳定：坝体在上、下游水荷载作用下，产生向上浮起破坏形式；抗浮稳定：坝体在上、下游水

6、荷载作用下，产生向上浮起破坏形式；抗倾稳定：上游坝踵以下岩体受拉产生斜裂缝及坝趾以下岩体受压发生抗倾稳定：上游坝踵以下岩体受拉产生斜裂缝及坝趾以下岩体受压发生压碎而产生倾倒滑移破坏形式。压碎而产生倾倒滑移破坏形式。稳定问题的类型：稳定问题的类型：7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析 7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析 o稳定分析的方法稳定分析的方法 刚体极限平衡法刚体极限平衡法(rigid limit equilibrium method)；有限单元法有限单元法(finite elemen

7、t method)；地质力学模型试验法地质力学模型试验法(model testing method)。o问题分类问题分类o平面问题平面问题各坝段独立受力。各坝段独立受力。o空间问题空间问题坝基内断层多条相互切割交错构成坝基内断层多条相互切割交错构成空间滑动体或地形陡峻的岸坡段。空间滑动体或地形陡峻的岸坡段。7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析 o刚体极限平衡法：刚体极限平衡法：将断裂面（指坝体、岩体或大坝与岩体组成的滑裂体等）看成刚体，将断裂面（指坝体、岩体或大坝与岩体组成的滑裂体等）看成刚体，不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑

8、滑裂面上应不考虑滑裂体本身和滑裂体之间变形的影响，也不考虑滑裂面上应力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、剪应力），而忽略力分布情况，仅考虑滑裂面上的合力（正压力、剪应力），而忽略力矩的作用效应。力矩的作用效应。优点优点：概念清楚，计算简便，任何规模的工程均可采用；：概念清楚，计算简便，任何规模的工程均可采用；缺点缺点：是不能考虑岩体受力后所产生变形的影响，极限状态与允许的：是不能考虑岩体受力后所产生变形的影响，极限状态与允许的工作状态也有较大的出入。工作状态也有较大的出入。7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析 o有限单元法：有限单元法：

9、可计算地基受力后的应力场和位移场，并可模拟地基中软弱结构面可计算地基受力后的应力场和位移场，并可模拟地基中软弱结构面局部化效应及多场耦合作用效应等，研究地基破坏发展全过程。局部化效应及多场耦合作用效应等，研究地基破坏发展全过程。优点优点：可以考虑复杂地基的局部化效应及材料的非线性本构关系，模：可以考虑复杂地基的局部化效应及材料的非线性本构关系，模拟地基及坝体变形与破坏的全过程等；拟地基及坝体变形与破坏的全过程等；缺点缺点：对有限元计算结果应用及稳定判据的应用上尚需进一步研究。：对有限元计算结果应用及稳定判据的应用上尚需进一步研究。节点数节点数8592单元数单元数7705 7.2 重力坝坝基抗滑

10、稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 重力坝的稳定分析重力坝的稳定分析 o地质力学模型方法：地质力学模型方法：能较好地模拟基岩的结构、强度和变形特性，以及自重、静水能较好地模拟基岩的结构、强度和变形特性，以及自重、静水压力等荷载，能形象地显示滑移破坏的过程。模拟内容不够全压力等荷载，能形象地显示滑移破坏的过程。模拟内容不够全面和完善，不能完全依靠试验定量解决问题。面和完善，不能完全依靠试验定量解决问题。优点：优点：能直观的模拟坝体与地基稳定体系中的主要影响因素及变能直观的模拟坝体与地基稳定体系中的主要影响因素及变形与破坏全过程；形与破坏全过程；缺点：缺点：模拟内容有限，往往需要依据经验作适当简化，

11、模型一旦模拟内容有限，往往需要依据经验作适当简化，模型一旦建立，不易修改、费用高、周期长，试验结果受到测试技术与建立，不易修改、费用高、周期长，试验结果受到测试技术与若干不确定性因素的影响等。若干不确定性因素的影响等。7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 坝基岩体的破坏形式坝基岩体的破坏形式 7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.1 坝基岩体的破坏形式坝基岩体的破坏形式 表层滑动表层滑动沿坝体与基岩接触面发生滑动沿坝体与基岩接触面发生滑动深层滑动深层滑动岩基内部存在着节理裂隙或软弱夹层及其他不利的结构面岩基内部存在着节理裂隙或软弱夹层及其他不利的结构面 产生。产

12、生。浅层滑动浅层滑动岩基内部存在着节理裂隙或软弱夹层及其他不利的结构面岩基内部存在着节理裂隙或软弱夹层及其他不利的结构面 产生。产生。我国修建的大中型重力坝，其中有我国修建的大中型重力坝，其中有1/3存存在深层滑动问题。在深层滑动问题。7.2.2 表层滑动稳定性计算表层滑动稳定性计算 设坝体重设坝体重V，坝底扬压力为，坝底扬压力为U，坝体混凝土与，坝体混凝土与坝基岩体之间的参数为坝基岩体之间的参数为f、c，p 抗剪公式抗剪公式坝体与坝基间看成是一个接触面，坝体与坝基间看成是一个接触面，而不是胶结面而不是胶结面7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定要求要求Ks11.001.05p 抗剪断公

13、式抗剪断公式认为坝体与基岩接触良好，直认为坝体与基岩接触良好，直接采用接触面上的抗剪断参数接采用接触面上的抗剪断参数f、c要求要求Ks22.503.007.2.2 表层滑动稳定性计算表层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定 当接触面倾向上游时，并有当接触面倾向上游时，并有的夹角时，其的夹角时，其抗滑稳抗滑稳定安全系数定安全系数为：为：可以看出：坝基面微倾向可以看出：坝基面微倾向上游对上游对Ks有利。有利。7.2.2 表层滑动稳定性计算表层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定 一般由一般由若干组试验若干组试验确定。但由于试验岩体自身的非均匀性质和每次确

14、定。但由于试验岩体自身的非均匀性质和每次试验条件不可能完全相同，导致试验成果具有较大的离散性，如何选用试验条件不可能完全相同，导致试验成果具有较大的离散性，如何选用试验值，还值得研究。试验值，还值得研究。规范规定，规范规定，f的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场的最后选取应以野外和室内试验成果为基础，结合现场实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设实际情况，参照地质条件类似的已建工程的经验等，由地质、试验和设计人员研究确定。计人员研究确定。摩擦系数摩擦系数f的选取问题的选取问题 根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与基岩的根据国内外已建工程的统计资料，混凝土与

15、基岩的f值常取在值常取在0.50.8之间。之间。摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全摩擦系数的选定直接关系到大坝的造价与安全，f值愈小，要求坝体剖值愈小，要求坝体剖面愈大。以新安江为例，若面愈大。以新安江为例，若f值减小值减小0.01，坝体混凝土方量增加，坝体混凝土方量增加2万万m3。7.2.2 表层滑动稳定性计算表层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定 在进行深层滑动的稳定计算中，必须首先判断岩基中可能滑动的形状在进行深层滑动的稳定计算中，必须首先判断岩基中可能滑动的形状及位

16、置，确定岩基中可能产生滑动的块体，然后根据力学原理分析块体及位置，确定岩基中可能产生滑动的块体，然后根据力学原理分析块体受力情况，即可求出块体的抗滑安全系数受力情况，即可求出块体的抗滑安全系数Fs。1.滑动块体的拟定（破坏机理）滑动块体的拟定（破坏机理）2.最危险滑块的搜索最危险滑块的搜索关键点关键点7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算 滑动面倾向上游的情况滑动面倾向上游的情况7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定破破 坏坏 模模 式式CB 拉裂面拉裂面 块块 体体 C B A沿沿BA面滑动面滑动抗抗滑滑力力滑滑动动力力7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算 滑动面

17、倾向下游的情况滑动面倾向下游的情况7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定破坏模式：破坏模式：块体块体ABD沿沿AB面滑动面滑动推块体推块体BCD 剪断剪断BC面面假定：假定：1）假定）假定ABC中存在一个结构面中存在一个结构面BD；（；（2）P与与AB平平行行滑出分析：滑出分析：1.将将ABC划分为划分为ABD（滑移体）、（滑移体）、BCD（抗力体）（抗力体）2.由力平衡条件，分别建立由力平衡条件，分别建立ABD，BCD平衡方程平衡方程 3.将将1.2块联合起来块联合起来7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算 滑动面倾向下游的情况滑动面倾向下游的情况7.2 重力坝坝基抗滑稳定重

18、力坝坝基抗滑稳定7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定Method1:抗力体极限平衡法抗力体极限平衡法1）BCD处于极限平衡，滑动力处于极限平衡，滑动力=抗滑力，可求得两个滑块之间的作用力抗滑力，可求得两个滑块之间的作用力抗滑力抗滑力滑动力滑动力7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定2）分析分析ABD块体块体抗滑力抗滑力滑动力滑动力1.AB面用抗剪强度，面用抗剪强度，BD面用抗剪断强度面用抗剪断强度2.实际工程中：实际工程中：B点位置，点位置，角须要实验加以角须要实验加以 确定确定搜索最

19、危险滑块搜索最危险滑块3.若若BC为一软弱面（即坝基下双软弱面切割为一软弱面（即坝基下双软弱面切割 形滑块）形滑块）Method1:抗力体极限平衡法抗力体极限平衡法4.BB，BC为完整块体，含间断裂隙面为完整块体，含间断裂隙面7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定1）分析滑动块）分析滑动块ABD抗滑力抗滑力滑动力滑动力Method2:等等K法法(即假定滑动块即假定滑动块ABD+抗力体抗力体BCD抗滑抗滑K相等相等)2）分析抗力体）分析抗力体BCD抗滑力抗滑力滑动力滑动力代入上面两式，可分别求得安全系数代入上面两式，可分别求得安全系数7.2.

20、2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定 基本观点：基本观点：1.滑动块滑动块ABC抗滑力小于滑动力抗滑力小于滑动力剩余滑动力剩余滑动力作用于抗作用于抗力体力体BCD；2.分析分析BCD抗力体在剩余推力及自重荷载作用下的抗力体在剩余推力及自重荷载作用下的KMethod3:不平衡推力法不平衡推力法剩余滑动力剩余滑动力=滑动力滑动力-抗滑力抗滑力1）分析滑动块）分析滑动块ABD抗滑力抗滑力滑动力滑动力2）分析抗力体）分析抗力体BCD7.2.2 深层滑动稳定性计算深层滑动稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定三种方法的对比分析三种方法的对比

21、分析 上述三种计算方法中的前两种（上述三种计算方法中的前两种（剩余推力法、被动抗力法剩余推力法、被动抗力法），），由于先令一个区处于由于先令一个区处于极限平衡状态极限平衡状态，也即相当于这一区的，也即相当于这一区的K1，因而推算出另一区的，因而推算出另一区的K值要比值要比等安全系数法等安全系数法的大，相比之下，的大，相比之下，等安全系数法等安全系数法更合理。更合理。以上分析方法以上分析方法人为地将滑动岩体分成人为地将滑动岩体分成区和区和区两块区两块，等于，等于在地基内增加了一个软弱面，这样必然使抗滑稳定安全系数有在地基内增加了一个软弱面，这样必然使抗滑稳定安全系数有所所降低降低。当岩体比较完整

22、坚固，或。当岩体比较完整坚固，或BD面上的抗剪强度足以承面上的抗剪强度足以承担该面上的剪应力时，则应验算该滑移体的整体抗滑稳定性。担该面上的剪应力时，则应验算该滑移体的整体抗滑稳定性。7.2.3 岸坡坝段抗滑稳定性计算岸坡坝段抗滑稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定 靠近岸坡的一个坝段设岸坡倾角为靠近岸坡的一个坝段设岸坡倾角为，坝块总重为，坝块总重为W，坝基，坝基面上的扬压力为面上的扬压力为U，上游坝面水压力为，上游坝面水压力为P，坝基面的抗剪强度，坝基面的抗剪强度参数为参数为f或或f和和c，滑动面面积为，滑动面面积为A。将自重分解为对滑动面的。将自重分解为对滑动面的法向分力

23、法向分力N=Wcos和切向分力和切向分力T=sin，并将切向分力和水压力，并将切向分力和水压力合成为合成为S，则岸坡坝段的抗滑稳定安全系数为：，则岸坡坝段的抗滑稳定安全系数为：重力坝岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折重力坝岸坡坝段的坝基面是一个倾向河床的斜面或折面。除在水压力作用下有下游滑动趋势。在三向荷载作用面。除在水压力作用下有下游滑动趋势。在三向荷载作用下，岸坡坝段的稳定条件比河床坝段差。下，岸坡坝段的稳定条件比河床坝段差。7.2.3 岸坡坝段抗滑稳定性计算岸坡坝段抗滑稳定性计算7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.2.4 提高重力坝抗滑稳定性的工程措施提高重力坝抗滑稳定

24、性的工程措施7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定选择有利于选择有利于稳定的地基稳定的地基；利用利用水重水重；将坝基开挖成将坝基开挖成有利的轮廓线有利的轮廓线；设置齿墙；设置齿墙；增加建筑物重量增加建筑物重量；减少扬压力减少扬压力(如抽水措施如抽水措施)；预加应力措施预加应力措施；加固地基加固地基；横缝灌浆，横缝灌浆，增加整体性增加整体性。7.2.4 提高重力坝抗滑稳定性的工程措施提高重力坝抗滑稳定性的工程措施7.2 重力坝坝基抗滑稳定重力坝坝基抗滑稳定7.3.1 应力控制标准应力控制标准7.3 重力坝坝体应力与稳定分析重力坝坝体应力与稳定分析o混凝土重力坝设计规范（DL5108-199

25、9）规定用有限元计算时，“当计扬压力时，拉应力区宽度应小于坝底宽度的0.07倍（垂直拉应力分布宽度坝底面宽度），或不超过帷幕中心线”7.3.1 应力控制标准应力控制标准7.3 重力坝坝体应力与稳定分析重力坝坝体应力与稳定分析7.3.1 应力控制标准应力控制标准7.3 重力坝坝体应力与稳定分析重力坝坝体应力与稳定分析7.3.1 应力控制标准应力控制标准7.3 重力坝坝体应力与稳定分析重力坝坝体应力与稳定分析超载法超载法7.4其他稳定性分析方法其他稳定性分析方法n超载法主要考虑作用荷载的不确定性，以此研究结构承受超载作用的能力n该方法较直观，便于在结构物理模型试验中采用，从而使数值模拟与物理模拟结

26、果相互印证，且积累了较多的工程经验n但要使结构达到最终整体失稳的极限状态，其相应的超载系数是很大的，而实际上结构的这种荷载状态几乎是不可能出现的，故这种方法求得的超载系数只是结构安全度的一个表征指标超载法超载法7.4其他稳定性分析方法其他稳定性分析方法n用逐渐增加超载系数研究坝从局部到整体破坏的渐进破坏过程的方法，称为超载法。超载法分为超水容重K(三角形超载)和超水位KH(矩形超载)两种方法n超载法主要考虑作用荷载的不确定性，以此研究结构承受超载作用的能力n该方法较直观，便于在结构物理模型试验中采用，从而使数值模拟与物理模拟结果相互印证，且积累了较多的工程经验n但要使结构达到最终整体失稳的极限

27、状态，其相应的超载系数是很大的，而实际上结构的这种荷载状态几乎是不可能出现的，故这种方法求得的超载系数只是结构安全度的一个表征指标n超载法认为，作用在坝上的外荷载由于某些特殊原因有可能超过设计荷载，超过的总荷载与设计总荷载之比称为超载系数强度储备系数法强度储备系数法7.4其他稳定性分析方法其他稳定性分析方法n用降低强度参数的方法，研究大坝失稳的渐进破坏过程，如令K表示强度储备系数，K为大于1.0的值，f、c为实际的抗剪强度参数，降强度就是用fK、cK代替f、c值进行计算，随着K值的逐渐增大，可以求出大坝从局部破坏到全部破坏的破坏全过程，所算得的整体破坏时的K值的大小也能反映大坝安全的程度n强度储备系数法包括对f、c值采用等比例降强度和不等比例降强度（等保证率）两种方法