中國地質大學工程學院巖、工系第十章地基巖體穩定性分析中國地質大學工程學院第十章地基巖體穩定性分析1§10.1巖體地基承載力一、巖體地基承載力的概念二、由極限平衡理論確定承載力三、由巖體強度確定極限承載力四、軟弱巖體承載力的確定§10.1巖體地基承載力一、巖體地基承載力的概念2一、巖體地基承載力的概念地基承受荷載的能力稱為地基承載力。地基巖體的承載力就是指作為地基的巖體受荷后不會因產生破壞而喪失穩定，其變形量亦不會超過容許值時的承載能力。地基承載力可以分為極限承載力和容許承載力兩種，前者是指地基不致喪失穩定時的最大承載能力，后者是指地基有足夠的安全度，其變形量亦控制在容許范圍內時的承載力。一、巖體地基承載力的概念3在實際工程設計中，人們最為關心的就是地基的容許承載力，它又有基本值(f0)、標準值(fk)和設計值(f)之分。承載力基本值是指按有關規范規定的特定基礎寬度和埋置深度時的地基承載力，它可以根據某些試驗指標按有關規范查表確定。承載力標準值是指按有關規范規定的標準測試方法測試確定的基本值并經統計處理后的承載力值。承載力設計值是在標準值的基礎上按基礎埋置深度和寬度修正后的地基承載力值或按理論公式計算到的承載力值。在實際工程設計中，人們最為關心的就是地基的容許承載力，它又有4二、由極限平衡理論確定承載力設在半無限體上作用著寬度為b的條形均布荷載q1假設：①破壞面由兩個互相直交的平面組成②q1的作用范圍很長，兩端面的阻力可以忽略③q1作用面上不存在剪力④對于每個破壞楔體可以采用平均的體積力二、由極限平衡理論確定承載力設在半無限體上作用著寬度為b的條5將巖基分為楔體x和yx楔體:y楔體作用于x楔體的水平正應力σh為最大主應力；巖體的自重應力σv為最小主應力。y楔體:σh為最小主應力；自重應力σv加q1為最小主應力。將巖基分為楔體x和y6q1=巖基的極限承載力qf如果x楔體表面作用有q，基巖極限承載力qfq1=巖基的極限承載力qf如果x楔體表面作用有q，基巖極限承7承載力系數承載力系數8三、由巖體強度確定極限承載力荷載作用下巖體壓碎并向兩側膨脹而誘發裂隙，因此，可分為壓碎區A和原巖區B，A區受到B區的約束力ph的作用。三、由巖體強度確定極限承載力荷載作用下巖體壓碎并向兩側膨脹而9均勻、各向同性不連續巖體的極限承載力約等于巖體的三軸抗壓強度均勻、各向同性不連續巖體的極限承載力約等于巖體的三軸抗壓強度10四、軟弱巖體承載力的確定對于強度較低的軟弱巖基，如泥巖、頁巖、板巖、煤層等，當荷載通過剛性基礎傳遞到這類巖層上時，將在基礎邊緣附近產生應力集中。設條形基礎寬度為b，當距離基礎邊緣為y處的基底接觸壓力qv足以使巖基發生破壞時的平均承載力qf為假設y處的最大應力足以使巖石發生脆性破壞，極限承載力為四、軟弱巖體承載力的確定假設y處的最大應力足以使巖石發生脆性11§10.2壩基抗滑穩定性分析重力壩、支墩壩等擋水建筑物的巖基除承受豎向荷載外，還承受著庫水形成的水平荷載作用，因此，壩體和壩基便會產生向下游滑移的趨勢。因而，在水利水電工程建設中壩基巖體抗滑穩定性研究是一項十分重要的內容。§10.2壩基抗滑穩定性分析121、壩基承受的荷載(1)壩體重力(2)靜水壓力水平靜水壓力豎直靜水壓力1、壩基承受的荷載(2)靜水壓力13(3)泥沙壓力當壩體上游坡面接近豎直面時，作用于單寬壩體的泥沙壓力的方向近于水平，并從上游指向壩體，按朗肯土壓力理論其大小為(4)揚壓力

(5)巖體重力

(6)地震作用

水平地震作用(3)泥沙壓力(4)揚壓力14（4）壩基揚壓力確定定義：在壩基底面和巖體深部滑移面上由于滲流等作用而產生的上抬的水壓力，稱為揚壓力。它包括浮托力與滲透壓力兩部分。壩基底面上的揚壓力壩基下無防滲排水措施（4）壩基揚壓力確定15壩基下有防滲排水措施空腹、寬縫重力壩和支墩壩壩基下有防滲排水措施空腹、寬縫重力壩和支墩壩16巖體深部滑移面上的揚壓力巖體深部滑移面上的揚壓力17

(5)巖體重力

(6)地震作用

水平地震作用

18(7)浪壓力

當壩體迎水面坡度大于1∶1，水深Hw滿足hf＜Hw＜Lw／2時，水深Hw’處浪壓力的剩余強度p′作用于單寬壩體上的浪壓力為(7)浪壓力作用于單寬壩體上的浪壓力為19二、壩基滑動破壞的類型及邊界條件的構成滑動面的位置接觸面滑動巖體內滑動混合型滑動沿傾向上游軟弱結構面滑動沿水平軟弱面滑動沿傾向下游軟弱結構面滑動沿傾向上下游兩個軟弱結構面滑動二、壩基滑動破壞的類型及邊界條件的構成滑動面的位置接觸面滑動20（1）接觸面滑動接觸面滑動是壩體沿著壩基與巖基接觸面發生的滑動。對于一個具體的擋水建筑物來說，是否發生接觸面滑動，不單純取決于巖基質量的好壞，而往往受設計和施工方面的因素影響很大。因此，當壩基巖體堅硬完整，其剪切強度遠大于接觸面強度時，最可能發生接觸面滑動。（1）接觸面滑動對于一個具體的擋水21(2)巖體內滑動巖體內滑動是壩體連同一部分巖體在傾斜荷載作用下，沿著壩基巖體內的軟弱面發生的滑動破壞。該類型滑動破壞主要受壩基巖體中發育的結構面網絡所控制，而且只在具備滑動幾何邊界條件的情況下才有可能發生。(2)巖體內滑動該類型滑動破22根據結構面的組合特征，劃分為五種類型：1)沿水平軟弱面滑動當壩基為產狀水平或近水平的巖層而大壩基礎砌置深度又不大，壩趾部被動壓力很小，巖體中又發育有走向與壩軸線垂直或近于垂直的高傾角破裂構造面時，往往會發生沿層面或軟弱夾層的滑動根據結構面的組合特征，劃分為五種類型：232)沿傾向上游軟弱結構面滑動壩基中存在著向上游緩傾的軟弱結構面，同時還存在著走向垂直或近于垂直壩軸線方向的高角度破裂面2)沿傾向上游軟弱結構面滑動243)沿傾向下游軟弱結構面滑動壩基巖體中存在著傾向下游的緩傾角軟弱結構面和走向垂直或近于垂直壩軸線方向的高角度破裂面，并在下游存在著切穿可能滑動面的自由面3)沿傾向下游軟弱結構面滑動壩基巖體中存在著傾向下游的緩傾角254)沿傾向上下游兩個軟弱結構面滑動壩基巖體中發育有分別傾向上游和下游的兩個軟弱結構面以及走向垂直或近于垂直壩軸線的高角度切割4)沿傾向上下游兩個軟弱結構面滑動265)沿交線垂直壩軸線的兩個軟弱結構面滑動壩基巖體中發育有交線垂直或近于垂直壩軸線的兩個軟弱結構面，且壩趾附近傾向下游的巖基自由面有一定的傾斜度，能切穿可能滑動面的交線5)沿交線垂直壩軸線的兩個軟弱結構面滑動27(3)混合型滑動混合型滑動則是部分沿接觸面、部分沿巖體內結構面發生的。它是接觸面滑動和巖體內滑動的組合破壞類型。(3)混合型滑動28三、壩基抗滑穩定性計算計算的基礎：充分研究巖基工程地質條件的基礎上并獲得必要的計算參數計算方法：剛體極限平衡法數值模擬方法地質力學模型試驗法類比法圖解法三、壩基抗滑穩定性計算剛體極限平衡法數值模擬方法地質力學模型29（1）接觸面抗滑穩定性計算

壩底接觸面多為水平或近于水平我國壩工設計多采用第1式，計算中采用的摩擦系數多采用原位測試峰值摩擦系數的折減值（1）接觸面抗滑穩定性計算我國壩工設計多采用第1式，計算中30壩、閘基礎底面與地基巖土體之間的力學參數地基土類型摩擦系數f卵石、礫石0.50~0.55砂0.40~0.50粉土0.25~0.40粘土堅硬中等堅硬軟弱0.35~0.450.25~0.350.20~0.25巖體分類混凝土與巖體抗剪斷強度fC（Mpa）Ⅰ1.3~1.51.3~1.5Ⅱ1.1~1.31.1~1.3Ⅲ0.9~1.10.7~1.1Ⅳ0.7~0.90.3~0.7Ⅴ0.4~0.7＜0.3壩、閘基礎底面與地基巖土體之間的力學參數地基土類型摩擦系數f31對f的折減要明顯小于對C的折減對f的折減要明顯小于對C的折減32安全系數表安全系數表33為增大壩基抗滑穩定性系數，將壩體和巖體接觸面設計成向上游傾斜的平面為增大壩基抗滑穩定性系數，將壩體和巖體接觸面設計成向上游傾斜34如果壩底面水平且嵌入巖基較深，在計算抗滑穩定性系數時應考慮下游巖體的抗力(被動壓力)被動楔體abd的受力分析如果壩底面水平且嵌入巖基較深，在計算抗滑穩定性系數時應考慮下35由于巖體抗力要達到最大值(即計算值)，抗力體必須要產生一定量的位移，因此，壩基可能滑動面的抗滑力和抗力體的抗力難以同步發揮到最大值。由于巖體抗力要達到最大值(即計算值)，抗力體必須要產生一定量36一般，抗滑力出現在前，經一段位移才能使抗力達到最大。也就是說要使巖體抗力充分發揮，壩體需沿滑動面產生較大的位移，這在一般的壩工設計中不允許因此，在壩工設計中通常只是部分利用或不利用巖體抗力，其利用程度主要取決于壩體水平位移的允許范圍接觸面的抗滑穩定性系數修正一般，抗滑力出現在前，經一段位移才能使抗力達到最大。也就是說37(2)壩基巖體內滑動的穩定性計算原則：首先應根據巖體軟弱結構面的組合關系，充分研究可能發生滑動的各種幾何邊界條件對每一種可能的滑動都確定出穩定性系數然后根據最小的穩定性系數與所規定的安全系數相比較，進行評價。(2)壩基巖體內滑動的穩定性計算38沿水平軟弱結構面滑動穩定性系數：沿傾向上游軟弱結構面滑動抗滑穩定性系數沿水平軟弱結構面滑動沿傾向上游軟弱結構面滑動39沿傾向下游軟弱結構面滑動沿兩個相交軟弱結構面滑動一種沿分別傾向上下游的兩個軟弱結構面滑動一種沿交線垂直壩軸線方向的兩個軟弱結構面滑動抗滑穩定性系數沿傾向下游軟弱結構面滑動沿兩個相交軟弱結構面滑動抗滑穩定性系40前者抗滑穩定性系數可按照同向雙平面滑動穩定性的計算方法后者的抗滑穩定性系數為前者抗滑穩定性系數可按照同向雙平面滑動穩定性的計算方法41結構面、軟弱面、斷層的抗剪強度類型fC（Mpa）膠結的結構面0.80~0.600.250~0.100無充填的結構面0.70~0.450.150~0.050巖塊巖屑型0.55~0.450.250~0.100巖屑夾泥型0.45~0.350.100~0.050泥夾巖屑型0.35~0.250.050~0.020泥0.25~0.180.005~0.002結構面、軟弱面、斷層的抗剪強度類型fC（Mpa）膠結的結構面42§10.3、壩肩抗滑穩定性問題壩肩巖體在重力作用下的滑動對各種壩體都會產生危害，尤其是支墩壩、拱壩、連拱壩等對側向變形反應敏感的輕型壩更容易造成危害。對于拱壩來說，研究壩肩抗滑穩定性問題不僅要研究壩肩巖體在重力作用下的穩定性，更要研究在拱壩傳遞來的水平推力作用下的穩定性。對于其他壩型，研究壩肩抗滑穩定性問題一般就研究巖體邊坡在重力作用下的穩定性。§10.3、壩肩抗滑穩定性問題43拱壩通常修建在比較狹窄的峽谷中，壩體在平面上為弧形，兩端嵌入壩肩巖體借助拱的作用把大部分水平推力傳遞給壩肩巖體，因此，壩肩承受的荷載一般較大。拱壩對壩肩巖體不均勻變形和過量變形比較敏感，于是通常要求壩肩巖體具有完整、均質、堅固等良好性能。巖體滑動的幾何邊界條件主要由巖體中方向不利的軟弱結構面和巖體自由面組成。對于拱壩壩肩巖體來說，產狀水平或近水平的軟弱結構面，走向與河谷方向夾角小于45°而傾向河谷的軟弱結構面往往都是不利的。巖體自由面決定著最小主應力方向，因此它的方位對巖體的穩定性影響很大。拱壩通常修建在比較狹窄的峽谷中，壩體在平面上為弧形，兩端嵌入44巖體自由面的方向和位置由地形條件決定巖體自由面的方向和位置由地形條件決定45巖體力學第10章-地基巖體穩定性分析課件46巖體力學第10章-地基巖體穩定性分析課件47平面穩定分析AB面上的正壓力：ABC面上的正壓力：滑動力抗滑力穩定性系數平面穩定分析AB面上的正壓力：ABC面上的正壓力：滑動力抗滑48中國地質大學工程學院巖、工系第十章地基巖體穩定性分析中國地質大學工程學院第十章地基巖體穩定性分析49§10.1巖體地基承載力一、巖體地基承載力的概念二、由極限平衡理論確定承載力三、由巖體強度確定極限承載力四、軟弱巖體承載力的確定§10.1巖體地基承載力一、巖體地基承載力的概念50一、巖體地基承載力的概念地基承受荷載的能力稱為地基承載力。地基巖體的承載力就是指作為地基的巖體受荷后不會因產生破壞而喪失穩定，其變形量亦不會超過容許值時的承載能力。地基承載力可以分為極限承載力和容許承載力兩種，前者是指地基不致喪失穩定時的最大承載能力，后者是指地基有足夠的安全度，其變形量亦控制在容許范圍內時的承載力。一、巖體地基承載力的概念51在實際工程設計中，人們最為關心的就是地基的容許承載力，它又有基本值(f0)、標準值(fk)和設計值(f)之分。承載力基本值是指按有關規范規定的特定基礎寬度和埋置深度時的地基承載力，它可以根據某些試驗指標按有關規范查表確定。承載力標準值是指按有關規范規定的標準測試方法測試確定的基本值并經統計處理后的承載力值。承載力設計值是在標準值的基礎上按基礎埋置深度和寬度修正后的地基承載力值或按理論公式計算到的承載力值。在實際工程設計中，人們最為關心的就是地基的容許承載力，它又有52二、由極限平衡理論確定承載力設在半無限體上作用著寬度為b的條形均布荷載q1假設：①破壞面由兩個互相直交的平面組成②q1的作用范圍很長，兩端面的阻力可以忽略③q1作用面上不存在剪力④對于每個破壞楔體可以采用平均的體積力二、由極限平衡理論確定承載力設在半無限體上作用著寬度為b的條53將巖基分為楔體x和yx楔體:y楔體作用于x楔體的水平正應力σh為最大主應力；巖體的自重應力σv為最小主應力。y楔體:σh為最小主應力；自重應力σv加q1為最小主應力。將巖基分為楔體x和y54q1=巖基的極限承載力qf如果x楔體表面作用有q，基巖極限承載力qfq1=巖基的極限承載力qf如果x楔體表面作用有q，基巖極限承55承載力系數承載力系數56三、由巖體強度確定極限承載力荷載作用下巖體壓碎并向兩側膨脹而誘發裂隙，因此，可分為壓碎區A和原巖區B，A區受到B區的約束力ph的作用。三、由巖體強度確定極限承載力荷載作用下巖體壓碎并向兩側膨脹而57均勻、各向同性不連續巖體的極限承載力約等于巖體的三軸抗壓強度均勻、各向同性不連續巖體的極限承載力約等于巖體的三軸抗壓強度58四、軟弱巖體承載力的確定對于強度較低的軟弱巖基，如泥巖、頁巖、板巖、煤層等，當荷載通過剛性基礎傳遞到這類巖層上時，將在基礎邊緣附近產生應力集中。設條形基礎寬度為b，當距離基礎邊緣為y處的基底接觸壓力qv足以使巖基發生破壞時的平均承載力qf為假設y處的最大應力足以使巖石發生脆性破壞，極限承載力為四、軟弱巖體承載力的確定假設y處的最大應力足以使巖石發生脆性59§10.2壩基抗滑穩定性分析重力壩、支墩壩等擋水建筑物的巖基除承受豎向荷載外，還承受著庫水形成的水平荷載作用，因此，壩體和壩基便會產生向下游滑移的趨勢。因而，在水利水電工程建設中壩基巖體抗滑穩定性研究是一項十分重要的內容。§10.2壩基抗滑穩定性分析601、壩基承受的荷載(1)壩體重力(2)靜水壓力水平靜水壓力豎直靜水壓力1、壩基承受的荷載(2)靜水壓力61(3)泥沙壓力當壩體上游坡面接近豎直面時，作用于單寬壩體的泥沙壓力的方向近于水平，并從上游指向壩體，按朗肯土壓力理論其大小為(4)揚壓力

(5)巖體重力

(6)地震作用

水平地震作用(3)泥沙壓力(4)揚壓力62（4）壩基揚壓力確定定義：在壩基底面和巖體深部滑移面上由于滲流等作用而產生的上抬的水壓力，稱為揚壓力。它包括浮托力與滲透壓力兩部分。壩基底面上的揚壓力壩基下無防滲排水措施（4）壩基揚壓力確定63壩基下有防滲排水措施空腹、寬縫重力壩和支墩壩壩基下有防滲排水措施空腹、寬縫重力壩和支墩壩64巖體深部滑移面上的揚壓力巖體深部滑移面上的揚壓力65

(5)巖體重力

(6)地震作用

水平地震作用

66(7)浪壓力

當壩體迎水面坡度大于1∶1，水深Hw滿足hf＜Hw＜Lw／2時，水深Hw’處浪壓力的剩余強度p′作用于單寬壩體上的浪壓力為(7)浪壓力作用于單寬壩體上的浪壓力為67二、壩基滑動破壞的類型及邊界條件的構成滑動面的位置接觸面滑動巖體內滑動混合型滑動沿傾向上游軟弱結構面滑動沿水平軟弱面滑動沿傾向下游軟弱結構面滑動沿傾向上下游兩個軟弱結構面滑動二、壩基滑動破壞的類型及邊界條件的構成滑動面的位置接觸面滑動68（1）接觸面滑動接觸面滑動是壩體沿著壩基與巖基接觸面發生的滑動。對于一個具體的擋水建筑物來說，是否發生接觸面滑動，不單純取決于巖基質量的好壞，而往往受設計和施工方面的因素影響很大。因此，當壩基巖體堅硬完整，其剪切強度遠大于接觸面強度時，最可能發生接觸面滑動。（1）接觸面滑動對于一個具體的擋水69(2)巖體內滑動巖體內滑動是壩體連同一部分巖體在傾斜荷載作用下，沿著壩基巖體內的軟弱面發生的滑動破壞。該類型滑動破壞主要受壩基巖體中發育的結構面網絡所控制，而且只在具備滑動幾何邊界條件的情況下才有可能發生。(2)巖體內滑動該類型滑動破70根據結構面的組合特征，劃分為五種類型：1)沿水平軟弱面滑動當壩基為產狀水平或近水平的巖層而大壩基礎砌置深度又不大，壩趾部被動壓力很小，巖體中又發育有走向與壩軸線垂直或近于垂直的高傾角破裂構造面時，往往會發生沿層面或軟弱夾層的滑動根據結構面的組合特征，劃分為五種類型：712)沿傾向上游軟弱結構面滑動壩基中存在著向上游緩傾的軟弱結構面，同時還存在著走向垂直或近于垂直壩軸線方向的高角度破裂面2)沿傾向上游軟弱結構面滑動723)沿傾向下游軟弱結構面滑動壩基巖體中存在著傾向下游的緩傾角軟弱結構面和走向垂直或近于垂直壩軸線方向的高角度破裂面，并在下游存在著切穿可能滑動面的自由面3)沿傾向下游軟弱結構面滑動壩基巖體中存在著傾向下游的緩傾角734)沿傾向上下游兩個軟弱結構面滑動壩基巖體中發育有分別傾向上游和下游的兩個軟弱結構面以及走向垂直或近于垂直壩軸線的高角度切割4)沿傾向上下游兩個軟弱結構面滑動745)沿交線垂直壩軸線的兩個軟弱結構面滑動壩基巖體中發育有交線垂直或近于垂直壩軸線的兩個軟弱結構面，且壩趾附近傾向下游的巖基自由面有一定的傾斜度，能切穿可能滑動面的交線5)沿交線垂直壩軸線的兩個軟弱結構面滑動75(3)混合型滑動混合型滑動則是部分沿接觸面、部分沿巖體內結構面發生的。它是接觸面滑動和巖體內滑動的組合破壞類型。(3)混合型滑動76三、壩基抗滑穩定性計算計算的基礎：充分研究巖基工程地質條件的基礎上并獲得必要的計算參數計算方法：剛體極限平衡法數值模擬方法地質力學模型試驗法類比法圖解法三、壩基抗滑穩定性計算剛體極限平衡法數值模擬方法地質力學模型77（1）接觸面抗滑穩定性計算

壩底接觸面多為水平或近于水平我國壩工設計多采用第1式，計算中采用的摩擦系數多采用原位測試峰值摩擦系數的折減值（1）接觸面抗滑穩定性計算我國壩工設計多采用第1式，計算中78壩、閘基礎底面與地基巖土體之間的力學參數地基土類型摩擦系數f卵石、礫石0.50~0.55砂0.40~0.50粉土0.25~0.40粘土堅硬中等堅硬軟弱0.35~0.450.25~0.350.20~0.25巖體分類混凝土與巖體抗剪斷強度fC（Mpa）Ⅰ1.3~1.51.3~1.5Ⅱ1.1~1.31.1~1.3Ⅲ0.9~1.10.7~1.1Ⅳ0.7~0.90.3~0.7Ⅴ0.4~0.7＜0.3壩、閘基礎底面與地基巖土體之間的力學參數地基土類型摩擦系數f79對f的折減要明顯小于對C的折減對f的折減要明顯小于對C的折減80安全系數表安全系數表81為增大壩基抗滑穩定性系數，將壩體和巖體接觸面設計成向上游傾斜的平面為增大壩基抗滑穩定性系數，將壩體和巖體接觸面設計成向上游傾斜82如果壩底面水平且嵌入巖基較深，在計算抗滑穩定性系數時應考慮下游巖體的抗力(被動壓力)被動楔體abd的受力分析如果壩底面水平且嵌入巖基較深，在計算抗滑穩定性系數時應考慮下83由于巖體抗力要達到最大值(即計算值)，抗力體必須要產生一定量的位移，因此，壩基可能滑動面的抗滑力和抗力體的抗力難以同步發揮到最大值。由于巖體抗力要達到最大值(即計算值)，抗力體必須要產生一定量84一般，抗滑力出現在前，經一段位移才能使抗力達到最大。也就是說要使巖體抗力充分發揮，壩體需沿滑動面產生較大的位移，這在一般的壩工設計中不允許因此，在壩工設計中通常只是部分利用或不利用巖體抗力，其利用程度主要取決于壩體水平位移的允許范圍接觸面的抗滑穩定性系數修正一般，抗滑力出現在前，經一段位移才能使抗力達到最大。也就是說85(2)壩基巖體內滑動的穩定性計算原則：首先應根據巖體軟弱結構面的組合關系，充分研究可能發生滑動的各種幾何邊界條件對每一種可能的滑動都確定出穩定性系數然后根據最小的穩定性系數與所規定的安全系數相比較，進行評價。(2)壩基巖體內滑動的穩定性計算86沿水平軟弱結構面滑動穩定性系數：沿傾向上游軟弱結構面滑動抗滑穩定性系數沿水平軟弱結構面滑動沿傾向上游軟弱結構面滑動87沿傾向下游軟弱結構面滑動