岩体力学在边坡工程中的应用(之一)

注册岩土基础考试

第十五讲

第十七章 岩体工程与基础工程

第一节岩体力学在边坡工程中的应用（之一）

一、内容提要：

本讲主要讲述岩质边坡应力分布特征；边坡岩体的变形和破坏以及影响边坡稳定性的工程地质因素

二、重点难点：

边坡应力分布特征、边坡变形和破坏

斜坡系指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体。它包括自然斜坡和人工边坡两种。前者是在一定地质环境中，在各种地质营力作用下形成和演化的自然历史过程的产物，如山坡、海岸、河岸等。后者则是由于人类某种工程、经济目的而开挖的，往往在自然斜坡基础上形成，其特点是具有较规则的几何形态，如路堑、露天矿坑边帮、运河(渠道)边坡等。

斜坡具有坡体、坡高、坡角、坡肩、坡面、坡脚、坡顶面、坡底面等各项要素(图17-1-1)。

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斜坡在各种内、外地质营力作用下，不断地改变着坡高和坡角，使坡体内应力分布发生变化。当组成坡体的岩土体强度不能适应此应力分布时，就产生了斜坡的变形破坏作用。尤其是大规模的工程建设，使自然斜坡发生急剧变化，斜坡的稳定程度也变化极大，往往酿成灾害。斜坡的变形与破坏，实质上是由斜坡岩土体内应力与其强度这一对矛盾的发展演化所决定的。

由于斜坡变形破坏，给人类和工程建设带来的危害在国内外不乏其例。在我国，由于特殊的自然地理和地质条件所制约，斜坡地质灾害分布广泛，活动强烈，危害严重。 由于斜坡变形破坏对人类工程、经济活动和生命财产的危害较大，所以它是工程地质学研究的主要课题之一，也是环境地质学和灾害地质学研究的重要内容。

【例题1】决定斜坡的变形与破坏的主要因素是（）。

A.斜坡类型

B.斜坡要素

C.斜坡种类

D.斜坡岩土体内应力与强度

答案:D

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【例题2】下列不属于斜坡要素的是（）。

A. 坡高

B.坡顶

C.坡角

D.坡腿

答案:D

一、岩质边坡应力分布特征

斜坡的变形与破坏，取决于坡体中的应力分布和岩体的强度特征，了解坡体中应力分布特征，对认识斜坡变形与破坏机理很有必要；对正确评价斜坡的稳定性，制定合理的设计和整治方案有指导意义。但是，由于坡体通常不是均质各向同性的介质，坡形也千姿百态，在坡体变形与破坏过程中，其应力状态又不断地变化着，因此下面只能对岩质边坡应力分布的特征作一规律性探讨。

(一)形成边坡后应力状态的变化

形成边坡后，由于边坡的卸荷作用，并且具有了向临空面方向变形和位移的空间，边坡的应力将重新分布。下面我们用有限单元法分析均质边坡的弹性应力状态。根据有限单元法的计算，形成边坡后，岩体的应力主要发生了以下变化：

1．由于应力重新分布，边坡周围主应力迹线发生明显偏转，见图17-1-2，其总的特征为愈靠近临空面，最大主应力(σ1)愈接近平行于临空面，最小主应力(σ3)则与之趋于正交。

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2．坡脚附近最大主应力(相当于临空面的切向应力)显著增高，且愈近表面愈高；最小主应力(相当于径向应力)显著降低，于表面处降为零，甚至转为拉应力。

3．坡缘(坡面与坡顶面的交线)附近，在一定的条件下，坡面的径向应力和坡顶面的切向应力可转化拉应力，形成一张力带，见图17-1-3。

4．与主应力线偏转相联系，坡体内最大剪应力迹线由原来的直线变为近似圆弧形，弧的凹面朝着临空。

5．坡面处由于径向压力实际等于零，所以坡体实际上处于单向应力状态(不考虑坡面走向方向的应力σ2)，向内渐变为两向(不考虑σ2时)或三向状态，并逐渐恢复到原始应力状态。

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上述应力分析只能适用于均质各向同性的岩体中，如果边坡同内存在大的断层或层状岩体，则其应力分布必有较大的差异。

【例题3】边坡开挖以后，由于岩土体内的应力重新分布，边坡周围主应力迹线发生明显偏转，在愈靠近临空面的位置，对于其主应力分布特征，下列各项中正确的是（ ）。

A. σ 1愈接近平行于临空面，σ 3则与之趋于正交

B. σ 1愈接近平行于临空面，σ 2则与之趋于正交

C. σ 2愈接近平行于临空面，σ 3则与之趋于正交

D. σ 3愈接近平行于临空面，σ 1则与之趋于正交

答案:A

【例题4】在下列斜坡的各个位置中，坡体处于单向应力状态的是（

A.坡脚处

B.坡体浅部

C.坡面处

D.坡体深部

答案:C

【例题5】在斜坡的下列各个位置，主应力最大的部位是（ ）。

A.坡脚附近

B.坡底面

C.坡面

D.坡肩

答案:A

【例题6】在斜坡的下列位置，不能形成张力带的是（ ）。 ）。

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A.坡脚附近

B.坡体下部

C.坡面上

D.坡肩处

答案:B

(二)影响应力分布的主要因素

研究表明，岩体中的原始应力状态、坡形、岩体的变形特征和结构特征，对边坡岩体中的应力分布都有不同程度的影响。其中，以原始应力状态的影响最为显著。

【例题7】在下列各种因素中，对边坡岩体中的应力分布影响最为显著的是（ ）。

A.岩体中原始应力状态

B.坡形

C.岩体的变形特征

D.岩体的结构特征

答案:A

1．原始应力状态的影响

任何斜坡均处在一定历史条件下的地应力环境之中，尤其在强烈褶皱与构造变动复杂地区，往往存在水平构造应力(σ0)。因而这些地区的岩质边坡的临空面附近部分常出现应

力集中，主要表现在坡脚、坡面以及坡肩出现张拉应力带(图17-1-3)。

在自重应力下坡底的切向应力最大值约相当于原始水平应力的三倍左右。当有侧向水平应力(σ0)时，该值成倍增高，如当σ0=3yH(у为岩土体的重度)时，该值可达(7～10)y H，

与σ0=0情况相比，相差十分悬殊。根据计算，坡脚最大剪应力与水平剩余应力之间可有

表17-1-1所示定量关系。

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坡缘区张力带的出现，除极陡坡外，主要与侧向水平剩余应力(σ0)有关(图17-1-3)随着

σ0的增高，张力带的范围也增厚、扩大，甚至从坡脚一直扩展到坡顶。三维计算资料还

表明，通常最大拉应力大致出现在离坡脚三分之二坡高处。

从以上分析表明，当岩体中存在较高原始水平应力时，斜坡必然更容易遭受变形和破坏。

【例题8】在仅考虑自重应力的条件下，坡底的切向应力最大值约相当于原始水平应力的（）。

A. 1/3

B.3倍

C.2/3

D.6倍

答案:B

【例题9】对于坡缘区张力带而言，通常情况下最大拉应力大致出现的位置在（）。

A. 离坡脚三分之二坡高处

B. 离坡顶面三分之二坡高处

C. 离坡脚三分之一坡高处

D. 离坡脚二分之一坡高处

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答案:A

2．坡形的影响

坡面的几何形态是影响坡体应力分布的主要因素，坡面几何形态包括坡角、坡高及边坡横断面的形状、平面形态等。

(1)坡角影响

坡角对坡体应力的分布影响最大，坡角增大时，坡肩及坡面张力带的范围扩大如图17-1-3，坡脚 …… 此处隐藏：6906字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……