1、第四章 坝基的稳定性,4.1塑性区理论简介 塑性变形-地基某点发生剪切破坏而引起整个地基的变形效应。 塑性区-地基中所有发生剪切破坏的点所构成的空间区域。 边界方程-描述弹塑性边界空间坐标函数关系的解析式。 一、地基破坏形式 1、轴心荷载 (1)整体剪切破坏坚硬岩体、砂土、砾石特征 变形三阶段明显-弹性、塑性与破坏塑性区波及地面,具有两个对称的潜在滑动面,(2)冲剪破坏 塑性区往深部发展,未波及地面 特征 变形三阶段不明显 无连续滑动面 地基沿基础周边发生剪切破坏-过量沉降 (3)复合型破坏-楔形滑体,2、偏心荷载 极限荷载(Pu)-使地基发生破坏的临界荷载。 极限承载力(fu)-极限荷载的反
2、作用力。 (1)拖板试验 设:Puv -竖向极限荷载; Puh -水平极限荷载 曲线特征: a-破坏曲线与坐标轴构成的平面区域为设计安全区。 Pv P vk:则Puh=Phj+Pvtg,浅层平面滑动 b-破坏方式 P vk Pv P vl:则兼具平、曲滑动 Pv P vl :深层曲线滑动 J点: Pv =0;Phj=C(起始水平荷载) c-特征点 K点:Pv=Pvk (最佳竖向荷载);Phmax=Phk L点:Ph=0; Pv = Puv (竖向极限荷载),Ph(KPa),二、抗滑稳定性验算 1.平面滑动 1)浅层 式中:Fs-抗滑稳定系数;Pv-竖向荷载;U-静水压力;A-基础底面积;C-接
3、触面粘聚力;-外摩擦角。 2)深层(如齿墙基础) 式中:Pa-主动土压力;Pb-被动土压力。,2.曲线滑动(太沙基公式) f=Puv=NcC+Nqq+B/2Nrr 式中:f-地基承载力;Puv-极限荷载;Nc 、Nq 、Nr 承载力系数;q-旁侧荷载(drp);r-土的重度;B-基础宽度 三、抗剪强度指标值的确定 1.指标的分类 试验值(基本值)-Cu、u 建议值(标准值)-Ck、k 采用值(设计值)-C、 2.指标(建议值)的确定 k= a(比例极限) (1)室内试验方法 k= b (塑性极限) k= fs(剩余强度) =0.6-0.8 u (极限荷载),(2) BIENIAWSKI,Z.T
4、分类法 这一分类法考虑了以下六种因素: a、完整岩石(岩块) 的强度(015分); b、岩芯质量RQD (020分); c、节理间距(030分); d、节理情况(025分); e、地下水(010分); f、节理产状方位(0-60分) 。 根据其总分,将岩体分为五级,其相应抗剪强度见表1:,(3) E.Hoek法估计岩体强度参数 Hoek和Browro认为节理岩体的破坏是非线性的,提出了一个很简单的经验破坏判据方程,其形式如下 1=3+m23+S4 式中:1、3最大主应力与最小主应力;c岩块单轴抗压强度; m、S岩体质量系数。 (注:4=2c 为应用这一方程估算岩体强度,Hoek根据CSIRO评
5、分提出了计算m、S的经验公式。,4 MGrogi法求岩体的粘聚力Cm格罗捷于1971年提出了一种折减岩石内聚力Ck为岩体内聚力Cm的方法,在研究了多种岩体(大理岩,片麻岩,辉长岩,角闪岩,角页岩,安山岩,二长斑岩)后,认为岩体的内摩擦角与岩块的差别不大(这一法则只能认为符合于未受变动的岩体),但粘聚力差别较大,因而应成为弱化或折减的重点,而影响粘聚力的主要因素是节理裂隙的密度,故提出如下折减公式:Cm=Ck0.114EXP-0.48(i-2)+0.02 (2) 式中:Cm,Ck岩体与岩块的粘聚力(MPa);i 岩体中节理裂隙的密度(条/m)。 5、 孙广忠经验法 中科院地质所孙广忠等,根据众多
6、的现场岩体与室内块体堆砌体力学实验结果,提出一个从岩块内聚力Ck弱化成岩体Cm的极简单的经验公式:,Cm=Ck/(10+i) 式中:i节理密度(条/m)。由于层状块裂与碎裂岩体均为受扰动程度不同的滑动岩体,故其强度更低。在上式的基础上,经修正后的层状块裂岩体弱化式为 :Cm=Ck/(20+i) 层状碎裂岩体弱化式:Cm=Ck/(30+i) 6 岩体其它物理力学参数岩体的弹模E、泊松比,抗拉强度等也与抗剪强度一样,取决于岩体的结构或结构面发育的程度、性质和产状等因素,它们往往通过大型力学试验来获取。但若没有试验数据,也可根据已有的资料进行分析取值。 岩体的弹模E、泊松比,抗拉强度等可用岩石实验方
7、法,也可用云纹方法获得。,4.2坝基地质条件分析,一、渗流对坝基的地质作用 1.静水压力 1)降低了滑动面的抗剪强度 2)增大了倾覆力矩 3)增大了侧向滑动力 2.动水压力 渗透压力 渗透变形(流沙、管涌) 滑动或沉降 产生条件: 由 GD = wI ; GD V= V 所以:Icr= /w Icr-临界水头梯度; 地基土有效重度,例:水库大坝建筑在河谷巨厚 的砂砾冲积层之上,基础埋 深d=5m,基础宽度b=30m, 上下游水位差H=70m, 设砂土地基饱和重度 sat=22KN/m3。试问 (1)下游河床是否会产生流砂? (2)注浆孔深为多少时才能避免流砂出现? 解:(1) I=H/L=70
8、/40=1.75 Icr=/w=(sat- w)/ w =(22-10)/10=1.2 IIcr 产生流砂 (2)设注浆孔深为X时才能避免产生流砂 I= H/L=70/(30+2X)= Icr=1.2 X=14.2 m,河床冲刷,二、河床冲刷-挑流消能 1.机理 1)坝基失去承载力 2)形成边坡临空面 3)揭露深部软弱夹层, 构成渗流通道。 2.解析式 d=aq0.5H0.25-k d-冲坑深度(m);a-冲坑系数(与岩性、裂隙发育程度有关);q-单宽流量(m3/sm)H-上下游水位差(m);k-水垫厚度(m);l-冲坑至坝趾水平距离(m)。 3.稳定验算 陡倾角岩层(450):l/d2.5
9、缓倾角岩层(450):l/d5,三、河岸冲刷,定义:水流及携带的机械碎屑在河流运动过程中对两岸的破坏作用。 计算公式: StN(AHpHb)ctg(HHp)ctg(AHp)ctg 其中: St:塌岸最终宽度 A:库水位变化幅度。 N:与土的颗粒大小及级配有关的系数。 Hp:波浪冲刷深度。 Hb:浪击高度。 H:正常蓄水位以上岸坡高度。 :浅滩冲刷后水下稳定坡角。 :岸坡水上稳定坡角。 :原始岸坡坡角。,计算实例:高粱坪堆积体位于四川永定桥水库中段,流沙河左岸,距坝址约1km。,第层:该层中、上部以灰灰黄色块碎石土为主(见照片3-3-2、3-3-3),一般厚度1040m,块碎石成分单一,以细晶白
10、云岩和砂质灰岩为主,粒径一般6150cm,个别孤块石直径达510m。,第层:灰黑色含砾粉质粘土,厚度约0.34.5m,未见显示错动特征的擦痕、镜面、颗粒定向排列现象。 第层:下部漂卵石层,钻孔揭示厚度3.72m,漂卵石成分以花岗岩、灰岩、砂岩、辉绿岩为主,粒径620cm,灰黄色中细砂充填。,计算方法:上述对塌岸宽度的预测,将高粱坪堆积体视为均质土体,以-剖面作为代表性剖面,采用卡秋金公式进行计算,用作图法进行校核,计算公式见上式(水利水电出版社水利水电工程地质手册)(1985年4月第一版):参数选用: St:塌岸最终宽度 A:正常蓄水位1543m,死水位1505m,水位变化幅度取38m。 N:
11、与土的颗粒大小及级配有关的系数,本次计算取0.7。 Hp:波浪冲刷深度,按中型水库,取1.5m。 Hb:浪击高度,本次计算取0.75m。 H:正常蓄水位以上岸坡高度,取25m。 :浅滩冲刷后水下稳定坡角,根据室内试验,水下休止角3336,考虑到试验的局限性和样品的代表性,本次计算取20。 :岸坡水上稳定坡角,根据室内试验,水上休止角4143,考虑到自然状态,本次计算取40。 :原始岸坡坡角(本次计算取37)计算结果:最终塌岸宽度为61m。经采用作图法校核,其最终塌岸宽度为80m,见图3-3-3。剖面-预测塌岸宽度为44m。经估算塌岸方量约为3040万m3。,5.3坝基处理方法,一、简单坝基处理 1.清基、验槽、编录 2.坝基处理:地基拉毛、阶梯状地基、齿墙式地基 二、复杂坝基处理 1.裂隙处理 (1)注浆加固 (2)锚索、锚杆支护 2.软弱夹层 1)高倾角-混凝土塞、混凝土梁、混凝土拱 2)缓倾角-槽、井、洞、键挖回填混凝土。,