2019巖土工程師基礎(chǔ)知識(shí)點(diǎn)：巖質(zhì)邊坡應(yīng)力分布特征

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巖質(zhì)邊坡應(yīng)力分布特征

斜坡的變形與破壞，取決于坡體中的應(yīng)力分布和巖體的強(qiáng)度特征，了解坡體中應(yīng)力分布特征，對(duì)認(rèn)識(shí)斜坡變形與破壞機(jī)理很有必要;對(duì)正確評(píng)價(jià)斜坡的穩(wěn)定性，制定合理的設(shè)計(jì)和整治方案有指導(dǎo)意義。但是，由于坡體通常不是均質(zhì)各向同性的介質(zhì)，坡形也千姿百態(tài)，在坡體變形與破壞過(guò)程中，其應(yīng)力狀態(tài)又不斷地變化著，因此下面只能對(duì)巖質(zhì)邊坡應(yīng)力分布的特征作一規(guī)律性探討。

(一)形成邊坡后應(yīng)力狀態(tài)的變化

形成邊坡后，由于邊坡的卸荷作用，并且具有了向臨空面方向變形和位移的空間，邊坡的應(yīng)力將重新分布。下面我們用有限單元法分析均質(zhì)邊坡的彈性應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)有限單元法的計(jì)算，形成邊坡后，巖體的應(yīng)力主要發(fā)生了以下變化：

1.由于應(yīng)力重新分布，邊坡周圍主應(yīng)力跡線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，其總的特征為愈靠近臨空面，最大主應(yīng)力(σ1)愈接近平行于臨空面，最小主應(yīng)力(σ3)則與之趨于正交。

2.坡腳附近最大主應(yīng)力(相當(dāng)于臨空面的切向應(yīng)力)顯著增高，且愈近表面愈高;最小主應(yīng)力(相當(dāng)于徑向應(yīng)力)顯著降低，于表面處降為零，甚至轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。

3.坡緣(坡面與坡頂面的交線)附近，在一定的條件下，坡面的徑向應(yīng)力和坡頂面的切向應(yīng)力可轉(zhuǎn)化拉應(yīng)力，形成一張力帶。

4.與主應(yīng)力線偏轉(zhuǎn)相聯(lián)系，坡體內(nèi)最大剪應(yīng)力跡線由原來(lái)的直線變?yōu)榻茍A弧形，弧的凹面朝著臨空。

5.坡面處由于徑向壓力實(shí)際等于零，所以坡體實(shí)際上處于單向應(yīng)力狀態(tài)(不考慮坡面走向方向的應(yīng)力σ2)，向內(nèi)漸變?yōu)閮上?不考慮σ2時(shí))或三向狀態(tài)，并逐漸恢復(fù)到原始應(yīng)力狀態(tài)。

上述應(yīng)力分析只能適用于均質(zhì)各向同性的巖體中，如果邊坡同內(nèi)存在大的斷層或?qū)訝顜r體，則其應(yīng)力分布必有較大的差異。

【例題3】邊坡開(kāi)挖以后，由于巖土體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，邊坡周圍主應(yīng)力跡線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，在愈靠近臨空面的位置，對(duì)于其主應(yīng)力分布特征，下列各項(xiàng)中正確的是( )。

A. σ 1愈接近平行于臨空面，σ 3則與之趨于正交

B. σ 1愈接近平行于臨空面，σ 2則與之趨于正交

C. σ 2愈接近平行于臨空面，σ 3則與之趨于正交

D. σ 3愈接近平行于臨空面，σ 1則與之趨于正交

答案:A

【例題4】在下列斜坡的各個(gè)位置中，坡體處于單向應(yīng)力狀態(tài)的是( )。

A.坡腳處

B.坡體淺部

C.坡面處

D.坡體深部

答案:C

【例題5】在斜坡的下列各個(gè)位置，主應(yīng)力最大的部位是( )。

A.坡腳附近

B.坡底面

C.坡面

D.坡肩

答案:A

【例題6】在斜坡的下列位置，不能形成張力帶的是( )。

A.坡腳附近

B.坡體下部

C.坡面上

D.坡肩處

答案:B

(二)影響應(yīng)力分布的主要因素

研究表明，巖體中的原始應(yīng)力狀態(tài)、坡形、巖體的變形特征和結(jié)構(gòu)特征，對(duì)邊坡巖體中的應(yīng)力分布都有不同程度的影響。其中，以原始應(yīng)力狀態(tài)的影響最為顯著。

【例題7】在下列各種因素中，對(duì)邊坡巖體中的應(yīng)力分布影響最為顯著的是( )。

A.巖體中原始應(yīng)力狀態(tài)

B.坡形

C.巖體的變形特征

D.巖體的結(jié)構(gòu)特征

答案:A

1.原始應(yīng)力狀態(tài)的影響

任何斜坡均處在一定歷史條件下的地應(yīng)力環(huán)境之中，尤其在強(qiáng)烈褶皺與構(gòu)造變動(dòng)復(fù)雜地區(qū)，往往存在水平構(gòu)造應(yīng)力(σ0)。因而這些地區(qū)的巖質(zhì)邊坡的臨空面附近部分常出現(xiàn)應(yīng)力集中，主要表現(xiàn)在坡腳、坡面以及坡肩出現(xiàn)張拉應(yīng)力帶(圖17-1-3)。

在自重應(yīng)力下坡底的切向應(yīng)力最大值約相當(dāng)于原始水平應(yīng)力的三倍左右。當(dāng)有側(cè)向水平應(yīng)力(σ0)時(shí)，該值成倍增高，如當(dāng)σ0=3yH(у為巖土體的重度)時(shí)，該值可達(dá)(7～10)y H，與σ0=0情況相比，相差十分懸殊。根據(jù)計(jì)算，坡腳最大剪應(yīng)力與水平剩余應(yīng)力之間可有表17-1-1所示定量關(guān)系。

坡緣區(qū)張力帶的出現(xiàn)，除極陡坡外，主要與側(cè)向水平剩余應(yīng)力(σ0)有關(guān)(圖17-1-3)隨著σ0的增高，張力帶的范圍也增厚、擴(kuò)大，甚至從坡腳一直擴(kuò)展到坡頂。三維計(jì)算資料還表明，通常最大拉應(yīng)力大致出現(xiàn)在離坡腳三分之二坡高處。

從以上分析表明，當(dāng)巖體中存在較高原始水平應(yīng)力時(shí)，斜坡必然更容易遭受變形和破壞。

【例題8】在僅考慮自重應(yīng)力的條件下，坡底的切向應(yīng)力最大值約相當(dāng)于原始水平應(yīng)力的()。

A. 1/3

B.3倍

C.2/3

D.6倍

答案:B

【例題9】對(duì)于坡緣區(qū)張力帶而言，通常情況下最大拉應(yīng)力大致出現(xiàn)的位置在()。

A. 離坡腳三分之二坡高處

B. 離坡頂面三分之二坡高處

C. 離坡腳三分之一坡高處

D. 離坡腳二分之一坡高處

答案:A

2.坡形的影響

坡面的幾何形態(tài)是影響坡體應(yīng)力分布的主要因素，坡面幾何形態(tài)包括坡角、坡高及邊坡橫斷面的形狀、平面形態(tài)等。

(1)坡角影響

坡角對(duì)坡體應(yīng)力的分布影響最大，坡角增大時(shí)，坡肩及坡面張力帶的范圍擴(kuò)大如圖17-1-3，坡腳部位應(yīng)力集中帶的最大剪應(yīng)力亦隨之增高。

(2)邊坡的平面形態(tài)

邊坡的平面形態(tài)對(duì)其應(yīng)力狀態(tài)也有明顯的影響。三維分析表明，平面形態(tài)上凹形坡，由于受到沿斜坡走向方向的支承，應(yīng)力集中程度明顯減緩。圓形和橢圓形礦坑邊坡，坡腳最大剪應(yīng)力僅只有一般斜坡的二分之一左右，見(jiàn)表17-1-1。對(duì)比水平剩余應(yīng)力平行于橢圓形礦坑的長(zhǎng)軸和平行于短軸這兩種情況，還可發(fā)現(xiàn)，前者應(yīng)力集中程度又較后者緩和，見(jiàn)表17-1-1。顯然，上述特征在邊坡穩(wěn)定評(píng)價(jià)中，具有重要意義。

(3)邊坡橫斷面形狀

邊坡橫斷面的形狀主要有直線坡(一坡到頂)、折線坡(下陡、上緩和上陡、下緩兩種)、臺(tái)階坡等。在不同坡形的邊坡中，應(yīng)力分布特征見(jiàn)圖17-1-4所示。

不論邊坡采用何種橫斷面，其坡腳的應(yīng)力狀態(tài)是邊坡研究設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。但坡形不同，各自的應(yīng)力狀態(tài)不同。直線坡的應(yīng)力集中區(qū)在坡腳處。折線坡有兩個(gè)重點(diǎn)應(yīng)力區(qū)：坡腳和變坡點(diǎn)。當(dāng)坡形為下陡、上緩時(shí)，坡腳是應(yīng)力集中區(qū)，變坡點(diǎn)是拉張區(qū);當(dāng)坡形為上陡、下緩時(shí)，應(yīng)力集中區(qū)在變坡點(diǎn)，消除了坡腳的應(yīng)力集中。同時(shí)由于應(yīng)力集中點(diǎn)向坡頂上移，降低了它的埋深，使集中的應(yīng)力值下降，對(duì)邊坡穩(wěn)定有利。但是當(dāng)坡腳需要防護(hù)時(shí)，在坡腰處修建支擋防護(hù)工程是不方便的，也給下部緩坡增加了額外荷載，所以，在實(shí)際工程中不宜采用這種坡形。

臺(tái)階坡的應(yīng)力狀態(tài)表現(xiàn)為臺(tái)階上、下坡腳的集中應(yīng)力平臺(tái)坡頂?shù)睦瓘?。雖然平臺(tái)的設(shè)置降低并分散了應(yīng)力在坡腳的集中，改善了邊坡力學(xué)特征。但是在平臺(tái)處，由于平臺(tái)后緣的剪切和平臺(tái)前緣的拉張相互交叉，使該處的應(yīng)力分布十分復(fù)雜，容易產(chǎn)生破壞。因此，要求平臺(tái)應(yīng)達(dá)到一定寬度。

【例題10】在坡面的幾何形態(tài)中，對(duì)坡體應(yīng)力分布的影響最大的是()。

A.坡角

B. 坡高

C. 邊坡橫斷面的形狀

D. 平面形態(tài)

答案:A

3.巖體變形特征和結(jié)構(gòu)特征的影響

研究表明，巖體的彈性模量對(duì)均質(zhì)坡體的應(yīng)力分布并無(wú)明顯影響。巖體的泊松比(u)可以改變σx(水平應(yīng)力)和

(x、y應(yīng)力平面的剪應(yīng)力)的大小，但是當(dāng)坡體中側(cè)向剩余應(yīng)力值很高時(shí)，這種影響也就被掩蓋了。可見(jiàn)，均質(zhì)坡體中，巖體變形特征對(duì)應(yīng)力分布的影響是很微弱的。

巖質(zhì)邊坡巖體的結(jié)構(gòu)特征對(duì)坡體應(yīng)力場(chǎng)的影響十分復(fù)雜，主要由于巖體的不均一和不連續(xù)性，使其沿軟弱結(jié)構(gòu)面周邊出現(xiàn)應(yīng)力集中或應(yīng)力阻滯現(xiàn)象，因此，它構(gòu)成了巖質(zhì)邊坡變形與破壞的邊界條件。

實(shí)踐證明，坡體中緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面的周邊應(yīng)力高度集中，并取決于軟弱結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與主應(yīng)力的關(guān)系。結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力平行，將在結(jié)構(gòu)面端點(diǎn)部位或應(yīng)力阻滯部位出現(xiàn)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的集中，出現(xiàn)向軟弱結(jié)構(gòu)面兩側(cè)較遠(yuǎn)處發(fā)展的張裂和剪裂，見(jiàn)圖17-1-5a。結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力垂直，將在結(jié)構(gòu)面平行方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，或在端點(diǎn)部位出現(xiàn)垂直于結(jié)構(gòu)面的壓應(yīng)力，有利于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定，見(jiàn)圖17-1-5b。結(jié)構(gòu)面與主應(yīng)力斜交，使結(jié)構(gòu)面周邊剪應(yīng)力集中，并于端點(diǎn)附近或應(yīng)力阻滯部位出現(xiàn)拉應(yīng)力。順坡軟弱結(jié)構(gòu)面與主壓應(yīng)力呈30°～40°交角，則將出現(xiàn)最大的剪應(yīng)力與拉應(yīng)力值，對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定十分不利，見(jiàn)圖17-1-5c。巖體易沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切滑移，并伴隨著出現(xiàn)折線型蠕變系統(tǒng)裂隙。結(jié)構(gòu)面相互交匯或轉(zhuǎn)折處是壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的集中區(qū)，其變形與破壞較為劇烈，見(jiàn)圖17-1-5d。

【例題11】在巖體變形特征因素中，對(duì)均質(zhì)坡體的應(yīng)力分布而言，可改變其應(yīng)力大小的是()。

A.巖石重度

B.坡高

C.變形模量

D.泊松比

答案:D

【例題12】構(gòu)成了巖質(zhì)邊坡變形與破壞的邊界條件的是()。

A.巖體變形特征

B.巖體結(jié)構(gòu)特征

C.巖體中原始應(yīng)力狀態(tài)

D.坡形

答案:B

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