建筑岩质边坡岩石压力的计算方法051010杭州

建筑岩质边坡岩石压力的计算方法中国人民解放军后勤工程学院院士博士生导师郑颖人提纲1.当前岩质建筑边坡设计中岩石压力的计算现状3.边坡支护结构上岩石压力的理论计算方法4.结构面参数的确定5.岩质边坡岩石压力的经验计算方法2.岩质边坡的破坏型式6.理论计算方法、经验计算方法与统计数值的比较1、当前岩质建筑边坡设计中岩石压力的计算现状•建筑边坡一般是指城镇建设中因为施工开挖或者填方形成的边坡。坡高在20-30米以下，目前计算岩质边坡上的岩石压力，常引用库仑、朗金土压力公式，不区分土体与岩体的不同，不仅导致支挡结构设计偏于保守，也会导致设计不安全。•由于设计中岩、土不分，无论岩体完整与否，结构面是外倾还是内倾，都采用同样的岩石压力与支护参数，这就会使边坡设计造成很大浪费。规范提出两种方法：一方面依靠以往的经验，但必须使经验更为科学化、精确化、公认化。其合理方法是依据定性定量的指标对岩体边坡的稳定性进行科学分类，并采用经验公式进行计算使经验更符合实际。另一方面从理论上寻求解决岩石压力的计算问题，即从实际观察到的岩体破坏机理出发，依据岩体力学的观点，推导出作用在支护结构上的岩石压力计算公式，并提出确定抗剪强度参数的合理方法。岩质边坡按照其破坏型式分为滑移型与崩塌型。滑移型破坏又可以分为有外倾结构面情况（硬性结构面与软弱结构面）及无外倾结构面的情况（均质岩体、破碎岩体与只有内倾结构面的岩体）。2、岩质边坡的破坏型式表1岩质边坡破坏形式破坏形式岩体特征破坏特征滑移型外倾结构面岩体硬性结构面的岩体沿外倾结构面滑移，分单面滑移与多面滑移软弱结构面的岩体均质岩体整体状岩体沿极软岩、强风化岩、碎裂结构或散体状岩体中最不利滑动面滑移碎裂状、散体状岩体崩塌型危岩沿陡倾软弱结构面倾倒，尤其是巨块状岩体倾倒或坠落；块状、碎裂状岩体沿内外倾结构面不利组合面坠落、掉块无外倾结构面巨块状、块状岩体3、边坡支护结构上岩石压力的理论计算方法1)岩石压力的理论计算公式①沿外倾硬性结构面滑移时的岩石压力（包括多阶边坡），有多条外倾结构面时选其大值；②沿外倾软弱结构面滑移时的岩石压力；③均质岩体（包括碎裂，散体状岩体）；④只有内倾结构面岩体（可以有倾角35o以下的外倾结构面）。图1岩石压力计算简图2）对沿外倾结构面滑动的边坡，其主动岩石压力按下式计算aakkrHE221jjqjakkcossin)sin()sin()sin()sin(sin)sin(2式中：Eak──主动岩石压力标准值，kN/m；Ka──主动岩石压力系数；H──挡土墙高度，m；γ──岩体重度，kN/m3；q──地表均布荷载标准值，kPa；δ──岩体对挡土墙墙背的摩擦角，度；β──填土表面与水平面的夹角，度；α──支挡结构墙背与水平面的夹角，度；θ──外倾结构面倾角，度；cj──外倾结构面粘聚力，kPa；j──外倾结构面内摩擦角，度；δ──岩石与挡墙背的摩擦角，度，取（0.33-0.5）；当有多组外倾结构面时，应算出每组结构面的主动岩石压力，并取其大值。3）对沿缓倾的外倾软弱结构面滑动的边坡，主动岩石压力标准值可按下式计算：)cos(cos)(jjjjakLcGtgE式中：G──四边形滑裂体重量，kN；a──四边形滑裂体宽度，根据地质情况确定，m；L──滑裂面长度，m；j──滑裂面内摩擦角，度；cj──滑裂面的粘聚力，kPa；其它符号含义同前。对沿外倾结构面滑动的边坡，岩石侧向压力标准值可按下式计算：4）考虑地震作用时侧向岩石压力的计算aakkrHE221)cos()sin(cos'cos)'sin()cos()cos(2djdjak──外倾结构面的等效内摩擦角，度；ρ──墙背与竖直线的夹角，度；η’──滑体自重G与其和水平惯性力F的合力G1之间的夹角(称为地震角)，度。djη’GFG1表2不同屈服准则所得最小安全系数5）侧向岩石压力计算应符合下列规定(a)对无外倾结构面的岩质边坡，以岩体等效内摩擦角按侧向土压力方法计算侧向岩压力。确定滑裂面时，Ⅰ类边坡岩体可取75°左右，其余情况的破裂角取45°＋/2；(b)当有外倾硬性结构面时，应分别以外倾硬性结构面的参数按6.3.2或6.3.4的方法和以岩体等效内摩擦角按侧向土压力方法计算，取两种结果的大值；除Ⅰ类边坡岩体外，破裂角取外倾结构面倾角和45°＋/2两者中的小值；表2不同屈服准则所得最小安全系数(c)当边坡沿外倾软弱结构面破坏时，侧向岩石压力按6.3.2计算，破裂角取该外倾结构面的视倾角；同时应按1和2款进行验算。(d)当坡顶有建筑物基础且存在外倾软弱结构面时，应按两种情况分别计算，取其大值。6）侧向岩土压力的修正对支护结构变形有控制要求或坡顶有重要建（构）筑物时表2侧向岩石压力的修正支护结构变形控制要求或坡顶重要建（构）筑物基础位置侧向岩土压力修正方法岩质边坡对支护结构变形控制严格；或基础位于0.5H范围以内修正静止岩石压力EoˊEo’=β1Eo且Eo’≥(1.31.4)Ea对支护结构变形控制不严格；或基础位于0.5H范围以外主动岩石压力Ea注：1）Ea为主动岩石压力，Eo为静止岩石压力；2）β1为静止岩石压力折减系数，根据边坡岩体类别确定，对Ⅰ类取0.30.45，对Ⅱ类取0.40.55，对Ⅲ类取0.50.65，对Ⅳ类取0.60.75；裂隙发育时取大值，裂隙不发育时取小值；3）当基础浅埋时H为边坡高度；4、结构面参数确定1）选取参数的原则：①充分考虑边坡的安全性；②参数选择应充分考虑现场测试结果，包括现行规范。国标：工程岩体分类标准-94年c值：硬性结构面0.08-0.22以上软弱结构面0-0.081）选取参数的原则：国标：水利水电工程地质勘察规范-99年c值无填充结构面0.05-0.15岩屑夹泥0.05-0.10泥夹岩屑0.02-0.05泥0.002-0.005重庆公路所现场测试c值：0.04-0.11三峡船闸高边坡测试c值：较平滑：0.04-0.20较粗糙：0.1-0.55碎屑充填：0.04-0.10③计算结果应符合重庆成熟经验，有经验后逐步修正。按统计结果：有外倾结构面的Ⅱ、Ⅲ类围岩，边坡高度20m，9m2锚杆1-7根，一般3-5根。按理论计算公式：9m2锚杆0-7.2根；Ⅱ类岩体：一般0-2根；Ⅲ类岩体：一般0-4根，个别情况下为5-7根。按经验公式：Ⅱ类岩体：0.9-2.2根；Ⅲ类岩体：2.2-4根。2）岩体结构面的抗剪强度指标应根据现场原位试验确定试验应符合GB/T50266《工程岩体试验方法标准》4.2的规定。当无条件进行试验时，对于二、三级边坡工程可按表3并结合反算分析确定。表3结构面抗剪强度指标标准值序号结构面结合程度内摩擦角(°)粘聚力c(MPa)1结合好＞35＞0.132结合一般35270.130.093结合差27180.090.054结合很差18120.050.025泥化层根据地区经验确定软弱结构面硬性结构面3）岩体结构面结合程度可按表4确定表4结构面结合程度结合程度结构面特征结合好张开度小于1mm，胶结良好，无充填；张开度13mm，硅质或铁质胶结结合一般张开度13mm，钙质胶结；张开度大于3mm，表面粗糙，钙质胶结结合差张开度13mm，表面平直，无胶结、无充填；张开度大于3mm，岩屑充填或岩屑夹泥质充填结合很差及泥化层表面平直光滑、无胶结；泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度大于起伏差；分布连续的泥化夹层；未胶结的或强风化的小型断层破碎带6、岩质边坡岩石压力的经验计算方法1）边坡岩体稳定性分类分类目的：一是评估岩体的稳定性；二是估算支护型式与数量。2）影响边坡稳定性的三大要素①岩体的完整性；②结构面的倾向与倾角：结构面倾角接近最不利；③结构面的结合程度：分结合一般（含结合好）及结合差。水的影响单独考虑6、岩质边坡岩石压力的经验计算方法3）边坡岩体分Ⅰ类（极稳定）、Ⅱ类（稳定）、Ⅲ类（中等稳定）、Ⅳ类（不稳定）。三个指标均良好划为Ⅰ类；三个指标中有二个指标良好划为Ⅱ类；三个指标中有一个指标良好划为Ⅲ类；三个指标全不好划为Ⅳ类。表5岩质边坡岩体分类判定边坡岩体类型岩体完整程度结构面结合程度结构面产状Ⅰ完整结构面结合良好或一般外倾结构面或外倾不同结构面的组合线倾角75°或35°Ⅱ完整同上外倾结构面或外倾不同结构面的组合线倾角35°75°完整结构面结合差外倾结构面或外倾不同结构面的组合线倾角75°或35°较完整结构面结合良好或一般或差外倾结构面或外倾不同结构面的组合线倾角＜35°，有内倾结构面条件表5岩质边坡岩体分类（续）岩体完整程度结构面结合程度结构面产状Ⅲ完整结构面结合差外倾结构面或外倾不同结构面的组合线倾角35°75°较完整结构面结合良好或一般同上较完整结合面结合差外倾结构面或外倾不同结构面的组合线倾角75°或35°较完整（碎裂镶嵌）结构面结合良好或一般结构面无明显规律Ⅳ较完整结合面结合差或很差外倾结构面以层面为主，倾角多为35°75°不完整（散体、碎裂）碎块间结合很差判定条件边坡岩体类型表6岩体完整程度划分岩体完整程度结构面发育程度结构类型完整性系数k岩体体积结构面数组数平均间距（m)完整1-21.0整体状0.753较完整2-31.0-0.3厚层状结构，块状结构、层状结构以及碎裂镶嵌结构0.75-0.353-20不完整30.3裂隙块状结构、碎裂结构、散体结构0.35204）按边坡岩体类型确定综合内摩擦角边坡岩体等效内摩擦角按当地经验确定，当无经验时可按表4.5.5确定，其取值不宜超过表4.5.5的上限值。表7边坡岩体等效内摩擦角标准值边坡岩体类型ⅠⅡⅢⅣ等效内摩擦角d（°）≥707060605050356、理论计算方法、经验计算法与统计数值的比较1）25m高边坡，Ⅲ类岩体：按理论计算：0-9.2根（当时为0根），常用0-5.8根，个别情况下为5.8-9.2根。按经验计算：2.7-5根（Ⅱ类岩体为1.4-2.7根）。按工程统计值：2-8根。2）20m高边坡，Ⅲ类岩体：按理论计算：0-7.2根（当时为0根）,常用0-2.3根个别情况下为2.3-7.2根。按经验计算：2.3-4根（Ⅱ类岩体为0.9-2.2根）。按工程统计值：1-7根，统计平均值为3-5根。3）15m高边坡，Ⅲ类岩体：按理论计算：0-3.2根（当时为0根），常用0-1根，个别情况下为2-3.2根。按经验计算：1.6-3根（Ⅱ类岩体为0.7-1.6根）。按工程统计值：1-5根，统计平均值为1-3根。谢谢大家！