2019岩土工程师基础知识点：岩质边坡应力分布特征

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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，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。

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。

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。

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( )。

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。

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

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，坡脚部位应力集中带的最大剪应力亦随之增高。

(2)边坡的平面形态

边坡的平面形态对其应力状态也有明显的影响。三维分析表明，平面形态上凹形坡，由于受到沿斜坡走向方向的支承，应力集中程度明显减缓。圆形和椭圆形矿坑边坡，坡脚最大剪应力仅只有一般斜坡的二分之一左右，见表17-1-1。对比水平剩余应力平行于椭圆形矿坑的长轴和平行于短轴这两种情况，还可发现，前者应力集中程度又较后者缓和，见表17-1-1。显然，上述特征在边坡稳定评价中，具有重要意义。

(3)边坡横断面形状

边坡横断面的形状主要有直线坡(一坡到顶)、折线坡(下陡、上缓和上陡、下缓两种)、台阶坡等。在不同坡形的边坡中，应力分布特征见图17-1-4所示。

不论边坡采用何种横断面，其坡脚的应力状态是边坡研究设计的重点。但坡形不同，各自的应力状态不同。直线坡的应力集中区在坡脚处。折线坡有两个重点应力区：坡脚和变坡点。当坡形为下陡、上缓时，坡脚是应力集中区，变坡点是拉张区;当坡形为上陡、下缓时，应力集中区在变坡点，消除了坡脚的应力集中。同时由于应力集中点向坡顶上移，降低了它的埋深，使集中的应力值下降，对边坡稳定有利。但是当坡脚需要防护时，在坡腰处修建支挡防护工程是不方便的，也给下部缓坡增加了额外荷载，所以，在实际工程中不宜采用这种坡形。

台阶坡的应力状态表现为台阶上、下坡脚的集中应力平台坡顶的拉张。虽然平台的设置降低并分散了应力在坡脚的集中，改善了边坡力学特征。但是在平台处，由于平台后缘的剪切和平台前缘的拉张相互交叉，使该处的应力分布十分复杂，容易产生破坏。因此，要求平台应达到一定宽度。

【例题10】在坡面的几何形态中，对坡体应力分布的影响最大的是()。

A.坡角

B. 坡高

C. 边坡横断面的形状

D. 平面形态

答案:A

3.岩体变形特征和结构特征的影响

研究表明，岩体的弹性模量对均质坡体的应力分布并无明显影响。岩体的泊松比(u)可以改变σx(水平应力)和

(x、y应力平面的剪应力)的大小，但是当坡体中侧向剩余应力值很高时，这种影响也就被掩盖了。可见，均质坡体中，岩体变形特征对应力分布的影响是很微弱的。

岩质边坡岩体的结构特征对坡体应力场的影响十分复杂，主要由于岩体的不均一和不连续性，使其沿软弱结构面周边出现应力集中或应力阻滞现象，因此，它构成了岩质边坡变形与破坏的边界条件。

实践证明，坡体中缓倾角软弱结构面的周边应力高度集中，并取决于软弱结构面的产状与主应力的关系。结构面与主应力平行，将在结构面端点部位或应力阻滞部位出现拉应力和剪应力的集中，出现向软弱结构面两侧较远处发展的张裂和剪裂，见图17-1-5a。结构面与主应力垂直，将在结构面平行方向产生拉应力，或在端点部位出现垂直于结构面的压应力，有利于岩质边坡稳定，见图17-1-5b。结构面与主应力斜交，使结构面周边剪应力集中，并于端点附近或应力阻滞部位出现拉应力。顺坡软弱结构面与主压应力呈30°～40°交角，则将出现最大的剪应力与拉应力值，对岩质边坡稳定十分不利，见图17-1-5c。岩体易沿软弱结构面发生剪切滑移，并伴随着出现折线型蠕变系统裂隙。结构面相互交汇或转折处是压应力和拉应力的集中区，其变形与破坏较为剧烈，见图17-1-5d。

【例题11】在岩体变形特征因素中，对均质坡体的应力分布而言，可改变其应力大小的是()。

A.岩石重度

B.坡高

C.变形模量

D.泊松比

答案:D

【例题12】构成了岩质边坡变形与破坏的边界条件的是()。

A.岩体变形特征

B.岩体结构特征

C.岩体中原始应力状态

D.坡形

答案:B

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