岩体等效内摩擦角

〔收稿日期〕!""!#"$#!%

各外倾结构面相应岩石压力计算结果中的大值作为边坡的岩石压力。

(!)岩石压力公式的推导:岩石压力公式的推导是基于岩体沿破裂面的极限平衡,公式的推导与库仑公式类似,只不过通过边坡坡底边缘的破裂面是倾角已知的结构面,不必象库仑公式那样用数学上求极值的办法求得破裂角。与库仑公式不同的另一特点是推导中不仅考虑了结构面的内摩擦角,而且考虑了粘结力!值。

试结果。

!

!##

建筑边坡岩石压力的经验计算方法

边坡岩体稳定性分类

进行边坡岩体稳定性分类的目的,一是评估岩体的稳定性,二是估算支护形式和数量。

影响边坡岩体稳定性的因素主要是岩体的完整性、结构面产状以及结构面的结合程度。从岩体完整性来说,完整性越差,边坡岩体稳定性越差;从结构面(")沿外倾软弱结构面滑移时的岩石压力计算:当外倾软弱结构面较陡时,其计算方法与上相似,如不采取措施,经常在施工中就发生滑落。当结构面缓倾时,硬性结构面一般不易发生滑落,但软弱结构面却可能滑落,从实践中知道,结构面一般不会无限延伸,因而需视当地实际情况,按经验确定结构面延伸长度。

#$!$!无外倾结构面岩质边坡岩石压力计算

无外倾结构面岩质边坡,一般以岩体等效内摩擦角按侧向土压力方法计算侧向岩石压力。等效内摩角选取见后述工程经验法,破裂角取%&’(!"!,其中为岩体内摩擦角。##"

硬性结构面!、!值的确定在岩石压力计算公式确定后,关键的问题是选用较准确的结构面强度参数。结构面强度参数尤其是

!值的选取对边坡岩石压力计算结果影响极大,

当!值取低值时,可能岩石压力很大,而稍取高一些时,则岩石压力可能为零,因而合理选取!、当!值十分重要。

!值取高值时,

岩石压力一般由经验计算法控制,反之由理论计算法控制。确定结构面!、!值最好是通过现场测试,然而现场测试价格昂贵,规范只对一级边坡要求进行测试。当边坡已发生塌落时,也可通过反算确定!、但对试样的选取有严格的要求,!值中的一个。当前也有一些室内试验的方法,目前国内尚无测试规程。因而规范中依据前人试验结果采用表格法确定结构面!、选取参数的基本原则一是确保边坡的安全,!值。

二是科学合理。建筑边坡影响众多居民的生命安全,千万马虎不得,同时也必须注意科学合理,在安全前提下减少支护量。

为了使参数选用科学合理,一是对现行的有关规范进行考察,二是收集近年测试的结构面参数数据。

我们认为国标《工程岩体分类标准》()*&+!#,-.%)

对于结构面结构状况的分类是可取的,但引用的参数!值偏高,因为当时对边坡岩体分类与结构面量数选定还缺乏足够经验。本规范参数确定主要引用国标《水利水电工程地质勘察规范》()*&+!,/-..),也参考了三峡船闸高边坡和西南地区!值现场大剪试验的测#%

产状来说,结构面外倾时,其倾角越接近%&$(边坡岩体稳定性越不利;从结构面的结合程度来说,!0!对结合越差,对边坡岩体稳定性越不利。本规范根据上述"个因素对边坡岩体稳定性进行分类。其中岩体完整性根据结构面发育程度(组数和平均间距),结构类型、完整性系数和岩体体积结构面数等定性定量指标综合评定,划分完整、较完整和不完整"个档次。结构面产状划分为结构面内倾、结构面外倾而倾角1/&’、"&’2/&’或3"&’三种情况。结构面结合程度划分为结合良好、结合一般、结合差、结合很差%个档次。在进行分类时,岩体完整、结构面内倾或结构面外倾而倾角1/&’或3"&’、结构面结合良好或结合一般分别视为在岩体完整性、结构面产状和结构面结合程度方面属于良好的情况,而岩体较完整、结构面外倾且倾角为"&’2/&’、结构面结合差则分别视为在岩体完整性、结构面产状和结构面结合程度方面属于不好的情况,岩体不完整、结合很差的情况单独考虑。

由此,将边坡岩体分为%类,!类属于极稳定

("+4高边坡能保持稳定),"类属于稳定

(#&4高边坡能保持稳定),#类属于中等稳定(,4高边坡能保持稳定),$类属于不稳定。当上述"个因素均属于良好

时,边坡岩体划分为!类;

当上述"个因素中有!个属于良好时,划为"类;

当上进"个因素中有#个属于良好时,划为#类;

当上述"个因素全属于不好时,划为$类。岩体不完整、结合很差基本上是碎裂结构和散体结构岩体以及强风化岩体所具有的特征,这种边坡岩体划入$类。地下水和岩石坚硬程度对边坡岩体稳定性的影响相对上述"个因素而言是次要的,且影响大小随具体情况的不同而不同,故单独予以考虑,本规范规定,!类岩体为软岩、较软岩时应降为"类岩体,极软岩体可划为$类,当地下水发育时"、#类岩体可根据具体情况降低一档。!$!

各类边坡岩体的等效内摩擦角

为便于计算岩石压力,引用岩体等效内摩擦角这一概念。岩体等效内摩擦角是考虑岩体粘聚力影响的假想内摩擦角。它既与岩体内摩擦角和岩体粘聚力有关,也与坡高、岩体重度、坡度、坡顶荷载、坡顶倾斜和起伏情况有关。在忽略坡顶荷载、坡顶视为水

!

平、坡面视为直立的条件下,可以用较简单的公式予以计算。值得注意的是,由于结构面的影响,岩体内摩擦角不等于岩石内摩擦角,岩体粘聚力不等于岩石粘聚力,岩体的抗剪强度参数总是小于岩石的抗剪强度参数,岩石与岩体粘聚力的差异要比岩石与岩体内摩擦角的差异大得多。根据对水利水电系统及其他部门经验的归纳分析,岩体内摩擦角可根据岩体裂隙

岩体粘聚发育程度取岩石内摩擦角的!"#$!"%&倍,

力可根据岩体裂隙发育程度取岩石粘聚力的!"’$!"

根据(倍。由于影响岩体等效内摩擦角的因素较多,

公式计算的结果有时并不可靠,本规范根据大量边坡工程的统计结果,给出了各类边坡岩体等效内摩擦角的经验值。当然,作为覆盖全国的参数经验取值,进行归纳分析的边坡工程仍不算多,还需要不断积累工程经验,有地区经验时,应按地区经验确定。’"(

侧向岩石压力和破裂角计算

各类边坡岩体的等效内摩擦角确定以后,可根据计算土压力的方法计算岩石压力,计算公式中的内摩擦角应换以等效内摩擦角,且粘聚力不再出现,破裂

其中为岩体内摩擦角。角则取)&*+!,’,

在进行岩质边坡支护设计时,通常要同时应用理

论计算法和经验计算法来计算作用在支护结构上的侧向岩石压力,并取两者中的较大值。具体有下列几种情况:

当无外倾结构面时用经验计算法计算岩石压力,

对!类边坡岩体取-&*左右。破裂角取)&*+!,’,

当有外倾硬性结构面时,岩石压力取理论计算法和经验计算法两种结果的较大值,破裂角取外倾结构面倾角和)&*+!,(两者’对!类边坡岩体取-&*左右)中的较小值。

当有外倾软弱结构面时,岩石压力按理论计算法计算,破裂角取外倾结构面倾角和)&*+!,’两者中的较小值,同时作上述两种情况的验算。

经验计算法与实际工程统计)理论计算法、工程量的比较

我们对大量实际边坡工程的工程量作了统计分析,并将根据理论计算法和经验计算法计算结果设计的工程量与之作了对比。为便于比较,以每%.’所配置的直径为’&..的普通"级螺纹钢筋作锚杆主筋时的根数为工程量指标。对比情况见表/。

(理论计算法和经验计算法在边坡工程设计中的应用

表/

边坡高度,.

’&’!/&

边坡岩体类别

理论计算法、经验计算法与实际工程统计锚筋根数比较

锚筋根数

理论计算法

经验计算法/")$’"-实际工程统计

’$#’$#常用($&/$-,常用($&/$-,

,常用/$(/$&,

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(当!!!"!-012时为!),常用!$/,个别’$("’!$("’

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’"-$&!"%$’"’’"($)!"-$/"3/"3$(

参考文献

从上表可以看出,根据理论计算法和经验计算法

设计的工程量与实际工程统计工程量比较接近,而差异则体现在边坡岩体状况较好时能减少工程造价,边坡岩体状况较差时能降低工程风险。

〔/〕国家技术监督局,中华人民共和国建设部。建筑边坡工程技术

。北京:中国建筑工业出版社"规范《45&!((!6’!!’》

第一作者通讯地址:重庆市渝洲路-%号土木系中国人民解放军后勤工程学院

邮编:)!!!)/

〔收稿日期〕!""!#"$#!%

各外倾结构面相应岩石压力计算结果中的大值作为边坡的岩石压力。

(!)岩石压力公式的推导:岩石压力公式的推导是基于岩体沿破裂面的极限平衡,公式的推导与库仑公式类似,只不过通过边坡坡底边缘的破裂面是倾角已知的结构面,不必象库仑公式那样用数学上求极值的办法求得破裂角。与库仑公式不同的另一特点是推导中不仅考虑了结构面的内摩擦角,而且考虑了粘结力!值。

试结果。

!

!##

建筑边坡岩石压力的经验计算方法

边坡岩体稳定性分类

进行边坡岩体稳定性分类的目的,一是评估岩体的稳定性,二是估算支护形式和数量。

影响边坡岩体稳定性的因素主要是岩体的完整性、结构面产状以及结构面的结合程度。从岩体完整性来说,完整性越差,边坡岩体稳定性越差;从结构面(")沿外倾软弱结构面滑移时的岩石压力计算:当外倾软弱结构面较陡时,其计算方法与上相似,如不采取措施,经常在施工中就发生滑落。当结构面缓倾时,硬性结构面一般不易发生滑落,但软弱结构面却可能滑落,从实践中知道,结构面一般不会无限延伸,因而需视当地实际情况,按经验确定结构面延伸长度。

#$!$!无外倾结构面岩质边坡岩石压力计算

无外倾结构面岩质边坡,一般以岩体等效内摩擦角按侧向土压力方法计算侧向岩石压力。等效内摩角选取见后述工程经验法,破裂角取%&’(!"!,其中为岩体内摩擦角。##"

硬性结构面!、!值的确定在岩石压力计算公式确定后,关键的问题是选用较准确的结构面强度参数。结构面强度参数尤其是

!值的选取对边坡岩石压力计算结果影响极大,

当!值取低值时,可能岩石压力很大,而稍取高一些时,则岩石压力可能为零,因而合理选取!、当!值十分重要。

!值取高值时,

岩石压力一般由经验计算法控制,反之由理论计算法控制。确定结构面!、!值最好是通过现场测试,然而现场测试价格昂贵,规范只对一级边坡要求进行测试。当边坡已发生塌落时,也可通过反算确定!、但对试样的选取有严格的要求,!值中的一个。当前也有一些室内试验的方法,目前国内尚无测试规程。因而规范中依据前人试验结果采用表格法确定结构面!、选取参数的基本原则一是确保边坡的安全,!值。

二是科学合理。建筑边坡影响众多居民的生命安全,千万马虎不得,同时也必须注意科学合理,在安全前提下减少支护量。

为了使参数选用科学合理,一是对现行的有关规范进行考察,二是收集近年测试的结构面参数数据。

我们认为国标《工程岩体分类标准》()*&+!#,-.%)

对于结构面结构状况的分类是可取的,但引用的参数!值偏高,因为当时对边坡岩体分类与结构面量数选定还缺乏足够经验。本规范参数确定主要引用国标《水利水电工程地质勘察规范》()*&+!,/-..),也参考了三峡船闸高边坡和西南地区!值现场大剪试验的测#%

产状来说,结构面外倾时,其倾角越接近%&$(边坡岩体稳定性越不利;从结构面的结合程度来说,!0!对结合越差,对边坡岩体稳定性越不利。本规范根据上述"个因素对边坡岩体稳定性进行分类。其中岩体完整性根据结构面发育程度(组数和平均间距),结构类型、完整性系数和岩体体积结构面数等定性定量指标综合评定,划分完整、较完整和不完整"个档次。结构面产状划分为结构面内倾、结构面外倾而倾角1/&’、"&’2/&’或3"&’三种情况。结构面结合程度划分为结合良好、结合一般、结合差、结合很差%个档次。在进行分类时,岩体完整、结构面内倾或结构面外倾而倾角1/&’或3"&’、结构面结合良好或结合一般分别视为在岩体完整性、结构面产状和结构面结合程度方面属于良好的情况,而岩体较完整、结构面外倾且倾角为"&’2/&’、结构面结合差则分别视为在岩体完整性、结构面产状和结构面结合程度方面属于不好的情况,岩体不完整、结合很差的情况单独考虑。

由此,将边坡岩体分为%类,!类属于极稳定

("+4高边坡能保持稳定),"类属于稳定

(#&4高边坡能保持稳定),#类属于中等稳定(,4高边坡能保持稳定),$类属于不稳定。当上述"个因素均属于良好

时,边坡岩体划分为!类;

当上述"个因素中有!个属于良好时,划为"类;

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当上述"个因素全属于不好时,划为$类。岩体不完整、结合很差基本上是碎裂结构和散体结构岩体以及强风化岩体所具有的特征,这种边坡岩体划入$类。地下水和岩石坚硬程度对边坡岩体稳定性的影响相对上述"个因素而言是次要的,且影响大小随具体情况的不同而不同,故单独予以考虑,本规范规定,!类岩体为软岩、较软岩时应降为"类岩体,极软岩体可划为$类,当地下水发育时"、#类岩体可根据具体情况降低一档。!$!

各类边坡岩体的等效内摩擦角

为便于计算岩石压力,引用岩体等效内摩擦角这一概念。岩体等效内摩擦角是考虑岩体粘聚力影响的假想内摩擦角。它既与岩体内摩擦角和岩体粘聚力有关,也与坡高、岩体重度、坡度、坡顶荷载、坡顶倾斜和起伏情况有关。在忽略坡顶荷载、坡顶视为水

!

平、坡面视为直立的条件下,可以用较简单的公式予以计算。值得注意的是,由于结构面的影响,岩体内摩擦角不等于岩石内摩擦角,岩体粘聚力不等于岩石粘聚力,岩体的抗剪强度参数总是小于岩石的抗剪强度参数,岩石与岩体粘聚力的差异要比岩石与岩体内摩擦角的差异大得多。根据对水利水电系统及其他部门经验的归纳分析,岩体内摩擦角可根据岩体裂隙

岩体粘聚发育程度取岩石内摩擦角的!"#$!"%&倍,

力可根据岩体裂隙发育程度取岩石粘聚力的!"’$!"

根据(倍。由于影响岩体等效内摩擦角的因素较多,

公式计算的结果有时并不可靠,本规范根据大量边坡工程的统计结果,给出了各类边坡岩体等效内摩擦角的经验值。当然,作为覆盖全国的参数经验取值,进行归纳分析的边坡工程仍不算多,还需要不断积累工程经验,有地区经验时,应按地区经验确定。’"(

侧向岩石压力和破裂角计算

各类边坡岩体的等效内摩擦角确定以后,可根据计算土压力的方法计算岩石压力,计算公式中的内摩擦角应换以等效内摩擦角,且粘聚力不再出现,破裂

其中为岩体内摩擦角。角则取)&*+!,’,

在进行岩质边坡支护设计时,通常要同时应用理

论计算法和经验计算法来计算作用在支护结构上的侧向岩石压力,并取两者中的较大值。具体有下列几种情况:

当无外倾结构面时用经验计算法计算岩石压力,

对!类边坡岩体取-&*左右。破裂角取)&*+!,’,

当有外倾硬性结构面时,岩石压力取理论计算法和经验计算法两种结果的较大值,破裂角取外倾结构面倾角和)&*+!,(两者’对!类边坡岩体取-&*左右)中的较小值。

当有外倾软弱结构面时,岩石压力按理论计算法计算,破裂角取外倾结构面倾角和)&*+!,’两者中的较小值,同时作上述两种情况的验算。

经验计算法与实际工程统计)理论计算法、工程量的比较

我们对大量实际边坡工程的工程量作了统计分析,并将根据理论计算法和经验计算法计算结果设计的工程量与之作了对比。为便于比较,以每%.’所配置的直径为’&..的普通"级螺纹钢筋作锚杆主筋时的根数为工程量指标。对比情况见表/。

(理论计算法和经验计算法在边坡工程设计中的应用

表/

边坡高度,.

’&’!/&

边坡岩体类别

理论计算法、经验计算法与实际工程统计锚筋根数比较

锚筋根数

理论计算法

经验计算法/")$’"-实际工程统计

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参考文献

从上表可以看出,根据理论计算法和经验计算法

设计的工程量与实际工程统计工程量比较接近,而差异则体现在边坡岩体状况较好时能减少工程造价,边坡岩体状况较差时能降低工程风险。

〔/〕国家技术监督局,中华人民共和国建设部。建筑边坡工程技术

。北京:中国建筑工业出版社"规范《45&!((!6’!!’》

第一作者通讯地址:重庆市渝洲路-%号土木系中国人民解放军后勤工程学院

邮编:)!!!)/


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