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1、岩土工程灾变和防灾理论,主讲：陈忠辉土木工程系,第一章 绪论,岩土工程灾害学的定义:岩土工程灾害学是研究工程建设过程中岩土工程的地质灾害问题，它是一个力学过程。它是土建工程地质学与岩土力学的交叉学科。主要任务：研究岩土工程灾害的地质条件和发生机理；预测岩土工程在自然因素和人为活动作用下岩土力学性质的变化和破坏规律，控制它的发展和影响范围，并提出改造环境、防治岩土灾害的方案和措施。,形成岩土工程灾害的因素,自然因素：生物圈的作用力：风化太阳热能的作用力：风化和冻融大气圈运动的搬运力：风蚀大气降水的袭击力：剥蚀、冲沟地表水圈的作用力：掏蚀、冲刷、岸边再造地下水的作用力：岩溶、破碎带的管涌、塌陷岩土
2、的重力：滑坡、崩塌地球引力和板块运动：地震、地壳变形、火山,人为因素,人类活动一方面创造世界，另一方面破坏环境，造成岩土工程灾害。开挖斜坡：斜坡失稳开采地下固体矿物：地表移动、地应力重分布开采石油、天然气、地下水：地面沉降、塌落、地震河流水系的改道和破坏：河床变形、边岸再造、水库地震灌溉：岩土盐碱化和湿化土木工程建造：地基失稳、地层变形,岩土工程灾害的分类,渐进破坏：地层缓慢沉降、风化、剥蚀危害也是渐进，破坏范围较大，暂时危害不大，但总体危害也特别大。可防治性好。失稳破坏：滑坡、岩爆、崩塌破坏瞬间完成，范围相对较小，对人类的生产和生命危害极大，可防治性差。,研究的方法,根据本学科的工程特点，采
3、用现场调查、科学实验和理论分析相结合的研究方法现场调查包括：工程地质测绘、勘探、和物探，主要收集现场资料。科学实验：岩土物理力学参数、现场和室内模型实验、水文实验，主要评价岩土工程的稳定性。现在实验包括数值模拟实验。理论分析：过去理论分析主要基于岩土力学、地质学和土建工程学，目前把非线性科学理论应用于岩土工程灾害分析。包括：分形理论、突变理论、耗散结构理论、协同学理论、重整化群理论等，它们主要处理自然界和社会活动过程中复杂现象和规律。,本课程主要内容,典型的三种岩土工程灾害规律和防治措施。（1）地层沉陷（2）滑坡（3）岩爆和冲击地压非线性科学的主要内容和应用,第四章 地层沉陷,基本概念地层沉陷
4、是指地层中岩体临空或受力而发生垂直和水平方向上缓慢或突发性的变形、破坏和运动。其实则是地层中岩土体的失稳破坏。基本特点（1）研究范围大，采动临空面及其周围岩体直至地表；（2）不仅研究应力、应变，更关心岩体及地表产生的大变形和大位移；（3）不仅研究本身岩体的损害，而且研究地层沉陷所波及的地层环境的破坏。,地下采煤引起的地表塌陷,理论研究路径,理论研究是把岩体和临空面抽象为一定的理论模型，根据该理论模型的理论解及实测、实验求得的参数，对岩体内部及地表的应力和位移进行计算，其流程图如下：地层沉陷的理论研究示意图,理论研究的三种方法,唯象学理论研究：包括概率积分法、负指数函数法、典型曲线法。它简便易行
5、，避开了岩体的本构，对于层状结构计算误差较小。经典力学理论研究（反分析）：利用黑箱原理，进行岩体采动系统调制，老拟合采动岩体与地表的移动曲线。计算结果较差，很少使用。力学理论研究（正演分析）：利用力学原理，将岩体抽象为力学模型，编制相应的计算程序对采动岩体与地表沉陷进行模拟。,地下开采地层内部沉陷特征,矿体采空后，围岩的原始应力平衡状态被破坏，应力开始重新分布，使围岩产生变形、移动、破坏，显然破坏的程度距离采空区的远近有关。分成六个区域，上覆岩层分为冒落带、裂隙带和弯曲带，底板分为底板导水裂缝带、保护带和承压水导升带。地层沉陷分区示意图,地表沉陷特征,沉陷盆地是在工作面推进过程中逐渐形成的，它
6、比采空区域大得多。地表沉陷盆地的发生和发展 地表沉陷盆地区域划分示意图,地表沉陷的危害,地层沉陷对建筑物的危害地层沉陷对水体的危害地层沉陷对铁路和公路的危害地层沉陷对井巷的危害地层沉陷对山体和露天矿边坡的危害地层沉陷诱发矿山动力灾害,地层沉陷的预测（概率积分法）,地下矿体采出后，岩层和地表将发生移动，以统计的观点将整个开采分解为无穷多个无限小的开采，整个开采对岩层和地表沉陷的影响相当于无穷多个无限小开采影响之和。地表下沉地表倾斜变形地表曲率变形地表水平移动地表水平变形,地层沉陷损害控制（一）,活动基础：随意调整建筑物原基础高度的一组构件群，吸收采动岩体向上传递非线性变形，达到保护建筑物安全使用
7、的目的。活动基础结构示意图,离层注浆控制地层沉陷,离层注浆控制沉陷就是利用矿体开采后覆岩层裂过程中形成的离层空间，借助高压注浆泵从地面通过钻孔向离层空间注入充填材料，占据采出空间向上传递，支承岩层、减缓离层上位岩体的进一步弯曲下沉，从而达到减缓地层沉陷的目的。其基本工艺原理图如下：,改进开采工艺或充填技术,大条带开采工艺 小煤柱开采 大条带开采充填开采对于有条件的矿山进行充填开采，减少地面沉陷,第五章 滑坡,滑坡是一种常见的斜坡失稳而产生的岩土工程灾害。在矿山、交通、水利和城市建设过程中由于大量开挖和施工不当等原因，破坏了山体的稳定，从而诱发滑坡的发生和发展，造成灾害性的事故。基本特征：滑动的
8、岩土体具有整体性，并保持着斜坡原有的地质结构特征；滑移的方式为滑动，而不是滚动或倾覆。,滑坡的危害,我国是一个多山的国家，西部尤其如此，据初步统计由滑坡、泥石流造成的灾害，每年达200亿左右。仅80年代一次性死亡人数在200人以上或直接经济损失在千万元以上有十余起（如1980年的盐池河滑坡、1981年鸡趴子滑坡、1984年新滩滑坡、1983年洒勒山滑坡，1989年的溪口滑坡）。由滑坡造成水、陆路交通中断引起的间接损失更无法估计。由人类建设工程引起的滑坡也不少，如云南漫湾水电站左岸缆机平台斜坡失稳，陇海线葡萄园段滑坡迫使铁路改线，龙羊峡电站虎丘山斜坡变形，成昆线铁西滑坡。,滑坡的分类,滑坡的分类
9、比较繁杂，从不同角度去分类，例如按滑坡的组成物质、滑动速度、力学特征、滑体形态、滑体规模、发展阶段等进行分类。我国按力学条件分类：牵引式滑坡、推动式滑坡两类。牵引式滑坡是由于坡脚处任意开挖所引起，斜坡失去平衡，靠近坡脚部分岩体首先开始向自由面膨胀、开裂、挤出，然后依次向上发展，最后整个边坡失稳滑移。推动式滑坡开始发生斜坡的上部，失稳破坏的岩体向下滑移，并挤压下部岩体，造成斜坡下部鼓丘和隆起。治理的方法不一样：牵引式滑坡通过增加它的抗滑力，而推动式滑坡通过卸荷方法来减少的下滑力。,滑坡的发育过程,蠕动变形阶段 由于开挖和外界因素的影响，首先在斜坡内部产生微小的变形和移动，然后逐渐发展，直至坡面出
10、现断续的张拉裂缝。 随着张拉裂缝的出现，渗水作用加强，变形进一步发展，后缘张拉，裂缝加宽，开始出现较小的错距，两侧剪切裂缝相继出现。坡脚部分岩体被压裂致碎，并有潮湿渗水，此时滑动面初步形成，但尚未贯通。 斜坡变形进一步发展，后缘裂缝不断加宽，错距不断增大，两侧羽毛状剪切裂缝贯通并撕开，斜坡前缘岩体挤碎并鼓出，出现鼓张裂缝，坡脚附近渗水浑浊，滑动面已经形成，失稳岩体开始整体向下滑动。,滑动破坏阶段滑体在整体下滑时，滑坡后缘迅速下陷，滑坡壁越露越高，滑体分裂成数块。滑坡体上的建筑物严重变形以至倒塌毁坏。渐趋稳定阶段滑动逐渐停止后，形成特殊的滑坡地形，在岩性、结构构造和水文地质方面相继产生变化，例如
11、斜坡岩体发生整体性破坏、岩体变得松散破碎，透水性增强，含水量增高，地层产状发生变化。,滑坡的预测、预报,滑坡是一个典型的非线性系统的失稳，非线性系统失稳前都要展示大量的异常信息失稳前兆。,斜坡滑动类型,Heok根据滑动面的差异把岩石边坡的破坏分为四种类型：圆弧破坏、平面破坏、楔体破坏和倾覆破坏，前三种破坏性质属于滑动破坏，最后一种属于崩塌破坏。大量的理论研究和野外勘察表明，大多数岩石边坡的破坏均为滑动破坏。 (a) (b) (c) (d)岩石边坡的滑动类型(a) 平面破坏；(b) 圆弧破坏；(c) 楔体破坏；(d) 倾覆破坏,边坡稳定性分析方法,岩石边坡稳定性分析目前有三种方法：（1）解析方法
12、，最常用是块体极限平衡法，它通过块体在假定滑动面上抗滑力和滑动力之间的平衡关系来判断边坡的稳定性。（2）数值方法，通过计算岩石边坡中的应力分布，从而确定边坡体的不稳定区域。（3）概率法，把岩石边坡的一些参数视为一个随机变量场，通过建立随机变量的分布函数来确定边坡的稳定性。,平面滑动稳定分析,边坡的稳定性用稳定性系数来表示，它定义为块体的抗滑力与下滑力之比。因此单平面滑动时边坡的稳定性系数为：假设两块体之间存在一对作用力和，大小相等方向相反。作用的方向倾角为。通过块体的平衡可以求得作用力的大小和方向。块体受到滑动面以下岩体对它的作用力， 单平面滑动 双平面滑动,圆弧面滑动,当边坡的岩性较软或结构
13、面与边坡面倾向相反时，边坡都沿某一个圆弧面滑动，而不是平面滑动。绝大多数土体边坡也是圆弧面滑动。圆弧面滑动的边坡稳定性系数定义为抗滑力矩与滑动力矩之比。圆弧面滑动稳定性Bishop计算法,楔体滑动,楔形体滑动是常见的一种边坡破坏形式。因为楔形体是一个空间块体，因此其稳定性计算是一个比较复杂的问题。 楔形体滑动模型及其稳定性计算,上述计算的缺陷,有关几种边坡滑动模式一般都只考虑滑动块体重力的作用，而实际上研究的边坡大多承受静水压力、地震力及建筑物的作用力等外加荷载。在实际评价边坡稳定性时都要考虑这些外加荷载的作用。,滑坡的防治措施,防治措施大致分为减滑工程和抗滑工程，减滑工程在于改变滑坡的地形、
14、土质、地下水等状态。抗滑工程在于利用抗滑构筑物来抵挡滑坡变形或滑动，这类主要制止小规模的滑坡。,防治工程,减滑工程,抗滑工程,挡土墙、抗滑桩、锚固工程、竖井桩,削坡减重,地表水排除工程,地下水排除工程,排气工程,河道构筑物,地表水沟,防渗工程,水平钻孔,集水井,泄水隧道,立体排水工程,第六章 岩爆和冲击地压,基本定义岩爆是地下工程中的一种特殊现象，一般定义为在应力集中作用下，脆性煤岩体内积聚的弹性应变能在外界的扰动触发下突然释放，致使煤岩向自由空间产生位移的动力现象。在煤炭系统岩爆习惯上称为冲击地压。它是煤炭、冶金、水电及铁道等地下工程中重大灾害之一。 危害自1738年英国某锡矿首次发生岩爆以
15、来，在世界范围内已有20多个国家发生过岩爆现象，据煤炭系统不完全统计，到2019年底，我国已有35对矿井累计发生2000余次岩爆事故，造成数以百计的人员伤亡，巷道破坏达20多万米。,1、采矿开挖引起的矿山压力灾害,液压支架立柱缸体爆裂、鼓肚、弯曲、损坏。,安全阀开启,老虎台矿,岩爆的机理和产生的原因,各类岩爆的最终表现形式都十分相似，但由于应力环境、采动影响、岩体力学性质及扰动特征的复杂性，造成岩爆产生的成因及机理尚不十分明确。 目前的研究多集中在岩爆发生的准则方面，相继形成了强度理论、能量理论、失稳理论、冲击倾向理论等，岩爆发生以后岩块的动力行为，完全按照运动学的方程来分析。,强度理论,强度
16、理论认为在开掘或采动过程中，在采场和巷道周围形成应力集中，当应力达到岩石强度时，脆性岩石就突然破坏形成岩爆。近代的强度理论引入系统的观点，以岩体-围岩系统作为研究对象，认为岩体的承载能力应该是岩体和围岩系统的综合强度，当岩体承受的应力大于或等于岩体-围岩系统强度时，就发生岩爆。岩爆发生的强度准则强度理论在判别岩爆时，具有简单、直观、容易应用的特点，但它对岩爆的动力学特征描述不够，而且不能反映岩爆的时间特征。现场资料表明：许多地下工程岩体承受的应力超过它强度时，虽然已进入了软化阶段，但多数并未发生岩爆现象。这从侧面说明了强度理论的局限性。,能量理论,能量理论从能量转化的角度来分析岩爆的成因，该理
17、论认为岩体-围岩系统在力学平衡状态下破坏所释放的能量大于所消耗的能量时，即形成岩爆。考虑了岩爆能量动态过程，岩爆的能量准则可表示为： 能量理论只说明了岩体-围岩系统在力学平衡状态时，释放的能量大于消耗的能量，岩爆就发生，但没有阐明平衡状态的力学性质和破坏条件，特别是围岩释放能量的条件，因此岩爆的能量理论缺乏必要条件。,冲击倾向理论,一般容易发生岩爆的岩体具有同样的物理力学特征，这种产生冲击破坏的能力称为冲击倾向，它是岩爆产生的必要条件。当岩体介质的冲击倾向度大于规定的极限值时，就可能发生岩爆。这些冲击倾向的指标包括：弹性变形指数、有效冲击能指数、极限刚度比、破坏速度指数等。式中K为冲击倾向性指
18、标，K*为冲击倾向性极限值，用一组冲击倾向指标来评价岩体发生岩爆的危险性具有实际意义，但岩爆的发生与周围环境密切相关，实验室测定的冲击倾向指标难于全面代表各种地质因素条件下岩爆特征。,变形失稳理论,失稳理论是近年来才被应用于岩爆研究。它从数学上的稳定性理论出发，研究系统稳定准则。该理论认为岩爆发生前是一个准静态过程，而岩爆是一个平衡状态失稳转化为另一个平衡状态的动力失稳过程。当岩体处于非稳定的平衡状态时，遇到外界有微小的扰动，岩体就可能发生失稳，从而在瞬间释放大量能量，这些能量促使岩体从静态变为动态，于是发生急剧、猛烈的破坏。岩爆发生的判据表达式为：,岩爆烈度分级,10102,102104,1
19、04107,107,岩爆预测方法声发射,岩石在压力作用下发生变形和断裂破坏，岩石内部微裂纹的扩展和摩擦都能引起弹性能的突然释放并以应力波向外传播，这种现象称为岩石的声发射。它在地下采矿和地震工程中也称为地音。显然声发射的强弱和时空分布反映了岩体的破裂进程。 在预测评估技术方面，不断成熟的模式识别技术和改进的声测方法使得低应力和高应力岩石之间声发射的差异能被精确地测量出来，并用来进行岩石应力集中区和岩爆先兆的评估，进而预测预报岩爆的发生。,预测实例,美国爱达荷州北部的Coeur dAlene地区是生产铅、锌、银等有色金属的重要矿区。该矿区正常情况下声发射率一般在30次/日以下，但在岩爆发生前两小
20、时左右，声发射活动突然激增，其峰值强度可达正常值的数十倍，随后迅速下降，再经过12小时就发生岩爆。图 显示三个月内在同一个矿内所发生的四次岩爆的声发射记录，由于成功地预测了岩爆发生时间和地点，因而这四次岩爆均未造成任何人员伤亡。,钻屑法,钻屑法是在岩体内钻孔，同时测量岩粉量、声响、钻孔冲击、钻孔阻力和岩粉粒度，来判断岩体内应力集中程度，鉴别发生岩爆的倾向和位置。一般在钻孔时产生类似岩爆的冲击效应，这也是钻屑得以鉴定岩爆危险程度的物理基础，这种效应也可称为钻孔冲击。钻屑法一般应用于煤矿开采中。一般以钻屑量和正常排粉量之比作为衡量冲击倾向指标，它称为钻粉率指数。它的表达式为：式中为钻粉率指数，Vb
21、为钻出的岩粉量，Vz为正常排粉量，,地球物理检测法,某些浅源地震机制和岩爆相似，因此可以利用检测地震的一些地球物理方法，如地质层析X线成像法及电磁辐射法，检测岩爆。地质层析X线成像法在岩爆和采矿诱发岩爆研究中有三方面的应用。（1）矿区岩体的主动成像能提供大区域岩体的特性；（2）通过连续成像可提供对岩体性质的监控；（3）以往岩体层析成像提供例如微震传感器布置区内岩石物理力学性质的信息。通过对岩体变形的连续成像可以确定事件区域和速度结构，从而预测预报岩爆的发生。电磁辐射是岩石破裂时的一种伴生现象，它和声发射检测岩爆具有许多相似之处，用于探测高应力区和动力过程。,岩爆的防治措施,在采掘过程中采取一定
22、的措施防治岩爆的发生是完全可能的。目前防治岩爆有两类方法，一类是间接防治，另一类是直接防治。 间接防治 岩爆大多数发生在巷道的开挖过程中，而回采时一般很少发生。选择合理的巷道开掘方式和布置形式避免形成高应力集中和能量的大量集聚，对防治岩爆的发生极其重要。大量实践证明：许多岩爆的发生是在不合理的开挖技术条件下形成的，一经形成就难于改变，往往会形成长时期的被动局面，此时为了防治岩爆，只能采取某些临时性的局部措施，因此，就防治岩爆措施而言，开挖技术措施是根本性和先导性的措施。主要包括：1）尽量避免巷道进入高应力区的破碎带；2）避免形成不规则的巷道形状和孤立矿柱；3）开挖速度也是影响岩爆的重要因素。,二、直接防治 卸压爆破。卸压爆破是对具有岩爆危险的地带，用爆破的方式减缓应力集中程度，从而消除岩爆的产生，它是减缓岩爆发生的主要措施之一，在许多国家和地区应用。 钻孔卸压。通过向高应力区钻一些大直径的钻孔来诱导岩体变形，减缓岩体中存储的高应变能，从而消除岩爆的产生。它是消除高应力区岩爆的主要措施。 诱发爆破。利用爆破的方法诱发产生岩爆，使岩爆发生在规定的时间和位置范围内，从而避免更大的损害。注水软化。通过岩体内的原生裂隙对具有岩爆危险的地段进行注水湿润岩体，起到降低高脆性岩石强度、增加塑性性能。,
