崩塌山体变形破坏模式及稳定性分析.docx

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崩塌山体变形破坏模式及稳定性分析

1.崩塌灾害

崩塌是指陡峻的山坡上的岩块、土体在重力作用下，发生突然的急剧的倾落运动，这里所说的崩塌灾害是指由于崩塌的发生已经或者可能对人民的生命财产安全造成危害的地质灾害，否则就是一种普通到地质现象。

崩塌多发生在大于60-70度得斜坡上。

崩塌的物质称为崩塌体。

崩塌体与坡体的分离面称为崩塌面，崩塌面往往就是倾角很大或者裂隙很深的界面，如节理、片理、劈理、层面、破碎带等。

崩塌的分类：

1、崩积物崩塌：

山坡上已有崩塌岩屑和沙土等物质组成的堆积，由于它们的质地很松散，当有雨水侵湿或受地震震动时，可再一次形成崩塌。

此类崩塌常发生在水易渗透和汇集的地点。

其性质是有其母岩的性质决定的，由花岗岩、变质岩、凝灰岩、泥岩形成的崩积土最易崩塌。

2、表层风化物崩塌：

是在基岩表层生产的风化物的崩塌，是崖崩中常见的类型。

这是因为在表层有风化层，它与基岩之间的渗透系数不同。

在水流汇集或者地下水沿风化层下部的基岩面流动时，可引起风化层沿基岩面崩塌。

崩落的土层较浅，是一种小规模的滑动，但发生的次数最多。

大多发生在从缓变陡的斜坡变化点的地方。

3、沉积物崩塌：

有些由厚层的冰积物、冲积物或火山碎屑物组成的陡坡，结构松散，按沉积时的状态形成性质不同的沉积土层，透水性和土的强度有差异，在积水的地方引起崩塌。

4、基岩崩塌：

一般在坚硬的岩石的斜坡上，由于节理、层理面、断层面等方面的原因也有可能产生崩塌，在这种裂隙是沿容易崩塌的方向伸展时和在夹有粘土、泥岩等成分时容易发生崩塌。

落石属于小规模的岩石崩塌。

2.崩塌山体变形破坏模式分析

危岩体失稳方式，受多方面因素的影响。

通常失稳方式有三种，即坠落式、倾倒式和滑塌式。

根据对工作区内崩塌危岩总体形态、发育规模、基底和底界层特征和空间分布特征分析，区内危岩的失稳破坏方式以坠落、倾倒-滚落和滑移-倾倒-滚落方式居多。

图3-2危岩失稳方式示意图

1坠落式

受裂隙切割和下部岩腔影响，高悬于陡岩上端和岩腔顶部的危岩体，随卸荷裂隙不断加深加宽，一旦裂隙发育切割整个危岩体，使其脱离母体，危岩在重力作用下从母体突然脱离失稳产生崩塌。

经此次调查，郭家岩山体崩塌后WD2—WD5危岩带上大小不一的岩腔十分发育，这些岩腔是由于危岩体顺层面坠落后所形成，区内的W4、W8及W9不稳定岩块将继续顺层面以坠落方式失稳，见照片2-1—2-2。

照片2-1W4危岩块上的凹岩腔照片2-2W4危岩块上的凹岩腔

2倾倒式

岩体基座的差异风化和裂隙的切割使危岩体局部悬空，危岩体底界临空条件好，在变形破坏时，危岩体的顶部首先脱离母体，然后沿基座支点转动，从而发生倾倒式破坏。

区内WD1危岩带及WD6的部分危岩体发育有高陡临空面和平行于临空面的节理裂隙，W2及W7危岩体将以这种破坏方式失稳。

照片2-3W2危岩块上的的高陡临空面照片2-4W7危岩块上的的高陡临空面

3滑移-倾倒式

危岩体本身已经脱离母体，受下部岩块支撑。

一旦下部岩块受外部作用发生滑移，上部岩体将发生倾倒滚落。

区内W1、W3、W6危岩体表面有明显的滑动面，见照片2-5、2-6，再次发生崩塌将以这种破坏方式崩落。

照片2-5W6危岩体滑面及裂隙照片2-6W3危岩体滑面及裂隙

4滑塌式

危岩体附着于母岩上，以一定角度的裂隙（卸荷裂隙）面接触，在危岩体自重和地表水渗入裂隙等因素的作用下，裂隙面锁固部位被贯通，危岩体沿母岩（或基座）发生剪切滑移破坏，此种破坏方式往往有渐变特征，破坏后果受危岩临空条件影响，临空高度越大，后果越严重，处于陡坡边缘的松散体，沿着一定的滑移面在外部诱发因素作用下滑移崩落。

区内W5、W10破碎带危岩体将以这种方式失稳，见照片2-7、2-8。

照片2-7W5危岩块上的破碎带照片2-8W10危岩体破碎带

3.崩塌山体稳定性分析与评价

3.1定性分析与评价

郭家岩崩塌稳定性包括两个部分，一是山坡上面崩塌源区尚有的可能崩塌的岩土体的稳定性；二是崩塌堆积体的稳定性。

影响这些地质体稳定性的因素主要有地形地貌的空间因素；岩土体的物质成分和结构特征。

郭家岩崩塌区内共有6个危岩带（WD1—WD6）、4个崩塌堆积体（D1—D4）。

主要采用野外调查稳定性定性判断为主，辅以室内计算的方式对山体边坡和危岩体进行评价。

勘查结果表明，4个崩塌堆积体坡面表层第四系崩坡积层厚度多在2m以内，坡脚厚度较大，坡体透水性差，坡面地表冲沟较发育，坡面整体坡度在30度以内，处于稳定状态，但其表层零星的新崩落石稳定性欠佳；危岩带及D5、D6崩塌堆积体均处于欠稳定状态，但D5、D6崩塌堆积体位于坡面上部，其主要构成物质为碎石土，下部坡面较长，地表植被发育，堆积体物质不会整体顺坡面滑动到坡脚，且其上部危岩体稳定性也很差，危岩体崩落距离及破坏力将远大于崩塌堆积体物质，故崩塌堆积体失稳后危害性相对较小。

3.2崩塌山体稳定性计算

1．危岩运动计算

计算中危岩体的密度按2.7t/m3

根据R·M·Spang（1978）的研究成果，崩落体只有坡度角小于一定临界值（约27°）时，才停积于崖脚，随坡度角增大，可分别表现为滑动、滚动、跳跃和自由崩落等方式，大部分或全部堆积于坡脚。

灾害区内受岩体破坏影响的斜坡坡度平均坡角小于63°，大于27°，见图3-1，因此岩体在产生变形破坏后，大部分以滚动、跳跃或自由崩落的方式向坡脚运动，最后堆积于坡脚缓坡地带，直接影响坡下居民住房和公路的安全，目前坡体上零星分布有崩塌落石或危石，已房屋遭滚落岩体造成损失。

图3-1崩塌破坏运动图示

（1）落距计算

根据能量守恒定律，在物体下落过程中动能的增加等于势能的减少，机械能的总量保持不变。

即：

Ep+Ek=恒量

Mgh=1/2mv2

根据地形剖面可计算出斜坡坡度β和碰撞时的切向速度Vt与法向速度Vn,即：

Vn=V•sinβVt=V•cosβ

落石与斜坡松散层坡面的法向碰撞可认为是塑性碰撞，所以Vn=0。

切向碰撞参考Hungr等人的研究，切向损失率采用10%，即落石第一次在斜坡上碰撞后维持其继续运动的动能为1/2m（0.9Vt）2。

块石在斜坡上的继续运动是以滚动和滑动为主的综合形式运动，其摩擦角称为综合摩擦角。

根据功能原理，落石的势能变化等于动能变化和克服摩擦所做的功：

∑mg△hi=1/2m（Vi2-Vt2）+∑mgcosdi•tgΦ•Li

式中：

Vi——落石在斜坡面上任意位置处所具有的速度

di——各直线段斜坡的平均坡度

△hi——各直线段斜坡的铅直高度

Φ——落石与坡面的综合摩擦角

Li——各直线段斜坡的长度

当末速度Vi=0时，可求得∑Li，而∑Licosdi就是崩塌的最大水平运动距离。

根据后山崩滑体分布的坡体结构特征，结合已发生的崩塌进行反算、类比，后山崩滑体发生崩塌坠落后，滚石最大落距200-250m，与现场调查情况基本吻合。

（2）能量计算

石块在斜坡上的运动形式是比较复杂的，既有滑动、滚动还有跳跃运动，甚至在整个运动过程中三者兼而有之。

但一般情况来说，运用牛顿能量守恒定律可以说明其大部分情况，即：

（1）

式中：

m－滚石质量（kg）；

g－重力加速度；

H－滚石降落高度；

μ－摩擦系数；

α-坡面角；

v－滚石速度。

这表明滚石在滚落时，它所具有的势能已转变为摩擦能和动能，从

（1）式可知滚石能量E为：

则滚石速度v可用公式表示如下：

（2）

一般认为，坡面角α与摩擦系数μ可按图3-2所示线解图求解。

图3-2根据台阶坡面α确定摩擦系数μ值的线解示意图

崩塌体体产生的作用力F可用公式表示如下：

F=mv/t（3）

滚石滚动模型见图3-3。

图3-3崩塌运动轨迹示意图

摩擦系数，查图4-6得摩擦系数为0.5；α-坡面角，取30°；

则计算结果：

=18.0m/s

（2）

假设其作用在建筑物上的时间t=0.5s,其作用力为：

F=mv/t=3×2.7×18.0/0.5=291.6KN（3）

从计算结果看，崩塌失稳时，对坡脚处支挡结构物的破坏的能量是巨大的。

2．稳定性计算

由于危岩带上散布着大量的危岩块，计算中仅选取有代表性危岩块进行计算，根据危岩体的受力情况及最可能的破坏形式，对W5、W10破碎带危岩体选用简单的直线滑动进行山体边坡计算评价；对W1、W3、W6危岩体选用楔形面滑动进行山体边坡计算评价；对W2、W7危岩体采用倾倒式模型进行计算评价；对W4、W8、W9危岩体采用坠落式模型进行计算评价。

计算中选取相应危岩带有代表性的危岩块进行计算，并合理采用工况1（天然状态）、工况2（暴雨状态）、工况3（地震状态）、工况4（暴雨+地震状态）取其相应的强度和重度进行计算。

（1）直线滑移式边坡稳定性计算

区内W5、W10破碎带危岩体边坡选用简单的直线滑动进行山体边坡计算评价。

1）计算模型：

据边坡结构及稳定性定性分析，危岩边坡可能发生平面滑动破坏，往下形成崩塌，故采用平面破坏模式对危岩边坡进行稳定性计算。

滑动面为最靠坡外的裂缝底面或者基岩与新崩塌堆积体的分界面。

滑移式边坡稳定性计算模型见图3-4；

图3-4直线滑移式斜坡计算示意图

2）计算公式为：

对工况Ⅰ、Ⅱ按下式计算：

（4）

式中：

c—后缘裂隙粘聚力标准值（kpa）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段粘聚力标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段粘聚力标准值取岩石粘聚力标准值的0.4倍；

φ—后缘裂隙内摩擦角标准值（°）；当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍；

α—滑面倾角（°）；

—滑面长度（m）。

W—危岩体自重（kN/m）；

V—裂隙水压力（kN/m），V=rwhw2/2；

hw—裂隙充水高度（m）；

对工况Ⅲ、Ⅳ按下式计算：

（5）

Q—地震力（kN/m），Q=ξW，其方向可视为水平；ξ—地震系数，本工程取0.05；

其他符号意义同前。

计算中各参数取值见表3-1。

表3-1滑移式危岩稳定性计算参数选取表

危岩编号

W10

自重W（KN/m）

150

135

裂隙粘聚力c（kpa）

286

裂隙充水高度hw（m）

裂隙水压力V（kN/m）

地震力Q（KN/m）

7.5

6.75

滑面倾角α（°）

滑面长度

（m）

0.4

裂隙内摩擦角φ（°）

（2）折线楔形面滑移式边坡稳定性计算

区内W1、W3、W6危岩体边坡选用折线楔形面滑移进行山体边坡计算评价。

1）计算模型

据边坡结构面组合关系，危岩边坡可能沿下部楔形面发生折线式滑动破坏，脱离母岩形成崩塌，故采用折线楔形面滑移式边坡进行稳定性计算。

滑动面为危岩体下部的裂隙结构面。

折线楔形面滑移式边坡稳定性计算模型见图3-5；

图3-5折线楔形面滑移式斜坡计算示意图

2）计算公式

式中：

ψj—第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块段时的传递系数（j=i），

Wi—第i条块的重量（kN/m）；

Ci—第i条块内聚力（kPa）；

Φi—第i条块内摩擦角（°）；

Li—第i条块滑面长度（m）；

αi—第i条块滑面倾角（°）；

—孔隙压力比；

RDi—深透压力产生的垂直滑面分力；

TDi—渗透压力产生的平行滑面分力；

A—地震加速度（重力加速度g），本次计算取0.20g；

Kj—稳定系数

剩余下滑推力计算公式

其中，传递系数

下滑力

抗滑力

Pi—第i条块推力（kN/m）

Pi-1—第i条块的剩余下滑力（kN/m）

Wi—第i条块的重量（kN）

Ci、ψi—第i块的内聚力（kPa）及内摩擦角（°）

Li—第i条块长度（m）

ai—第i块的滑面倾角（°）

A—地震加速度（重力加速度g）

Ks—设计安全系数

计算中各参数取值见表3-2。

表3-2楔形面滑移式危岩稳定性计算参数选取表

危岩编号

滑面宽度Bi（m）

3.2

3.8

2.8

3.5

2.6

2.8

滑面长度Li（m）

1.8

1.5

1.6

滑面倾角αi（°）

地下水流向βi（°）

180

内聚力Ci（Kpa）

内摩擦角φi（°）

滑面高度hi（m）

1.75

0.90

1.49

1.18

1.03

1.60

1.20

地下水高度hiw（m）

1.33

1.20

1.00

1.33

1.07

1.33

地震加速度A（g）

0.2

容重Wi（KN/m）

151.2

92.3

112.8

111.7

97.3

112.0

91.0

（3）倾倒式边坡稳定性计算

W2、W7危岩块在定性分析基础上采用倾倒式模型进行计算评价

1）计算模型：

倾倒式危岩计算模型见图3-6

图3-6倾倒式危岩计算模型

按单位宽度考虑，不考虑基座抗拉强度。

取C点为倾覆点，为基座岩层中风化外缘点。

2）计算公式为：

a.由后缘岩体抗拉强度控制

对工况Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ按下式计算：

（6）

式中：

F—危岩稳定性系数；

flk—危岩体抗拉强度标准值（kpa）；

H—危岩块高度（m）；

h—裂隙深度（m）；

hw—裂隙充水高度（m）；

β—后缘裂隙倾角（°）；

W—危岩体自重（kN/m）；

a—危岩自重作用点到倾覆点的水平距离（m）；

V—裂隙水压力（kN/m），V=rwhw2/2；

Q—地震力（kN/m），Q=ξW，其方向可视为水平；ξ—地震系数，本工程取0.1；

ho—地震力作用点到倒覆点的垂直距离（m）；

由底部岩体抗拉强度控制

（7）

式中：

b—后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离（m）；

其它符号意义同前。

计算中各参数取值见表3-3。

表3-3倾倒式危岩稳定性计算参数选取表

危岩编号

自重W（KN/m）

121

135

危岩块高度H（m）

1.8

裂隙深度h（m）

1.8

裂隙粘聚力c（kpa）

11300

抗拉强度flk（kpa）

4700

裂隙充水高度hw（m）

1.8

自重点的平距a（m）

0.2

0.12

地震力点的垂距h0（m）

地震力Q（KN/m）

6.05

6.75

后缘裂隙倾角β（°）

内摩擦角φ（°）

地震系数ζ

0.1

（4）坠落式边坡稳定性计算

W4、W8、W9危岩体采用坠落式模型进行计算评价

1）计算模型：

坠落式危岩计算模型见图3-7

图3-7坠落式危岩计算模型

2）计算公式为：

对工况Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ按下列二式计算，稳定性系数取两种计算结果中的较小值：

（8）

（9）

式中：

ζ—危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面形态取值，一般可取1/12～1/6，当潜在破坏面为矩形时可取1/6；

a0—危岩体重心到潜在破坏面的水平距离（m）；

b0—危岩体重心到潜在破坏面形心的铅垂距离（m）；

—危岩体抗拉强度标准值（kpa），根据岩石抗拉强度标准值乘以0.20的折减系数确定；

c—危岩体粘聚力标准值（kpa）；

—危岩体内摩擦角标准值（°）。

其它符号意义同前。

计算中各参数取值见表3-4。

表3-4坠落式危岩稳定性计算参数选取表

危岩编号

自重W（KN/m）

108

危岩块高度H（m）

1.5

裂隙深度h（m）

0.9

0.6

0.5

粘聚力c（kpa）

10300

9100

8300

抗拉强度flk（kpa）

4800

4700

4100

地震力Q（KN/m）

5.4

4.7

重心平距a0（m）

0.9

0.7

重心垂距b0（m）

0.75

内摩擦角φ（°）

地震系数ζ

0.1

注：

计算参数的选择系依据野外调查及结合试验结果来综合确定，根据边坡规范，结合室内试验和地区经验值分析进行取值

3.3崩塌稳定性综合评价

1．危岩崩塌体稳定性评价标准

针对郭家岩崩塌的危害对象和治理工程的重要性，参考国土资源部《滑坡防治工程设计与施工技术规范》DZ/T0219-2006中对工程分级，郭家岩崩塌威胁53户189人，威胁资产800万元以上，对该崩塌的防治工程等级划分为二级。

对于崩塌评价的相应安全系数标准见表3-5。

表3-5危岩体稳定状态评价表

危岩危岩

稳定性稳定

系数状态

危岩类型

不稳定

欠稳定

基本稳定

稳定

滑移式危岩

F<1.0

1≤F<1.15

1.15≤F<1.3

≥1.3

倾倒式危岩

F<1.0

1≤F<1.25

1.25≤F<1.5

≥1.5

坠落式危岩

F<1.0

1≤F<1.35

1.35≤F<1.6

≥1.6

2．崩塌体稳定性综合评价

郭家岩崩塌在山坡坡面分布有一定量的危岩体，分布范围大，较散。

对于各危岩带具有代表性的危岩体进行了定量评价见表3-6。

表3-6危岩带稳定性计算结果及评价表

位置及编号

破坏模式

工况Ⅰ

工况Ⅱ

工况Ⅲ

工况Ⅳ

稳定系数

评价结果

稳定系数

评价结果

稳定系数

评价结果

稳定系数

评价结果

楔形面滑动

1.47

1.27

1.21

1.06

稳定

基本稳定

欠稳定

倾倒

2.18

1.59

1.41

1.14

稳定

基本稳定

欠稳定

楔形面滑动

1.42

1.24

1.14

1.01

稳定

基本稳定

欠稳定

坠落

1.20

1.13

欠稳定

直线滑动

1.47

1.06

1.27

0.98

稳定

欠稳定

基本稳定

不稳定

楔形面滑动

1.36

1.20

1.10

1.01

稳定

基本稳定

欠稳定

不稳定

倾倒

2.56

1.80

1.29

1.06

稳定

基本稳定

欠稳定

坠落

1.16

1.10

欠稳定

坠落

1.25

1.18

欠稳定

W10

直线滑动

1.47

1.05

1.38

0.98

稳定

欠稳定

稳定

不稳定

通过稳定性计算结果可知，大部分危岩体在Ⅰ工况下处于基本稳定或稳定状态；在Ⅱ和Ⅲ工况下，大部分处于欠稳定状态，少数处于基本稳定和稳定状态；在Ⅳ工况下，稳定性大大降低，均处于欠稳定和不稳定状态。

稳定性计算结果与勘查结论基本一致。

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