危岩稳定性分析方法Word文件下载.docx

1、 O3461 1 文献标识码: A 文献 4 - 7 运用模糊综合评判法、 赤平极射投影法及 极限平衡理论对危岩块体进行了定性、 半定量分析; 文献 8 初步建立了各类危岩的极限平衡 分析法。 危岩是指由多组岩体结构面切割并位于陡崖或 陡坡上稳定性较差的岩石块体及其组合 1 , 是产生 崩塌灾害的初始物质条件 2 。 随着西部大开发战略 的快速发展 , 高等级公路、 现代化城镇以及大量库区 就地后靠移民工程的兴建 , 崩塌灾害日益凸显 , 如三 峡库区仅重庆境内便有危岩体 5 万多个, 直接威胁 着成千上万人的生命和巨额的财产安全; 2007 年曾 发生崩塌灾害, 造成生命和财产的巨大损失 ,

2、 因此 , 系统实施崩塌源危岩稳定性研究 , 具有必要性和紧 迫性。 重庆市地方标准即 5地质灾害防治工程设计规 范6 DB50/ 5029 - 2004 （ 简称/ 5规范60 ） 根据危岩失 稳模式把危岩分为滑塌式危岩、 倾倒式危岩和坠落 31 引言从总体上看, 目前还缺乏合理的荷载组合分析, 未提 出有效的主控结构面抗剪强度参数计算方法 , 计算 结果与实际误差较大。 本文从参数计算、 稳定性计 算方法和稳定性评价三方面, 系统构建危岩稳定性 分析方法, 作为5规范6 的进一步补充和细化 , 为危岩 防治工程设计提供一定的理论依据。 2危岩主控结构面抗剪强度参数 计算方法危岩体后部主控结

3、构面的断裂扩展过程是危岩 1稳定性衰减的根本原因 , 关系到危岩体自稳时间 的长短 9 。 因此, 主控结构面抗剪强度参数 c、 U值 是进行危岩稳 定性分析的关 键问题之一 2 。 文献 10 - 12 等从解理岩体力学角度探讨了岩体结构面式危岩三类 , 重点分析了每类危岩工程治理技术及 其设计要点 , 但缺乏系统、 有效的稳定性分析方法。 *基金项目 : 国家自然科学基金项目 （ 50678182） ; 重庆市自然科学基金重点项目 （ 2008BA 0015） 来稿日期 : 2008 - 03 -25 修回日期 : 2009 -03 -26 第一作者简介 : 陈洪凯 , 男 , 1964

4、年生 , 博士, 重庆交通大学岩土工程研究所 , 教授 ; 研究方向 ） ） ） 动力 地貌学、 地质安 全理论及工程结 构 健康研究。 E - mai l: chk_cq 163. net第 2 期陈洪凯 , 等 : 危岩稳定性分析方法279的力学行为特性 , 文献 13 - 14 运用非线性方法进行 结构面识别研究 , 然而, 这些方法工程实用性不强。 5规范6 根据主控结构面贯通部分和未贯通部分的强 度参数按照长度加权提出了危岩主控结构面强度参 数等效算法 , 即 c= U= H 0 - e0 c1 + e0 c0 H01 + e0 U 0 H 0 - e0 U H0稳定性分为不稳定、

5、基本稳定和稳定三种状态（ 见表 1） , 5规范6 提出了防治工程安全系数标准（ 表 2 ） 。 一 般情况下: 处于稳定状态的危岩灾害体可以不采用 工程防治措施 ; 处于基本稳定状态的危岩应加强监 测并进行地表排水 ; 处于欠稳定状态的危岩除采用 监测、 地表及地下排水外尚需在必要部位采用局部 工程治理; 处于不稳定状态的危岩应采用系统的工 程治理措施, 治理后的危岩稳定系数应满足防治工 程安全系数要求。 表1 危岩破坏模式 滑塌式危岩 倾倒式危岩 坠落式危岩 危岩稳定性评价标准 2 不稳定 < 1 10 & 1 10 基本稳定 1 1 0 11 3 1 1 0 11 5 1 1 0

6、11 5 稳定 > 1 13 & 1 15 & 1 15（ 1） （ 2）式中 : c 和 U分别为主控结构面的等效粘结力 （ kPa ）0 分别为危岩主控结构面 和等效内摩擦角 （ b） ; c0 和 U贯通段的平均粘结力 （ kPa ） 和平均内摩擦角 （ b） ; c11 分别是危岩主控结构面未贯通段的粘结力和 和U内摩擦角, 通常取组成危岩体完整岩石相关参数的 0 1 7 倍; H 0 和 e0 分别为危岩体高度和主控结构面贯 通段长度, 单位均为 m 。 2001 年至 2006 年在三峡库区实施的大量实际工 程表明, 上述计算虽然使用方便, 但是由于未考虑主 控结构面贯通率和

7、防治工程安全等级, 计算结果与实 际情况存在较大误差。 鉴于此, 文献 15 通过试验提 出了危岩主控结构面抗剪强度参数贯通率法 c = k cC ? Rc U= k U? U U 0 C ?= - 0 1 0016R + 0 1 09398R + 5 1 28152注 : 表中数据为危岩体的稳定系数。 表2 滑塌式危岩 倾倒式危岩 坠落式危岩危岩防治工程安全系数 3 一级 1 1 40 1 1 50 1 1 60 二级 11 30 11 40 11 50 三级 11 20 11 30 11 40注 : 表中数据为危岩治理后的安全等级。 安全等级 : 一级 : 危及县和县 级以上城市、 大型工

8、况企业、 交通枢纽 及重要公 共设施 , 破坏后果 特 别严重。 二级 : 危及一般城镇、 居民集 中区、 重 要交通干 线、 一般工 矿 企业等 , 破坏后果严重。 三级 : 除一、 二级以外的地区。 （ 3） （ 4） （ 5） （ 6）U= - 0 ? 1 0001R + 0 1 0073R + 0 1 89962式中 : c、 U为主控结构面抗剪强度等效参数 , c 为粘 结力 （ kPa ） , U为内摩擦角 （b） ; R 为贯通率（ % ） ; C ?为 当量粘结力; ? U为当量内摩擦角 ; R c 为危岩体完整 岩石的单轴抗压强度标准值 （ kP a） ; U 0 为危岩体

9、完整岩石的内摩擦角 （ b） , 可通过现场取样, 在室内 进行常规试验获取; k c 和 k U 为强度参数修正系数 , 可根据防治工程安全等级按照下列原则取值。 kc = 0 1 80 , k U = 01 75; k c = 0 1 85 , k U = 01 80; 三 级: k c = 0 1 90 , k U = 0 1 85。 值得指出的是, 针对不同的危岩体, 主控结构面 贯通率通常存在差异, 需要经过敏感性试验确定当 量粘结力 C ?和当量摩擦角 ? U, 在缺乏必要的测试资 料时可由式 （ 3） 式 （ 6） 作为一般硬质岩石的主控 结构面强度参数计算方法。 4危岩稳定性计

10、算方法在进行危岩稳定性计算中 , 可将危岩体视为完全刚性块体, 采用极限平衡理论推导不同类型危岩 在不同荷载组合下的稳定性计算方法。 4 11 荷载组合 作用在危岩体上的荷载包括危岩体自重、 裂隙水压力 （ 天然状态 ） 、 裂隙水压力（ 暴雨状态） 和地震 力 , 按照出现频率拟定三种荷载组合 （ 工况 ） 。 组合一: 自重 + 裂隙水压力 （ 天然状态 ） , 倾倒 式危岩可不考虑。 组合二: 自重 + 裂隙水压力 （ 暴雨状态 ） , 坠落 式危岩可不考虑。 组合三: 自重 + 裂隙水压力（ 天然状态） + 地震力。 三种荷载组合中 , 计算所得危岩稳定系数最小 者为设计荷载 , 对处

11、于特大型水利工程区或强烈度 地震区的一级防治工程, 设计荷载调整为 / 自重 + 裂隙水压力（ 暴雨状态） + 地震力0 。 天然状态下主 控结构面内的充水深度取三分之一裂隙高, 暴雨状 态取三分之二裂隙高 3 。 3危岩稳定性评价标准文献 7 借用边坡的稳定系数 1 1 15 作为判别危岩的稳定形态, 文献 2 根据危岩稳定系数将危岩280应用力学学报第 26 卷4 12滑塌式危岩稳定性计算方法 滑塌式危岩计算模型见图 1, 图中 A B 为主控结C, 倾覆力矩为 M 倾覆 = Ph 0 + Q 抗倾覆力矩为 M 抗倾 = Wa + f 进而得到危岩稳定系数为 M 抗倾 Fs = = M 倾

12、覆 W a + f lk H - e + lb f 0k sin B e1 Ph 0 + Q + H- e 3sinB sinB （ 18）lk构面长度（ m ） , 其倾角为 B（b） , 等效强度参数为 c、 U 。 W 为危岩体的自重（ kN ） , P 为水平地震力 （ kN ） 。 针 对主控结构面进行分解, 有 法向分量 N = W cos B- P sin B （ 7） 切向分量 T = W sinB+ P cos B （ 8） 假定法向分量和切向分量沿主控结构面均匀分 布, 则平均法向应力和平均剪应力分别为 R = N sin B H T sin B H 进而可得主控结构面的抗

13、剪强度为 S= S f = c+ R t an U 危岩的稳定系数 Sf = Fs = S W cos B- P sin B- Q tan U+ c H sin B W sin B+ P cos B （ 9） （ 10）e1 + H- e 3sin B sin B H - e + l bf sin B（ 16）0k（ 17）对于组合二 : 可变荷载仅考虑裂隙水压力 , 而 不考虑地震力。 暴雨状态的裂隙水压力由式（ 15） 计 算 , 则稳定系数为 Wa + f lk H - e + l b f 0k sin B Fs = 2 2e + H - e 2C we l 9sin B sin B 9

14、 = 81 （ W a + f 0k l b ） sin B+ f lk （ H - e） 2 2（ 9H - 7 e） C we l （ 19）（ 11）（ 12） 式中 Q 为主控结构面内作用在危岩体上的裂隙水压 力（ kN ） 。 对于组合一 : e1 = e/ 3, 裂隙水压力和危岩稳定 系数分别为 Q= 1 2 1 2 C w e1 l = C we l 2 18 （ 13）对于组合三: 裂隙水压力和地震力同为可变荷 载。 天然状态的裂隙水压力由式 （ 13） 计算 , 则稳定 系数为 H - e + l bf 0k sinB Fs = e H- e 2 Ph 0 + 1 C we

15、l + 9sin B sin B 18 Wa + flk（ W cosB- Q） tan U+ c H sin B Fs = W sin B 式中 : l 为危岩体沿陡崖走 向方向的长度 （ m ） ; e 为主 控结构面贯通段的垂直高 度（ m ） 。 对 于 组 合 二: e1 = 2e/ 3 , 裂隙 水压力可 由式 （ 13） 计算, 将 其代入 可得到该荷载条件的裂隙 水压力图1= （ 14）162 （ Wa + f 0k l b ） sin B+ f lk （ H - e） 2 162Ph 0 sinB+ （ 9H - 8e） C we llk（ 20）式中: f为危岩体抗拉强度标

16、准值 （ kP a） ; f 0k 为危岩体与基座之间的抗拉强度标准值 （ kP a） , 当基座 为岩体时, f 0 k = f lk , 当基座为软质岩层如泥岩时, 取该软质岩石的抗拉强度标准值; a 为危岩体重心 至倾覆点的水平距离 （ m ） ; l b 为危岩体底部主控结 构面尖端至倾覆点的距离（ m ） 。 危岩体重心在倾覆点外侧时 , 围绕可能倾覆点 e1 + H - e 3sin B sin B C, 倾覆力矩为滑塌式危岩计算模型M 倾覆 = Wa + Ph 0 + Q 抗倾覆力矩为（ 21）2 2C 2 Q= 1C w e1l = we l 2 9（ 15） M 抗倾 = f

17、 危岩稳定系数为 M 抗倾 Fs = = M 倾覆lk对于组合三: 裂隙水压力由式（ 13） 计算 , 稳定 系数由式（ 12） 计算。 4 13 倾倒式危岩稳定性计算方法 倾倒式危岩计算模型见图 2 和图 3 , 图中 C 为危 岩体底部与基座接触的可能倾覆点 , 其余变量同前。 危岩体重心在倾覆点内侧时, 围绕可能倾覆点H - e + l bf sinB0k（ 22）f lk H - e + lb f 0k sin B e1 Wa + Ph 0 + Q + H- e 3sin B sin B （ 23） 危岩稳定性分析方法281对于组合二: 裂隙水压力由式 （ 15） 计算, 则危 岩的稳

18、定系数为 f lk H - e + lb f 0k sin B Fs = 2e + H - e 2 2 Wa + C we l 9 9sin B sin B = 81 f 0k l b sin B+ f lk （ H - e） 2 81W a sin B+ 2（ 9H - 7e） C we l （ 24）（ 1982 年 7 月 ） , 日最大降水 量 175mm （ 1997 年 8 月 16 日） 。 每年 夏季多大雨、 暴雨 等集中 降雨过程。 太白 岩南 坡地处 万州主城 区, 位 于万 州向斜 南东翼近 轴部 , 岩层 产状平缓, 倾向为西北, 倾角 5b 10b。 岩层为软硬相间的

19、图4 坠落式危岩计算模型对于组合三 , 裂隙水压力和地震力同为可变荷 载。 天然状态的裂隙水压力式 （ 13 ） 计算, 则危岩的 稳定系数为 H - e + l b f 0k sin B Fs = 2 e + H- e Wa + Ph 0 + 1 C we l 9sin B sin B 18 162 f 0k l b sin B+ f lk （ H - e） = （ 25） 2 162sin B （ Wa + Ph 0 ） + （ 9H - 8e） C we l f lk砂岩和泥岩相互组合。 太白岩南坡危岩分布于侏罗 系上统上沙溪庙组第三段第九岩性层的厚层、 巨厚 层状长石石英砂岩和长石砂岩

20、组成的三级陡崖, 陡 崖呈带状分布 , 三级陡崖间为泥岩夹层。 危岩发育于 陡崖上 , 由砂岩组成, 砂岩和泥岩接触部位的泥岩出 露处多出现岩腔。 地震基本烈度为 ? 度。 太白 岩 南 坡 发 育 有 61 个 危 岩 , 总 体 积 为 24562 m 3 。 按照可能的失稳方式可以分为滑塌式危 岩、 倾倒式危 岩、 坠落 式危岩 三类 , 分别 有 18 个、 11 个、 26 个。 根据地质勘察结果 : 危岩体完整岩石粘 结力为 400kPa; 内摩察角为 35b; 危岩体后部裂隙面 粘结力为 70kPa; 内摩察角为 25b; 岩石抗拉强度取 516 kP a; 岩体重度取 251

21、6kN/ m 。 选取 W4 、 W12、 W15 、 W16、 W20、 W22 等 6 个代表性危岩单体采用34 14坠落式危岩稳定性计算方法 坠落式危岩计算模型见图 4, 仅考虑荷 载组合/ 规范法0 参数和/ 贯通率法0 参数进行稳定性分析 , 计算结果见表 5。 可见, 应用本文提出的危岩主控结构 面抗剪强度参数贯通率法确定的 c、 U值比5规范6 推 3 荐的长度加权方法 随机性要小, 经 2001 2007 年 现场观测验证计算结果是比较符合实际情况的。 如 W12 危岩按照规范法计算的最小稳定系数为工况三 的1 1 21, 处于稳定状态, 故在 2001 年实施的三峡库区 首批

22、地质灾害防治工程中未进行工程治理, 但在 2003 年 7 月发生崩落, 崩塌体冲入陡崖坡脚的沙龙路内 侧。 事实上, 该危岩相应工况按照贯通率法计算的稳 定系数仅为 0 1 94, 属于不稳定状态。 一和组合三。 重力和地震力沿着主控结构面的法向 分量和切向分量可沿主控结构面进行分解 , 分别由 式（ 7 ） 式和式 （ 8） 计算, 进而可得主控结构面上的平 均法向应力和平均剪应力 , 分别由式 （ 9） 和式 （ 10） 计算 , 主控结构面抗剪强度由式 （ 11 ） 计算, 则危岩 稳定系数 W cos B- P sin B t an U+ c H sin B Fs = （ 26） W

23、 sin B+ P cos B 对于组合一 : 危岩稳定系数为 U+ cH F s = 01 5W sin2Btan 2 W sin B （ 27）61）结论对于组合三: 危岩稳定系数由式 （ 26） 计算。 式 中变量意义同前。 通过不同贯通率抗剪强度试验 , 建立了同时考虑危岩主控结构面贯通率和防治工程安全等级的危 岩主控结构面抗剪强度参数贯通率法。 2） 按照出现频率 , 将作用在危岩体上的荷载拟定 三种荷 载 组合 , 即 / 自 重 + 裂隙 水 压 力 （ 天然 状 态）0 、 / 自重 + 裂隙水压力 （ 暴雨状态 ） 0 和/ 自重 + 裂隙水压力（ 天然状态） + 地震力0

24、。 认为处于特大 型水利工程区或强烈度地震区的一级防治工程, 应5算例分析重庆万州城区属亚热带季风气候区, 年平均气温 181 1 e , 多年平均降水量 1181 1 2mm, 降水多集中 在每 年 5 9 月 , 历年 最 大 月 降 水量 711 1 8mm282应用力学学报第 26 卷将设计荷载组合调整为/ 自重 + 裂隙水压力 （ 暴雨 状态 ） + 地震力0 。 3） 针对滑塌式危岩、 倾倒式危岩和坠落式危岩三 种类型, 采用极限平衡理论, 建立了各类危岩在不同 荷载组合下的稳定系数计算公式, 结合危岩稳定性表5 几何特征 / m 编号 类别 坠 落 坠 落 坠 落 滑 塌 倾 倒

25、 工况 一 三 一 三 一 二 三 一 二 三 二 三 高度 10 10 12 12 91 5 91 5 91 5 21 13 21 13 21 13 10 16 10 16 长度 长度 4 1 04 171 34 61 92 4 1 04 171 34 61 92 5 1 75 331 25 21 1 57 厚度 裂隙 地震 力 / kN 0 89 1 65 0评价标准, 系统构建了危岩稳定性分析方法 , 弥补了 重庆市地方标准 DB50/ 5029- 2004 即5 地质灾害防 治工程设计规范6 的不足 , 增强了该技术规范的实 用性和可操作性。 稳定性 计算结果 水压 力 / kN 0

26、0 0 0 190 11 760 16 190 11 126 17 506 17 126 17 201 16 501 4 9规范法参数 c/ kPa 268 13 268 13 185 19 185 19 102 102 102 166 11 166 11 166 11 / / U / （b） 31 10 31 10 28 15 28 15 26 26 26 27 19 27 19 27 19 / / Fs 21 94 21 87 11 44 11 40 11 18 11 04 11 14 11 42 11 37 11 21 21 49 11 38 c/贯通 率法参数 kP a 133 1 5

27、6 133 1 56 143 1 64 143 1 64 135 12 135 12 135 12 134 18 134 18 134 18 / / U/ （b） 28 1 26 28 1 26 28 1 56 28 1 56 26 1 96 26 1 96 26 1 96 26 1 92 26 1 92 26 1 92 / / Fs 1 1 53 1 1 53 1 1 14 1 1 12 1 1 49 1 1 34 1 1 46 1 1 07 0 1 98 0 1 94 2 1 49 1 1 38W4 W 165 1 75 331 25 21 1 57 2441 72 4 20 1 5 18

28、 15 0 4 4 15 15 15 15 15 20 1 5 18 15 20 1 5 18 15 91 2 91 2 91 2 41 1 41 1 15 11 15 11 15 11 9 14 9 14 0 102 15 0 0 86 1 25 0 2061 25W 15W 12W 22 J . 岩石力学与工程学报 , 2004, 23（ 4） : 614 -619.参 1考 文献陈洪凯 , 唐红梅 . 危岩主控 结构面疲 劳断裂寿 命计算方 法 J . 应用数学和力学 , 2007, 28（ 5） : 575 -580. 10 杜时贵 . 岩体结构面的工程性质 M . 北京 : 地震出版

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