崩塌山体变形破坏模式及稳定性分析.docx

1、崩塌山体变形破坏模式及稳定性分析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

2、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

3、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图3.2-1 危岩体失稳方式示意图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

4、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。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，

5、W2 及W7 危岩体将以这种破坏方式失稳。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。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

6、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、 2-83. 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（D1D4）。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，

7、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 RM 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

8、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2Mgh = 1/2 mv2 根据地形剖面可计算出斜坡坡度 和碰撞时

9、的切向速度 Vt 与法 向速度 Vn, 即：Vn=V?sin Vt=V ?cos 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：22 mghi =1/2m(Vi 2-V t 2)+ mgcosdi ?tg ?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

10、各直线段斜坡的铅直高度 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 Li cosdi 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：式中： m滚石质量 (kg)； g重力加速度； H滚石降落高度； 摩擦系数； -坡面角； v 滚石速度。这表

11、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：v 2gH 1 tan ( 2)图 3-2 根据台阶坡面 确定摩擦系数 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；-坡面角，取 30； 则计算结果：v 2gH 1 =18.0 m/s （ 2）tan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 2.718.0/0.5=291.6KN （3）从计算结果看，崩塌失稳

12、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。

13、（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 ；灰岩块石中风化块石图 3-4 直线滑移式斜坡计算示意图2）计算公式为 ：对工况、按下式计算：F （Wcos V） tg clF Wsin （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

14、， 未贯通段 粘聚力标准值取岩石粘聚力标准值的 0.4 倍；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；滑面倾角（ ）；l 滑面长度（ m）。W危岩体自重（ kN/m ）；V裂隙水压力（ kN/m ）， V =rw hw 2/2； hw裂隙充水高度（ m）；对工况、按下式计算：（Wcos Qsin V） tg clF （.Wsin QcosQ 地震力（ kN/m）， Q =W，其方向可视为水平； 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-

15、1。表 3-1 滑移式危岩稳定性计算参数选取表危岩编号W5W10自重 W（KN/m）150135裂隙粘聚力 c （kpa）286286裂隙充水高度 hw（m）11裂隙水压力 V（kN/m）55地震力 Q（KN/m）7.56.75滑面倾角 （）3741滑面长度 l （m）0.40.4裂隙内摩擦角 （）45452）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。

16、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n 1 n 1(Wi (1 ru)cos i Asin i) RDi )tan i CiLi) i) RnK i 1 j 1f n 1 n 1(Wi (sin i Acos i TDi ) j ) Tni 1 j i式中： Rn (Wn (1 rU)cos n Asin n) RDn )tg n CnLnTn (Wn sin n Acos n ) TDn系数（ j=i ），n1式中：j 第 i 块段的剩余下滑力传递至第 i+1 块段时的传递j i i 1 n 1j i i 1 n 1jij

17、 cos( i i 1) sin( i i 1)tg i 1Wi第 i 条块的重量（ kN/m）；Ci 第 i 条块内聚力（ kPa）； i第 i 条块内摩擦角（）；Li 第 i 条块滑面长度（ m）； i第 i 条块滑面倾角（）；rU 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Pi Pi 1 K S Ti Ri 其中，传递系数 cos ai 1 ai Sin a i 1 ai tan i下滑力 Ti Wi sin i A cos i抗滑力 Ri （Wi （cos

18、 i Asin i ） Ci LiPi 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、i 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W1W3W6滑面宽度 Bi（m）3.23.82.83.53.52.62.8滑面长度 Li（m）21.81.51.521.62滑面倾角 i（ ）61308452318637地下水流向i（ ）18018018

19、0180180180180内聚力 Ci(Kpa)51515151515151内摩擦角 i（ ）30303030303030滑面高度 hi（m）1.750.901.491.181.031.601.20地下水高度hiw（m）1.331.201.001.001.331.071.33地震加速度 A（g）0.20.20.20.20.20.20.2容重 Wi(KN/m)151.292.3112.8111.797.3112.091.0（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，

20、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、按下式计算：22 lk Hsin 2 h 2 W a2 sinH h hwsin 3sin 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）； 后缘裂隙倾角（ ）；W危岩体自重（ kN/m ）；地震系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 =r w hw 2/2； Q地震力（ kN/m ），Q =W，其方向可视为水平； 数，本工程取 0.1；h

21、o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）m）；1 flk b2 W aF 3 1hQ h0 V（ w bcos ） 0 3sin 式中：b后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离其它符号意义同前。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W2W7自重 W（KN/m）121135危岩块高度 H（ m）21.8裂隙深度 h（m）21.8裂隙粘聚力 c（kpa）1130011300抗拉强度 f lk （kpa）47004700裂隙充水高度 hw（ m）1.81.8自重点的平距 a（m）0.20.12地震力点的垂距 h0（m

22、）00地震力 Q（ KN/m）6.056.75后缘裂隙倾角 （）6186内摩擦角 （）4545地震系数 0.10.14）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：2）计算公式为 ： 对工况、按下列二式计算，稳定性系数取两种计算结果 中的较小值：式中： 危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面形态取值，般可取 1/121/6，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）；flk 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

23、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W4W8W9自重 W（KN/m）1089494危岩块高度 H（m）21.51.5裂隙深度 h（ m）0.90.60.5粘聚力 c（kpa）1030091008300抗拉强度 f lk （kpa）480047004100地震力 Q（ KN/m）5.44.74.7重心平距 a0（ m）0.90.70.7重心垂距 b0（ m）10.750.75内摩擦角 （ ）545454地震系数 0.10.10.1注：计算参数的选择系依据野外调查及结合试验结果来

24、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。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F1.01F1.151.15 F1. 31. 3倾倒式危岩F1.01F1.251.25 F1.51.5坠落式危岩F1.01F1

25、.351.35 F1.61.62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 式工况工况工况工况稳定系数评价结稳定系数 评价结 果稳定系数 评价结 果稳定系数评价结W1楔形面 滑动1.471.271.211.06稳定基本稳定基本稳定欠稳定W2倾倒2.181.591.411.14稳定稳定基本稳定欠稳定W3楔形面 滑动1.421.241.141.01稳定基本稳定欠稳定欠稳定W4坠落1.20/1.13/欠稳定/欠稳定/W5直线滑 动1.471.061.270.98稳定欠稳定基本稳定不稳定W6楔形面 滑动1.361.201.101.01稳定基本稳定欠稳定不稳定W7倾倒2.561.801.291.06稳定稳定基本稳定欠稳定W8坠落1.16/1.10/欠稳定/欠稳定/W9坠落1.25/1.18/欠稳定/欠稳定/W10直线滑1.471.051.380.98动稳定欠稳定稳定不稳定通过稳定性计算结果可知， 大部分危岩体在工况下处于基本稳 定或稳定状态；在和工况下，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。