t岩质上边坡楔形破坏.doc
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1、第一章 绪论1.1 引言随着国民经济的发展,水利建设,交通运输和国防工程等建设工程中所遇到的岩质边坡稳定性问题也相应地增多。由于工程建设的需要,往往在一定程度上破坏或扰动原来较为稳定或岩体而形成新的人工边坡,诱发新的地质灾害。地质灾害已经成为制约我国经济及社会可持续发展的一个重大问题。 岩质边坡滑坡作为地质灾害中一个十分突出的问题,给国民经济建设的各个部门带来了严重的干扰和损失。1993年三峡库区巫溪县南门岩体崩滑造成200余人丧生。2000年彭水县山体滑坡造成70余人丧生。2004年12月11日,雨台温高速公路柳市附近突发大面积山体滑坡事故。滑坡的山体高约100m、宽约70m.甫台温高速公路
2、70余米的路段完全被滑落的大石封死,致使温州大桥白鹭屿至乐成镇一段的高速公路双向车道全部瘫痪。地震作用诱发的边坡滑动和坍塌也是常见的灾害之一。特别是在山区和丘陵地带,地震诱发的滑坡往往分布广、数量多、危害大。我国是一个多地震的国家,西部地区又是地中海一喜玛拉雅地震带经过的地方,是亚欧大陆最主要的地震带,也是我国地震活动最活跃的地区,因地震而导致的滑坡灾害非常严重。大量崩塌与滑动主要发生在多震的西部地区,而这些地区正是我国的水电能源和各种矿产资源的主要蕴藏地。随着国家西部大开发战略的实施,将加速对西部地区水电、矿产资源开发、及公路、铁路等基础设施建设,愈来愈多的工程(如水电、矿山、能源、核废料储
3、存及溶质运移)都建设在岩体之上,几乎所有的土木工程建设都涉及到边坡的动力稳定问题。在大多数岩体力学问题的研究中,都假定岩体在外力作用下是静止的,所以,考虑问题的角度也一般是从静力学角度出发,其结果与实际情况不尽相符,往往对结果作一些折减。通常,在许多实际情况中,荷载常具有动力特性,如上所述的地震滑坡灾害等,沿用静力学的原理和方法来求解这类问题,结构的动载特性无法反应出来,这显然是不合适的。例如,在地震作用和影响下,岩质边坡的稳定;隧洞围岩和衬砌结构的安全;筑造在岩层中的导弹发射竖井能否继续使用;修建大型水库以后是否存在诱发地震的可能性,以及在诱发地震一旦发生时,大坝及库区岩质边坡的稳定等。在水
4、利水电、露天采矿、能源及交通等工程领域岩质边坡出现得越来越多,这些岩质边坡往往是工程中的控制性项目,关系工程进度、经济效益,甚至工程成败。因此,安全可靠、经济合理地分析岩质边坡的稳定性并进行边坡设计,其意义就越发显得突出。岩质边坡稳定分析作为设计的基础,更是重中之重。1.2 岩质边坡楔破坏定及边坡动力问题研究现状楔体理论(Wedge Theory)是石根华博士与R.E.Goodman于1982年通过研究块体理论提出来的。1985年,石根华博士与R.E.Goodman教授合著了块体理论及其在岩体工程中的应用(Block Theory And Its Application To Rock Eng
5、ineering)一书。块体理论自提出以来一直受到国内外科研人员与工程技术人员的重视。楔形体破坏在工程实践中经常发生。如高度为300m左右的大冶露天矿边坡,边坡岩体岩石坚硬,岩体结构基本上属于完整结构,稳定性理应较高,但由于受断层切割,局部形成了楔形块体,并出现破坏现象,三峡工程地下厂房尾水出口边坡在开挖过程中,设计人员先后确定了大量可能下滑的楔形岩块。这些由在片麻岩花岗岩内发育的几组节理组成的不稳定块体,楔体方量从几十方到几千方不等。Mononobe H A等最早从变形体的角度研究了土质边坡的动力特征,并第一次提出了一维剪切楔法的模型,开创了剪切楔法分析边坡地震反应分析的先河(Mononob
6、e et al.,1936)。然而,直到20年后,由于Karnataka和Ambraseys的工作,这个模型的意义才被人们重新认识并得到工程界的认可。后来的很多学者对一维剪切楔法进行了改进,把剪切楔法推广到二维三维。进入20世纪80年代,通过参数研究来阐明诸如峡谷集合几何变形,材料不均匀性等因数的重要性,进而产生了几种改进分析模型。一般认为,动力荷载对岩质边坡稳定性的影响主要是由于动荷载引起的惯性力和因循环退化引起的剪应力降低,导致边坡整体下滑力加大,降低了边坡的安全系数。因此将动荷载下边坡失稳分为:惯性失稳(Inenial Instability )和衰减失稳(Weakelling Inst
7、ability ) ,爆破造成边坡的失稳一般属于惯性失稳。目前边坡动力分析方法主要还是基于极限平衡理论和应力变形分析。惯性失稳常采用的分析方法有:拟静力法(Pseudostatic Analysis ) , Newmark 滑块分析法( Newmark sliding Block Analysis )、Makdisi seed 的简化分析法,地震边坡的概率分析方法及有限元方法。而衰减失稳常采用:流动破坏分析法(Flow Failur Analysis )和变形破坏分析法(Deformation Failure Analysis)。王思敬( 1977 )较早地研究岩质边坡动力特性问题,1987
8、年,王存玉在二滩拱坝动力模型试验中发现,岩石边坡对地震加速度不仅存在铅直向的放大作用,而且还存在水平向的放大作用。何蕴龙等人(1998 )通过动力有限元法发现了“岩石边坡的地震动力系数并不随坡高增高而单调增大”,并且得出了“坡高约100m 时坡顶最大动力系数达到最大值,坡高超过100m动力系数反而有所降低。但总的来说,岩石边坡动力系数对坡高的变化是不敏感的,在工程常见的坡高范围内边坡动力系数的变化是不大的”的结论,并基于此提出了岩质边坡地震作用的近似算法。薛守义博士(1989 )较为系统地分析和总结了前人对岩体边坡动力稳定性所做的零星工作后结合岩体结构思想,并指出了各种情况下所需选用的动力分析
9、方法,将岩体边坡稳定性分析模型归纳为岩体地质模型、力学模型和几何模型三类,并在振动模型研究的基础上,分析了岩体振动的力学效应,发展推导了楔形体滑动机制下的地震滑动位移分析公式,并编制了相应计算程序,在振动单剪仪上,进行了小浪底原状泥化夹层的动力特性试验研究,取得了泥化夹层动特性比较可靠的直接资料。徐卫亚博士在其博士学位论文中采用振型迭加法对链子崖的动力时程响应也曾经进行过研究。另外,孙钧(l987 )、孙进忠(2001 )、胡津贤(1989 )等的著述中涉及到岩质边坡的动力响应的问题。1.3 本文主要内容研究针对岩土工程中的岩质边坡楔形破坏问题,并对边坡动力特性进行研究分析。主要内容有:(1)
10、对岩质边坡楔形破坏理论学习,并对边坡楔体稳定性进行分析,并做出评述。(2)对特征岩质边坡楔体稳定性分析基本方法、影响岩质边坡楔体破坏稳定性的因素等方面进行理论学习及分析;在总结前人研究成果的基础上,对如何计算分析楔体的稳定性进行研究。(3)通过对边坡岩体特征的分析和评价,建立边坡岩体整体模型,并结合国内外相关岩石(体)动力特性研究成果,研究边坡岩体的本构关系,进行岩质边坡的动力分析计算。(4)结合工程实例对边坡楔形破坏及边坡动力分析。第二章 研究区域边坡工程地质条件2.1自然地理概况研究区域位于贵州省黔东南州从江县,与广西壮族自治区接壤,东接广西三江侗族自治县,南邻广西融水苗族自治县和环江毛南
11、族自治县,西连荔波、榕江两县,北靠黎平县,是重要的交通枢纽通道。 图2.1 贵州从江县地图2.2区域地质环境概况2.2.1气候、水文贵州省从江县属亚热带季风温润湿热气候区,夏长冬短,冬温夏热,最高气温39.0,最低气温-6.0,多年平均气温18.4,多年平均降雨量12001500mm之间,雨量丰富,全年湿润,无霜期300天以上。地下水的赋存形式以上层滞水存在,其中以吸着水、毛细管水、孔隙水、裂隙水为主,水的补给源以稻田内的地表水和大气降水为主。边坡前缘约45m处发育一条四季常流河,该河为都柳江,系珠江水系,流量及水位受季节性影响较大,丰水期时流量变大,最大洪水水位标高:160.30m;枯水期时
12、流量变小,水位标高:152.30m;常年水位标高:154.80m。 2.2.2地形、地貌研究区位于缓陡剥蚀的中低山地貌区,场区高程在173.00283.00m,相对高差约110m,边坡后壁较陡,坡度角呈2040倾斜,边坡前部为陡坡,坡度角呈4553倾斜。实测边坡体后缘高程为283.70m,前缘高程173.30m,相对高差110.40m。2.2.3地质构造与地震本区在区域地质构造上属扬子准台地江南台隆(即江南古陆)北缘,主要由浅变质岩系组成,边缘分布震旦系和寒武系地层。由于地层经历多次构造运动,紧密线性褶皱及断裂构造发育,老构造经多次断裂活动的改造、复合已难以辨认,现以燕山期、加里东北区的构造最
13、为显著。区内无大的断裂和构造经过,地层主要为上元古宇丹洲群拱洞组变质岩分布区,岩性主要为灰、灰绿、淡黄、褐黄色粉砂质板岩,局部夹浅灰色凝灰岩,粉砂质板岩,地层产状10548,岩体内节理裂隙密集发育,共发育有“X”型共轭节理,其中以产状为35568(密度为46条/m2)、20579(密度为54条/m2)、1543(密度为51条/m2)及27048(密度为31条/m2)最为发育,节理密度23条/m2,裂隙面被粘土、铁锰质氧化膜充填,前两组裂隙具张拉性质,后两组裂隙具卸荷性质。裂隙将岩体切割成碎裂状、散体状,使岩体强度大大降低,且裂隙面于岩层面构成水解粘土化作用中水介质运移通道。 表2.1 边坡场区
14、节理裂隙统计表倾向()倾角()测定节理数(条)特征描述355 6846裂隙宽1-15mm,间距0.05-0.40m,延伸长度0.10-12.0m,切割深度0.10-1.20m,闭合度较差,张口大,连通性好,粘土充填。2057954裂隙宽1-15mm,间距0.05-0.30m,延伸长度0.10-14.0m,切割深度0.10-1.3m,闭合度较差,张口大,连通性好,粘土充填。154331裂隙宽1-8mm,间距0.05-0.40m,延伸长度0.10-0.80m,切割深度0.10-0.30m,闭合度好,张口小,连通性差,粘土充填。2704823裂隙宽1-15mm,间距0.05-0.40m,延伸长度0.
15、10-0.80m,切割深度0.10-0.80m,闭合度好,张口小,连通性差,粘土充填。经查阅贵州历史地震资料,本区最大地震震级为级,场区土体无地震液化的可能。取地震传递系数P=0.00g。2.3边坡工程地质条件2.3.1地质特征该地区分布土体为第四系人工回填层、耕植土层和残坡积层,岩体为上元古宇丹洲群拱洞组(Pt3g)粉砂质板岩,分述如下:耕植土层(Qpd)为淡黄色耕植土层,见植物根茎。厚度0.100.40m。回填土层(Qme)为杂色人工回填层,由碎块石、粘土及水泥凝结物,结构中密。厚度1.201.50m。残坡积层(Qel+dl)为淡黄色碎块石土,碎块石成分强至弱风化粉砂质板岩,粒径:0.20
16、35.2cm,含量3845%,结构稍密。控制厚度4.1012.80m。岩体(Pt3g)场区岩体为上元古宇丹洲群拱洞组粉砂质板岩。强风化层(Pt3g),为灰绿、淡黄、褐黄色粉砂质板岩,原岩组织结构大部分被破坏,尚存残余层理结构,风化作用强烈,岩石破碎,整体性差,厚度变化大。结构中密至密实。弱风化层(Pt3g)为灰、深灰色薄至中层状粉砂质板岩,节理裂隙发育,裂隙面被粘土、铁锰氧化膜充填,风化作用强烈,岩体较破碎,整体性较差,岩芯呈碎块状、短柱状及少量长柱状。2.3.2水文地质条件(1)地下水类型场区地下水以上层滞水类型存在,其中耕植土层和残坡积层以吸着水和孔隙水为主要形式赋存;人工回填层和岩层以孔
17、隙水和裂隙水为主要形式赋存。(2)地下水的补给、径流、排泄条件地下水的补给源以大气降水和稻田内地表水为主。因发生边坡,局部岩体破碎堵塞,排泄条件较差。(3)地下水水质类型及特征地下水水化类型为HCO3Ca型, PH值7.50。(4)地表水边坡前舌约45m处发育一条四季常流江,该江为都柳江,流向由西向东,江流向与边坡走向近平行,该河随季节变化而变化,枯水期时水位下降,流量变小;丰水期时水位下降,流量变大。2.3.3 边坡特征(1)边坡形态边坡由岩石和土层组成的,其安全等级为一级边坡,边坡坡向235,坡度角呈4556倾斜(平均53),边坡纵长127.3m,平面呈梨状,上窄下宽,表面积14152m2
18、,坡向与岩层倾向相反。(2)变形破坏特征该边坡于2008年6月15日雨季产生局部过微小变形,在边坡体中岩体后缘出现了不连续的拉张裂缝,造成部分排水沟及级以上的坡面防护垮塌变形破坏现象。(3)发展趋势边坡变形与大气降水有密切关系,降雨后边坡局部岩体变形明显,边坡处于不稳定状态,边坡变形速率与降雨量的大小有直接关系,降雨量越大,边坡变形局部岩体越明显,由此可判断该边坡体在雨季后会出现滑移的可能性极大。第三章 岩质边坡楔形破坏稳定性分析3.1概述 在岩质边坡的失稳模式中,楔体破坏是最常见的一种类型,在边坡失稳模式中占有重要位置。楔体是由两条或两条以上的结构面对岩体切割而形成的,滑体同时沿着这两个面发
19、生滑移,故其滑移方向必然是沿着该两个结构面的组合交线方向,且该交线的倾角必定缓于边坡坡角,并在坡面出露,由于滑体同时沿两个面滑动,其力学机理比较复杂。在边坡开挖过程中,边坡表面由于卸荷作用,掩体松弛,强度降低,加以坡面不平整,小块岩体极易具备临空条件,所以在开挖边坡表面,经常会发生小块岩体以平面或楔体形式的剥落现象,其体积有几立方米至几百立方米不等。影响楔体稳定的因数有滑体自身重力、低滑面得抗剪强度参数、滑面上的外水平压力和外荷载等。3.2楔体稳定的极限平衡分析法3.2.1 坐标系和物理量定义首先建立一个空间直角坐标系,设z轴与重力方向相反,x与y分别为正东和正北方向。图(3.1)为一楔体稳定
20、性分析的示意图。某一结构面的地质产状(倾角和倾向)与这一结构面内法线方向的方向导数(角以、表示)存在以下关系 (3.1) (3.2) (3.3)对于图3.1所示的左、右底滑面,其交棱线的矢量为 (3.4)式中:和分别为左、右底滑面内法线。上式所代表的交棱线是向下的那个矢量,其单位向量为j,与其方向相反的那个矢量为 (3.5)这里,我们引入一个符号,向量在向量上的投影可用该两向量的点积来代表。定义为 (3.6)图3.1 楔体稳定分析示意图图3.2 作用在与交线j垂直的剖面上的力3.2.2楔体稳定分析的极限平衡分析方法传统的极限平衡分析方法,假定楔体底滑动的剪切力平行于交棱线。左、右滑面均为受压力
21、情况的楔体稳定分析。为了计算楔体底滑动的剪切力,需要知道有效法向反力的数值,用和表示。此时我们引入一个假定,即作用于左、右两个平面上的剪切力均平行于交棱(见3.2)。这样,如果来考察一个与交棱线j垂直的剖面,将作用在该楔体的力投影到这个平面上,可得到以下两个方程。 (3.7) (3.8)从中可解出和: (3.9) (3.10)对作用于楔体上力的符号作如下规定: 楔体重量,单位方向量为, 平面上的有效法向反力,沿平面的内法线方向,单位向量为; 平面上的有效法向反力,沿平面的内法线方向,单位向量为; 平面上的水压力; 平面上的水压力; 拉裂缝的抗拉力和拉裂缝中水压力总和;单位向量为,外力,包括表面
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