崩塌山体变形破坏模式及稳定性分析.pdf
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1、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
2、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
3、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。 滑移-倾倒式 2 1 强风化 滑塌式 倾倒式 坠落式 图3.2-1 危岩体失稳方式示意图 灰 岩 灰 岩 灰 岩 灰 岩 图 3-2 危岩失稳方式示意
4、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WD2WD5 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 2-12-2。 照片 2-1 W4危岩块上的凹岩腔照片 2-2 W4 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
5、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 2-3 W2危岩块上的的高陡临空面照片 2-4 W7 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 2-5 W6危岩体滑面及裂隙照片 2-6 W3 危岩体滑面及裂隙 4 滑塌式 危岩体附着于母岩上,以
6、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 2-7 W5危岩块上的破碎带照片 2-8 W10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
7、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(WD1WD6)、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, 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,
8、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 RMSpang (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
9、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。 危 岩 12 停止与坡脚 27 滚动 34 滚动 45 滚动、跳跃 63 跳跃 76 自由崩落 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 = 1/2 mv 2 根据地形剖面可计算出斜坡坡度和碰撞时的切向速度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
10、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(Vi 2-V t 2)+ mgcosd i?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Licosdi就是崩塌的最大水平 运动距离。
11、 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: 2 2 1 tan mvmgHmgH(1) 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: mgHmvE tan 1
12、 2 1 2 则滚石速度 v 可用公式表示如下: tan 12gHv(2) 一般认为,坡面角 与摩擦系数 可按图 3-2 所示线解图求解。 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。 Vt Vn V 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: tan 12gHv=18.0 m/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=32.718.0/0.5=291.6KN (3) 从计算结果看,崩塌失
13、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
14、)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 ; 中风化块石 强风化块碎石 潜在滑移面 最靠外侧裂缝 灰岩块石 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: (cos) sin WVtgcl F W (4) 式中: c后缘裂隙粘聚力标准值( kpa);当裂隙未贯通时,取
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