崩塌山體變形破壞模式及穩(wěn)定性分析

1、崩塌山體變形破壞模式及穩(wěn)定性分析1. 崩塌災(zāi)害崩塌是指陡峻的山坡上的巖塊、土體在重力作用下，發(fā)生突然的急劇的傾落運(yùn)動，這里所說的崩塌災(zāi)害是指由于崩塌的發(fā)生已經(jīng)或者可能對人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成危害的地質(zhì)災(zāi)害，否則就是一種普通到地質(zhì)現(xiàn)象。崩塌多發(fā)生在大于60-70度得斜坡上。崩塌的物質(zhì)稱為崩塌體。崩塌體與坡體的分離面稱為崩塌面，崩塌面往往就是傾角很大或者裂隙很深的界面，如節(jié)理、片理、劈理、層面、破碎帶等。崩塌的分類：1、崩積物崩塌：山坡上已有崩塌巖屑和沙土等物質(zhì)組成的堆積，由于它們的質(zhì)地很松散，當(dāng)有雨水侵濕或受地震震動時，可再一次形成崩塌。此類崩塌常發(fā)生在水易滲透和匯集的地點(diǎn)。其性質(zhì)是有其母巖的性

2、質(zhì)決定的，由花崗巖、變質(zhì)巖、凝灰?guī)r、泥巖形成的崩積土最易崩塌。2、表層風(fēng)化物崩塌：是在基巖表層生產(chǎn)的風(fēng)化物的崩塌，是崖崩中常見的類型。這是因?yàn)樵诒韺佑酗L(fēng)化層，它與基巖之間的滲透系數(shù)不同。在水流匯集或者地下水沿風(fēng)化層下部的基巖面流動時，可引起風(fēng)化層沿基巖面崩塌。崩落的土層較淺，是一種小規(guī)模的滑動，但發(fā)生的次數(shù)最多。大多發(fā)生在從緩變陡的斜坡變化點(diǎn)的地方。3、沉積物崩塌：有些由厚層的冰積物、沖積物或火山碎屑物組成的陡坡，結(jié)構(gòu)松散，按沉積時的狀態(tài)形成性質(zhì)不同的沉積土層，透水性和土的強(qiáng)度有差異，在積水的地方引起崩塌。4、基巖崩塌：一般在堅(jiān)硬的巖石的斜坡上，由于節(jié)理、層理面、斷層面等方面的原因也有可能產(chǎn)生

3、崩塌，在這種裂隙是沿容易崩塌的方向伸展時和在夾有粘土、泥巖等成分時容易發(fā)生崩塌。落石屬于小規(guī)模的巖石崩塌。2. 崩塌山體變形破壞模式分析危巖體失穩(wěn)方式，受多方面因素的影響。通常失穩(wěn)方式有三種，即墜落式、傾倒式和滑塌式。根據(jù)對工作區(qū)內(nèi)崩塌危巖總體形態(tài)、發(fā)育規(guī)模、基底和底界層特征和空間分布特征分析，區(qū)內(nèi)危巖的失穩(wěn)破壞方式以墜落、傾倒-滾落和滑移-傾倒-滾落方式居多。圖3-2 危巖失穩(wěn)方式示意圖1 墜落式受裂隙切割和下部巖腔影響，高懸于陡巖上端和巖腔頂部的危巖體，隨卸荷裂隙不斷加深加寬，一旦裂隙發(fā)育切割整個危巖體，使其脫離母體，危巖在重力作用下從母體突然脫離失穩(wěn)產(chǎn)生崩塌。經(jīng)此次調(diào)查，郭家?guī)r山體崩塌后

4、WD2WD5危巖帶上大小不一的巖腔十分發(fā)育，這些巖腔是由于危巖體順層面墜落后所形成，區(qū)內(nèi)的W4、W8及W9不穩(wěn)定巖塊將繼續(xù)順層面以墜落方式失穩(wěn)，見照片2-12-2。 照片2-1 W4危巖塊上的凹巖腔 照片2-2 W4危巖塊上的凹巖腔2 傾倒式巖體基座的差異風(fēng)化和裂隙的切割使危巖體局部懸空，危巖體底界臨空條件好，在變形破壞時，危巖體的頂部首先脫離母體，然后沿基座支點(diǎn)轉(zhuǎn)動，從而發(fā)生傾倒式破壞。區(qū)內(nèi)WD1危巖帶及WD6的部分危巖體發(fā)育有高陡臨空面和平行于臨空面的節(jié)理裂隙，W2及W7危巖體將以這種破壞方式失穩(wěn)。 照片2-3 W2危巖塊上的的高陡臨空面 照片2-4 W7危巖塊上的的高陡臨空面3 滑移-傾

5、倒式危巖體本身已經(jīng)脫離母體，受下部巖塊支撐。一旦下部巖塊受外部作用發(fā)生滑移，上部巖體將發(fā)生傾倒?jié)L落。區(qū)內(nèi)W1、W3、W6危巖體表面有明顯的滑動面，見照片2-5、2-6，再次發(fā)生崩塌將以這種破壞方式崩落。 照片2-5 W6危巖體滑面及裂隙 照片2-6 W3危巖體滑面及裂隙4 滑塌式危巖體附著于母巖上，以一定角度的裂隙（卸荷裂隙）面接觸，在危巖體自重和地表水滲入裂隙等因素的作用下，裂隙面鎖固部位被貫通，危巖體沿母巖（或基座）發(fā)生剪切滑移破壞，此種破壞方式往往有漸變特征，破壞后果受危巖臨空條件影響，臨空高度越大，后果越嚴(yán)重，處于陡坡邊緣的松散體，沿著一定的滑移面在外部誘發(fā)因素作用下滑移崩落。區(qū)內(nèi)W5

6、、W10破碎帶危巖體將以這種方式失穩(wěn)，見照片2-7、2-8。 照片2-7 W5危巖塊上的破碎帶 照片2-8 W10危巖體破碎帶3. 崩塌山體穩(wěn)定性分析與評價3.1定性分析與評價郭家?guī)r崩塌穩(wěn)定性包括兩個部分，一是山坡上面崩塌源區(qū)尚有的可能崩塌的巖土體的穩(wěn)定性；二是崩塌堆積體的穩(wěn)定性。影響這些地質(zhì)體穩(wěn)定性的因素主要有地形地貌的空間因素；巖土體的物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征。郭家?guī)r崩塌區(qū)內(nèi)共有6個危巖帶（WD1WD6）、4個崩塌堆積體（D1D4）。主要采用野外調(diào)查穩(wěn)定性定性判斷為主，輔以室內(nèi)計(jì)算的方式對山體邊坡和危巖體進(jìn)行評價?？辈榻Y(jié)果表明，4個崩塌堆積體坡面表層第四系崩坡積層厚度多在2m以內(nèi)，坡腳厚度較大，

7、坡體透水性差，坡面地表沖溝較發(fā)育，坡面整體坡度在30度以內(nèi)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，但其表層零星的新崩落石穩(wěn)定性欠佳；危巖帶及D5、D6崩塌堆積體均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，但D5、D6崩塌堆積體位于坡面上部，其主要構(gòu)成物質(zhì)為碎石土，下部坡面較長，地表植被發(fā)育，堆積體物質(zhì)不會整體順坡面滑動到坡腳，且其上部危巖體穩(wěn)定性也很差，危巖體崩落距離及破壞力將遠(yuǎn)大于崩塌堆積體物質(zhì)，故崩塌堆積體失穩(wěn)后危害性相對較小。3.2崩塌山體穩(wěn)定性計(jì)算1危巖運(yùn)動計(jì)算計(jì)算中危巖體的密度按2.7t/m3根據(jù)RMSpang（1978）的研究成果，崩落體只有坡度角小于一定臨界值（約27）時，才停積于崖腳，隨坡度角增大，可分別表現(xiàn)為滑動、滾動、跳躍

8、和自由崩落等方式，大部分或全部堆積于坡腳。災(zāi)害區(qū)內(nèi)受巖體破壞影響的斜坡坡度平均坡角小于63，大于27，見圖3-1，因此巖體在產(chǎn)生變形破壞后，大部分以滾動、跳躍或自由崩落的方式向坡腳運(yùn)動，最后堆積于坡腳緩坡地帶，直接影響坡下居民住房和公路的安全，目前坡體上零星分布有崩塌落石或危石，已房屋遭滾落巖體造成損失。圖3-1 崩塌破壞運(yùn)動圖示（1）落距計(jì)算根據(jù)能量守恒定律，在物體下落過程中動能的增加等于勢能的減少，機(jī)械能的總量保持不變。即：Ep + Ek = 恒量Mgh = 1/2 mv2根據(jù)地形剖面可計(jì)算出斜坡坡度和碰撞時的切向速度Vt與法向速度Vn,即：Vn=Vsin Vt=Vcos落石與斜坡松散層坡

9、面的法向碰撞可認(rèn)為是塑性碰撞，所以Vn=0。切向碰撞參考Hungr等人的研究，切向損失率采用10%，即落石第一次在斜坡上碰撞后維持其繼續(xù)運(yùn)動的動能為1/2m(0.9Vt)2。塊石在斜坡上的繼續(xù)運(yùn)動是以滾動和滑動為主的綜合形式運(yùn)動，其摩擦角稱為綜合摩擦角。根據(jù)功能原理，落石的勢能變化等于動能變化和克服摩擦所做的功：mghi=1/2m(Vi2-Vt2)+ mgcosditgLi式中： Vi落石在斜坡面上任意位置處所具有的速度di各直線段斜坡的平均坡度hi各直線段斜坡的鉛直高度落石與坡面的綜合摩擦角Li各直線段斜坡的長度當(dāng)末速度Vi=0時，可求得Li，而Licosdi就是崩塌的最大水平運(yùn)動距離。根據(jù)

10、后山崩滑體分布的坡體結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合已發(fā)生的崩塌進(jìn)行反算、類比，后山崩滑體發(fā)生崩塌墜落后，滾石最大落距200-250m，與現(xiàn)場調(diào)查情況基本吻合。（2）能量計(jì)算石塊在斜坡上的運(yùn)動形式是比較復(fù)雜的，既有滑動、滾動還有跳躍運(yùn)動，甚至在整個運(yùn)動過程中三者兼而有之。但一般情況來說，運(yùn)用牛頓能量守恒定律可以說明其大部分情況，即： （1）式中：m滾石質(zhì)量(kg)；g重力加速度；H滾石降落高度；摩擦系數(shù)；-坡面角；v滾石速度。這表明滾石在滾落時，它所具有的勢能已轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ聊芎蛣幽?，從?）式可知滾石能量E為：則滾石速度v可用公式表示如下： （2）一般認(rèn)為，坡面角與摩擦系數(shù)可按圖3-2所示線解圖求解。圖3-2 根

11、據(jù)臺階坡面確定摩擦系數(shù)值的線解示意圖崩塌體體產(chǎn)生的作用力F可用公式表示如下：F=mv/t (3)滾石滾動模型見圖3-3。圖3-3 崩塌運(yùn)動軌跡示意圖摩擦系數(shù)，查圖4-6得摩擦系數(shù)為0.5；-坡面角，取30；則計(jì)算結(jié)果：=18.0 m/s （2）假設(shè)其作用在建筑物上的時間t=0.5s,其作用力為：F=mv/t=32.718.0/0.5=291.6KN （3） 從計(jì)算結(jié)果看，崩塌失穩(wěn)時，對坡腳處支擋結(jié)構(gòu)物的破壞的能量是巨大的。2穩(wěn)定性計(jì)算由于危巖帶上散布著大量的危巖塊，計(jì)算中僅選取有代表性危巖塊進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)危巖體的受力情況及最可能的破壞形式，對W5、W10破碎帶危巖體選用簡單的直線滑動進(jìn)行山體邊

12、坡計(jì)算評價；對W1、W3、W6危巖體選用楔形面滑動進(jìn)行山體邊坡計(jì)算評價；對W2、W7危巖體采用傾倒式模型進(jìn)行計(jì)算評價；對W4、W8、W9危巖體采用墜落式模型進(jìn)行計(jì)算評價。計(jì)算中選取相應(yīng)危巖帶有代表性的危巖塊進(jìn)行計(jì)算，并合理采用工況1（天然狀態(tài)）、工況2（暴雨?duì)顟B(tài)）、工況3（地震狀態(tài)）、工況4（暴雨+地震狀態(tài)）取其相應(yīng)的強(qiáng)度和重度進(jìn)行計(jì)算。（1）直線滑移式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算區(qū)內(nèi)W5、W10破碎帶危巖體邊坡選用簡單的直線滑動進(jìn)行山體邊坡計(jì)算評價。1）計(jì)算模型：據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性定性分析，危巖邊坡可能發(fā)生平面滑動破壞，往下形成崩塌，故采用平面破壞模式對危巖邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。滑動面為最靠坡外的裂縫底面或

13、者基巖與新崩塌堆積體的分界面?；剖竭吰路€(wěn)定性計(jì)算模型見圖3-4 ；圖3-4 直線滑移式斜坡計(jì)算示意圖2）計(jì)算公式為： 對工況、按下式計(jì)算：（4）式中：c后緣裂隙粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）；當(dāng)裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值按長度加權(quán)的加權(quán)平均值，未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值取巖石粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值的0.4 倍；后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（）；當(dāng)裂隙未貫通時，取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按長度加權(quán)的加權(quán)平均值，未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值取巖石內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的0.95 倍；滑面傾角（）；滑面長度（m）。W危巖體自重（kN/m）；V裂隙水壓力（kN/m），V =rw hw 2/2；hw裂隙充水高度（m）；對

14、工況、按下式計(jì)算：（5）Q地震力（kN/m），Q =W，其方向可視為水平；地震系數(shù)，本工程取0.05；其他符號意義同前。計(jì)算中各參數(shù)取值見表3-1。表3-1 滑移式危巖穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取表危巖編號W5W10自重W（KN/m）150135裂隙粘聚力c（kpa）286286裂隙充水高度hw（m）11裂隙水壓力V（kN/m）55地震力Q（KN/m）7.56.75滑面傾角（）3741滑面長度（m）0.40.4裂隙內(nèi)摩擦角（）4545（2）折線楔形面滑移式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算區(qū)內(nèi)W1、W3、W6危巖體邊坡選用折線楔形面滑移進(jìn)行山體邊坡計(jì)算評價。1）計(jì)算模型據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，危巖邊坡可能沿下部楔形面發(fā)生折線

15、式滑動破壞，脫離母巖形成崩塌，故采用折線楔形面滑移式邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算?；瑒用鏋槲r體下部的裂隙結(jié)構(gòu)面。折線楔形面滑移式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算模型見圖3-5；圖3-5 折線楔形面滑移式斜坡計(jì)算示意圖2）計(jì)算公式式中：式中：j第i塊段的剩余下滑力傳遞至第i+1塊段時的傳遞系數(shù)（j=i）， Wi第i條塊的重量（kN/m）；Ci第i條塊內(nèi)聚力（kPa）；i第i條塊內(nèi)摩擦角（）；Li第i條塊滑面長度（m）；i第i條塊滑面傾角（）；孔隙壓力比；RDi深透壓力產(chǎn)生的垂直滑面分力；TDi滲透壓力產(chǎn)生的平行滑面分力；A地震加速度（重力加速度g），本次計(jì)算取0.20g；Kj穩(wěn)定系數(shù)剩余下滑推力計(jì)算公式其中，傳遞系數(shù) 下

16、滑力 抗滑力 Pi第i條塊推力（kN/m）Pi-1第i條塊的剩余下滑力（kN/m）Wi第i條塊的重量（kN）Ci、i第i塊的內(nèi)聚力（kPa）及內(nèi)摩擦角（）Li第i條塊長度（m）ai第i塊的滑面傾角（）A地震加速度（重力加速度g）Ks設(shè)計(jì)安全系數(shù)計(jì)算中各參數(shù)取值見表3-2。表3-2 楔形面滑移式危巖穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取表危巖編號W1W3W6滑面寬度Bi(m)3.23.82.83.53.52.62.8滑面長度Li(m)21.81.51.521.62滑面傾角i()61308452318637地下水流向i()180180180180180180180內(nèi)聚力Ci(Kpa)51515151515151內(nèi)摩擦

17、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）傾倒式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算W2、W7危巖塊在定性分析基礎(chǔ)上采用傾倒式模型進(jìn)行計(jì)算評價1）計(jì)算模型：傾倒式危巖計(jì)算模型見圖3-6圖3-6 傾倒式危巖計(jì)算模型按單位寬度考慮，不考慮基座抗拉強(qiáng)度。取C點(diǎn)為傾覆點(diǎn)，為基座巖層中風(fēng)化外緣點(diǎn)。2）計(jì)算公式為：a.由后緣巖體抗拉強(qiáng)度

18、控制對工況、按下式計(jì)算： （6）式中：F危巖穩(wěn)定性系數(shù)；flk危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）；H危巖塊高度（m）；h 裂隙深度（m）；hw裂隙充水高度（m）； 后緣裂隙傾角（）；W危巖體自重（kN/m）；a 危巖自重作用點(diǎn)到傾覆點(diǎn)的水平距離（m）；V裂隙水壓力（kN/m），V =rw hw 2/2；Q地震力（kN/m），Q =W，其方向可視為水平；地震系數(shù)，本工程取0.1；ho地震力作用點(diǎn)到倒覆點(diǎn)的垂直距離（m）；由底部巖體抗拉強(qiáng)度控制 （7）式中：b后緣裂隙未貫通段下端到傾覆點(diǎn)之間的水平距離（m）；其它符號意義同前。計(jì)算中各參數(shù)取值見表3-3。表3-3 傾倒式危巖穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取表危巖編號

19、W2W7自重W（KN/m）121135危巖塊高度H（m）21.8裂隙深度h（m）21.8裂隙粘聚力c（kpa）1130011300抗拉強(qiáng)度flk（kpa）47004700裂隙充水高度hw（m）1.81.8自重點(diǎn)的平距a（m）0.20.12地震力點(diǎn)的垂距h0（m）00地震力Q（KN/m）6.056.75后緣裂隙傾角（）6186內(nèi)摩擦角（）4545地震系數(shù)0.10.1（4）墜落式邊坡穩(wěn)定性計(jì)算W4、W8、W9危巖體采用墜落式模型進(jìn)行計(jì)算評價1）計(jì)算模型：墜落式危巖計(jì)算模型見圖3-7圖3-7 墜落式危巖計(jì)算模型2）計(jì)算公式為：對工況、按下列二式計(jì)算，穩(wěn)定性系數(shù)取兩種計(jì)算結(jié)果中的較小值：（8）（9）式

20、中：危巖抗彎力矩計(jì)算系數(shù)，依據(jù)潛在破壞面形態(tài)取值，一般可取1/121/6，當(dāng)潛在破壞面為矩形時可取1/6；a0危巖體重心到潛在破壞面的水平距離（m）；b0危巖體重心到潛在破壞面形心的鉛垂距離（m）；危巖體抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kpa），根據(jù)巖石抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.20 的折減系數(shù)確定；c 危巖體粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值（kpa）；危巖體內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值（）。其它符號意義同前。計(jì)算中各參數(shù)取值見表3-4。表3-4 墜落式危巖穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)選取表危巖編號W4W8W9自重W（KN/m）1089494危巖塊高度H（m）21.51.5裂隙深度h（m）0.90.60.5粘聚力c（kpa）1030091008300抗拉強(qiáng)度flk（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內(nèi)摩擦角（）545454地震系數(shù)0.10.10.1注：計(jì)算參數(shù)的選擇系依據(jù)野外調(diào)查及結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果來綜合確定，根據(jù)邊坡規(guī)范，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值分析進(jìn)行取值3.3崩塌穩(wěn)定性綜合評價1危巖崩塌體穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)針對郭家?guī)r崩塌的危害對象和治理工程的重要性，參考國土資源部滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范DZ/T0219-2006中對工程分級，郭家?guī)r崩塌威脅53戶189人，威脅資產(chǎn)800萬元以上，對該崩塌的防治工程等級劃分為二級