墜落式危巖穩(wěn)定性計算方法的比較

周根郯，鄭立寧

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都610031； 2.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都610081)

危巖是主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，是地層組合、地貌特征、水動力特征、地震等綜合作用的結(jié)果。為了有效治理危巖，必須掌握每個危巖體的穩(wěn)定現(xiàn)狀。在軟硬巖層互層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，墜落式危巖是主要的失穩(wěn)破壞模式[1]、[2]。相關(guān)規(guī)范及文獻對墜落式危巖的計算方法不統(tǒng)一，傳統(tǒng)的計算方法存在不足。本文以首立山墜落式危巖為例，對墜落式危巖穩(wěn)定性計算方法進行對比，再根據(jù)對比結(jié)果，推薦合理的墜落式危巖穩(wěn)定性計算方法。

1 首立山危巖概況

首立山危巖位于四川省萬州市萬州區(qū)天城經(jīng)濟開發(fā)區(qū)棉花地居委會和都歷村兩個自然村內(nèi)。共有危巖體、帶145處，危巖總體積約85 883.33 m3。現(xiàn)狀處于欠穩(wěn)定～基本穩(wěn)定狀態(tài)，但在暴雨和地震工況下除有4處達到基本穩(wěn)定外，其他欠穩(wěn)定的有126處，處于不穩(wěn)定的有15處。危巖(帶)發(fā)育于砂巖構(gòu)成的各級陡崖上，分部高程在195～425.60 m，形態(tài)有柱狀、塊狀、長方體狀、蘑菇狀、扒殼狀等。規(guī)模大小不等，體積2.29～7 904.82m3，均屬小型危巖。調(diào)查表明，首立山危巖失穩(wěn)方式主要以墜落式危巖居多。危巖體主要由巨厚層狀、中粗粒長石石英砂巖構(gòu)成。危巖底部砂巖與底礫巖及夾層泥質(zhì)粉砂巖邊界處均發(fā)育有巖腔?；鶠槟鄮r與砂巖互層。危巖體陡崖以下居住人群密集，生產(chǎn)企業(yè)、公路行人較多；根據(jù)調(diào)查結(jié)果，危巖體一旦失穩(wěn)，將危及8 258人，造成可能經(jīng)濟損失約37 336萬元。

2 墜落式危巖穩(wěn)定性分析方法

墜落式也稱拉裂式崩塌，以懸臂梁形式突出的巖體，在后緣危險面上承受最大的彎矩和剪力，若層頂部受拉，底部受壓。在長期重力和風(fēng)化營力作用下，裂隙逐漸擴大，并向深處發(fā)展。拉應(yīng)力將越來越集中在尚未裂開的部位，一旦拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，上部懸出的巖體就會發(fā)生崩塌。

2.1 荷載計算

2.1.1 荷載類型

危巖體自重：可利用危巖體體積和天然重度的乘積計算。

孔隙水壓力：一般考慮裂隙靜水壓力。

地震力：一般考慮地震水平作用力，作用點為危巖體重心，為危巖體自重和水平地震系數(shù)的乘積[5]。

2.1.2 荷載組合

組合一：自重+裂隙水壓力(天然狀態(tài))

組合二：自重+裂隙水壓力+地震力(地震狀態(tài))

2.2 傳統(tǒng)計算方法

后緣有陡傾裂隙的墜落式危巖穩(wěn)定性計算如圖1所示[3]，計算公式如式(1)、式(2)。穩(wěn)定性系數(shù)取兩種計算結(jié)果中的較小值。

(1)

2)

圖1 墜落式危巖穩(wěn)定性分析

式中： ζ為危巖抗彎力矩計算系數(shù)，依據(jù)潛在破壞面形態(tài)取值，一般可取1/12～1/6，當(dāng)潛在破壞面為矩形時可取1/6；a0為危巖體重心到潛在破壞面的水平距離(m)；b0為危巖體重心到過潛在破壞面形心的鉛垂距離(m)；flk為危巖體抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)，根據(jù)巖石抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值乘以0.20的折減系數(shù)確定；c為危巖體黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；φ為危巖體內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；P為地震力(kN/m)；H為危巖體總高差(m)；h為危巖后緣裂隙垂直深度(m)；W為擬破壞危巖體所受重力(kN)。

2.3 改進計算方法

利用巖體沿后緣破裂面的剪切力與其抗剪強度之比值計算墜落式危巖的穩(wěn)定性系數(shù)[4]。危巖計算模型如圖2所示。改進后的墜落式危巖的穩(wěn)定性計算公式見式(3)。

(3)

圖2 墜落式危巖穩(wěn)定性分析改進方法

式中：β為危巖體后緣裂隙傾角(°)；Q為后緣裂隙水壓力(kN)。其它符號同前。

3 首立山墜落式危巖穩(wěn)定性計算

選取了9組墜落式危巖進行穩(wěn)定性分析，現(xiàn)以典型的AW18為例來說明，見圖3。AW18發(fā)育于切向坡，崩塌體體積為36 m3，破壞方式為墜落式。主要發(fā)育有兩組裂隙：一組傾向與邊坡坡向小角度相交，傾角與坡角相近，是影響危巖穩(wěn)定性的主要結(jié)構(gòu)面；另一組與邊坡大角度相交，與前者共同作用將巖體分為塊狀，是影響危巖穩(wěn)定性的次要結(jié)構(gòu)面。危巖底部基座為泥巖，巖腔發(fā)育。

圖3 AW18危巖實測剖面

計算時分別考慮了“自重”、“自重+地震”兩種不同工況。重慶三峽庫區(qū)為地震六度區(qū)，取水平地震系數(shù)為0.0125。危巖幾何參數(shù)如表1所示。此外，巖體黏聚力為948.0 kPa，巖體內(nèi)摩擦角為37.6，巖體抗拉強度為438.0 kPa，結(jié)構(gòu)面黏聚力為20.0 kPa，結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角為12.0。危巖穩(wěn)定性計算結(jié)果如表2所示。

表1 穩(wěn)定性計算幾何參數(shù)表

表2 穩(wěn)定性計算結(jié)果表

4 結(jié)論

(1)墜落型危巖體穩(wěn)定性計算時，利用式(1)和式(3)的 結(jié)果較為接近，但都比利用式(2)的計算結(jié)果大。

(2)式(2)利用巖石抗拉強度計算危巖穩(wěn)定性，而巖石抗拉強度較難直接獲取且誤差較大，加之巖體抗拉強度受孔隙和裂隙面影響較大，應(yīng)盡量避免直接使用巖石的抗拉強度進行危巖穩(wěn)定性評價。在危巖防治設(shè)計中，僅可參考使用。

(3)式(1)由于未考慮裂隙面抗剪強度對危巖穩(wěn)定性的影響，且假定巖體將沿鉛垂面剪切破壞，使計算結(jié)果值不合理。而式(3)中考慮了破裂結(jié)構(gòu)面和未破裂部分巖體的抗剪強度對危巖穩(wěn)定性的影響，且假定了巖體將沿破裂面延伸方向剪切破壞，更符合實際情況。

[1] 曾康.崩塌與防治[M].西南交通大學(xué)出版社,1990

[2] 譚鳳靈.崩坍落石病害的防治[J].路基工程,1998，(3)

[3] DB 50/143-2003地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范[S]

[4] 陳洪凱,唐紅梅,王蓉.三峽庫區(qū)危巖穩(wěn)定性計算方法及應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23 (4)

[5] 王林峰,陳洪凱,唐紅梅,等. 地震作用下墜落式危巖穩(wěn)定性分析[J]. 地下空間工程學(xué)報,2013,9(5)