崩塌山体变形破坏模式及稳定性分析Word文档下载推荐.docx
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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2-5W6危岩体滑面及裂隙照片2-6W3危岩体滑面及裂隙
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2-7W5危岩块上的破碎带照片2-8W10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(D1—D4)。
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,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R·
M·
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
Mgh=1/2mv2
根据地形剖面可计算出斜坡坡度β和碰撞时的切向速度Vt与法向速度Vn,即:
Vn=V•sinβVt=V•cosβ
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:
∑mg△hi=1/2m(Vi2-Vt2)+∑mgcosdi•tgΦ•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
Φ——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。
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:
(1)
m-滚石质量(kg);
g-重力加速度;
H-滚石降落高度;
μ-摩擦系数;
α-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:
则滚石速度v可用公式表示如下:
(2)
一般认为,坡面角α与摩擦系数μ可按图3-2所示线解图求解。
图3-2根据台阶坡面α确定摩擦系数μ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;
α-坡面角,取30°
;
则计算结果:
=18.0m/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=3×
2.7×
18.0/0.5=291.6KN(3)
从计算结果看,崩塌失稳时,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)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;
图3-4直线滑移式斜坡计算示意图
2)计算公式为:
对工况Ⅰ、Ⅱ按下式计算:
(4)
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,未贯通段粘聚力标准值取岩石粘聚力标准值的0.4倍;
φ—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;
α—滑面倾角(°
—滑面长度(m)。
W—危岩体自重(kN/m);
V—裂隙水压力(kN/m),V=rwhw2/2;
hw—裂隙充水高度(m);
对工况Ⅲ、Ⅳ按下式计算:
(5)
Q—地震力(kN/m),Q=ξW,其方向可视为水平;
ξ—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3-1。
表3-1滑移式危岩稳定性计算参数选取表
危岩编号
W5
W10
自重W(KN/m)
150
135
裂隙粘聚力c(kpa)
286
裂隙充水高度hw(m)
1
裂隙水压力V(kN/m)
5
地震力Q(KN/m)
7.5
6.75
滑面倾角α(°
)
37
41
滑面长度
(m)
0.4
裂隙内摩擦角φ(°
45
(2)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。
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
ψj—第i块段的剩余下滑力传递至第i+1块段时的传递系数(j=i),
Wi—第i条块的重量(kN/m);
Ci—第i条块内聚力(kPa);
Φi—第i条块内摩擦角(°
Li—第i条块滑面长度(m);
αi—第i条块滑面倾角(°
—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
其中,传递系数
下滑力
抗滑力
Pi—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、ψi—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
W1
W3
W6
滑面宽度Bi(m)
3.2
3.8
2.8
3.5
2.6
滑面长度Li(m)
2
1.8
1.5
1.6
滑面倾角αi(°
61
30
84
52
31
86
地下水流向βi(°
180
内聚力Ci(Kpa)
51
内摩擦角φi(°
滑面高度hi(m)
1.75
0.90
1.49
1.18
1.03
1.60
1.20
地下水高度hiw(m)
1.33
1.00
1.07
地震加速度A(g)
0.2
容重Wi(KN/m)
151.2
92.3
112.8
111.7
97.3
112.0
91.0
(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
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,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。
a.由后缘岩体抗拉强度控制
对工况Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ按下式计算:
(6)
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);
β—后缘裂隙倾角(°
a—危岩自重作用点到倾覆点的水平距离(m);
ξ—地震系数,本工程取0.1;
ho—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)
b—后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离(m);
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
W2
W7
121
危岩块高度H(m)
裂隙深度h(m)
11300
抗拉强度flk(kpa)
4700
自重点的平距a(m)
0.12
地震力点的垂距h0(m)
6.05
后缘裂隙倾角β(°
内摩擦角φ(°
地震系数ζ
0.1
(4)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
坠落式危岩计算模型见图3-7
图3-7坠落式危岩计算模型
对工况Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ按下列二式计算,稳定性系数取两种计算结果中的较小值:
(8)
(9)
ζ—危岩抗弯力矩计算系数,依据潜在破坏面形态取值,一般可取1/12~1/6,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);
—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—危岩体粘聚力标准值(kpa);
—危岩体内摩擦角标准值(°
)。
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
W4
W8
W9
108
94
0.9
0.6
0.5
粘聚力c(kpa)
10300
9100
8300
4800
4100
5.4
4.7
重心平距a0(m)
0.7
重心垂距b0(m)
0.75
54
注:
计算参数的选择系依据野外调查及结合试验结果来综合确定,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。
表3-5危岩体稳定状态评价表
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
F<
1.0
1≤F<
1.15
1.15≤F<
1.3
≥1.3
倾倒式危岩
1.25
1.25≤F<
≥1.5
坠落式危岩
1.35
1.35≤F<
≥1.6
2.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Ⅰ
工况Ⅱ
工况Ⅲ
工况Ⅳ
稳定系数
评价结果
楔形面滑动
1.47
1.27
1.21
1.06
倾倒
2.18
1.59
1.41
1.14
1.42
1.24
1.01
坠落
/
1.13
直线滑动
0.98
1.36
1.10
2.56
1.80
1.29
1.16
1.05
1.38
通过稳定性计算结果可知,大部分危岩体在Ⅰ工况下处于基本稳定或稳定状态;
在Ⅱ和Ⅲ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Ⅳ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。
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