（水工结构工程专业论文）危岩发育链式机理研究.pdf

一一 塑垩 摘要 危岩是三峡库区和我国西部地区重要的地质灾害之一，迄今研究程度较低。 在危岩系统的研究体系中，发育机理是关键，但目前仅停留在个体危岩失稳机理 研究的层次，缺乏宏观意识。本文在国家科技攻关项目和教育部访问学者基会“危 岩发育机理研究”的资助下，对危岩发育链式机理进行了初步研究，主要结论包 括： ( 1 ) 根据危岩体破坏模式、受力机理以及边界条件，分别构建弯剪型危岩和 层断型危岩试验模型，并设计实验方案和实施实验操作。 ( 2 ) 分析两种坠落式危岩试验成果，得到了模型试件破坏规律，从模型实验 的角度揭示危岩发育从下到上逐渐发育的微观链式规律。 ( 3 ) 根据弯剪型危岩模型各层试件所处边界条件的差异，运用弹性力学解析 方法求解各层试件应力分布函数，得出了弯剪型危岩在发育过程中从下到上应力 状态劣化程度逐渐减小的规律。通过与模型试验的相关性分析，校证了该理论方 法是f 确可靠的。 ( 4 ) 根据层断型危岩的不同破坏阶段，运用差分法求得了模型各个阶段的应 力分量，通过对比分析，得出了层断坠落式危岩在发育过程中从下到上应力状态 劣化程度逐渐减小的规律。 ( 5 ) 运用损伤力学、断裂力学的方法，结合危岩体在发育过程中的应力状念 变化规律，探讨了损伤交量和应力强度因子的求解，建立了危岩失稳判据，揭示 危岩发育从下到上的链式规律。通过与模型试验的对比分析，校核该理论分析方 法的可靠性性。 ( 6 ) 运用a d i n a 数值模拟软件对两种坠落式危岩模型试验进行了模拟，校f 了理论分析的可靠性，建立了正确的数值模拟方法。在此基础上，对危岩发育过 程进行了数值拟合，校核了模型试验的合理性，重现危岩体在下部岩腔形成的历 史过程巾岩体的应力变化规律，揭示危岩体的垂直发育链式规律。并运用本论文 的知识，分析了红岩村危岩发育竖向从下到上，横向溯源推进的链式发育的历史 过程。 危岩发育链式机理研究是一个全新的领域，本文揭示了危岩群发规律，对危 岩发育机理的认识和工程防治理念都将产生深远的影响。 关键词：弯剪型危岩，层断型危岩，发育机理，模型试验，链式机理，应力函数， 应力强度因子，损伤变量，数值模拟 本文得国家科技部重点科技攻关项目( 2 0 0 4 b a 9 0 1 a 0 2 ) 和教育部访闷学者基金资助。 堡墨 a b s t r a c t u n s t a b l er o c ki so n e i m p o r t a n td i s a s t e ri nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r u pt on o 、m r e s e a r c h0 1 1u n s t a b l er o c ki ss t i l lw e a ka n d c o n t r o l l i n gt e c h n i q u ei nt h er e s e a r c hs y s t e m o ft h eu n s t a b l er o c ks y s t e m ，o n l ys t a y e da r o u n dt h ei n d i v i d u a lu n s t a b l er o c kl o s et h e s t e a d ym e c h a n i s mr e s e a r c h ，b u tl a c kf o rm a c r o s c o p i cc o n s c i o u s n e s s u n d e r u n s t a b l e r o c kg r o w t hm e c h a n i s mr e s e a r c h o ft h en a t i o n a ls c i e n c e - t e c h n o l o g yi t e r na n dt h ev i s i t s s c h o l a r sf u n do f m i n i s t r yo f e d u c a t i o ni t e ma i d i n g ，t h i sp a p e rp r e l i m i n a r i l yr e s e a r c h b o n dm e c h a n i s mf o ru n s t a b l er o c kt od e v e l o pi nt h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i r ，t h em a i n c o n c l u s i o ni n c l u d e s ： ( 1 ) b a s e do i lt h ed e s t r o y i n gm o d e ，m e c h a n i c sm e c h a n i s m ，a n db o u n d a r yc o n d i t i o n ， r e s p e c t i v e l y b u i l db e n d s e v e rf a l lu n s t a b l er o c ka n dl a y e r - s e v e rf a l lu n s t a b l er o c k e x p e r i m e n t a lm o d e l ，d e s i g ne x p e r i m e n t a lp r o j e c t ，a n dp r a c t i c ee x p e r i m e n tp r o c e s s ( 2 ) a n a l y z i n gt w ot y p e so ff a l l u n s t a b l er o c ke x p e r i m e n t a l r e s u l t ，e x p l o r et h e m o d e le x p e r i m e n t a t i o nb r e a k i n gm g u l m i o n ，f i n do u tt h et i n yv i e wb o n dr e g u l m i o nt h a t t h eu n s t a b l er o c kg r a d u a l l yd e v e l o pf r o mb o a o mt ot o pf r o mt h em o d e le x p e r i m e n t 。 ( 3 ) f r o mt h eb o u n d a r yc o n d i t i o no fr e s p e c t i v e l yt e r r a n ei nt h eb e n d s e v e rf a l l i n g u n s t e a d yr o c k ，a p p l ye l a s t i c i t y m e c h a n i c sa n a l y z et h e i rs t r e s sd i s t r i b u t i n gf u n d t i o n ， e d u c et h er u l et h a tt h eb e n d s e v e rf a l l i n g u n s t e a d y r o c k ss t r e s ss t a t e g r a d u a l l y d e t e r i o r a t ef r o mb o t t o mt ot o p a n dv e r i f yw h e t h e rt h et h e o r yi sc o r r e c to rn o tt h o u g h r e l a t i v i t ya n a l y s i sw i t h m o d e lt e s tc o n c l u s i o n ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n ts t a g ei nt h el a y e r - s e v e rf a l lu n s t a b l er o c kb r e a k a g e p r o c e s s ，m a k eu s eo f t h ed i f f e r e n c em e t h o da n a l y z et h e i rs t r e s ss t a t e s i ne a c hs t a g e s ， e d u c et h er u l e t h a tt h e l a y e r s e v e rf a l l i n gu n s t e a d y r o c k ss t r e s ss t a t e g r a d u a l l y d e t e r i o r a t ef r o mb o t t o mt ot o p ( 5 ) a p p l yd a m a g em e c h a n i c sa n df r a c t u r em e c h a n i c s ，c o m b i n e dw i t hc h a n g eo f s t r e s ss t a t e so ft h eu n s t a b l er o c ki nd e v e l o p m e n tp r o c e s s ，s t u d yt h es o l u t i o no ft h e d a m a g e v a r i a b l ea n dt h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , e s t a b l i s h i n gt h eu n s t a b l er o c k sc r i t e r i o n ， e d u c et h eb o n dr u l et h a tt h ef a l l i n gu n s t e a d yr o c kg r a d u a l l yd e t e r i o r a t ed e v e l o pf r o m b o t t o mt ot o p a n dv e r i f yw h e t h e rt h et h e o r yi sc o r r e c to rn o tt h o u g hr e l a t i v i t ya n a l y s i s w i t hm o d e lt e s tc o n c l u s i o n ( 6 ) u s i n ga d i n as o f t w a r e ，t h ea u t h o ri m i t a t e s t h et w ok i n d so ff a l l i n gr o c k m o d e le x p e r i m e n tc o r r e c t i n gt h et h e o r i e sa n a l y s e sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n a f t e rt h a t i m i t a t et h eu n s t a b l er o c kd e v e l o p i n gp r o c e s s ，v e i l f yw h e t h e r t h em o d e lt e s ti sc o r r e c to r n o t ，a n dr e a p p e a r i n gt h eu n s t a b l e r o c k ss t r e s s e sc h a n g em l e si nt h eh i s t o r yp r o c e s so f t h eb o t t o mc a v i t yf o r m a t i o n ，c o n c l u d et h a tu n s t a b l er o c k sb o n dd e v e l o p m e n tr e g u l a t i o n i nt h ed e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n a n dm a k eu s eo f t h ek n o w l e d g eo ft h i st h e s i s ，a n a l y z e 摘要 t h eh i s t o r yb o n dr e g u l a t i o no f t h eu n s t a b l er o c ki nt h er e dr o c k v i l l a g ed e v e l o p i n g f r o m b o t t o mt ot o pi nt h ep e r p e n d i c u l a rd i r e c t i o n ，t r a c et oo r i g i n si nh o r i z o n t a ld i r e c t i o n r e s e a r c ho nb o n dm e c h a n i s mf o ru n s t a b l er o c kt od e v e l o pi san e wr e a l m ，t h e p a p e rp o i n tt o t h eu n s t a b l er o c k sg r o wr e g u l a t i o ni n g r o u p s ，w i l ld e e p l yi n f l u e n c e c o g n i t i o no fd e v e l o p m e n tm e c h a n i s ma n dp r i n c i p l eo fe n g i n e e r i n gc o n t r o l a b o u tt h e i7 n s t a b l er o c k s k e yw o r d s ：b e n d s e v e rf a l lu n s t a b l er o c k ，l a y e r s e v e rf a l lu n s t a b l er o c k ，d e v e l o p i n g m e c h a n i s m ，m o d e le x p e r i m e n t a t i o n ，b o n dm e c h a n i s m ，s t r e s sd i s t r i b u t i n gf u n c t i o n ， d a m a g ev a r i a b l e ，s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 重庆交通学院学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：易j l i p 噬 同期：缈，年弓月7 同 重庆交通学院学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向圜家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借测。本人授权 重庆交通学院可咀将本学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曲。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名易 f f 期：彬碑；月可日 指导教师签名 毳 只 畹夕 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 危岩( u n s t a b l e r o c k ) 是山区常见的自然地质灾害。一般为高陡边坡或悬崖峭 壁由多组岩体结构面切割而成的，在地表风化作用、卸荷作用、重力、地震、水体 等诱发因素作用下处于不稳定、欠稳定或极限平衡状态的坚硬类岩石，岩体失去 稳定平衡，在重力作用下突然下坠，形成崩塌【l - 8 l 。 危岩有几个比较显著的特点 4 , 9 - 1 3 】：( 1 ) 发生突然，可预测性差，防不胜防：( 2 ) 岩块运动速度快；( 3 ) 岩块在运动过程中有翻倒、跳跃、滚动、滑动、坠落、相 互撞击等运动形式，其整体性遭到完全破坏；( 4 ) 垂直位移大于水平位移。它是 多种因子耦合作用的产物。常常造成阻断交通，击毁桥梁，破坏人民生命财产等 灾害性事件发生，给人民生活造成很大的威胁。 我国是一个危岩分布较多的国家，在西南、西北的山地多，特别是长江三峡 库区和云南的横断山区，危岩灾害频频发生。就贵州省来说，由于该省是碳酸盐 岩螭硬岩类广斫i 的山区，据不完全统计，全省2 0 余年来发生崩塌在1 2 0 处以上， 有文字记载者6 2 处，造成灾害者有2 8 处之多。崩塌的规模大小不一，小者仅l o o m ， 大者达1 0 0 力_ m 。在人口密集的三峡库区，区内各城、镇大小危岩共约1 5 0 0 力方， 仅_ ；_ 三峡库区腹部的万州城区的太白岩存在危岩体2 0 0 余个、天生城周边3 0 0 余个， 单个体积小的l m 3 左右，大的可及8 0 0 0 i i l = ，近年来常造成厂矿设备被毁，人员伤亡 等灾害事故，严重影响了分布该斜坡地带军队、医院、学校、广播电视局( 台) 、 工厂、粮库等企事业单位的安全，直接经济损失高达数亿元，同时也给民众产生 极大心理压力与恐慌，影响社会安定。严重危害到人民的生命财产安全。交通及 运输部门也深受其害，危岩发生的规模虽不如滑坡规模大，但它们发生的处所多， 频率高，防不胜防。交通运营线上的大规模突然发生崩落的岩体，常造成行车损 坏、人身伤亡、交通堵塞、掩埋路基、摧毁线路设施等事故发生。据统计，全国 铁路沿线每年均发生崩塌落石达数千处，危害严重且普遍，是山区运营之一大敌； 公路、矿山和河岸等边坡工程也有大量崩塌落石发生，危害极大。1 1 2 , 1 4 - 1 9 1 自2 0 世纪中期以来，铁路部门对铁路沿线的危岩给予了高度重视，在危岩的 特性、发育环境、防治措旌等方面积累了丰富的资料和经验。她质、国土及相关 科研单位在区域性地质灾害研究中也取得了较多实用性成果，尤其是对长江三峡 链子崖危岩体的研究是国内的典范，从地质环境、模型试验、数值模拟及防治技 术等方面进行大量深入地研究。 目前虽然有很多对危岩发育机理的研究，但大多数是从微观、或从个体的角 篁二童堡笙 ：! ： 度柬研究，缺乏对危岩群、危岩带的研究，从目前或某一阶段的研究，缺乏危岩 发育的宏观规律的研究，事实表明，危岩发育不仅具有区域群类的特点，还具有 时间规律性，具有链式发育的规律。随着三峡蓄水，沿江城镇建设的飞速发展， 如不深入认识危岩的发育规律并予以妥善治理，危岩危害必将成为制约区域发展 的一个不利因素。因此充分认识和运用这些规律，是三峡库区危岩地质灾害治理 首当其冲的问题。 1 2 危岩的分类及影响因素 1 2 1 危岩的分类 危岩的崩塌落石都是山区高陡边坡常见的现象。从地质灾害的、工程地质的 角度出发，陈洪凯1 1 - $ 等人把危岩定义为由岩体发育而来，是多组岩体结构面组合 而构成，在地质构造应力、地表风化作用、卸荷作用、重力、地震、水体等诱发 因素作用下处于不稳定、欠稳定或极限平衡状态的岩体。 划危岩的分类，国内早在1 9 6 3 年北京地质学院编的工程地质学一书中， 引用了铁道部宝成线总结资料，按崩塌发生的原因把崩塌分为：断层崩塌，节理 裂隙崩塌，风化碎石崩塌和硬软岩层接触带崩塌。1 9 7 5 年铁道部第一设计院在铁 路工程地质手册中把危岩崩落分为：崩塌、坠石和剥落，并说明了其形成条件。 胡厚阳在崩塌与落石书中按危岩崩落的发展模式把危岩分为倾倒式崩塌、 滑塌式崩塌、鼓胀式崩塌、拉裂式崩塌和错断式崩塌。 英国的p b a t t e w e l l 等，引用m a c a r s o n 等的资料把岩石斜坡不稳定性进行 地貌分类，分为：板块状破坏，岩石崩落和岩石剥落。e h o e k 等把有滑面的崩落 按滑面的形状分为：平面破坏，楔形破坏，弧形破坏。对于岩石的崩落，他们又 把它详细分为：弯曲倾倒破坏、块状倾倒破坏，块状弯曲倾倒破坏。 陈洪凯等在总结前人成果的基础上，从崩塌发生的力学机制和破坏形态及运 动模式等几个方面将危岩体分为坠落式、滑塌式和倾倒式三种类型【i ”。 ( 1 ) 坠落式危岩 坠落式危岩下部受结构面切割脱离母岩，上部及与后部母岩的尚未完全脱离， 如图1 1 所示。危岩体底部临空，其原因是由于下部软岩的快速风化而成岩腔，或 者由先期危岩体崩落后的渐进发育。虽然这种危岩体主要是由于岩体自重导致的 剪切破坏，与滑塌式危岩不同的是坠落式危岩没有基座部分提供的抗剪作用力。 ( 2 ) 滑塌式危岩 滑塌式危岩的危岩体后部存在与边坡倾斜一致的、贯通或断续贯通的破裂面， 倾角较缓，破裂面的剪出部位多数出现在陡崖，也可能出现在危岩体基座岩土体 中，危岩体沿着破坏面滑移失稳( 图1 2 ) ，失稳是抗剪强度不足所致。 篓二童堑堡 ：! ： ( 3 ) 倾倒式危岩 倾倒式危岩后部存在与边坡坡向一致的陡倾角贯通或断续贯通的破坏恧，危 惫强墓 圈ft 坠落式怠岩图f 2 滑塌式危岩图13 倾倒式危岩 岩体底部局部临空，危岩体重心多数情况下出现在基座临空支点外侧，危岩体可 能沿着支点向临空方向倾倒破坏( 图1 3 ) 。倾倒式危岩的破坏源于倾覆力矩大于 抗倾力矩。如果这种类型的危岩体的基座是软弱岩层，还可能岩体自重压碎基座 而支点内移，使倾覆力矩增大，故计算这种危岩体稳定性时，应将转动支点取在 危岩基座上的中风化层。 1 2 2 危岩形成的影响因素 软硬相问的地层组合是形成危岩的主要地层组合特征，陡峻的地形是危岩发 育的地貌特征，大量存在的岩体结构面是危岩发育的地质构造特征，裂隙水及地 震力等是危岩发育的动力因子。综合这些因素，可归纳为地形地貌条件、地层岩 性条件、地质构造条件、降水和地下水因素和其他因素的影响1 2 - 5 3 2 。 ( 1 ) 地形地貌因素 陡峻的斜坡地形是崩塌落石形成的必要条件。发生崩塌落石的陡峻斜坡，通 常是海、湖、河谷或冲沟的岸坡，陡峻山坡及人工陡边坡。其坡形可能是直线坡、 凸形坡、凹形坡、阶梯坡，只要其他条件具备，都可能发生落石。此外，陡边坡 的高度对崩塌落石的形成，也有明显的影响，一般高度越大越容易发生崩塌落石， 同时边坡的高度越大，崩塌落石的规模和强度也越大。 从地貌上看，危岩的发育具有明显的规律性：1 ) 陡峻的峡谷常发生崩塌落石 的地段；2 ) 山区河曲凹岸也是危岩发生比较集中的地方；3 ) 冲沟岸坡、山坡陡 崖常有不稳定危岩。 ( 2 ) 地层岩性因素 岩性对岩质边坡的崩塌落石的控制作用是明显的。在宝成线宝上段( 宝鸡一 上西坝) 的1 0 0 个崩塌落石工点的岩性进行了统计，其结果如表1 1 所示。通过对 比分析，发现花岗岩、灰岩、砾岩、辉长岩、辉绿岩、厚板岩等块状、厚层状的 第一章绪论 表1 1 崩塌落石统计表 灰岩、砾辉长岩、辉 花岗岩 厚板岩千枚岩页岩 岩、砂岩绿岩 崩塌落ii ：点数 3 93 81 164 2 自分比( ) 3 93 81 1642 峰硬的或较峰硬的脆性岩石可以构成较陡的边坡，且其构造节理较发育，适于崩 塌落石发生。相反，属于较软的柔性岩石，千枚岩和页岩的崩塌落石较少发生。 ( 3 ) 地质构造因素 地质构造对岩质边坡崩塌落石分布的控制作用主要表现在以下几个方面i 】刮： 1 ) 强烈弯曲的背斜核部，由于岩层受张，在垂直岩层方向会发育大量张节理，使 岩层破碎。此外，在多次地质构造作用和风化作用的影响下，破碎岩石是往往会 产生一定的位移，从而形成潜在崩落体，在适当的条件下就会形成各种类型的崩 塌落石：处于向斜核部的岩层受挤压作用，褶皱强烈时，核部岩层也会折断，并 产生一系列压张裂隙，条件适当也会产生大型崩塌落石。2 ) 断层带岩石十分破研 ， 大小岩块为崩塌落石提供必要物质条件。同时，断层破碎带常是地下水渗流的通 道，致使岩体强度降低，是危岩产生的又一诱发因子。3 ) 褶皱两翼岩层呈单斜状， 在岩层j i i n 顷的高陡边坡易于产生滑移式崩塌。4 ) 沿构造节理产生的崩塌落石较多。 节理缝以上的岩体稳定情况与节理的倾角大小有关，还在很大程度上受节理充填 物的影响。如果节理缝中充填粘土或其他易受水浸润而软化的矿物，则更易于崩 塌落石。 ( 4 ) 降雨和地下水对危岩的影响 降阿对崩塌落石的影响非常大，常有“大雨大塌，小雨小塌，无商不塌”之 说i ”i 。崩塌落石有8 0 发生在雨季，且连续降雨时间越长，暴雨强度越大所发生 的次数越多。降雨对崩塌落石的作用常通过地下水来实现的，地下水对不稳定岩 体的作用主要有：1 ) 充满裂隙中的水及其流动，对不稳定岩体产生静水压力和动 水压力；2 ) 充满裂隙的水对不稳定岩体产生p j j ：的浮托力；3 ) 裂隙和其他结构 面中的充填物在水的浸泡下，其抗剪强度大大降低；4 ) 充满不稳定岩体两侧裂隙 中的水，使刁i 稳定岩体与稳定岩体之间的侧向摩擦力减小。 ( 5 ) 其它因素对危岩的影响 地燧和列车产生的震动也是致使危岩发生的因素之一。坚硬岩石的风化作用，边坡上的 4 i 同岩层的著异性风化，边坡植被的根劈作用以及人为因素等也会对崩塌落j i 的形成产生重 要影响。 第一章绪论 1 3 单体危岩研究现状 危岩体为复杂的地质体，其失稳破坏的影响因素繁多，很难用某种理论对其稳 定性进行准确的评价。国内外不同领域的研究人员纷纷从不同角度角度研究危岩 的稳定性评价方法。大体可以分为宏观方面和从微观方面两个方面。 宏观方面的研究比较早，研究方法比较多。主要有五大类：静力解析法、块体 理论、数值分析法、可靠度分析法、系统辨识法和人工神经网络法等。 微观方面的研究始于二十世纪五、六十年代，断裂、损伤力学在金属材料中的 成功运用吸引了很多岩土工程的研究者，他们力图把断裂、损伤力学推广运用到 岩石和混凝土材料构件，在过去几十年里，进行了大量有成效的探索研究。但要 把它们进一步推广到危岩的稳定性判别还有许多问题诸如岩体微观裂纹的形成， 危岩起裂后裂纹的发展方向等尚未解决，因此这也就成为许多研究者的研究方向。 ( 1 ) 静力解析法 静力解析法是根据危岩破坏模式建立物理模型( 大多为二维模型) ，然后运用 刚体静力平衡原理求解危岩的稳定系数，这种方法简单可行，概念明确，在实际 工程中得到了广泛的应用。在三峡库区危岩防治工程的实践中，陈洪凯等人分析 了作用在危岩体上的荷载主要包括危岩体自重、主控裂隙面充水后产生的裂隙水 压力及地震力2 。5 l ，构成三种荷载组合类型：组合一、自重+ 裂隙水压力( 天然状态) ： 组合_ 二、自重+ 裂隙水压力( 暴雨) ：组合三、自重+ 裂隙水压力( 天然状念) + 地震力。 三种荷载组合中，坠落式危岩可不考虑组合二，而倾倒式危岩则可不考虑组合一 4 5 】。并运用刚体极限平衡理论，建立了一整套危岩稳定性计算方法，介绍如下 l l 一71 7 , 1 8 1 图14 坠落式危岩 计算模型 图1 5 滑塌式危岩 计算模型 ( a ) 坠落武危岩稳定性计算方法 稳定性计算模型见图1 4 ，按单位长度考虑， 定系数计算式对于荷载组合一和组合二为 彪= 盟塑w s i 等n 丝3 口 图1 6 倾倒式危岩 计算模型 不考虑地下水作用。危岩体的稳 fh_j 第一章绪论 对于荷载组合三为 k ：= c h + w 、( 0 ，5 s 。i n 2 , 8 ，- , 。u 。s i n 2 , 8 ) t g 伊 w ( s i n2 口+ 0 5 f s i n 2 p ) ( b ) 滑塌式危岩稳定性计算方法 稳定性计算模型见图1 5 ，按单位长度考虑。 ( 1 2 ) 危岩体稳定系数计算式为 ( 1 3 ) ( c ) 倾倒式危岩稳定性计算方法 稳定性计算模型见图1 6 ，按单位长度考虑，不考虑危岩体基座的抗拉强度。 令c 点为危岩体的倾覆点，为基座岩层中风化外缘点。 m m ：+ 4 ，q ( 1 4 ) ：坠 m “ 式中，单位长危岩体重力( k n ) ； 日危岩体高度( m ) ； 口破裂面倾角( 。) ； p ：w 水平地震系数： c o妒。分别为危岩体的粘聚力和内摩擦角( k p a 、。) ； “ 妒分别为结构面的粘聚力和内摩擦角( k p a 、。) ； c 、妒分别为破裂面的等效粘聚力和内摩擦角； 。：h - e ) c o + e c i ，口：堕二! k 缉 hh p 裂隙深度( m ) ； p 裂隙中静水压力( k n ) ： e 裂隙充水深度( m h 邙一重力作用点距倾覆点的水平距离( m ) ； 玩地震力距倾覆点的垂直距离( m ) ； ( 1 5 ) ( 1 6 ) 器一塑刚肛万 衲一 凡面胪可 | 宝 一 一 第一章绪论 b ，】危岩体抗拉强度标准值( k p a ) 。 由于该体系思路清晰，理论浅显易懂，便于掌握和操作，已经在三峡库区危岩 防治工程中得到广泛的应用，取得了显著的成效。 ( 2 ) 块体理论分析方法 块体理论是近年来发展和完善起来的一种节理岩体稳定性分析方法。该理论 茸先假定结构面和其他边界面为空间平面且贯穿所研究的岩体，结构体为冈0 性凸 体1 2 】_ ，岩体的失稳是岩体在各种荷载作用下沿着结构面产生剪切滑移，各种荷 载为空间向量，进而应用几何( 拓朴学和集合学) 详尽研究了在已知个空间平面 的条件下，岩体内将构成多少种块体类型及其可动性，并给予严格的数学证明。 然后通过简单的静力计算，求出各类失稳块体的滑动力，以做为工程加固措施的 设计依据。块体理论虽然问世不久，但很快以它宣明的特点和实用性在岩石力学 研究领域罩独树一帜，并得到国际岩石力学界普遍赞誉和推崇。但由于其在寻求 关键块体时使用的是赤平投影法，因此研究结果既不能给出块体的位移，也不能 给出块体界面上的应力分布，它仍是一种几何分析方法。我国学者石根华在这方 面做了大量的工作并取得了很大的进展，解决了块体系统严格满足不侵入和无拉 仲条件下的运动形态，以及系统中块体大位移、大变形的准确解。 ( 3 ) 数值模拟计算方法 8 0 年代以来，由于计算机技术的发展，使一系列数值分析手段诸如有限差分 法、有限单元法、边界元法、离散元法和边界元法等得以广泛而成功的应用h ，2 “。 有限差分法是将问题的求解区域划分成网格，在网格的节点上定义求解的未知 量，然后用差分近似微分把微分方程变换成差分方程。因此有限差分法是通过数 学上的近似，把求解微分方程的问题转变成求解差分网格点上的未知量的代数方 程组问题。 有限元法在岩石边坡稳定分析中的应用十分广泛，其实质是将等效连续介质和 主要的不连续面离散化为有限单元，对不同单元规定表述其形状的参数，将单元 集合体作为整个系统求解应力和位移，得到的应力场、应变场和位移场，非常直 观地模拟边坡变形破坏过程。数值方法适用于分析边坡工程的分步丌挖，边坡岩 土体- 与j j n 同结构的相互作用，地下水渗流，爆破和地震等因素对边坡稳定性的影 响，能依据岩土体的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域，分析边坡的累进 性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。有限元应用于危岩稳定性分析的难。点在 于如何选择含有众多结构面的岩体的等效强度参数，以及对厚度较小的但对边坡 稳定性起控制作用的大型结构面的处理。该法适用性强，效能较高，但对数据准 备工作量大，计算机时长。 第一章绪论 1 9 7 1 年c u n d u l l 最先提出了离散元作为不连续介质模型【2 2 】，主要用于模拟岩石 边坡渐进性破坏。这种方法采用动态松弛法求解牛顿运动方程，以确定当不连续 介质发生大变形时单元阃的力和单元之间的位移。王泳嘉改进了该模型，将有限 元中的杆单元与c u n d u l l 离散元耦合起来，以便研究单元之间可能产生拉应力破坏 的情况，用于分析介质由连续到破坏的过程。离散元主要用于模拟岩石边坡的渐 进破坏，对于那些有可能失稳但目前暂时稳定的岩石边坡，使用离散元首先必须 输入包括阻尼在内的大量参数，其次必须花费大量的动态求解机时，在一定程度 上限制了其使用范围。 另外，随着数值分析方法不断发展，出现了不同数值方法的相互耦合，如有限 元、边界元、无限元、离散元与块体元的相互耦合数值解和解析解的结合，以及 非确定性的数值方法，如随机有限元、模糊有限元、概率数值分析等方法。这些 方法的耦合能够充分发挥各自的特长，解决复杂的岩土工程问题。 岩体变形破坏过程非常复杂，建立合理的计算模型和准确的计算参数取值使其 客观描述岩体特征是数值、计算是否合理的关键，但目前为止，数值计算模型仍在 不断完善中，而且已经建立的模型还不具备普遍适用性。此外，数值计算工作量 大，还处于研究阶段，推广到实际工程应用还有一定困难。 ( 4 ) 可靠度法 与结构工程相比，岩体介质的性质十分复杂，人们对影响其性质的因素的认识 还很不充分，因此往往需要比较大的安全储备来对付可能发生的偏差。显然，传 统的安全系数方法存在着一些难以克服的缺点，而结构可靠度分析方法在一定程 度上弥补了这些不足，这一点已引起了人们的共识。近年来，研究者们也纷纷丌 展了这方面的研究，大体包括三个方面的内容【4 ，2 2 】：1 ) 分析影响边坡稳定性的主 要因素( 如滑面的抗剪强度、荷载等) 的概率分布规律；2 ) 通过建立状态方程( 物 理力学模型) ，分析各影响因素对稳定性的影响程度或敏感性，并预测边坡在某些 条件下的破坏概率或可靠性；3 ) 在上述基础上进行设计施工。 由于危岩的复杂性，所能取得的原始资料十分有限，用可靠度方法分析危岩 体稳定性所要确定影响危岩稳定的因素的概率分布规律是极其困难的。其次是功 能函数的建立和概率尺度的确定。谢全敏( 1 9 9 8 ) 运用蒙特卡罗边界法分析危岩 稳定性9 1 ，这种方法是通过求解岩体破坏概率来评价其稳定性，实际上相当于计算 边界上点( x ，x ：) 处基本随机变量毛的概率分布函数的均值，这样可免去对控 制危岩体的基本随机变量五的抽样，具有较小的方差。该方法建立了直接坠落、 沿单面滑动和沿双面滑动三种破坏的功能豳数，并根据g g m e y e r h o f 年1 1 d i e t e r d g e n s k e 等人的观点，岩体结构边坡破坏概率为大于1 一1 。 可靠度分析最先应用于土木结构工程之中，而对岩土工程领域，虽然有不少 一蔓二童堕堡 ：! ： 学者做了大量的研究工作，也取得了很大的成就，但用一种规范性的危岩破坏尺 度来衡量其稳定还需进一步的研究。但是考虑边坡各种影响因素的影响，用可靠 性分析来评价边坡边坡的稳定性，必将成为危岩研究的发展趋势之一。 ( 5 ) 物理模拟 物理模拟是按照一定的相似准则采用模拟实验观测的方法来了解原型结构物 的受力和变形状态阻2 2 1 。在计算机数值方法以前，这种方法在物理、力学和其他 工程学科中应用是十分广泛的。由于专家们经过长期的研究，已经在理论、模型 材料、实验设备与技术等方面积累了相当丰富的经验，取得了一些显著的成果。 物理模拟在数值模拟广泛应用的情况下仍然有它的用武之地。数值模拟的准确 性要求了解岩体或岩石的本构关系，本构关系中又需要确定岩体的本构参数，本 构参数的确定有赖于物理模拟实验，同时对于复杂的三维地质体问题数值模拟也 面临着许多困难。在物理模拟中，如能合理地确定相似律参数，选择相应的模拟 材料，做好模型实验，则可以得到较可靠的模拟结果。 ( 6 ) 系统辨识法和人工神经网络法 、 张奇华提出了一种边坡变形破坏系统辨识方法。其主要思想是：在工程地 质区域，考虑变形破坏方式及相应的变形破坏特征、位移关系式，针对各种可能 的变形和破坏建立( 或调整优化已有的) 变形监测网，由监测资料计算得到变形 区域的空间位移向量，对比各种可能的变形破坏方式相应的变形特征和位移关系 式，从而辨识出实际发生的变形破坏方式、变形区域及变形演化成破坏的过程。 这种系统辨识方法，旨在探索将边坡的变形、破坏分析与监测网、监测数据处理 有机、系统地联系起来，并定量化，主要针对在通常情况下( 无地震、暴雨、人工 大扰动) 的变形、破坏。 沿着系统辨析法思路，近年来，人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定性 分析和评价，对于解决复杂的边坡系统工程的稳定性问题提供了一条新的路径。 近年柬又它又被应用于岩石工程系统和岩石工程参数重要性分析。2 0 世纪9 0 年代 中期，一种称为“实例类比系统( c a s e b a s e d r e a s o n i n gs y s t e m ) ”在中国办被引入岩 石工程f 张清，1 9 9 5 ) ，它可以充分利用已建成的工程实例的经验，指导今后的设计 与施工。鉴于人工智能在岩石力学中的发展，有的学者还提出了建立“智能岩石 力学”( i n t e l l i g e n t r o c k m e c h a n i c s ) 的设想( 冯夏庭，1 9 9 4 ) h 。 ( 7 ) 微观方面的研究 危岩失稳是岩体内部累进性破坏造成的哪】。在宏观方面研究进展缓慢的情况 下，一部分研究者把目光投向了岩石微观结构破坏方面，尤其是在1 9 2 0 年g r i 师t l l 比较清楚提出并论述了断裂力学，i r w i n 及其同事将g r i f f i t h 理论推广应用于金属 和其他工程材料i j 2 , 2 4 琊】。不少学者试图把断裂力学的理论推广到混凝土和岩石材 第一章绪论 料，2 0 世纪7 0 年代以来，断裂力学已开始应用于岩石力学中，首先是应用断裂力 学的实验法来研究岩石断裂的过程，后来大部分研究者集中研究求得岩石断裂韧 度。因此，岩石断裂力学的主要问题也是合理地确定岩石的断裂韧度。目前在脆 性岩石的断裂研究已取得了一些成就。 断裂力学是以实际固体中不可避免地存在宏观裂纹这一客观事实为前提的。 它的任务是通过对裂纹周围的应力、应变分析，着重解决材料的失稳问题。但大 多材料与结构在宏观裂纹出现之前，已经产生了微观裂纹与微观空洞，即为损伤。 1 9 5 8 年ka hah0b 在研究蠕变断裂时，引用“连续性因子”和有效应力的概 念，以后pa 60to b 又迸一步引用“损伤因子”的概念。把损伤力学应用于 岩石最早见于d o u g i l l ( 1 9 7 6 ) 1 2 , 2 4 , 2 8 , 2 9 1 。d r a g o n ( 1 9 7 9 ) 利用断裂面概念对岩石的 连续损伤进行了理论探讨 3 3 , 3 7 , 4 4 4 6 l 。 2 0 世纪8 0 年代术，损伤力学在岩石力学中的应用在国内受到极大关注。周维 垣( 1 9 8 5 ) 将损伤力学应用于二滩拱坝坝肩稳定分析，进行了岩体损伤裂隙的统计， 得出了损伤裂隙分布模型，并由此定义出损伤张量，进而引入有限元计算1 4 8 l ；近 些年，又在大型有限元数值分析软件t e i n 中引入损伤力学，包括线弹性和弹塑性 损伤模型，并进行了一些大坝体的稳定计算，如二滩、李家峡、东风和拉西瓦拱 坝等等 5 j 】5 5 j 。谢和平( 1 9 8 7 ) 将岩石粘弹塑性非线性大变形有限元计算与损伤力学相 结合，在矿山地下开采、地表沉陷、路基稳定性分析方面得到定的应用f 2 8 1 。岩 石损伤力学研究的重点是建立损伤变量( 张量) 和损伤扩展本构关系。这就涉及岩石 材料的损伤检测与识别问题。自从s p r u n tb r a c e ( 1 9 7 4 ) 将扫描电镜技术引入岩 石断裂研究以来，中国学者在这方面进行了大量的研究工作。谢和平( 1 9 8 9 ) 对岩石 在各种加载条件下破坏断口进行分析【2 8 , 4 9 , 5 0 】；孙钧( 1 9 9 2 ) 、赵永红( 1 9 9 3 ) 分别采用 带有微型加载装置的扫描电镜对岩石的微损伤扩展进行研究。并用于三峡船闸高 边坡洲云斜长花岗岩的损伤扩展分析( 1 9 9 7 ) 【5 “。这些研究有力地推动了岩体损伤 力学的发展，特别是对岩石损伤机理的解释方面起到了积极作用。陈洪凯等人运 用损伤力学、断裂力学的理论，分析了危岩发育损伤一断裂联合机理，取得了危 岩损伤度和主控裂端损伤闺值等成果i l 跟”。 1 4 群体危岩的研究现状 对群体危岩丌展的研究起步较晚，迄今为止其成果也为数不多。由于地质构 造、地形地貌、构造运动等等都具有明显的地域性，危岩发育也就体现出很强的 地域特征。对这些特征进行认识和研究对于从根本上认识危岩发育的本质，危岩 的稳定性分析评价及预测、防治工程措旌的选取以及危岩发展的趋势预测等等方 面都有宏观上的指导作用。 第一章绪论 重庆交通学院的陈洪凯教授根据对三峡库区危岩长期观察研究，首次总结出 危岩发育的链式机理【1 4 ”，旺，2 3 1 。他认为：总体上，危岩发育具有链式规律，链式规 律可以分为两个层次。第一层次链式机理为陡崖边坡在历史发展过程中，向坡内 自外缘向核，t l , 区垮落退却的地质过程，是边坡地质发育历史中的宏观地学表现； 第二层次链式机理为陡崖边坡在同一个平面上的自下而上的崩落发育过程，是链 式机理在局部区域的表现，也是第一层次链式机理的基本组成元素与过程。陈洪 凯等人根据危岩发育特性把危岩发育分为两类，即差异风化型危岩和卸荷重力型 危岩。差异风化型危岩体由于软弱岩层被风化、冲蚀，从而使岩体的临空面增加， 岩体内部原先储存的能量被部分释放，虽然临空面的增加增大了表面能，这类危 岩体的主要裂隙就是从软弱后退面开始由下往上发育的，裂隙是从能量释放始发 处，岩体对能量平衡的调节是通过产生裂隙增加表面能来达到的。卸荷重力型危 岩体也是由于风化、切割、冲蚀等外力作用引