（岩土工程专业论文）桂林市危岩发育机理及稳定性分析.pdf

1 1 1 1 1 i i i i i l l l l i l l l l l y 1717 g u i l i nd e v e l o p m e n tm e c h a n i s ma n d m a j o r ： s t a b i l i t yo fp e r i l o u sr o c k g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g d i r e c t i o no f s t u d y ： g r o u n db a s ea n df o u n d a t i o ne n g i n e e g r a d u a t es t u d e n t ： s u p e r v i s o r ： s o n gf e i p r o f z h us h o uz e n g c o l l e g e o fc i v i la n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g g u i l i nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s e p t e m b e r , 2 0 0 8t oa p r i l ，2 01 0 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权书 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 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，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的印刷本和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权( 学校) 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息 服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：伽 1 年 导师签字：鞴谫 签字日期：加加年6 月6 中文摘要 危岩体是工程地质最具特色的问题之一，对危岩体变形发育机理、稳定性及防治对策的研究 成为我国近几十年来工程地质学领域的研究难点本文主要以桂林市1 5 座山危岩体为工程实例， 在对形成危岩体的区域地质环境进行详细分析基础上，系统的研究了危岩体的变形发育特征、分 类、稳定性计算方法等，利用模糊理论对危岩体稳定性进行评价 论文主要研究工作与结论有以下几方面： 1 ) 危岩体的发育形成是一个逐步累进的过程，不仅与地形、地貌、岩性及岩层组合等因素有 关，还受到风化作用、侵蚀作用、河流切割作用一系列因素影响。本文将研究区危岩体的影响因 素归纳为内因和外因两类，其内因主要包括岩体的完整性、结构面的结合能力与结构面产状；外 因主要有降雨、地震作用、重力作用、风化作用以及人类活动等； 2 ) 通过对研究区历史典型灾害形成背景、规模与特点的分析，确定降雨、主控结构面强度参 数、岩体自重、岩溶发育、植被与地震为危岩体失稳变形的主要影响因子。在此基础上，以主要 影响因子为参数进行耦合分析，建立了稳定性分析模型，并对不同失稳模式下的危岩体进行相应 的稳定性计算； 3 ) 运用模糊理论对危岩体稳定性进行评价，分析研究表明，应用多级模糊评判方法预测危岩 体的稳定性是可行的。从综合评判的结果看，该方法简便易行，能使得较多的影响危岩体稳定性 的各因素真实地参与评判，而且成功率较高。 关键词：危岩体；发育机理；稳定性；模糊理论 a b s t r a c t e n g i n e e r i n gg e o l o g yo fd a n g e r o u sr o c km a s si so n e o ft h em o s tc h a r a c t e r i s t i c ，t h er o c kd e f o r m a t i o n a n dd e v e l o p m e n tm e c h a n i s m , s t a b i l i t ) ，a n dc o n t r o lm e a s u r e so fr e c e n td e c a d e sh a sb e c o m eah o tr e s e a r c h f i e l do fe n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dd i f f i c u l t i nt h i sp a p e r , m o u n t a i n so fg u i l i n1 5e x a m p l e so fd a n g e r o u s r o c km a s sf o rt h ep r o j e c t , t h ef o r m a t i o no fd a n g e r o u sr o c kb o d yi nt h er e g i o n a lg e o l o g i c a le n v i r o n m e n t i nad e t a i l e da n a l y s i sb a s e do nt h es y s t e m a t i cs t u d yo ft h ed a n g e r o u sr o c kd e f o r m a t i o nd e v e l o p m e n t c h a r a c t e r i s t i c s , c l a s s i f i c a t i o n , s t a b i l i t yo ft h ec a l c u l a t i o nm e t h o d su s i n gt h ef u z z yt h e o r yt oe v a l u a t et h e s t a b i l i t yo ft h er o c kb o d y t h e s i sr e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n s f i et h ef o l l o w i n g ： 1 ) t h ed e v e l o p m e n to fu n s t a b l er o c km a s s , t h ef o r m a t i o no fag r a d u a lp r o g r e s s i v ep r o c e s s ，n o to n l y w i t ht h et o p o g r a p h y , g e o m o r p h o l o g y , l i t h o l o g ya n dr o c kc o m p o s i f f o na n do t h e rf a c t o r s ，a l s oa f f e c t e db y w e a t h e r i n g , e r o s i o n , r i v e rc u t t i n gt h er o l eo fas e r i e so ff a c t o r s t h i sa r t i c l ew i l le x a m i n et h ei m p a c to f d a n g e r o u sr o c km a s si sd i v i d e di n t oi n t e r n a la n de x t e r n a lf a c t o r so ft w ot y p e s ，t h ei n t e r n a lf a c t o r si n c l u d e t h ei n t e g r i t yo fr o c km a s s ，s t r u c t u r ea n ds u r f a c es t r u c t u r eo fs u r f a c eb i n d i n go c c u r r e n c e ；e 姒e m a lc a u s e s , m a i n l yr a i n f a l l ，s e i s m i c , g r a v i t y , w e a t h e r i n ga n dh u m a na c t i v i t i e s ； 2 ) t h ef e a t u r e so ft h ef o r m a t i o no ft h eh i s t o r i c a lb a c k g r o u n do ft h et y p i c a ld i s a s t e r , t h es c a l ea n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ea n a l y s i st od e t e r m i n et h er a i n f a l l ，s u r f a c es t r e n g t hp a r a m e t e r so ft h em a s t e r s t r u c t u r e ，r o c kw e i g h t ，k a r s td e v e l o p m e n t , v e g e t a t i o na n de a r t h q u a k e su n s t a b l er o c km a s sd e f o r m a t i o no f t h em a i nf a c t o r so fi n s t a b i l i t y o nt h i sb a s i s ，t ot h em a i nf a c t o r sf o rt h ep a r a m e t e r so fc o u p l i n ga n a l y s i s ， t h es t a b i l i t ya n a l y s i sm o d e l s ，a n dd i f f e r e n tf a i l u r em o d e sc o r r e s p o n d i n gu n s t a b l er o c km a s ss t a b i l i t y c a l c u l a t i o n ； 3 ) t h er o c ko ff u z z yt h e o r y , s t a b i l i t ye v a l u a t i o n ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c hs h o wt h a tt h ea p p l i c a t i o no f m u l t i l e v e lf u z z ye v a l u a t i o nm e t h o dt op r e d i c tt h es t a b i l i t yo fu n s t a b l er o c km a 鼹i sf e a s i b l e f r o mt h e c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o no ft h eo u t c o m e ，t h em e t h o di ss i m p l ea n dc a n m a k em o r eo ft h es t a b i l i t yo f u n s t a b l er o c km a s s ，t h ef a c t o r si n v o l v e di n t h er e a lj u d g e ，a n dt h es u c x t 冶s sr a t e k e y w o r d s ：p e r i l o u sr o c kb o d y ；d e v e l o p m e n tm e c h a n i s m ；s t a b i l i t y ；f u z z yt h e o r y 目录 第一章引言1 1 1 研究的目的与意义。1 1 2 国内外研究现状。2 1 2 1 影响危岩体稳定的因素。2 1 2 2 危岩体的失稳模式研究。3 1 2 3 危岩体稳定性计算方法研究4 1 2 4 危岩体防治对策研究9 1 3 本文主要研究内容与方法：9 第二章研究区域工程地质条件概况1 2 2 1 桂林市概况1 2 2 2 地形l ! 貌。1 6 2 3 地层岩性与岩土体类型1 8 2 3 1 地层岩性1 8 2 3 2 岩土体类型：1 9 2 4 地质构造与地震。3 2 2 4 1 地质构造。3 2 2 4 2 新构造运动与活动性断裂3 3 2 4 3j 也震3 4 2 5 岩溶发育特征3 7 2 6 水文地质条件4 0 2 6 1 地下水类型和赋存特征4 0 2 6 2 地下水强径流带4 0 2 6 3 地下水补给、迳流、排泄特征4 l 2 6 4 地下水开发利用概况。4 2 2 7 气象水文4 6 2 8 工程经济活动概况“4 8 2 8 1 城市和工民用建设工程活动4 8 2 8 2 地下水开采4 8 2 8 3 农业生产活动4 8 2 8 4 道路建设和运输4 9 2 8 5 矿山开采4 9 2 8 6 人防工程4 9 2 8 7 工业和生活废水排放4 9 第三章危岩体发育特征及变形失稳机理分析。5 0 3 1 桂林市危岩体调查及分布特征5 0 3 1 1 总体特征5 0 3 1 2 危岩体发育特征分析6 l 3 2 危岩体成因类型及失稳机理研究“ 3 2 1 悬挂式危岩体成因类型及失稳机理酌 3 2 2 贴坡式危岩体成因类型及失稳机理6 7 3 2 3 倾倒式危岩体成因类型及失稳机理。鹋 3 2 4 楔块式危岩体成因类型及失稳机理鹤 3 2 5 砌块式危岩体成因类型及失稳机理。6 9 3 2 6 孤立式危岩体成因类型及失稳机理。6 9 3 ：id 、i ! 吉7 ( i 第四章危岩体稳定性及危险性评价 4 1 危岩体稳定性定量评价研究7 1 4 1 1 基本假定一7 l 4 1 。2 危岩体稳定性计算方法分析7 1 4 1 3 危岩体稳定性定量评价标准8 1 4 1 4 研究区内典型危岩体稳定性评价8 2 4 2d 、结8 7 第五章危岩稳定性评价。8 7 5 1 概j 2 e 8 7 5 2 危岩体稳定性分析评价8 7 5 2 1 危岩稳定性分析评价方法介绍8 7 5 2 2 模糊数学韶 5 3 综合模糊评判。9 7 5 4d 、结9 9 第六章结论1 0 0 j 蓼【谢1 0 1 第一章引言 1 1 研究的目的与意义 危岩体i h j 是由多组岩体的结构面组合而形成，在地表风化作用、卸荷作用、重力、 地震、降雨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。危岩体一 般为高陡边坡或悬岩峭壁的坚硬类岩石，因受到外力作用，岩体失去稳定平衡，在重 力作用下突然下落，形成崩塌，是山区较为常见的地质灾害之一。软硬相间的地层组 合时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 危岩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。 危岩体具有稳定性差和危险性大两个基本属性 5 - r l 。危岩体破坏失稳的基本形式为崩 塌。由于危岩体的发育过程具有渐进性，失稳崩塌的突发性与较强的隐蔽性，因而常 常对坡下建筑物、居民住房、河道航运以及公路铁路交通造成重大灾害。 我国是一个地质灾害发生十分频繁、损失极为严重的国家，滑坡、泥石流、危岩 崩塌是三大主要地质灾害类型，集中分布在1 5 个地区，累计1 7 3 万平方公里，占全国 国土总面积的1 8 【1 - 2 1 。随着国民经济的发展，大量铁路、公路、水利、矿山、城镇等 设施的修建，特别是在丘陵和山区的建设，人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量越 来越多，高度将越来越大。如北京一福州高速公路福建段2 0 0 余公里内高度大于4 0 m 的边坡达1 8 0 多处；云南省元江一磨黑高速公路1 4 7 k m 内高度5 0 m 的边坡1 6 0 余处； 包成铁路陕西省宝鸡至四川省绵阳段，通过的地段大部分为深山峡谷区，河道蜿蜒， 山坡陡立，自然斜坡一般接近其临界坡度，稳定性较差，据不完全统计，这段铁路的 边坡开挖长度的5 3 。通常水利和矿山建设中的边坡高度更高，范围更大。我国是一 个多山的国家，尤其是我国西部地区及东南沿海的福建、广西、广东、海南等地。由 于地质条件复杂，加之人类改造自然规模越来越大，设计施工方法不当，高边坡开挖 后发生变形和造成灾害的事故频繁发生。这既增加工程投资，又延误工期，还给运营 安全留下隐患。边坡失稳和破坏的形式很多，从地质上分，主要由坍塌、崩塌、落石、 滑塌、错落、倾倒等。 桂林山水甲天下，说的就是桂林的山美、水美，有山必有景，桂林著名的风景旅 游景区都座落在嶙嶙的孤峰或簇簇的峰丛中，而这些石峰山体中一般都或多或少地存 在岩崩和危岩，一些崩塌危岩山体还构成了一幅美丽的风景图画，因此，岩崩和危岩 对风景旅游景区也往往构成了很大的安全威胁，一方面威胁游客的生命安全，另一方 面可能破坏旅游设施，以及可能破坏山体的旅游风景景观。表1 - 1 是桂林市典型危岩 体灾害的统计情况。 表1 1 。桂林市典型危岩体灾害的统计情况 序 发生发生 岩性方量危害 号时间地点 1 2 0 0 3 年2 月1 7 日白岩山灰岩约2 0 m s2 3 户居民受灾，2 栋房屋受损。 1 7 户村民受灾，3 栋房屋被毁，7 栋 2 2 0 0 4 年5 月1 8 日 雉山灰岩约3 0 m 3 房屋受损。 桂林市供直接损失2 万元，间接损失l o 万元， 32 0 0 5 年5 月1 8 日 灰岩约l o m 3 电局 所幸没有造成人员伤亡。 桂林市直 4 2 0 0 4 年6 月4 日灰岩约1 0m 31 栋职工宿舍受损 机关大院 桂林市白 5 2 0 0 9 年3 月1 0 日灰岩约2 0m 3造成4 人死亡，2 人受伤 面山 桂林市屏 6 2 0 0 2 年1 0 月2 2 日灰岩 约1 8 5m s 1 人受伤。 风山 1 2 国内外研究现状 作为边坡工程研究中的一部分，危岩体研究遵循边坡工程的学科体系，将数学、 工程力学、工程地质学以及岩土力学等多种学科相互结合，相互渗透，同时应用计算 机仿真技术，岩土工程测试技术等手段，从边坡的规律性分析，到边坡的变形破坏机 制的研究，以及边坡稳定性评价和预测预报，国内外学者进行了大量研究和探索，取 得了丰富研究成果。现阶段危岩体研究现状主要集中在危岩体失稳模式研究、危岩体 稳定性评价与计算方法、落石运动特征研究以及危岩体防治对策研究等四个方面。 我国自2 0 世纪五十年代以来，随着新中国铁路交通兴建，沿线危岩崩塌引起了铁 路部门高度重视，通过大量工程实践，老一辈地质工作者在危岩的特性、发育机理、 防治措施等方面积累了丰富的资料和经验1 4 ，- s 。地质、国土及相关科研院所在区域性地 质灾害研究中取得较多实用性成果，尤其是位于长江三峡的链子崖危岩体是国内危岩 研究的典范，从地质环境、模型试验、数值模拟及防治技术等方面进行了深入研究，取 得了大量有价值的研究成果，使我国危岩体研究水平有了较大的提耐6 ，7 ，8 9 ，1 0 , 1 1 , 1 2 l 。 1 2 1 影响危岩体稳定的因素 危岩体是否稳定受多种因素的影响：主要有： 1 、岩块性质的影响，包括岩石的坚硬强度、抗风化能力、抗软化能力、强度、组 成、透水性等。 2 、岩层的构造与结构的影响，表现在节理裂隙的发育程度及其分布规律、结构面 的胶结情况、软弱面和破碎带的分布与危岩体的关系、下伏岩土界面的形态以及坡向 2 坡角等。 3 、水文地质条件的影响，包括地下水的埋藏条件、地下水的流动及动态变化等。 4 、地貌因素的影响，如岩质边坡的高度、坡度和形态等。 5 、风化作用的影响，主要体现为风化作用将减弱岩石的强度，改变地下水的动态。 6 、气候作用的影响，气候引起岩土风化作用、风化厚度以及岩石风化后的机械、 化学变化，同时引起地下水、地表水作用的变化等。 7 、地震作用的影响，除了使岩土体增加下滑力外，还常常引起孔隙水压里的增加 和岩体强度的降低。另外，开挖、填筑和堆载等人为因素，同样可能造成危岩体的失 稳。 一个危岩体的失稳往往是多种因素的共同作用的结果，导致危岩体失稳的因素可 归结为两类。一是外界力的作用破坏了岩体原来的应力平衡状态，如边坡的开挖及坡 顶上作用的外荷载，渗流、地震力等；另一类是危岩体的抗剪强度由丁受外界因素的 影响而降低。 1 2 2 危岩体的失稳模式研究 危岩体失稳模式即破坏模式，是危岩体稳定性及防治研究的基础。由于研究区域、 分类角度的不同，危岩体失稳模式存在着多种分类方案。 日本的山田刚二、渡正亮( 1 9 8 0 年) 按地质情况，主要是按危岩体的物质组成，将 崩塌划分为：崩积土崩塌、表层土崩塌、沉积土崩塌和基岩的崩塌。同时又从危岩体 崩塌失稳的运动模式分为：坍塌型和滑走型【1 6 l ； 旷镇m ( 1 9 9 5 ) i f 究重庆渝中区危岩体崩塌时，对危岩的破坏做了全面的归纳，按 危岩最终破坏时的受力状态和破坏机制将危岩失稳模式划分为：拉断一坠落、剪切一 坠落或崩落、压碎一崩落、倾倒一崩塌等模式1 9 l ： 陈洪凯( 2 0 0 2 ) 等通过危岩体破坏的力学机理出发对危岩体失稳模式进行分类， 将危岩坠落式危岩、滑塌式危岩和倾倒式危岩，并在三峡万州太白岩、云阳磨子岭等 工程进行实践应用，如图1 一l 。 ( 1 ) 坠落式危岩( 2 ) 滑塌式危岩( 3 ) 倾倒式危岩 图1 1 危岩体力学机理和失稳模式分类【1 3 l 3 黄润秋( 2 0 0 4 ) 在大量工程实践的基础上，按危岩体的控制条件及失稳机理对危岩 体进行分类，大体将危岩体分为贴坡式、悬挂式、孤立式、板裂式、碎裂式、砌块式 和软弱基座式等7 个基本类型，如图l _ 2 。 邕 戮脓 ( 1 ) 贴坡式危岩( 2 ) 懋挂式危岩( 3 ) 孤立式危岩c 4 ) 扳裂式危岩 陵陛 ( 5 ) 砌块式危岩( 6 ) 骅裂式危岩 ( 7 ) 软弱瑟座式危岩 图1 2 危岩体控制条件和失稳模式分类 上述，危岩体破坏模式划分的不同有理解不同的主观原因，也有研究的对象不同 的客观原因，但不论是哪一种分类方式，其主要原因都是因剪应力、拉应力或压应力 一种或几种造成了危岩体的破坏。 1 2 3 危岩体稳定性计算方法研究 危岩体研究的目的在于通过对危岩体稳定性的分析和评价，为实际工程提供合理 的危岩体结构，对具有破坏危险的边坡进行人工治理，避免造成损失和灾害，保证工 程安全性和经济效益。随着改革开放及经济建设的飞速发展，危岩体稳定性分析方法 也得到了前所未有的发展。 危岩体所处的工程地质条件复杂，岩石存在较多的裂隙、软弱夹层及断层，并且 相互交割，破坏模式复杂，失稳原因有多种，给稳定性分析评价造成相当大困难，因 此在实践中出现了不同的探索路径和各具特色的分析评价方法。危岩体稳定性方法很 多，目前危岩体稳定性分析方法包括定性分析方法和定量分析方法两类。定性分析方 法包括工程类比法和图解法( 赤平极限投影、实体比例投影、摩擦面法等) ，定量分析 方法主要由极限平衡法、数值分析法( 有限元、边界元、离散元、无网格法、流形元 法等) 、可靠度分析方法( 蒙特卡罗法和随即有限元法等) 、模糊数学分析法、灰色理 论分析法以及神经网格分析法等。 4 1 2 3 1 定性的分析方法 主要是分析影响危岩体稳定性的主要因素、失稳的力学机制、变形破坏的机理、 危岩体的成因以及演化历史，以此评价危岩体的稳定状况及其发展的趋势。定性的方 法能综合考虑影响危岩稳定性的因素，快速对危岩体的稳定性作出评价和预测，常用 的方法有如下两种：历史成因的分析法、工程地质类比法。 1 2 3 2 定量的分析方法 定量的分析方法又分为确定性方法和不确定性方法两类。确定性方法是危岩体稳 定性研究的基本方法，它主要包括极限平衡法、数值分析方法和图解法；不确定性方 法是1 9 7 0 年代初出现在危岩体稳定性分析方面，它主要包括可靠度分析方法、模糊数 学法、灰色系统法和人工智能法等。 ( 1 ) 极限平衡法 极限平衡法是最经典、采用最多，也是目前最成熟的一种方法。它引入莫尔一库 伦强度准则，通过对潜在滑面的受力分析，根据滑面的力( 力矩) 平衡、建立危岩体 安全系数表达式进行定量评价。这种方法由于安全系数的直观性至今仍被工程地质界 广泛应用。由于危岩体破坏模式认识的区别导致了失稳判据的不同，判据中参数的确 定又与地勘资料密切相关。该方法的关键在于正确判断滑面的范围、临界破坏面的位 置和选定恰当的计算参数、正确地分析滑面的各种载荷。 1 ) 王立人、宋克强( 1 9 9 0 年) 综合不同地质结构及环境条件，运用岩、土力学理论 与方法，提出了3 种在特定条件下分析计算方法。如图1 3 所示，a 型为剪切破坏型， b a 霹! ! 剪切破坏j l !b 瑙拉成力破坏截c 璎球应力破坏攫 图1 3 在特定条件下分析计算方法 b 型为拉应力破坏型，c 型为压应力破坏型【刎。 a 型：其破坏形式为剪切破坏，稳定系数与危岩体的重量，滑面的倾角、长度( 或面 积) 及裂隙面上摩擦系数、粘聚力有关。稳定系数为： 5 k ；。g c o s a ( f l l 1 + a l 2 ) ( l l + 1 2 ) 1 + c 1 1 1 + c 2 1 2 g s i n 口 式中： 口一滑面沿滑动方向的倾角； f i 一岩体滑面上的裂隙面摩擦系数； c l 一岩体滑面上的裂隙面粘聚力； l l 一岩体滑面上的裂隙面计算中占有的单宽长度( 或面积) ； f 2 一未被裂隙切割部分的岩石抗剪断强度的摩擦系数； c 2 一未被裂隙切割部分的岩石粘聚力： l ：一未被裂隙切割部分的岩石计算中占有的单宽长度( 或面积) 。 b 型：由于重力偏心分布，引起拉应力而产生破坏，稳定系数为岩体平均抗拉强度 与产生的拉应力的比值： k | r t | o f 式中： r 一为岩体平均抗拉强度； 2g6gl o r _ 一l l ib1 l i 2b i 式中： ( a 在o a 外取“+ ”，a 在o a 内取“一) l 1 一o b 段长度； k o a 段长度，即重心沿铅垂线距o 点的距离； b 1 一岩体垂直剖面方向的宽度。 此型式如产生b c 微裂面，亦可按a 型计算。 c 型：坡脚a b 段压应力引起的破坏，稳定系数由岩石或土层的抗压强度及危岩体 重量确定。 尺上 q 。言 式中： r 一岩体单轴抗压强度； l a b 段长度。 如属剪切破坏，则按下式计算： 矿f c c o s a 4 - c l 上、一一 g s i n 口 式中：a1 4 5 0 + 妒2 矿一岩石的内摩擦角； a c 段长度： ，、c 一分别为岩石抗剪断的摩擦系数和粘聚力。 6 2 ) 陈洪凯( 2 0 0 4 年) 将危岩体分为3 类模式进行计算【2 l 】，分别为坠落式危岩、滑塌 式危岩和倾倒式危岩等3 类，如图1 4 。 坠落式危岩 滑塌式危岩倾倒式危岩 图1 - 4 危岩体稳定性计算模型 综上所述，静力平衡计算方法其精度主要取决于边界条件和计算参数的选取，其 岩石抗剪强度及岩体平均抗压强度均应按试验和实际情况来确定。目前这种方法大的 缺点在于将岩体视为刚塑性体，边界条件过于简化，导致其结果不是过于浪费就是偏 于不安全。 ( 2 ) 数值分析 采用极限平衡法来分析危岩体稳定，由于没有考虑岩石本身的应力应变关系和 实际工作状态，所求出岩石条块之间的内力或岩石底部的反力均不能代表危岩在实际 工作条件下真正的内力和反力，更不能求出变形。我们只是利用这种通过人为假定的 虚拟状态来求出安全系数而已。由于在求解中做了许多假定，不同的假定求取的结果 是不相同的，但由于极限平衡法长期在工程中应用，积累了大量的经验，工程界就用 这种虚拟状态，来近似模拟实际工作状态，再加上工程经验从而作出工程设计判断。 为了克服极限平衡法的不足，人们提出了以有限元法为代表的各种数值计算方法。 有限元法，是将危岩体离散成有限个单元体，或者说，用有限个单体所构成离散化结 构代替原来的连续体结构，通过分析单位体的应力和变形来分析整个危岩体的稳定。 与极限平衡法不同的是，数值计算是以弹性( 塑性) 理论为基础，需要首先弄清楚岩 体的变形协调，同时还要考虑岩体的破坏准则。由于岩体应力一应变关系式非线性的， 它使危岩体的数值计算变得十分复杂。 数值分析主要应用高速发展的计算机技术去解决复杂繁琐的数值运算问题，它能 够较好地模拟诸如介质的各向异性、介质连续性、不均匀特性、复杂边界条件以及其 时间流变性等复杂工程条件。通过数值模拟分析可以模拟岩体内部的应力应变关系， 再现其变形失稳过程及其机理。根据对岩体中结构体间相互关系的不同假定将危岩体 数值分析分为两大类：一是连续介质力学的数值分析方法，如有限差分法、有限单元 法及边界单元法。该类方法一般假定危岩体是连续体，且只发生微小变形，整个岩体 介质包括边界限定条件均用一个矩阵方程进行描述，求解其方程求得位移应力等未知 量。此类方法需要对节理裂隙进行详细分析考虑，对此，根据节理裂隙的发育程度与 发展规模，可使用节理单元法( g o o d m a n ，1 9 6 8 ) ，损伤断裂有限元法( 张强勇，1 9 9 8 ) 来模拟其力学特性；二是非连续介质力学的数值分析方法以，如离散单元法 ( c u n d a l l ，1 9 7 1 ) 、快速l a g r a n g i a n 分析法( c u n d a l l ，1 9 8 5 ) 、非连续变形分析法( 石 根华，1 9 8 8 ) 及数值流形元法( 石根华，1 9 9 7 ) 等。 1 2 3 3 概率分析法 概率方法用于分析危岩体稳定性，关键在于功能函数的建立和概率尺度的确定。 这种方法是通过求解危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 l ，x 2 ，x m ) 处基本随机变量x l 的概率分布函数的均值，这样可免去对控制危岩体 基本随机变量x l 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函数，并根据g g m e y e r h o f 和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大于1 1 o 【1 3 】。 边坡工程可靠性分析目前还处于研究和探索阶段，往往只作为确定性方法的一种 补充和参考。国内外学者对边坡稳定性可靠度分析方法进行了大量研究，并发展出模 糊随机可靠度分析方法，目前这方面的研究正作进一步完善。 1 2 3 4 此较辨识法 张奇华( 1 9 9 8 ) 提出了一种边坡变形破坏的比较辨识方法1 1 9 】，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。该方法需 要相应的变形监测网及监测资料支持，而且变形破坏的演化过程中，变形区域、变形 破坏方式不可能一成不变，监测点需要及时补充，并注意系统辩识方法的完善，随机 应变另外，该方法在工作时，会碰到一些不明确的情况在确定变形区域，求取空间位 移矢量时，给结论带来不确定性【1 3 l 。 1 2 2 5 模糊综合评价法 大量的力学试验与工程实践表明，边坡性质及稳定性的界限实际上不是很清楚， 具有相当的模糊性。模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑 被评事物或其属性的相关因素，进而进行等级或类别评价。实践证明，模糊分级评判 方法为多变量、多因素影响的边坡稳定性分析提供了一种行之有效的手段。这一方法 8 主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。 1 2 4 危岩体防治对策研究 近几十年来，我国在危岩体的防治上积累了许多经验，治理方法多种多样，但多 数只注重于针对某一致灾因素采取治理措施，单纯的采取加固、拦截、清除等技术措 施，在治理的系统性、经济合理性等方面还有待商榷。和多数地质灾害一样，由于多 种致灾因子的共同作用，在崩塌的有效防治上必须采取综合治理的措施与技术。所谓 综合治理【冽，即立足于经济有效的治理崩塌灾害，综合采取多种工程措施，预防与整 治相结合，加强排水与监测工程，根据具体工程的特殊性，多方努力，综合整治。目 前国内外整治危岩崩塌落石的措施概括起来有【2 7 驾2 9 删： 1 ) 遮挡：明洞或棚洞防治，一方面可遮挡崩落的块石，一方面又可加固边坡下部 而起稳定和支撑作用； 2 ) 拦截：在危岩体下方的斜坡大致沿等高线，修建拦石墙，以拦截上方危岩掉块 落石； 3 ) 支撑：在危岩突出部位或难以清除的孤石下面修建支柱、支挡墙等； 4 ) 填充：将软弱夹层风化形成的岩腔填充以起到防止进一步风化和支撑作用； 5 ) 锚固：锚杆不仅可提高滑动面的抗滑能力，其自身强度亦提供了部分抗剪力。 若为预应力锚杆，还使结构面压紧，增强了岩体的完整性。 6 ) 清除：对于方量不大且难以加固的危岩体通常将之清除。 7 ) 排水：修建完善的地表排水系统，将地表径流汇集起来，通过排水沟系统排出 坡外。 8 ) 灌浆：勾缝灌浆封闭裂缝可粘接结构面，增强岩体完整性并防止外界环境对岩 体强度的弱化。 9 ) 护坡、削坡：对于破碎岩体坡面常用喷射混凝土加固；必要时还对危岩带上部 削坡，减少上部荷载，以利于岩体稳定。 i o ) s n s 柔性防护网：这种柔性防护结构是在最近几年发展起来，对于表面岩石破 碎、坡面无茂密的树林和灌木的边坡效果较好。它可以采用被动防护的方式拦截危岩、 缓冲消耗掉危岩向下运动产生的动能，也可以采用主动防护的方式，直接对危岩进行 “捆绑式”的约束。 1 3 本文主要研究内容与方法 本文以桂林市1 5 座山危岩体为研究对象，旨在通过充分了解区域内危岩体的形成 影响因素的基础上，研究危岩体的变形失稳模式，提出合理的稳定性计算分析方法。 同时对历史灾情调查及现场实地勘察的前提下对区域内危岩体失稳变形特征进行详细 调查研究。 9 1 ) 对桂林市1 5 座山的危岩体进行全面调查，研究区域内危岩体的分布和发育影 响因素。危岩体的形成和发育发展是一个漫长的过程，不仅与地形、地貌、岩性及岩 层组合等因素有关，还受到风化作用、侵蚀作用、岩溶发育作用一系列外因影响。本 文通过研究促使危岩体形成和发育及发展的各种因素，分析各因素在危岩发育过程中 所起的作用，总结了区域危岩体形成的链式机理； 2 ) 基于危岩体形成机理的研究，总结了其变形失稳模式及分类； 3 ) 分析历史典型灾害形成背景、规模与特点，研究其主要致灾因子。在此基础上， 以主要致灾因子为参数进行耦合分析，建立了稳定性分析模型，并对不同失稳模式下 的危岩体进行相应的稳定性计算； 4 ) 运用模糊理论对危岩体稳定性进行评价，分析研究表明，应用多级模糊评判方 法预测危岩体的稳定性是可行的； 本文研究以工程实际需要为主旨，遵循“现场勘察与灾情调查一危岩体结构特征 一危岩体变形失稳特征一危岩体稳定性计算分析基本研究思路。其主要技术路线如图 1 - 6 所示： 1 0 图1 - 6 技术路线图 第二章研究区域工程地质条件概况 危岩体发育有其特殊的环境岩土工程条件，是岩层组合、地质构造、地形地貌、 降雨、地震及地下水等多因素异变耦合的结果【3 1 1 。因此，研究危岩体必须了解其所处 的工程地质环境条件。 2 1 桂林市概况 桂林市地处广西东北部( 见图2 1 ) ，是一座闻名遐尔的旅游名城。航空、铁路、 公路、水路交通网络发达，形成综合旅游交通体系。湘桂铁路途经市区，北通湖南， 南抵柳州，可达全国各地。桂林南至柳州、南宁、北海的桂海高速公路开通，北往湖 南的桂黄一级公路的建成，是贯通广西南北的主要公路干线，桂林一梧州，桂林一龙 胜等十九条公路干线，可直通广西境内各地及邻省：民航有直通北京、上海、广州、 昆明、成都、重庆、日本福冈等五十多条国内外航线。水路沿漓江经梧州通港澳。 图2 - 一1 桂林市地理位置图 桂林市五城区面积5 6 5k m 2 ，2 0 0 4 年末市区总人1 2 16 9 0 9 1 8 万人，其中城镇人口 5 3 4 8 6 1 万人，农村人口1 5 6 0 5 7 万人。市区划分为五个行政辖区：秀峰区、叠彩区、 1 2 。 象山区、七星区、雁山区( 见图2 _ _ 2 ) ，国家级高新技术开发区位于七星区内，各行 政辖区概况见表2 1 。 施 骥乞 琏 山 嚣 2 - - 2 桂林市五城区位潼图( 1 ：2 0 万) 桂林市地处南岭山系西南部、桂林阳朔岩溶盆地北端中部。市区东西两侧为低 山丘陵地形，海拔标高3 0 0 - 6 0 0 m ，相对高差2 0 0 , - 一3 0 0 m ；南北两端为低缓的丘陵。 岗垄丘地形，海拔标高1 6 0 - 2 0 0 m