重庆洪崖洞危岩边坡破坏和加固机理研究

重庆洪崖洞危岩边坡破坏和加固机理研究密级分类号学弓彳座火季硕士学位论文论文题目:重庆洪崖洞危岩边坡破坏:固机理研究论文作者:卢黎鬟茹、繁嚣蓉:圃教授重庆大学胡岱文副教授重庆大学专业名称:岩申请学位级别:硕士答辩期:年月日论文提交日期:年月日日授位日期:年月学位授予单位:重庆大学答辩委员会主席:张永兴论文评阅人:郭映忠癸泽、重曾世仁年月日重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着三峡工程的兴建和西部大开发进程的不断加速,山区的地质灾害问题日益凸现。危岩破坏是地灾的一个研究热点和难点。本文以目前国内外对危岩研究的现状为基础,以三峡库区地质灾害项目??重庆洪崖洞危岩综合整治工程为依托,进行危岩边坡的破坏和加固机理的研究,主要内容如下:论文首先介绍了洪崖洞地区的场地工程地质条件,包括工程地质和水文地质的详细情况。然后以勘察资料为基准,综合采用各种经验方法,结合现场调查的结果研究了洪崖洞岩体的力学参数,作为数值模拟和工程分析的依据。在综合研究危岩上的各种作用之后,本文提出了危岩的形成和破坏机理:硬质岩体中构造裂隙、卸荷裂隙、及各种软弱夹层,结构面的的存在是危岩形成的地质基础;地应力卸荷、风化、流水侵蚀、植物根劈是危岩发育的主要作用;重力、水压力、地震力是危岩崩塌的主要荷载。当前危岩治理设计水平不高的主要原因之一是对危岩上的作用认识不清,针对这一情况,本文重点研究了危岩上地应力和水的作用。通过对洪崖洞现场地应力的套孔应力解除,测试了危岩边坡的残余地应力,运用断裂力学的方法分析了地应力对危岩发育和对现有危岩稳定性的影响。针对危岩静水压力计算严重偏于保守的情况,静水作用方面,本文通过建立降雨过程中的岩体裂隙积水稳态渗流模型,运用渗流的相关定理建立稳态水位的计算方法,进而提出静水压力的实用计算公式。并提出危岩动水压力可忽略和水压促使裂隙开展两个观点。为了方便对危岩进行工程加固,本文把危岩分为悬挑式、墙柱状、棱形体三类,运用有限元软件对各类危岩的破坏模式作了比较细致的分析,然后以支撑和锚固为主要手段,针对每一类危岩构建了不同破坏模式下的工程设计计算方法。最后阐述了灌浆、排水等必要的综合治理措施,可供危岩治理设计、施工参考。关键词:危岩,边坡工程,地应力,水压力,工程加固里匿查堂堕主堂垡笙苎茎壅塑至,..,:,,.,.:、.~、、..’,.?.?....,..,:,..?,...,:,?,重庆大学硕士学位论文绪论绪论.研究的目的与意义危岩是指陡峭边坡上被多组结构面切割构成,在重力、风化营力、地应力、地震、水体等作用下与母岩渐趋分离,从而处于不稳定、欠稳定或极限平衡状态的岩体。软硬相间的地层组合是形成危岩的主要地层组合特征;坚硬的岩质是形成危岩的主要岩性特征;陡峻的地形是形成危岩的地貌特征;大量存在的岩体结构面是危岩发育的地质构造特征;重力、裂隙水及地震力等是危岩发育破坏的动力作用。?【危岩破坏是指危岩体在外部因素诱发下,突然向下快速崩落,座落或倾覆,最后堆砌于坡脚的现象。危岩破坏属于岩石边坡破坏,具有突发性、高能量、破坏力强的特点,是山区较为常见的地质灾害之一。广义的危岩磁坏包括,表面剥落、落石、崩塌、山崩等各种类型。因为崩塌现象较为典型普遍,习惯上常把危岩破坏与崩塌等同。我国是一个地质灾害发生频繁的国家,滑坡、泥石流、危岩破坏是三大主要的地质灾害类型,集中分布在个地区灾害多发区,累计万平方公里,占全国国土面积的%。位置上看,中国地处环太平洋构造带和喜玛拉雅构造成带聚集部位,西部青藏高原受压隆起、东部地区向东拉张,形成全国总体上为西升东降,呈阶梯状展布的地貌轮廓,同时也造成了滑坡、泥石流、崩塌灾害在全国广泛分布的客观条件。从西向东大体以贺兰山??六盘山??龙门山??哀牢山,以及大兴安岭??太行山??武陵山??雪峰山为界、全国可划为三大区:西邦区为高原山地,海拔高。切割深度大,地壳变动强烈,构造地层复杂,气候于燥,风化强烈,岩石破碎,因而,泥石流、崩塌灾害最为严重;中部区为高原、平原过渡带,地形陡峻,切割剧烈,滑坡、泥石流、崩塌都很发育;东部为丘陵山地和平原地区,地形起伏不大,气候潮湿且降雨丰富,地质灾害规模一般较小。重庆市位于四川盆地东部与盆周山地地貌区,区域地貌形态明显受地质构造与岩性控制,北有大巴,南靠大娄山,处于川东弧形褶皱带与大巴山、大娄山褶皱带的接合部位,山坡陡峻。区内气候温湿,雨量充沛,河流密布,冲沟纵横,风化侵蚀及江水冲刷作用强烈,使得重庆地质灾害类型多,加之人类活动的增加,不合理的开挖、堆放、排灌,成为危岩滑坡等灾害的高发地区。主城区沿江一带每有危岩滑坡处以上:而渝中区受两江切割,侵蚀冲刷,边坡稳定问题十分突出,绪论重庆人学硕士学位论文危岩滑坡灾害每达处之多,灾害频率之高全国罕见。《~年全国地质灾害防治工作规划纲要》将重庆列为全国地灾最严重的座城市之首,是全国地灾防治的重点地区。据统计全市危岩崩塌共计处,总面积为,总体积×。【洪崖洞边坡位重庆渝中区沧自路之下,嘉滨路之上,其间具有多种危岩形式,据重庆市志记载,洪崖洞年月曾崩塌方量左右,毁坏房屋几十间,伤亡百余人。年月出现左右的几块落石砸烂房屋间。近年小块岩石坠落,毁房伤人的情况也常发生,是一处较典型的危岩边坡。洪崖洞边坡下面临城市开发建设,其上部的危岩已成为一个严重的安全隐患,必须立即治理。由于危岩体发育过程具有渐进性,崩塌突发性强,破坏性强,常壅塞河道,形成险滩;破坏农田、铁路、公路交通;砸毁建筑物和居民住房,在我国每年都造成不少的人员伤亡和大量的经济损失。对重庆洪崖洞危岩破坏和加固的研究既有典型性意义,也有一定的普遍性意义。.危岩研究现状及评述自世纪中期以来,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、防治措施等方面积累了丰富的资料和经验。地质、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的实用性成果,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方面进行深入研究,取得了丰硕的成果。【】危岩体是边坡工程研究中的一部分,其研究遵循边坡工程的学科体系。边坡工程研究的理论需要多种学科的相互结合,相互渗透,不仅包括数学、工程力学、工程地质学、岩土力学,还应结合计算机仿真技术,岩土工程测试技术等手段。经过多年的研究和发展,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,均取得了令人瞩目的成果,已初步形成了边坡工程独立的学科体系。这一体系包括下面四个部分;边坡的区域分布规律性研究边坡的变形破坏机制的研究;边坡的稳定性评价和预测预报;边坡工程治理。..影响危岩稳定性的因素危岩体的分布规律和变形破坏机制研究是从危岩的影响因素和发育过程着手,重庆人学硕士学位论文绪论以宏观与微观相结合的方法来探讨,然后在破坏机制的基础上确定危岩体的破坏模式,找出较为合理的计算方法。经过多年的研究,现普遍认为:一【】危岩体多发育于高山峡谷的岸坡,曲流的凹岸、冲沟的沟壑、陡崖等地段,一旦危岩失稳就造成崩塌。危岩的形成主要有四方面原因:地形、地貌及新构造运动的强度和方式岩性及其组合配置关系断层、节理裂隙破坏岩体的完整性诱发因素:暴雨、人类工程活动地震等地应力在危岩的发育过程中具有重要作用,在特定的条件下甚至直接成为崩塌的诱因。重庆市涪陵区四环路年发生的崩塌采用传统的岩石压力或水压力来解释都是不合理的,它的发生很可能与当地的残余构造应力有密切关系。根据魏青珂的调查研究,、月份因降雨量大崩塌发生最多,春融解冰时期是崩塌发生的次高峰时期,说明水对岩体稳定性的影响至关重要。【..危岩破坏模式及分类的研究现状危岩的破坏模式也可称为危岩失稳模式,是稳定性及治理措施研究的基础。迄今,对危岩及其的失稳模式分类尚未统一,从不同角度出发存在多种方案。日本的山田刚二首先按规模将崩塌分为边坡表层崩塌岩石崩落、表土崩落、坡肩崩落、坡面体崩落岩石成坍、沉积层崩坍。在此基础上按形态、地质条件和崩塌形式进一步分为落石型、滑坡型和流动型。山田把崩塌的范围概括得很广,即除滑坡外斜坡的各种破坏类型均称崩坍。【胡厚阳按照崩塌发生时的运动规律和受力状况,把崩塌分为①倾倒式崩塌②滑移式崩塌③鼓胀式崩塌④拉裂式崩塌⑤错断式崩塌。并指出可能存在的一些过渡类型如鼓胀?旨移式崩塌、鼓胀??倾倒式崩塌等。【】旷镇国研究重庆市渝中区危岩崩塌时,对危岩的破坏作了全面的归纳,按危岩最终破坏时的受力状态和破坏机制分为:①拉断??坠落②剪切??坠落或崩落⑨压碎??崩落④倾倒??崩塌。【张奇华认为岩体有破坏有种模式:①蠕滑体滑移失稳②整体压陷倾斜崩塌③滑移、倾斜交错或同步??滑坡或崩塌④裂隙段屈曲变形破坏⑤上下滑出破坏⑥倾斜??滑移破坏⑦倾斜??隐裂缝开裂??崩塌⑧倾斜??滑移??隐裂缝开裂??崩塌落或滑坡【叫黄求顺等将危岩按破坏过程和破坏规模的大小分为表面剥落、坠石、剧塌、山崩等几种类型。表面剥落:又称表面风化剥落,在陡崖边坡上裸露的岩体在大气营力的作重庆大学硕士学位论文绪论用下,逐渐演变成碎屑物质而坠落。各种岩石裸露在大气中时,都有表面剥落。坠石:在地球营力的作用下,特别是在风化营力的作用下,乃至乔木树根的劈力作用下,陡崖边上的孤石将向下坠落,形成灾害,坠石体量较小,其破坏力也小,但孤石从高处坠落时,由于其势能较大,其破坏力也不可低估。崩塌:崩塌是一种自然地质现象,也是一种地质过程。在陡峭的山坡上出现的危岩,坠落时其势能较大,速度极快,破坏力极强。例如重庆市洪崖洞危岩在年和年的二次破坏即属典型的崩塌。山崩:山崩是一种重大的地质灾害,发生山崩时,山体产生巨大的水平位移和倾覆,无法阻挡,是人类目前还无法抗拒的地质灾害。为便于根据危岩的类型进行治理,可将将危岩按其形态分为悬挑式危岩、墙柱状危岩、棱形体危岩三大类:悬挑状危岩:硬质岩层下伏的软弱岩体,在风化营力作用下被风化剥蚀,上部硬质岩悬挑到陡崖的外面,形成危岩。墙柱状危岩:岩体受结构面的的切割,陡崖边坡上的岩体被切割成墙板状或柱体状的危岩。棱形体危岩:由于结构面在边坡上的不利组合,将岩体切割成三棱体或多棱体危岩。可见,对危岩体的分类的不同有理解不同的主观原因,也的研究对象不同的客观原因,分类涉及到对危岩形成历史,破坏模式等各方面的认识,这些认识不同,分出的类别也不会相同。..危岩稳定性分析方法研究危岩体的工程地质条件复杂,存在较多的裂隙、软弱夹层及断层,且相互交割,破坏模式多样,失稳原因复杂,给稳定性的评估造成困难。目前的方法主要有四大类:数值分析法、可靠度分析法、按监测资料计算的比较辨识法及静力解析计算法。数值计算和仿真‘近几十年来,孙钧、钱七虎等从国外引进和自行研制了许多切实可行的数值分析方法用于解决边坡工程的计算。应用数值方法进行边坡工程的计算可以采用弹塑性理论和极限平衡分析解决,方便地处理岩石边坡问题的非线性等特征,得到地应力场、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岩体与加固结构的相互作用,地下水渗流,地震等因素对边坡稳定性的影响,能依据岩土的破坏准则,确定边坡的塑性区或拉裂区重庆大学硕士学位论文绪论域,分析边坡的累进性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。采用离散元可以仿真边坡的整体滑动过程,对于预测边坡的破坏规模和方式具有重要的意义;用有限元计算应力和位移时,工程中采用的接触单元或夹层单元求解接触问题,因无法求解有初始间隙的接触问题及因采用单元内应力作为屈服判据可能导致失真现象,故其应用受到限制。刘国采用有限元对三峡链子崖危岩体静力稳定性分析乃时,考虑了软弱夹层的材料非线性及裂缝的接触非线性问题,提出连杆接触有限元模型以满足求解工程接触问题的需要,并将岩块简化为弹性体。刘国明等人基于夹层单元及连杆接触单元非线性模型、线弹性体单元模型及静力分析法,还研制了适于复杂岩质边坡稳定性分析的三维有限元程序,应用该程序对链子崖危岩体进行稳定性计算,结论与现场实际相符。另外,随着数值分析方法不断发展,出现不同的数值方法相互耦合,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,但到目前为止,数值计算模型仍在不断的完善中,加上计算工作量巨大,操作过程也十分复杂,科研中可以采用,却还很难推广到实际工程中。可靠度法在边坡稳定性分析中,最基本的评价指标是极限平衡方程的解,传统的方法是采用以安全系数为度量指标的定值法。可靠度方法用于分析危岩稳定性,其关键在于功能函数的建立和概率尺度的确定。谢全敏运用蒙特卡罗边界法分析危岩稳定性【”,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。,,...。处基本随机变量的概率分布函数的均值,这样可以免去对控制危岩体的基本随机变量。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的三种破坏功能函数,并根据和..等人的观点,岩体结构边坡破坏概率为大于名一‰。但在某些工程设计中,按可靠度方法计算是安全的,实际运营却发生了破坏,其原因复杂多样,其中很重要的一个因素就是忽视了计算参数的不确定性。由于可靠度分析问世不久,已经应用于结构工程中,而对于岩土工程领域,特别是岩体边坡,才刚刚起步。虽然有不少学者做了大量的研究工作,但目前还没有一种规范性的岩体边坡破坏尺度。因此,在概率论基础上进行边坡可靠性分重庆人学硕学位论文绪论析,考虑边坡的各种影响因素的不确定性用概率来度量边坡的安全度,必将成为边坡工程研究的发展趋势。【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的系统辨识方法。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,监测数据有机的结合起来,并定量化,主要针对在通常情况下无地震、暴雨、人工扰动的变形、破坏。系统辨识识方法需要相应的变形监测网及监测资料的支持,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,并注意系统辨识识方法的完善,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。沿着系统辨识法的思路,近年来,人工神经网络开始应用于边坡工程的稳定是指由大量的简单神经元经广性分析评价。人工神经网络泛互连构成的一种计算结构,是一种广泛的并行处理系统。人脑的认知模式被认为是一种并行的分布式模式,神经网络采用类似于人脑的神经网络的体系结构来构造模型仿真人的大脑功能,即把对信息的储存和计算推理同时储存在一个单元】中,因此在某种程度上神经网络被认为可以模拟生物神经系统的工作过程。【静力解析法在工程实际中最常用的稳定性分析方法还是静力解析法,这种方法简单可行,结果明确,但对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的准确性密切相关。王立人等分三种情况对危岩体进行稳定性计算图.。副型型型图.危岩体稳定性分析简图重庆人学硕士学位论文绪论.型崩塌存在顺坡方向的软弱结构面,其破坏为剪切破坏,稳定性系数为:±刍墨±墨:竺竺吆生±点垒亟±厶兰,口式中,??危岩体重量;口?野面沿滑动方向的倾角;』、、三,??分别为岩体滑面上的裂隙面摩擦系数、粘聚力及计算中占有的单宽长度或面积,.、。根据试验结果取值。、、分别为未被裂隙切割部分的岩石抗剪断强度的摩擦系数、粘聚力及计算中占有的单宽长度或面积。型崩塌由于危岩体重量的偏心分布,引起点出现拉应力,稳定性系数为::璺,盯式中,,??岩体平均抗拉强度;巧,//霹?在外取“’,在内取“?”;为段长度,为段长度,即重心铅垂线距点的距离,为岩体垂直剖面方向的宽度。此型式如产生裂面,也可按型计算。型崩塌危岩体坡脚段引起的破坏,稳定性系数可按下式计算:.。?
/式中,.一岩体或土层的抗压强度;三??段长度。如属剪切破坏,则计算可采用.瑾以’/式中,口??要;妒??岩石的内摩擦角:上’??段长度:。一分别为岩石抗剪断强度的摩擦系数和粘聚力。此外,孙云志,陈明东,胡厚田、陈洪凯等人也分别根据自己的分类模式或具体工程特点提出了静力失稳判据,这此判据大同小异,不外乎根据经典的理论力学和材料力学平衡原理得出。此处不再赘述。..边坡工程预测预报的发展??理论的应用重庆大学硕士学位论文绪论在信息社会中,全球是一个开放的系统,系统已在地学领域取得初步的尝试,年国际岩石力学学会上,利用技术在岩石工程建设中的作用已大大引起注意。所谓系统是指地理信息系统、遥感系统和全球定位系统。三者融为一体为边坡工程的防治与预测预报提供了新一代的观测手段、描述语言和思维工具。从年开始,崔政权、何满潮着手建立“三峡库区边坡稳态实时工程分析系统”。..危岩常用的工程加固措施目前常用的危岩整治措旌主要有:【锚固利用锚杆将危岩与稳定的母岩联系在一起以稳固危岩的措施。通过变化锚杆的截面规格,钻进进方向和长度可对各种形式的危岩起到加固作用。锚固是危岩治理的主要工程措施。唐红梅根据沿着锚杆布设方向岩体变形量最大的总体目标,建立了岩体锚固变形方程,据此提出岩体最优锚固方向,即锚杆沿着主控结构面倾向布设,主.控结构面倾角与锚杆倾角满足口口万陈洪引】提出锚固岩体等效参数法,该方法将锚杆与危岩共同视为均质各向同性连续介质,从岩体的等效法向及切向刚度系数出发,基于小变形,变形可叠加性和强度参数不相关性,建立了等效锚固体的强度参数,妒的表达式。支撑用条石,混凝土等支撑体支撑危岩,防止其坠落的方式。支撑多用在悬挑状危岩下,也是危岩加固的主要措施。支撑体与危岩的能否紧密连接是支撑作用能否发挥的关键问题。拦截在危岩带下方的斜坡的适当位置,修建刚性拦石墙,柔性拦石网,以拦挡上部危岩的掉块落石。拦截是一种被动的防治技术。根据地形条件判断落石的运动路径,估计弹跳点,弹跳高度,以确定拦石墙的位置、高度是这种方法的一个重点。清除对体量较小且与母岩严重脱离的孤石通常将之清除。灌浆灌浆可改善结构面的力学性能,从而增加岩体强度;防止外部因素对岩体的侵蚀,弱化。排水修建完善的地表排水系统.将地表径漉汇聚起来,通过排水系统排出坡外,防止大量流水进入岩体产生水压力以及侵蚀岩体。护坡对危岩基座易风化的泥岩,应喷射混凝土加以封闭,防止表面剖落和差异风化的发生。重庆大学硕士学位论文绪论危岩治理是一个系统工程,单一的治理措施难以保证效果,必须根据具体情况,具体分析,综合采用上述的各项措施,以确保安全。.本文研究的范围、思路本文以洪崖洞危岩为研究对象,洪崖洞危岩数量众多,形态各异,具有代表性。论文通过对这一典型工程的分析,力求得出一些可用于危岩治理设计的普遍性结论。要对危岩进行各种分析和设计计算,必须先确定危岩上的作用,因此地应力和水的作用是论文讨论的两个重要内容。地应力是一个充满各种变数的量,要了解某个地区的地应力情况,最好的办法还是进行原位测试。为了研究地应力对危岩发育和稳定性的影响,进行了现场地应力测试。目前,地应力测量方法有很多种、诸如扁千斤顶法,水压致裂法、应力解除法、地球物探法等。其中应力解除法是一种较为成熟的方法。实验采用套孔应力解除法,由空心包体应力计测得原岩三维应力状态。选择测试点时,既要照顾到实验工作的可操作性,又要尽力避开边坡表面附近的二次应力影响区域,测试深度拟定在距边坡表面左右,测试三个孔。取得数据后,分析讨论地应力在危岩边坡形成历史上的作用,以及对现有危岩的影响。水的作用主要考虑以下几个方面:水的物理化学作用;裂隙集水产生的静水压力,根据水力学的相关知识和裂隙水的具体情况建立裂隙积水的计算模型,并力求得出可用于工程设计的静水压力实用计算式;水在裂隙中的流动可能产生的动水压力;最后研究水对裂隙开展的影响。对危岩进行工程分类后才方便对危岩的治理设计,论文研究危岩的分类方法。根据分类,使用有限元方法对每一种类别下的典型危岩块体进行数值模拟,判明其破坏模式,并针对这些破坏模式,提出相应的工程设计计算方法。洪崖洞的设计过程中采用以锚固为主体的加固措施,使用全长粘结型锚杆,并引入了一些新型的结构元素如,人字形支架来加固危岩。这些新型结构元素的作用、设计方法和构造措施都值得进行理论分析和总结。危岩的加固是一个综合治理过程,除了锚固以外,裂隙灌浆,边坡排水等辅助措施也将一并论述。本文的研究思路见图.重庆人学硕士学位论文绪论图.研究思路框图.】重庆大学硕士学位论文洪崖洞场地程地质条件洪崖洞场地工程地质条件.自然地理环境重庆市渝中区位于长江与嘉陵江交汇处,三面临水,岩坡发育。岸坡上陡下缓,上部为悬坡;中部为陡坡,下部为中缓坡。就岩坡与地层倾向的关系而言为切向坡。渝中区洪崖洞危岩发育于嘉陵江南岸切向坡上部的陡崖和悬崖之中,坡度。~。,标高约在.~.范围内,长度约。危岩坡顶为缓坡台地形,密布渝中区交通干道及家住、商用楼。危岩之下为。~。中坡,主要由泥岩构成,呈台阶分布直至嘉陵江。区内防空洞纵横交错,洞底分布高程.~.,全段洞室进口余个,内部基本连通。大多数防空洞在泥岩中开挖,以砂岩为顶板。嘉陵江平均水位.米。常年洪水位.米,特大洪水位.米..。重庆市属中亚热带湿润季风气候,主要特点是多阴少晴、日照时数少、冬暖夏热、降雨充沛、分配不均、雨热同季、空气湿润、风力微弱。据市气象站资料,该区多年平均气温为.,月平均最高气温.月,月平均最低气温.。】月。多年平均降雨量为.~.,集中在~月,其问降雨量高达.毫米。区内降雨的%属于小雨,年均小雨日数.。中雨年均.,其中有%集中于夏秋季节;大雨以上的降雨日数年均.,大雨、暴雨日数占年降雨日数的%,降雨量占总降雨量的.%。区内一日最月日。.工程地质概况..地层岩性洪崖洞陡崖带坡体骨架主要由侏罗系中统上沙溪庙组。砂岩体和其下基座泥岩组成,撼述如下:①长石砂岩。:灰白色,中粒结构,分布高程.~.,出露厚度.~.。其问夹有一层厚约.的泥质粉砂岩。砂岩被裂隙切割成各种形状的结构体,是危岩体的主要岩性,也是防空洞顶板的主要岩性。其物理力学性质见表.。②泥岩。:紫红色,夹~层厚~的岩屑长石砂岩,砂岩体为透镜体产出,其分布于岩坡中下部,构成危岩软弱基座和防空洞的侧壁,层厚.~.。其物理力学性质见表.。洪崖洞场地工程地质条件重庆大学硕士学位论文③泥质砂岩。。:黄灰色,中粗粒结构,分布高程.~.,出露厚度约~。主要位于东段危岩体上部,成为沧白路条石挡墙的基座。..地质构造洪崖洞位于解放碑向斜轴部。解放碑向斜轴部走向~,位于该段纸盐河巷,地层倾角近于水平。向斜两翼产状平缓,东翼。。~。,西翼。么~。见图.。图.构造纲要图.①南温泉背斜:②解放碑向斜;③龙王洞背斜:④化龙桥向斜;⑤沙坪坝穹隆;⑥磁器口向斜;⑦观音峡背斜对岸坡上部陡崖带的裂隙情况进行调查,得到组裂隙产状数据,作走向玫瑰花图见图.,可见,洪崖洞地区主要以走向。~。及。~。两组陡倾角裂隙及层面裂隙发育,走向。~。及。~。两组裂隙发育程度稍次之。。。。。。一~、~、。一,一一一一一./。、‘。\逊泛:。洪崖洞场地工程地质条件。水文地质概况场地高陡岸坡水文地质结构表现为明显的三个水文特征带:上部陡崖砂岩体透水层、中部斜坡泥岩体相对隔水层和下部岸边堆积土体含水层。①上部陡崖砂岩体透水层岸坡上部巨厚层长石砂岩所形成的陡崖带,岩体裂隙发育、贯通性好,是良好的透水层。地下水主要为降水及地表排水补给,短途径流,以接触下降泉或悬挂泉的形式于崖脚砂泥岩交接部位排泄。因生活用水及地下水管年久失修渗漏补给水,该地区多数洞室项板砂岩体裂隙有滴水和渗水现/,象,单点滴水量一般为.~./,洞口常年流水量./。洞口流量为.②中部斜坡泥岩体相对隔水层岸坡中部为~的斜坡地带,地质结构为相对隔水泥岩层,地下水贫乏,具坡面流短途径流排泄。③下部岸边堆积土体含水层岸坡下部松散堆积层中存在孔隙水,洪水期受大气降水、生活污水及江水补给:枯水期地下水排泄至嘉陵江。具有短途径流、动态变化大的特点。勘察单位对洞室顶板裂隙水取样做化学分析,其结果表明:地下水类型为为.,.,总矿化度..。,侵蚀性为..,说明场地水对混凝土无侵蚀性作用。.岩体力学性质参数研究众所周知,岩土工程的成败很大程度上依赖于岩土参数的取值。岩体的力学性能参数是岩土工程的基础性难题,也一直是岩体力学工作者探索的主要课题之一。目前,对岩体的变形和强度研究主要有以下三种不同的途径:现场原位实验以?米勒,.教授为代表的奥地利学派认为。“,由于岩体力学性态十分复杂,完全不依赖现场实验,要描述岩体的性质是不可能的,只有通过现场实验才可以正确地判断岩体的强度和变形性质。用原位实验确定岩体强度的变形参数,能较好的反映岩体的自然特性,但是原位实验周期长,费用高,而且由于尺寸效应,实验成果具有很强的离散性,如千斤顶获得值是平板实验的/~/,由单轴试验获得值比膨胀仪大.倍,而由地震方法获取值是膨胀仪的倍,?等。可见,不同的实验方法具有极不相同的实验结果。据日本学者?的研究,当岩体试样尺寸大于三倍重庆大学硕士学位论文洪崖洞场地工程地质条件节理迹长时,其实险相对误差才‘可以接受,而这样大的原位实验是不可能的。分析分解方法以?约翰,..教授为代表的更多学者则相信,把在实验室得到的描述岩石小试件材料性质的数据与在观测到的原位岩体的实际组构结合起来,就可以用分析的方法确定在不同的荷载条件下岩体的强度的变形性状。和运用节理刚度的概念,视岩体的变形是岩石块体和节理两者之和,得到两组节理岩体的等效模量和等效刚度;、朱维申等根据节理几何参数模型,应用?模拟得出不同尺寸岩体试件,然后用有限元解出岩体的强度值和变形参数,该法较好地解决了节理岩体的介质模型,且从统计的观点出发,研究思路完整,但计算量太大。经验法在原位试验大量成果的基础上,南非的宾尼维斯基..建立了岩体强度参数、变形模量与分类和分类之间的关系;根据提供的数据建立了岩体变形模量与之间的关系式;和建立了工程岩体质量与岩体变形模量之间的预测方程;和将?经验准则中的、和的岩石分类指标相联系起来,建议了根据指标直接确定、的计算公式,并推导出了、与岩体抗剪强度之间的关系式;我国的《岩土工程勘察规范》一确定了由岩体级别来估算岩体变形模量;《工程岩体分级标准》?给出了由岩体质量级别来估算岩体的强度参数和变形模量。上述方法不但使大量的原位实验成果得到了科学的归纳,而且也解决了许多工程实际问题,工程人员也极易掌握,因此该法得到岩体工程工作人员的普遍欢迎。。“当原位实验困难而分析方法又较难应用时,经验法不失为一种有效的方法。本文以地勘资料提供的数据为基础,运用宾尼维斯基的岩体分类指数,结合《工程岩体分级标准》?《重庆市工程地质勘察规范》/?给出洪崖洞岩体力学参数。?宾尼维斯基认为主要的六个参数指标影响岩体质量:岩块单向抗压强度。、岩石的值、节理平均间距、节理面粗糙度与张开情况、节理方向以及地下水的影响。把各个参数划分出分值,最后相加组成评分值??值,是衡量岩体工程质量的综合特征值,其范围是~。值愈大,质量愈好。.披尺心月根据和的建议,采用下面关系式由指标近似计算岩体变形模量。.。重庆大学硕士学位论文洪崖洞场地:程地质条件《工程岩体分级标准》考虑了岩石强度、岩体完整程度、地下水、初始应力状态等影响因素,其中岩石基本质量指标由下式计算:.口。,式中:。??岩石单轴饱和抗压强度,??岩石完整性指数值由岩体弹性波速或岩体体积节理数确定使用式时,应遵守下列限制条件:①当。,时,应以。和。代入计算值;②当,.。.时,应以,..和。代入计算值。岩体基本质量指标修正值按下式计算:.【口一式中:卜地下水影响修正系数:卜主要软弱结构面产状影响修正系数纷一初始应力状态影响修正系数。通过对洪崖洞现场情况的大量调研、参考地勘报告并结合上述方法进行综合考虑,取得岩石、岩体和节理的各种参数如下表.洪崖洞危岩中风化岩体力学性质参数.长石泥质砂质粉砂岩裂隙岩泥岩岩体名称砂岩砂岩泥岩夹层体....,重度/....天然抗压五....饱和抗压。粘聚力......内摩擦角由。变形模量巳。.....泊松比....基底摩擦系数注:.表中取值均为标准值.据重庆市《工程地质勘察规范》/.第..条,岩体内聚力标准值折减系数取.,内摩擦角标准值折减系数取..裂隙岩体是专为有限元模拟裂隙假定的一种岩体。重庆大学硕士学位论文危岩形成机理初探危岩形成机理初探危岩破坏是指陡坡上与完整母岩渐趋分离的岩块,在重力和其它因素作用下,突然向下快速崩落,座落或倾覆,最后堆砌于坡脚的现象。危岩破坏属于斜坡破坏,具有突发性、高能量、破坏力强的特点,是一种常见的山区地质灾害。自然界中,硬质岩层在各种地质营力作用下,有条件形成陡峭的岩石边坡,这种岩石边坡本身具有各种裂隙,在漫长的地质年代里,重力、地震、自然降水、风化侵蚀等作用使这些裂隙不断开展、恶化,逐渐地将陡坡表面的岩石切割成大小不一的独立岩块。摇摇欲坠的独立岩块在某种因素如降雨的诱发下。突然向下坠落。崩塌的岩块位置高,势能大,下坠过程中沿边坡猛烈地倾翻、跳跃、滚动,积聚大量动能,势不可挡,破坏力极强。本章从分析危岩上的作用入手,结合地质环境因素,初步讨论危岩形成的机理。.危岩上的作用危岩边坡上的作用对危岩的形成和破坏有重要影响,弄清作用是工程设计的前提基础。危岩的作用很多,主要有以下几个方面:重力重力是危岩体上的主要作用,悬挑危岩破坏与重力直接相关。重力的计算很简单,仅与岩石重度、体积相关。但是,危岩的体积不容易求准。以洪崖洞为例,危岩的位置很高,且数量众多,形状千奇百怪,勘察阶段,直接量测几乎不可能。若用经纬仪,只能近距离架设,大角度仰视,结果并不准确;勘察单位用类似鱼杆的长杆,加上可以收缩的绳索,通过绳索间接测量,也只能得到粗略的数据。地震和其它震动水平地震作用极可能成为危岩崩塌的诱因。在历史上,地震弓起的崩塌次生灾害是严重的。年月日甘肃通渭地震.级,通渭城北笔架山一山峰崩塌,压死四万余人。年月::;秘鲁地震.级,有一万多人被崩塌所埋。年月日云南昭通地震.级,诱发大量崩塌滑坡,公路多处中断,并使大量农田、通讯设施和水利工程被毁。?据云南昭通资料,地震引发的崩塌多集中在山坡坡度大于。的地区,其中以。~。的山坡为最多,约占.%,详见下表。危岩形成机理初探重庆大学硕士学位论文.。~~合计山坡坡度崩塌数量....百分比地震触发的崩塌与地震力的大小密切相关,这反应在不同烈度区的崩塌分都特征上,根据云南昭通资料如下:ⅧⅦ烈度Ⅸ地震触发数量..的崩塌百分比以上虽是昭通个案,但也可起借鉴作用,可以看出崩塌主要集中在Ⅷ~Ⅸ度烈度区,Ⅶ度以下区域,地震引起崩塌的可能性很小。考虑地震作用时,危岩可视为一刚性体,忽略其受震时基座部位的塑性变形能力,可按下式计算地震力:.×式中:一地震力;??危岩体重力:ⅥⅦⅨ设防烈度....岛重庆渝中区虽然为Ⅵ度区,但洪崖洄地处闹市,为安全起见,设计中考虑了地震作用。由于水平地震加速度小,加上地震为偶然荷载,荷载组合时进行一定的折减,设计中有地震作用的组合一般不起控制作用。除了地震以外,当边坡坡顶或玻脚有铁路或公路时,交通工具经过时的震动对危岩也有影响,特别是列车。实测结果表明,列车经过时,水平地震加速度系数在.左右,相当于烈度为度的地震。作用虽然小,但列车震动每天发生几十上百次,这种震动与风化作用类似,是长期的累积因素。如果要在危岩边坡下实箍爆破作业,其作用应根据具体情况考虑。地应力的作用这里的地应力指地质构造应力和自重应力,虽然目前对于引起地壳运动的力的来源还不清楚,学术界的看法也不一致。但是,这种应力在引起地壳岩体的变重庆大学硕二仁学位论文危岩形成机理初探形和破坏后,经过漫长的地质年代它们还没有消失。事实上,在某些地区岩体中,这种残余地应力可以比岩体自重大好多倍。例如:重庆市涪陵区四环路年月同发生的崩塌。该处边坡平行于岩层倾斜方向开挖,岩层为泥质粉砂岩。边坡开挖达到时,出现快速崩塌,宽度达多米。怀疑与当地的残余地质构造应力有密切关系。洪崖洞地区为一平缓向斜,构造运动不是十分强烈,且边坡形成年代久远,卸荷裂隙发育。我们判断其地应力较弱,为了证实这一点,加固治理过程中进行了现场地应力测试。关于地应力对危岩的作用和实验的具体情况,在第章中讨论。水的作用水的作用主要包括降雨和地下水的作用。俗话道:“大雨大塌,小雨小塌,无雨不塌”。形象地说明了降雨和崩塌的密切联系,据大量调查资料,危岩崩塌有%发生在雨季,特别是雨中或雨后不久;很少发生在旱季。连续降雨时间越长,暴雨强度越大,崩塌次数越多;阴雨连绵较短促暴雨引起的崩塌降雨星多;长期大雨比连绵细雨时的崩塌多。根据胡厚田对宝成铁路沿线崩塌的详细调查,以广元、略阳两个气象站?年的按月累积的降雨量和三个四洲蜘孝姗四区间按月累积的崩塌落石次数对比绘成图.Ⅲ出,宝成线按月累积的崩.塌次数与按月累积的降雨曲线非常近似,这说明崩塌与落石有密切联系。水在裂隙中渗流对危岩的影响比较复杂,将在第章中详细论述。风化作用风化作用对岩体的影响是连续不断的,在风化营力的长期作用下,岩体的强度和稳定性不断降低,最终形成危岩。洪崖洞地区风化作用的影响有以下三方面:风化程度也高,风化营①砂岩的风化:砂岩强度高,其力沿剪节理侵蚀,多形成三面临空的墙柱状危岩。】重庆火学硕士学位论文危岩形成机理初探②对泥岩的风化:泥岩每年的风化剥落速度为~。洪崖洞上部为砂岩,泥岩下伏,泥岩的风化将在砂岩下形成洼岩腔,砂岩悬出,形成危岩。③对粉砂岩夹层的风化:洪崖洞直立砂岩边坡的中上部夹一层约厚的粉砂岩,风化严重。植物作用:生长在边坡上的植物如黄桷树对崩塌落石有两个不同方面的作用和影响。①根劈作用促进崩塌落石的生成:生长在岩石结构面中的黄桷树,根部不断的延伸和变粗,使岩石的结构面不断张开,促使岩体的进一步破坏。在洪崖。洞的高位防空洞中可见到纵横交缠的树根从裂隙中伸出,最粗的直径达到②植被发达的根系对固定一些山坡上的松散土石,有积极的作用。现场可见陡坡表面有些危险的孤石被黄桷树的庞大根系牢牢抱住。这反映了植被有利的一面。但是用树木来防止崩塌的发生是不可靠的。.危岩的形成机理大量的调查表明,陡峻的斜坡地形是形成危岩必不可少的条件之一。斜坡坡度越陡,越容易形成危岩。据统计,有%的危岩破坏是发生在坡度大于的陡坡地形。此外,陡峭边坡的高度对危岩的形成也有明显影响,一般高度越大越容易出现。据调查,有%以上的危岩破坏发生在高度大于的边坡,洪崖洞边坡高度~,平均坡度~。具备形成危岩的地形条件。危岩主要出现在陡峭的硬质岩石边坡上,从构造地质的观点看,只有硬质岩石才能形成高且陡的边坡,这种边坡在其坡顶往后一定范围内~定有卸荷裂隙发育,地勘报告指出,洪崖洞砂岩卸荷裂隙在坡顶向后~内密集发育。同时,岩石的单轴受压强度越高,构造裂隙的开展越集中,形成宽且深的裂隙。洪崖洞砂岩的构造裂隙宽度通常在.~,最宽的达到。相反地,在泥岩等软岩中则出现纤细而分散的细微裂隙,网状的微裂隙使泥岩表面如同龟裂,大大加速了岩石的风化。岩体中构造裂隙、卸荷裂隙、及各种软弱夹层、结构面的存在是洪崖洞危岩形成的地质基础。嘉陵江的冲刷切割形成的岸坡是危岩形成的起始性作用。原始地壳的表层处于平衡的地应力场中,河流的冲刷切割使原始地貌发生变化,破坏原本平衡的地应力场,引起应力释放。这种应力场,特别是水平应力场,的释放对边坡是极为不利的,它造成卸荷裂隙的发育和原生结构面的进一步松驰、扩张。而结构面的加密和扩展不仅使边坡岩体整体结构趋于松散,更使得岩体的渗透性显著增强,为自然界的各种风化侵蚀作用创造条件,而风化、流水侵蚀、植物根劈等物理化学作用又促使裂隙的进一步扩展,陷入一个互相影响的恶性循环。危岩形成机理初探重庆大学硕十学位论文筐≥差醺≥萎藤墨重≥誓重≥唾图.羞异风化型危岩照片.重庆大学硕士学位论文危岩形成机理初探分层出露型的累进式发育破坏洪崖洞地区三面临空的墙柱状危岩主要是由砂岩中的竖向构造剪节理切割而成。这些剪节理一般呈共轭产出,倾角在~的范围内,发育深度大,往往贯通整个砂岩层,而且成组发育,间距较密,例如,由两组剪节理控制,产状分别为①么,发育间距.~条/;②么,发育间距.~条/。这种裂隙连同竖向卸荷裂隙将危岩切割成一层层直立的柱状或薄板状,在自然作用力的侵蚀下,最外层的墙柱危岩不断弱化,终于在水压,地震等因素诱发下崩塌,然后下一层岩石出露,形成新的危岩。就这样逐层崩塌,逐层出露,地形也随之不断后退。图.分层出露型的累进式发育破坏..重庆大学硕士学