董 捷,宋緒國,許再良,鄭 剛

(1.天津大學建筑工程學院,天津 300381；2.鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300142)

危巖主要是指在自然斜坡或邊坡表面出露的具有潛在墜落、滑移或傾倒等不良變形趨勢,并對鄰近工程構成較大威脅的巖體。幾十年來,國內(nèi)外部分學者針對危巖體的穩(wěn)定性展開大量研究,積累了一定的研究基礎[1,2]。陳洪凱、唐紅梅、劉衛(wèi)華、黃波林、張青宇等學者結合危巖體的形成機理,對不同類型危巖體的破壞模式展開研究[3-6],認為傾倒式或墜落式變形是危巖失穩(wěn)的主要形式。在我國《工程地質手冊》及相關鐵路規(guī)范中,一般將危巖崩塌的破壞模式分為“傾倒式”、“滑移式”、“鼓脹式”、“拉裂式”和“錯斷式”5種[7,8],其中“傾倒式”崩塌在工程中較為常見,其易發(fā)于軟硬巖互層的陡崖上,也常常出現(xiàn)在陡傾角裂隙較發(fā)育的高陡巖質邊坡上。危巖體若產(chǎn)生傾倒式崩塌,危巖體的運動發(fā)展較為迅速,對鄰近工程建筑及人員威脅極大。因此,該類型危巖體的穩(wěn)定性研究逐漸被重視起來,并逐步發(fā)展了多種基于極限平衡原理的危巖穩(wěn)定性分析方法[9-12]。需要指出的是,上述方法大多將基底接觸面視為貫通,且穩(wěn)定性分析時危巖體的幾何屬性需要事先進行計算,增加了計算工作量。鑒于此,本文基于平面坐標系統(tǒng)的塊體極限平衡理論,重點對傾倒式崩塌的穩(wěn)定性分析模型進行研究,以期對相關工程設計人員有所幫助。

1 傾倒式崩塌的類型劃分

假定傾倒式危巖的幾何形狀可以簡化為不規(guī)則的四面體ABCD,如圖1、圖2所示。塊體4個角點的坐標分別為(XA,YA)、(XB,YB)、(XC,YC)和(XD,YD),危巖體的重度用γ表示,塊體單位厚度的自重可以用W表示,塊體形心(XABCD,YABCD)與A點之間的水平距離用a表示,存在關系式

(1)

則W應滿足下列公式

(2)

分析發(fā)現(xiàn),當XABCD-XA<0時,即危巖自重起抗傾覆的作用；反之,當XABCD-XA≥0時,危巖自重則產(chǎn)生傾覆力矩。對于可能產(chǎn)生傾倒破壞的危巖體而言,其部分或所有邊界與穩(wěn)定巖體之間有裂隙存在。若發(fā)生傾倒式崩塌時,假定以A點為轉點發(fā)生轉動。計算穩(wěn)定性系數(shù)時考慮各種附加力的最不利組合,并考慮裂隙水壓力、水平地震力F的作用及加固力的合力P的作用,按危巖類別,其穩(wěn)定性計算可細分為2種類型：加固力傾斜向下的非懸挑傾倒式危巖(圖1)和加固力傾斜向上的懸挑傾倒式危巖(圖2)。

圖1 非懸挑傾倒式危巖受力示意

圖2 懸挑傾倒式危巖受力示意

對于非懸挑傾倒式危巖,由于角點A附近受巖橋影響其滑移受阻,在裂隙水壓力和水平地震力的作用下易繞A點產(chǎn)生傾倒變形,除滿足XABCD-XA<0外,角點坐標還應滿足如下關系

(3)

對于懸挑傾倒式危巖,除滿足XABCD-XA≥0外,角點坐標還應滿足如下關系

(4)

2 穩(wěn)定性分析

2.1 非懸挑傾倒式危巖

該類危巖體基底角點處受局部地形限制,危巖體主要產(chǎn)生繞A點的傾倒變形,此時加固力一般傾斜向下,如圖1所示,若假定加固力P繞A點的力臂用hp表示,當XA-XB=0時,存在關系式

(5)

(6)

(7)

(8)

假定裂隙水壓力U1繞A點產(chǎn)生的傾倒力矩的力臂用hu1表示。

當XD-XC≥0時,且危巖體的高寬比較大(一般大于3時),也具有產(chǎn)生傾倒式崩塌的趨勢,存在關系式

(9)

當XD-XC<0時,存在關系式(計算出的hu1必須滿足hu1>0,否則危巖塊體不滿足傾倒破壞的條件)

(10)

危巖體的抗傾倒穩(wěn)定安全系數(shù)Kqd可以表示為

(11)

其中,s1=YABCD-YA；a=XA-XABCD

2.2 懸挑傾倒式危巖

巖體下部受侵蝕等作用影響,造成危巖體上部出現(xiàn)懸挑臨空的現(xiàn)象,該類型危巖其形心位于旋轉點A的外側,如圖2所示,此時危巖自重繞點A產(chǎn)生傾倒力矩。對于該類型危巖,一般加固力方向水平或斜向上方,設其與水平線之間的夾角為β,力臂hp采用可表示為

(12)

危巖體的抗傾倒穩(wěn)定安全系數(shù)Kqd可以表示為

(13)

3 工程應用

3.1 應用軟件研發(fā)

基于所建立的傾倒式崩塌穩(wěn)定性分析模型,本文采用C#開發(fā)研制了傾倒式崩塌穩(wěn)定性分析軟件,該軟件是一套基于Win2000/XP/Vista/Win7平臺上進行危巖塊體穩(wěn)定性分析的實用工具,其操作方便、界面友好,適合工程相關設計人員使用,主界面如圖3所示。

圖3 傾倒式崩塌分析軟件主界面

3.2 危巖穩(wěn)定性分析實例

某危巖體位于重慶地區(qū)石馬河飛來寺陡崖上,陡崖下鄰道路及生活區(qū)。該陡崖由巨厚層狀侏羅系上統(tǒng)蓬萊組下段砂巖組成,陡崖底座為一厚層泥巖,受巖石差異風化影響,下部泥巖向內(nèi)凹進,上部砂巖向外突出形成懸崖?？辈靺^(qū)巖層呈近水平狀,陡崖段為巨厚層狀砂巖,縱向裂隙發(fā)育,貫通性好,有良好的儲水空間,底座泥巖為相對隔水層,易產(chǎn)生傾倒式崩塌。為此,采用本文所建立的理論及編制的軟件對該危巖體進行安全評估。經(jīng)勘察,危巖體平均重度為23 kN/m3,危巖體積約950 m3,砂巖下端巖橋處的凝聚力為600 kPa,地震水平加速度按0.15g考慮,將測定后的危巖體幾何控制坐標點A、B、C、D代入程序中,計算得到危巖體目前的抗傾倒安全系數(shù)為1.06,并不滿足允許安全系數(shù)1.5的要求,如圖4所示,由于該危巖下部為陡峻的斜坡,不具備填充支撐柱基礎的施工作業(yè)條件,因此擬采用預應力錨索進行加固,以達到設計所需的整體安全系數(shù)。

圖4 飛來寺某危巖穩(wěn)定性分析界面

圖5 飛來寺某危巖錨固力設計

由于危巖體上部突出,為便于封漿,錨索入射角設計為0°。設計加固力合力作用點距下端角點A的豎向距離為8 m,代入程序中進行試算。當加固預應力達570 kN/m時,抗傾倒安全系數(shù)達1.53,如圖5所示。因此,設計采用上下2排6束預應力錨索,縱向間距3 m,下排錨索距角點A的豎向距離為6.5 m,上排錨索距角點A的豎向距離為9.5 m,錨索水平向間距為2 m,該方案即可滿足設計要求。

4 結語

(1)本文從危巖體的幾何特征出發(fā),將傾倒式崩塌分為非懸挑傾倒式崩塌和懸挑傾倒式崩塌2種類型。在此基礎上,基于平面坐標系統(tǒng)建立了傾倒式崩塌抗傾覆穩(wěn)定性分析的力學模型,推導了此類危巖體抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)的計算公式,以指導工程設計。

(2)基于已建立的傾倒式崩塌穩(wěn)定性計算方法,采用C#開發(fā)研制了傾倒式崩塌穩(wěn)定性分析軟件,該軟件操作方便、界面友好,適合巖土工程相關設計人員使用。

(3)基于上述理論方法及編制的應用軟件,針對重慶市飛來寺附近某危巖體的穩(wěn)定性進行了計算,并分析了給定安全系數(shù)條件下的加固力大小。實踐表明,運用本文研究的力學模型及分析軟件,顯著提高了危巖穩(wěn)定性分析及加固設計的效率。

[1] R J SMALL. The Study of Landform[M]. Cambridge University Press. Princeton, New Jersey. 1982：1-5.

[2] A D ABRAHAMS. Hillslope Processes[M]. Boston Allen & Umvin. 1986:70-100.

[3] 陳洪凱,唐紅梅.長江三峽水庫區(qū)危巖分類及宏觀判據(jù)研究[J].中國地質災害與防治學報,2005,16(4):53-57.

[4] 劉衛(wèi)華.高陡邊坡危巖體穩(wěn)定性、運動特征及防治對策研究[D].成都：成都理工大學,2008:23-67.

[5] 黃波林,劉廣寧,彭軒明.重慶市涪陵區(qū)厚層軟硬相間巖體失穩(wěn)模式[J]. 工程地質學報,2009,17(4):516-521.

[6] 張青宇,沈軍輝,陳明東,等.麻柳溝危巖體的形成機制與穩(wěn)定性分析[J]. 地質災害與環(huán)境保護,2011,22(1):98-102.

[7] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007:555-558.

[8] 鐵道第二勘察設計院.鐵路工程不良地質勘察規(guī)程[S].北京：中國鐵道出版社,2001:90-91.

[9] 李衛(wèi)民,耿宏漢.FAST臺址區(qū)危巖穩(wěn)定性分析[J].工程勘察,2010(S1):578-587.

[10] 劉宏,宋建波,向喜瓊.緩傾角層狀巖質邊坡小危巖體失穩(wěn)破壞模式與穩(wěn)定性評價[J].巖石力學與工程學報,2006,25(8):1606-1611.

[11] 陳洪凱,唐紅梅,王蓉.三峽庫區(qū)危巖穩(wěn)定性計算方法及應用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(4):614-619.

[12] 陳洪凱,鮮學福,唐紅梅,等.危巖穩(wěn)定性分析方法[J].應用力學學報,2009,26(2):278-282.