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        裂紋擴(kuò)展對(duì)危巖失穩(wěn)模式變化的影響分析

        2021-01-30 02:58:38
        中國(guó)公路 2021年1期
        關(guān)鍵詞:危巖后緣基座

        (四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,四川 成都 610000)

        危巖是交通工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中常遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一,具有發(fā)育期長(zhǎng)、突發(fā)性強(qiáng)、危害性大的特點(diǎn)。交通沿線(xiàn)危巖崩塌常常會(huì)危及行人、過(guò)往車(chē)輛等安全,甚至造成嚴(yán)重的人員傷亡、巨大的經(jīng)濟(jì)損失。危巖失穩(wěn)模式主要受巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的影響,結(jié)構(gòu)面的發(fā)育本質(zhì)是裂紋的擴(kuò)展,本文從裂紋擴(kuò)展角度探究了危巖失穩(wěn)發(fā)展模式。

        一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

        中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院袁小平等在Drucker-Prager準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,針對(duì)存在節(jié)理的巖石中小范圍屈服翼裂紋尖端塑性區(qū),推導(dǎo)出基于該準(zhǔn)則下的純Ⅰ、純Ⅱ及Ⅰ、Ⅱ復(fù)合型3種翼裂紋無(wú)量綱塑性區(qū)徑長(zhǎng)函數(shù);贛州有色冶金研究所謝世勇等對(duì)動(dòng)靜組合荷載下的巖石破碎過(guò)程進(jìn)行分析得出,一定范圍內(nèi)改變靜壓力和沖擊力可以提高巖石的破碎效率;青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院王國(guó)艷等采用巖石破裂過(guò)程的RFPT數(shù)值分析系統(tǒng),模擬了單軸壓縮作用下不同裂隙傾角的單裂隙試件破壞過(guò)程;中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院劉濤影等探討了高滲透作用下壓剪巖石的起裂規(guī)律和分支裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的演變規(guī)律,推導(dǎo)出高滲透壓下巖體在發(fā)生拉剪破壞時(shí)的臨界水壓力數(shù)值,以及初起裂強(qiáng)度的判據(jù);東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院丁梧秀等用不同化學(xué)溶液對(duì)巖石事件進(jìn)行浸泡溶蝕,得出在溶液的侵蝕作用下,巖石強(qiáng)度顯著下降,巖石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷。在前人的努力下,斷裂損傷力學(xué)已運(yùn)用到巖石的各個(gè)方面。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)巖石力學(xué)與分形研究所謝和平總結(jié)了巖石強(qiáng)度理論研究中斷裂力學(xué)與損傷力學(xué)的運(yùn)用進(jìn)展。

        本文在斷裂損傷力學(xué)理論的基礎(chǔ)上,從裂紋發(fā)展的角度揭示了滑塌式危巖和傾倒式危巖兩類(lèi)危巖形成的機(jī)制,討論了危巖后緣張拉裂隙擴(kuò)展及軟弱基座中裂紋的擴(kuò)展對(duì)危巖失穩(wěn)模式的影響,并給出了工程治理措施。

        二、巖體中的裂紋

        過(guò)去對(duì)巖體強(qiáng)度的研究,假定巖體材料是連續(xù)的,不存在任何的缺陷或者裂紋,這種假設(shè)下,用現(xiàn)有的應(yīng)力強(qiáng)度理論和破壞準(zhǔn)則很難對(duì)巖體復(fù)雜的強(qiáng)度變化和整體破壞現(xiàn)象作出解釋。

        隨著斷裂與損傷力學(xué)等一系列學(xué)科的興起,眾多學(xué)者將這些新興學(xué)科應(yīng)用到巖體中,巖體的強(qiáng)度理論由過(guò)去的經(jīng)典強(qiáng)度理論發(fā)展到將斷裂學(xué)、損傷學(xué)應(yīng)用于其中的理論,并不斷完善。巖石同大多數(shù)材料一樣,存在三種裂紋:Ⅰ型裂紋(拉張)、Ⅱ型裂紋(錯(cuò)動(dòng)剪切)、Ⅲ型裂紋(垂直應(yīng)力面撕裂型)。其中,Ⅰ型裂紋的裂紋面垂直于所受力的方向,Ⅱ型裂紋為剪應(yīng)力作用下滑移形成的裂紋,Ⅲ型裂紋是在拉應(yīng)力作用下向內(nèi)外方向撕裂的裂紋。

        三種裂紋擴(kuò)展的判據(jù)分別為三種裂紋的強(qiáng)度因子與巖石的斷裂韌度相等,即

        式中:i=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ,Ki為裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子,Kic為巖石的斷裂韌度。

        三、裂隙的擴(kuò)展對(duì)危巖失穩(wěn)模式的影響

        本文以三峽航道某危巖為例,分析了裂紋擴(kuò)展對(duì)同類(lèi)型危巖失穩(wěn)模式變化的影響。

        該危巖上部為堅(jiān)硬的泥質(zhì)灰?guī)r,強(qiáng)度高?;糠譃閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)灰?guī)r,強(qiáng)度相對(duì)較低?;恢玫幕鶐r在上部荷載、水與溫度等共同作用下出現(xiàn)了劈裂狀裂縫。裂縫加速了基巖的風(fēng)化速度,逐漸在軟弱基巖地方形成了巖腔。危巖后緣邊界由于拉應(yīng)力形成了拉張裂隙,巖石后部因發(fā)育多組裂縫且多組裂縫相互切割而獨(dú)立?;糠衷谌龒{庫(kù)區(qū)冬季蓄水時(shí)浸泡在水中,夏季水位下降時(shí)露出水面,處于干濕循環(huán)環(huán)境。

        危巖后緣的裂隙擴(kuò)展的速度由巖石自重及裂隙水壓控制;下部基巖裂紋擴(kuò)展速度受上部巖石自重壓力和庫(kù)水反復(fù)浸泡作用的控制,下部基巖裂紋擴(kuò)展決定了巖腔的風(fēng)化速度。

        對(duì)于后緣存在張拉裂隙、基座存在軟弱巖層的危巖來(lái)說(shuō),后緣張拉裂隙與基座軟巖中裂隙的擴(kuò)展速度影響著危巖的失穩(wěn)模式。

        圖1 ?危巖

        圖2 ?滑塌式危巖

        圖3 ?傾倒式危巖

        當(dāng)后緣拉張裂隙裂紋擴(kuò)展速度大于基座軟巖中裂紋的擴(kuò)展時(shí),后緣裂紋先于基座裂紋貫通,危巖后緣形成貫通的裂隙面時(shí),危巖沿裂隙面滑動(dòng)失穩(wěn)破壞,便形成滑塌式危巖,如圖2所示,裂隙擴(kuò)展。這時(shí),后緣裂隙成為危巖失穩(wěn)的主控結(jié)構(gòu)面。

        反之,危巖基座軟巖裂紋擴(kuò)展速度先于后緣裂紋擴(kuò)展時(shí),基座軟巖逐漸被侵蝕,巖腔逐漸擴(kuò)大后移,直至危巖重心接近臨空或臨空后,危巖自重加速后緣裂隙發(fā)展,最終危巖發(fā)生傾倒破壞,形成傾倒式危巖,如圖3所示,巖腔后退。這時(shí),基座軟巖成為控制危巖失穩(wěn)的關(guān)鍵。

        對(duì)于類(lèi)似危巖類(lèi)型,可采取“錨拉+封閉巖腔+封閉后緣張拉裂縫”的方法治理。

        1.錨桿固定:在危巖上施工錨桿,錨桿穿過(guò)危巖后緣裂隙面,固定在后緣穩(wěn)定基巖上。

        2.封閉巖腔:巖腔擴(kuò)展較小時(shí),采用混凝土填滿(mǎn)巖腔進(jìn)行封閉,一方面防止巖腔進(jìn)一步風(fēng)化,另一方面為危巖提供支撐力。巖腔擴(kuò)展較大時(shí),在巖腔中按規(guī)范計(jì)算設(shè)計(jì)混凝土柱,支撐危巖,可采用膨脹混凝土。

        3.封閉后緣張拉裂隙:采用混凝土灌填封閉危巖后緣張拉裂縫,防止雨水滲入,引起裂隙水壓,降低危巖的穩(wěn)定性。

        四、結(jié)語(yǔ)

        本文根據(jù)后緣存在裂隙面、基座存在軟弱巖層類(lèi)型的危巖分析,基于其裂縫及裂紋擴(kuò)展速度的差異,揭示了滑塌式危巖和傾倒式危巖產(chǎn)生的機(jī)制,得出滑塌式危巖中后緣裂隙為危巖失穩(wěn)的主控結(jié)構(gòu)面;傾倒式危巖中基座軟巖為控制危巖失穩(wěn)關(guān)鍵的結(jié)論。對(duì)于類(lèi)似的危巖,本文提出可以采用“錨拉+封閉巖腔+封閉后緣張拉裂縫”的措施治理。

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