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        重慶市墊江實(shí)驗(yàn)中學(xué)危巖穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)特征研究

        2022-06-19 00:46:23李亨郭代泉謝力歡
        四川建筑 2022年2期
        關(guān)鍵詞:危巖剪應(yīng)力摩擦角

        李亨 郭代泉 謝力歡

        摘要:重慶市墊江實(shí)驗(yàn)中學(xué)男生宿舍西側(cè),危巖的穩(wěn)定性直接影響校內(nèi)師生的生命財(cái)產(chǎn)安全,需要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。文章通過對(duì)地質(zhì)資料的分析,采用有限元法對(duì)危巖所在邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。采用穩(wěn)定性系數(shù)法對(duì)危巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明:在天然工況下,危巖處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨工況下,危巖處于欠穩(wěn)定—不穩(wěn)定狀態(tài)。采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的Rockfall數(shù)值模擬方法對(duì)危巖下落后的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行評(píng)估,結(jié)果表明:危巖失穩(wěn)下落后會(huì)運(yùn)動(dòng)停止在坡腳男生宿舍區(qū)域。建議在對(duì)邊坡及危巖采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

        [作者簡介]李亨(1993—),男,碩士,主要從事巖土工程設(shè)計(jì)工作;郭代泉(1989—),男,本科,工程師,從事巖土工程施工管理工作。

        重慶市墊江縣實(shí)驗(yàn)中學(xué)邊男生宿舍西側(cè)坡表面基巖裸露,風(fēng)化嚴(yán)重,裂隙發(fā)育強(qiáng)烈,松動(dòng)垮塌明顯。目前處于穩(wěn)定—欠穩(wěn)定狀態(tài),在長期內(nèi)外因素作用下,可能發(fā)生崩塌,直接威脅到坡腳在校師生6 000余人及坡頂12戶居民的生命財(cái)產(chǎn)及房屋安全,危害嚴(yán)重。因此,按DB 50/5029《地質(zhì)災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]對(duì)該邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究是十分有必要的。

        本文在對(duì)重慶市墊江實(shí)驗(yàn)中學(xué)邊坡及危巖進(jìn)行工程地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上,采用有限元法對(duì)危巖所在邊坡的穩(wěn)定性和應(yīng)力分布特征進(jìn)行研究,采用穩(wěn)定性系數(shù)法對(duì)危巖穩(wěn)定性進(jìn)行研究,采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的數(shù)值分析方法對(duì)危巖下落后的運(yùn)動(dòng)特征及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究。

        1 邊坡特征

        邊坡高度約15.5 m,分布高程425.2~440.3 m,總體坡向250~280°,坡頂為緩坡0~8°,邊坡下部為陡崖。陡崖高約10 m,長約70 m,傾角約65~85°。邊坡坡面多數(shù)裸露,局部崩塌巖塊仍堆積在坡腳,陡崖中部生長一棵黃桷樹,根系發(fā)育(圖1)。

        2 危巖判別

        2.1 模型的建立

        結(jié)合地形圖、地勘資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,建立邊坡計(jì)算模型(圖2),邊坡上部及表層為素填土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖,重度取20 kN/m3,彈性模量取1 000 kPa,泊松比取0.15,粘聚力取5 kPa,內(nèi)摩擦角取28°,下部基巖為中風(fēng)化砂巖,重度取24.6 kN/m3,彈性模量取2 967 kPa,泊松比取0.23,粘聚力取1 110 kPa,內(nèi)摩擦角取36°。

        2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

        利用有限元數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)邊坡進(jìn)行網(wǎng)格劃分見圖3(a),對(duì)模型進(jìn)行邊界約束:側(cè)面X向不變形,地面Y向不變形。邊坡在天然和地震兩種工況下剪應(yīng)力分布特征見圖3(b)、圖3(c),場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值0.05g。

        應(yīng)力分析:在自然及地震狀態(tài)下,邊坡坡面中部臨空區(qū)的巖體產(chǎn)生較明顯的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象,且相比天然狀態(tài),地震狀態(tài)下剪應(yīng)力集中區(qū)的巖體剪應(yīng)力增大20 %。剪應(yīng)力集中區(qū)的巖體處于潛在失穩(wěn)破狀態(tài),存在剪切破壞的可能。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,該剪應(yīng)力集中區(qū)為危巖發(fā)育區(qū)域。

        3 危巖穩(wěn)定性分析

        3.1 危巖特征

        危巖體失穩(wěn)方式受多方面因素的影響,通過對(duì)危巖體形態(tài)、發(fā)育規(guī)模、底界特征、空間分布特征、節(jié)理裂隙發(fā)育特征、水文地質(zhì)條件分布規(guī)律等進(jìn)行調(diào)查和研究,現(xiàn)狀危巖W1、W2(基本特征見表1)尚在傾覆點(diǎn)之內(nèi),且隨時(shí)間的增長,危巖重心將向外位移,危巖的失穩(wěn)破壞方式主要為滑移式。

        3.2 危巖穩(wěn)定性分析

        危巖穩(wěn)定性系數(shù)法的理論計(jì)算模型見圖4,危巖穩(wěn)定性系數(shù)F的計(jì)算見式(1)~式(3)。

        式中:U為滑面水壓力(kN/m);hw為裂隙充水高度(m),天然狀工況下裂隙充水高度取裂隙深度的1/5,暴雨工況下裂隙充水高度取裂隙深度的2/3;γw為取10 kN/m;Q為地震力(kN/m);K為危巖穩(wěn)定性系數(shù);c為后緣裂隙黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa),當(dāng)裂隙未貫通時(shí),取貫通段和未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值,未貫通段粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值取巖石粘聚力標(biāo)準(zhǔn)值的0.4倍;φ為后緣裂隙內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值(°),當(dāng)裂隙未貫通時(shí),取貫通段和未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值按長度加權(quán)和加權(quán)平均值,未貫通段內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值取巖石內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值的0.95倍;θ為滑面傾角(°);W為危巖體自重(kN/m)。

        危巖W1、W2外傾裂隙少量黏土充填,為軟弱結(jié)構(gòu)面,結(jié)構(gòu)面天然黏聚力取30 kPa,天然內(nèi)摩擦角取17°;飽和黏聚力取25 kPa,飽和內(nèi)摩擦角取15°;砂巖巖體天然重度取24.6 kN/m3,砂巖巖體飽和重度取24.8 kN/m3。

        對(duì)于滑移式危巖,當(dāng)穩(wěn)定性系數(shù)F <1.0時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)1.0≤F<1.15時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)1.15≤F<1.4時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)F≥1.4時(shí)危巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。危巖W1、W2的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)見表2。

        計(jì)算結(jié)果表明:在天然工況下,W1處于基本穩(wěn)定狀態(tài),不穩(wěn)定W2處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨工況下,W1處于欠穩(wěn)定狀態(tài),W2處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

        4 危巖運(yùn)動(dòng)特征分析

        邊坡坡面法相恢復(fù)系數(shù)取0.3,切向恢復(fù)系數(shù)取0.6,摩擦角取30°,危巖W1、W2失穩(wěn)下落后的運(yùn)動(dòng)軌跡見圖5(a),危巖下落后在邊坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)的彈跳高度分布曲線見圖5(b)、運(yùn)動(dòng)能量分布曲線見圖5(c)。

        Rockfall模擬結(jié)果表明:危巖失穩(wěn)下落后的運(yùn)動(dòng)方式主要是滑動(dòng)和彈跳,危巖運(yùn)動(dòng)停止在坡腳的概率為86%,且集中在距離坡腳1.2~2 m位置處,危巖下落運(yùn)動(dòng)過程中的彈跳高度最大值為2.97 m,最大動(dòng)能為15 054.51 kJ。坡腳為男生宿舍,危巖下落后將會(huì)威脅到學(xué)校師生的生命安全。

        5 結(jié)論

        (1)邊坡坡面臨空區(qū)的巖體發(fā)生剪應(yīng)力集中,巖體處于潛在失穩(wěn)破狀態(tài),存在剪切破壞的可能,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,剪應(yīng)力集中區(qū)為危巖發(fā)育區(qū)域。

        (2)在天然工況下,危巖W1、W2處于基本穩(wěn)定狀態(tài);在暴雨工況下,W1處于欠穩(wěn)定狀態(tài),W2處于不穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨工況下,隨著遇水的下滲和坡面流水的沖刷作用,使得危巖與母巖的摩擦力降低,從而導(dǎo)致危巖的穩(wěn)定性降低而發(fā)生失穩(wěn)下落。

        (3)危巖失穩(wěn)下落后在邊坡的運(yùn)動(dòng)方式為滑動(dòng)和彈跳,且能夠運(yùn)動(dòng)達(dá)到坡腳,運(yùn)動(dòng)過程中的彈跳高度最大值為2.97 m,最大動(dòng)能為15 054.51 kJ。

        (4)巖體受裂隙切割,坡面巖體較破碎,建議清除松動(dòng)危巖體,同時(shí)對(duì)邊坡采用肋柱錨桿和主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)的治理措施。

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