坠落式危岩稳定性计算方法的比较

2014-09-03周根郯郑立宁

四川建筑 2014年5期

周根郯，郑立宁

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川成都610031； 2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都610081)

危岩是主要的地质灾害之一，是地层组合、地貌特征、水动力特征、地震等综合作用的结果。为了有效治理危岩，必须掌握每个危岩体的稳定现状。在软硬岩层互层的地质结构中，坠落式危岩是主要的失稳破坏模式[1]、[2]。相关规范及文献对坠落式危岩的计算方法不统一，传统的计算方法存在不足。本文以首立山坠落式危岩为例，对坠落式危岩稳定性计算方法进行对比，再根据对比结果，推荐合理的坠落式危岩稳定性计算方法。

1 首立山危岩概况

首立山危岩位于四川省万州市万州区天城经济开发区棉花地居委会和都历村两个自然村内。共有危岩体、带145处，危岩总体积约85 883.33 m3。现状处于欠稳定～基本稳定状态，但在暴雨和地震工况下除有4处达到基本稳定外，其他欠稳定的有126处，处于不稳定的有15处。危岩(带)发育于砂岩构成的各级陡崖上，分部高程在195～425.60 m，形态有柱状、块状、长方体状、蘑菇状、扒壳状等。规模大小不等，体积2.29～7 904.82m3，均属小型危岩。调查表明，首立山危岩失稳方式主要以坠落式危岩居多。危岩体主要由巨厚层状、中粗粒长石石英砂岩构成。危岩底部砂岩与底砾岩及夹层泥质粉砂岩边界处均发育有岩腔。基座为泥岩与砂岩互层。危岩体陡崖以下居住人群密集，生产企业、公路行人较多；根据调查结果，危岩体一旦失稳，将危及8 258人，造成可能经济损失约37 336万元。

2 坠落式危岩稳定性分析方法

坠落式也称拉裂式崩塌，以悬臂梁形式突出的岩体，在后缘危险面上承受最大的弯矩和剪力，若层顶部受拉，底部受压。在长期重力和风化营力作用下，裂隙逐渐扩大，并向深处发展。拉应力将越来越集中在尚未裂开的部位，一旦拉应力超过岩石的抗拉强度时，上部悬出的岩体就会发生崩塌。

2.1 荷载计算

2.1.1 荷载类型

危岩体自重：可利用危岩体体积和天然重度的乘积计算。

孔隙水压力：一般考虑裂隙静水压力。

地震力：一般考虑地震水平作用力，作用点为危岩体重心，为危岩体自重和水平地震系数的乘积[5]。

2.1.2 荷载组合

组合一：自重+裂隙水压力(天然状态)

组合二：自重+裂隙水压力+地震力(地震状态)

2.2 传统计算方法

后缘有陡倾裂隙的坠落式危岩稳定性计算如图1所示[3]，计算公式如式(1)、式(2)。稳定性系数取两种计算结果中的较小值。

(1)

图1 坠落式危岩稳定性分析

式中： ζ为危岩抗弯力矩计算系数，依据潜在破坏面形态取值，一般可取1/12～1/6，当潜在破坏面为矩形时可取1/6；a0为危岩体重心到潜在破坏面的水平距离(m)；b0为危岩体重心到过潜在破坏面形心的铅垂距离(m)；flk为危岩体抗拉强度标准值(kPa)，根据岩石抗拉强度标准值乘以0.20的折减系数确定；c为危岩体黏聚力标准值(kPa)；φ为危岩体内摩擦角标准值；P为地震力(kN/m)；H为危岩体总高差(m)；h为危岩后缘裂隙垂直深度(m)；W为拟破坏危岩体所受重力(kN)。

2.3 改进计算方法

利用岩体沿后缘破裂面的剪切力与其抗剪强度之比值计算坠落式危岩的稳定性系数[4]。危岩计算模型如图2所示。改进后的坠落式危岩的稳定性计算公式见式(3)。

(3)

图2 坠落式危岩稳定性分析改进方法

式中：β为危岩体后缘裂隙倾角(°)；Q为后缘裂隙水压力(kN)。其它符号同前。

3 首立山坠落式危岩稳定性计算

选取了9组坠落式危岩进行稳定性分析，现以典型的AW18为例来说明，见图3。AW18发育于切向坡，崩塌体体积为36 m3，破坏方式为坠落式。主要发育有两组裂隙：一组倾向与边坡坡向小角度相交，倾角与坡角相近，是影响危岩稳定性的主要结构面；另一组与边坡大角度相交，与前者共同作用将岩体分为块状，是影响危岩稳定性的次要结构面。危岩底部基座为泥岩，岩腔发育。

图3 AW18危岩实测剖面

计算时分别考虑了“自重”、“自重+地震”两种不同工况。重庆三峡库区为地震六度区，取水平地震系数为0.0125。危岩几何参数如表1所示。此外，岩体黏聚力为948.0 kPa，岩体内摩擦角为37.6，岩体抗拉强度为438.0 kPa，结构面黏聚力为20.0 kPa，结构面内摩擦角为12.0。危岩稳定性计算结果如表2所示。