危岩稳定性分析方法

2015-10-21冷继伟

建筑工程技术与设计 2015年21期

冷继伟

摘要：危岩是指在长期重力、地表风化、渗透压力等因素影响下，位于陡崖、斜坡上具有崩塌、坠落等不稳定因素的岩石块体。危岩体通常存在于悬崖峭壁和高陡边坡之上，由于受外力影响，其失稳、高速坠落而形成崩塌，是常见的地质灾害之一，以山区受害最为严重，且灾害频发，每年都会造成重大经济损失和人员伤亡，因此，定量评价危岩稳定性以及科学分析其稳定状态，从而提供危岩防治的科学依据。

关键词：危岩；稳定性分析；防治原理

一、我国危岩研究现状

危岩崩塌、山体滑坡、泥石流等地质灾害时有发生，灾害多发地区集中分布在15个地区，受灾面积达173万平方公里，尤其是公路、铁路等线状工程受害最为严重。由于灾害发生具有隐蔽性强、受灾面广、受灾点多等特点，给公路、铁路沿线沿线带来严重的生命及财产安全威胁[1]。

铁道部门自上世纪中期加大对铁路沿线危岩的重视，危岩研究也成为重点研究对象，国内专家在这方面的研究也取得十分显著的成果，结合危岩特性，根据地质情况、路面情况对危岩风险水平作出评估。当然，由于危岩体属于边坡工程研究的范畴，遵循边坡工程的学科体系，所以对危岩体的研究必须要按边坡工程研究的套路进行，对多种学科进行渗透、结合，除了数学、岩土力学、工程力学、工程地质学等学科以外，还要结合岩土工程测试技术、计算机仿真等技术，我们虽然取得令人瞩目的丰硕成果，但还有很多实际的问题急需解决。危岩体工程的地质条件复杂、裂缝多、软弱夹层相互交割，其破坏形式多种多样，失稳原因复杂性、隐蔽性给稳定评估工作带来极大困难，因此，对于危岩研究的力度和重视不容懈怠。

我国对危岩和崩塌地质灾害稳定性的研究主要分三个阶段：定性分析阶段、理性认识阶段、成熟稳定阶段。定性分析阶段是指七十年代以前，对其研究仅仅停留在对危岩崩塌及其他地质灾害的定描述与识别的层面。第二个阶段是七十年代到八十年代，对其认识从感性上升到理性，分类研究危岩、崩塌形成機制的主要特点，积极开展数值模拟和物理模拟，将重大地质灾害的变形破坏机制再现；第三个阶段是指八十年代以后，随着计算机技术的飞速发展，实现了边坡数值的模拟技术，利用计算机对边坡开挖至破坏过程进行定量或者半定量地模拟，这已成为危岩、崩塌研究的新方向。另外，诸如信息论方法、系统论方法、模糊数学等理论也为半坡稳定性研究注入新的生命力，开辟了更为广阔的前景[2]。

二、危岩类型

结合实际调查，根据危岩的几何特征、边界结构面特征、岩体结构特征、组合关系和特性，把危岩分为砌块式、孤立式、软弱基座式、楔块式、倾倒式、悬挂式和贴坡式等七种基本的类型。危岩常存在于地形坡度较大的陡崖上，坡度越大越容易产生危岩[3]。

三、影响危岩稳定性的因素

危岩形成的条件复杂，影响其稳定性的因素主要包括重力作用、地震作用、风化作用、降雨及地下水作用、植物根劈、河流冲击切割及人为因素。

（一）重力作用

斜坡坡度、存在高度以及存在形态是危岩崩塌形成的必要条件，高山峡谷断坡、冲沟沟壁、峭壁陡崖等特殊地式段是危岩崩塌高发区，由于危岩体自有的重力使其具有被吸引到地面的趋势，当危岩体的整体平衡收到破坏时，危岩体就会崩塌。

（二）降雨和地下水的作用

降雨和地下水的作用主要表现在危岩裂缝中降雨或地下水流动时产生的破坏危岩稳定的静、动水压力和浮托力，破坏结构面裂隙内的充填物，破坏岩体，极大降低危岩体稳定强度。

（三）地震作用

作为突发性的地质灾害，地震带来的影响主要有垂直地震作用力和水平地震作用力，强烈的震动会破坏岩体内部各个结构面的强度，释放岩体内部应力，导致岩体破碎、坠落。

四、危岩稳定性主要分析方法

危岩稳定性的主要6类分析方法为：地质分析方法、可靠度方法、静力解析方法、模拟数值方法、模型试验方法和比较识别方法。

（一）地质分析方法

这种分析方法的重点是对岩体结构进行分析。危岩体的岩体结构决定了岩体深部的抗滑稳定性，结构条件不同，岩体抗滑稳定呈现出不同的规律和特点，这种分析方法的核心是就是对其抗滑稳定性的分析，是定量分析岩体抗滑的基础。在对岩体进行结构图解解析的实践中，结合实际比例进行极射赤平投影进行分析的方法被广泛采用。岩体的内部不稳定结构随着某一部分结构面拉开并沿着其他结构面向临空界面滑移造成岩体破坏。这说明具备边界条件（临空面、切割面等）才会造成岩体稳定性的破坏。因此，判断岩体稳定性，可从分析岩体结构要素明确是否具备岩体滑坡的条件进行入手。分析步骤可分如下：

第一，统计、研究和调整岩体结构面的形态特征、结构类型、岩体产状。

第二，图解分析岩体空间组合关系和各种结构面以及立体形式，综合以上分析对岩体稳定性做出评价。

（二）可靠度分析法

在大型工程中，在满足基本相似条件下，用这种分析方法分析更能真实详细地将地质构造和工程结构的时间空间关系反映出来，施工过程以及影响因素会被更准确的模拟出来。但实际工程设计中，计算参数的不确定性一定要考虑在内。

（三）静力解析方法

在假定岩体刚性滑移的前提下，利用刚体极限平衡计算法对岩体抗滑稳定性系数进行计算，这种方法简单可靠，便于工程实用。由于此法不能完全反映岩体内部和滑移面上的应力，不能反映变形的真实分布情况，导致其获得的稳定性指标不能反映实际发生的情况。在实际工程操作中，以加大安全系数的方法确保万无一失。这种方法虽然属于定量但有一定程度的经验性，达不到完全定量的水平。

（四）模拟数值方法

这种方法的常用模拟方法有离散元法、有限元法、非连续变形数值分析法、边界元法等。

离散单元法式通过求解块体集合体由于外力的作用块体之间的运动过程及相互作用过程的方法，假设弹性力学的小变形，其理论基础为虚功原理，讨论对象为小变形问题。

有限元法开始于50年代中期，通过利用简单的问题代替复杂的问题求解，这种数值计算简单有效。其精髓在于把许多互联子域组合成求解域，对各个单元假设一个适合的近似解，进而求解这个域应当满足的条件，从而解决问题。

非连续变形数值法适用于研究岩体大变形及大位移问题，在分析位移和力的相互关系时，允许各个块体的位移及变形，允许整个块体系统中各块体界面间张开或闭合。

边界元法兴起于七十年代，是格式较为特殊的一种加权余量法。

（五）模型试验方法

这种方法可较为直观地观察滑移面的破坏过程，并可以参考其他方法。这种方法最基本的要求是模拟必须跟原型的线性尺寸成比例，荷载、材料条件与边界条件都要相似。

（六）比较识别方法

通过监测资料对变形区域的空间位移矢量计算，与各种可能的变形破坏方式的变形特征以及位移关系式进行比较，达到辨识实际发生的变形破坏方式、变形过程和变形区域变化过程的目的。

结语：

危岩因其形成复杂性，风险隐蔽性及不确定性给防治工作带来极大困难，国内整治及防御措施主要以预防为主，综合治理相辅，处于技术综合运用的初级阶段，结合实际，危岩防治技术为主动防治技术、被动防治技术及灾害预警系统。