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危岩崩塌是我国一种较为常见的地质灾害类型。据国土资源部的统计数据显示:崩塌在所有地质灾害中占比高达26%左右。含较陡倾裂隙的近水平岩层陡高边坡常见于我国中西部山区及三峡库区陡高边坡中,其失稳破坏常常给当地人民造成极大的生命财长损失。目前危岩体的研究成果主要集中针对单一主控结构面和单一破坏模式的危岩体,针对双主控结构面的危岩研究尚不深入,且未考虑崩塌体破坏对于相邻危岩块的激振作用以及崩余危岩体受连锁激振效应的影响,该研究从眼于地貌演化构建了“拉裂-压剪型危岩”地质模型,通过断裂力学、极限平衡理论、能量理论、地震波动力学理论和数值模拟等多学科交叉、融合分析拉裂-压剪型危岩破坏失稳机制。本研究致力于揭示水平状拉裂-压剪型危岩形成与失稳的力学机制,考虑起动危岩块崩落后对于崩余危岩体的连锁激振效应等问题进行了深入分析,取得研究成果如下:
(1)三峡库区的陡崖常由近水平状硬岩(如砂岩或灰岩)与软岩(如泥岩或泥灰岩)构成,其岩性具有互层分布的空间特征。侧向卸荷作用所形成的卸荷裂隙与陡崖临空面近似平行、断续分布;在软硬岩层交界处由于岩性差异风化形成岩腔。在岩腔的持续风化与卸荷作用影响下,陡高边坡上形成了含近水平层理(即第一主控结构面)和较陡卸荷裂隙(即第二主控结构面)的“拉裂-压剪型危岩”,该危岩的稳定性受控于两个主控结构面。危岩体在荷载作用下第一主控结构面首先受拉扩展,扩展至临界状态后沿第二主控结构面滑移变形,最终导致危岩块失稳坠落,两条主控结构面分别呈现拉裂、压剪的力学特征。
(2)根据拉裂-压剪型危岩的地质模型与力学模型,基于断裂力学理论、极限平衡法和摩尔-库伦强度准则分别构建了该危岩第一主控结构面的拉裂失稳判别式和第二主控结构面的滑移失稳判别式。基于应变能理论及地震波动力学理论,建立了由卸荷回弹、释放应变能所引起的激振波在主控结构面处的透射波与反射波的强度计算式,并考虑激振作用分别对拉裂-压剪型危岩第一主控结构面拉裂失稳判别式、第二主控结构面滑塌失稳判别式进行了修正。
(3)以发生于湖北高阳寨地区国道318线上方隧道口外的拉裂-压剪型危岩崩塌事故作为算例,该事故系由施工爆破诱发振动所引起。对第一主控结构面拉裂失稳判别式和第二主控结构面滑塌失稳判别式进行验算,通过计算发现下部第一、第二危岩块的第一主控结构面并未完全贯通、是稳定的,第三危岩块的第一主控结构面将会开裂,三块危岩块呈整体性破坏。在三块危岩体突然同时崩塌后,在考虑激振波作用的条件下,上部第四块危岩块的水平状第一主控结构面仍未达到其抗拉强度极限,但激振作用使其稳定系数下降了12.4%。计算结果与实际岩崩情况基本吻合。
(4)采用FLAC-3D数值模拟软件对高阳寨危岩在爆破诱发振动作用下的崩塌过程进行了数值模拟。在无震动作用的初始应力场中可以看到因临空面附近岩体发生卸荷回弹而导致的明显的拉应力集中现象。在危岩崩塌过程中可以看到随着第一主控结构面逐步开裂,第二主控结构面所受压力逐步增大,最终第一主控结构面完全贯通、第二主控结构面发生滑移,三块危岩整体失稳崩落的破坏机理。且在三块危岩崩落后,其紧邻的第四危岩块仍保持安全。
以上研究成果对陡高边坡拉裂-压剪型危岩的防治技术具有重要指导作用。
(1)三峡库区的陡崖常由近水平状硬岩(如砂岩或灰岩)与软岩(如泥岩或泥灰岩)构成,其岩性具有互层分布的空间特征。侧向卸荷作用所形成的卸荷裂隙与陡崖临空面近似平行、断续分布;在软硬岩层交界处由于岩性差异风化形成岩腔。在岩腔的持续风化与卸荷作用影响下,陡高边坡上形成了含近水平层理(即第一主控结构面)和较陡卸荷裂隙(即第二主控结构面)的“拉裂-压剪型危岩”,该危岩的稳定性受控于两个主控结构面。危岩体在荷载作用下第一主控结构面首先受拉扩展,扩展至临界状态后沿第二主控结构面滑移变形,最终导致危岩块失稳坠落,两条主控结构面分别呈现拉裂、压剪的力学特征。
(2)根据拉裂-压剪型危岩的地质模型与力学模型,基于断裂力学理论、极限平衡法和摩尔-库伦强度准则分别构建了该危岩第一主控结构面的拉裂失稳判别式和第二主控结构面的滑移失稳判别式。基于应变能理论及地震波动力学理论,建立了由卸荷回弹、释放应变能所引起的激振波在主控结构面处的透射波与反射波的强度计算式,并考虑激振作用分别对拉裂-压剪型危岩第一主控结构面拉裂失稳判别式、第二主控结构面滑塌失稳判别式进行了修正。
(3)以发生于湖北高阳寨地区国道318线上方隧道口外的拉裂-压剪型危岩崩塌事故作为算例,该事故系由施工爆破诱发振动所引起。对第一主控结构面拉裂失稳判别式和第二主控结构面滑塌失稳判别式进行验算,通过计算发现下部第一、第二危岩块的第一主控结构面并未完全贯通、是稳定的,第三危岩块的第一主控结构面将会开裂,三块危岩块呈整体性破坏。在三块危岩体突然同时崩塌后,在考虑激振波作用的条件下,上部第四块危岩块的水平状第一主控结构面仍未达到其抗拉强度极限,但激振作用使其稳定系数下降了12.4%。计算结果与实际岩崩情况基本吻合。
(4)采用FLAC-3D数值模拟软件对高阳寨危岩在爆破诱发振动作用下的崩塌过程进行了数值模拟。在无震动作用的初始应力场中可以看到因临空面附近岩体发生卸荷回弹而导致的明显的拉应力集中现象。在危岩崩塌过程中可以看到随着第一主控结构面逐步开裂,第二主控结构面所受压力逐步增大,最终第一主控结构面完全贯通、第二主控结构面发生滑移,三块危岩整体失稳崩落的破坏机理。且在三块危岩崩落后,其紧邻的第四危岩块仍保持安全。
以上研究成果对陡高边坡拉裂-压剪型危岩的防治技术具有重要指导作用。