差異風化型危巖形成和破壞機理

張永興,盧 黎,張四平,胡岱文

(重慶大學土木工程學院,重慶 400045）

危巖(Overhanging rock)是典型的地質(zhì)災(zāi)害,危巖崩塌具有突發(fā)性強,爆發(fā)能量高,沖擊力巨大的特點,常造成嚴重的災(zāi)害。2009年6月重慶武隆雞尾山山體崩塌,造成9人死亡,64人失蹤的慘重事故;2004年貴州納雍山山體崩塌,39人死亡,4人失蹤;2004年9月,萬洲太白巖崩塌80 m3,造成 1人重傷。1948年重慶市洪崖洞危巖崩塌,毀壞房屋幾十間,傷亡300多人。

差異風化型危巖是指在軟硬巖互層的沉積巖地區(qū),陡傾的巖質(zhì)邊坡表面風化剝落速度不一致,下伏的軟巖退進形成巖腔,上部的硬巖向外懸挑,構(gòu)成危巖。西南地區(qū)崩塌災(zāi)害頻發(fā),與差異風化型危巖的廣泛分布有直接關(guān)系。以重慶為例,侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2S)沉積巖廣泛分布,泥巖、砂巖互層出露,砂巖抗風化能力強,泥巖風化速度快,泥巖基座風化內(nèi)縮,形成巖腔,其上部的砂巖懸挑日益嚴重,當達到一定的破壞準則時,砂巖上形成主控裂隙,從而發(fā)育為差異風化型危巖。

危巖的分析與治理具有較高的難度,相關(guān)規(guī)范對危巖的規(guī)定多從治理原則出發(fā),缺乏具體規(guī)定。國內(nèi)的學者對危巖的研究也多從工程出發(fā),具體問題具體分析。陳洪凱以萬洲太白崖危巖為例,對三峽庫區(qū)危巖進行了分類[1],胥良以川西108國道高位崩塌為例,研究了崩塌落石的運動規(guī)律[2],文獻[3]和文獻[4]也是國內(nèi)分析與治理危巖的典型代表。在這些分析中,對差異風化型危巖的形成多用定性描述的方式進行,缺乏科學定量的方法。

差異風化型危巖主控裂隙的形成與諸多因素相關(guān)[5-6],邊坡中張性地應(yīng)力的釋放是重要原因之一。邊坡張性地應(yīng)力的存在已被工程地質(zhì)理論分析證實[7],而張性地應(yīng)力與差異風化型危巖形成關(guān)系的研究尚不多見。隨著巖腔的風化發(fā)展,根據(jù)危巖體上的受力情況,判斷臨界巖腔深度可以預(yù)測危巖破壞模式和破壞時機。對張性地應(yīng)力的分析可以判斷危巖的發(fā)育范圍,從而為加固工程提供科學的依據(jù)。

1 差異風化型危巖的力學模型

1.1 巖腔的發(fā)育

在巖腔形成過程中,可將風化與剝落視為兩個相互影響的過程。邊坡上的軟巖先風化,再因風雨重力等原因崩解剝落。地形越陡,降雨沖刷越直接,剝落越快。當巖腔形成后,由于懸挑硬巖的遮蔽,退進的軟巖不直接受雨水沖刷,剝落速度減慢,風化進程減緩,而且?guī)r腔越深,這種風化進程越慢。這種非線性進程是差異風化型危巖巖腔發(fā)育的重要特點。

根據(jù)實地觀測和資料調(diào)研,表1列出了重慶及周邊地區(qū)代表性泥巖邊坡的風化速率[8-10]。

表1 泥巖風化剝落進度

根據(jù)對巖腔中原住民的調(diào)查和觀測結(jié)果,以及表1的資料,建議用如下經(jīng)驗公式估算巖腔發(fā)育進度:

式中:xi為時間,年;b1為巖腔發(fā)育深度,cm;n為計算的總時間周期。

1.2 主控裂隙的形成

邊坡中的張性地應(yīng)力對危巖的形成具有重要作用。另外,由于巖腔不斷深入,硬巖日益懸挑,在自重作用下的彎曲拉剪應(yīng)力不斷增高,再與張拉地應(yīng)力疊加,最后引發(fā)破壞,在某一危險截面上發(fā)育主控裂隙面,從而形成危巖。

圖1 危巖形成力學模型

按平面問題考慮,主控裂隙形成前的力學分析如圖1所示,假定主控裂隙沿m-n面形成,則m-n面上的彎矩為:

式中:γ是砂巖重度;β是巖層傾角。E、ks別是水平地震力和水平地震系數(shù);F、frc、kc分別是泥巖支承反力、泥巖抗壓強度,泥巖強度發(fā)揮系數(shù)。

將硬巖視為深梁,考慮到懸臂深梁的應(yīng)力集中,在一般危巖條件下,簡化算法的彎矩引起的最大彎曲應(yīng)力宜放大兩倍[11],則有:

將彎曲應(yīng)力σfmax與地應(yīng)力引起的拉應(yīng)力疊加,得到最小主應(yīng)力(剪應(yīng)力作用較小,可忽略),最大主應(yīng)力仍為地應(yīng)力引起。顯然b1越大,主應(yīng)力差越大,這種應(yīng)力差達到一定的破壞準則后,引發(fā)m-n面破壞,形成主控裂隙。因此,在一定的破壞準則下可研究b1與其它變量的關(guān)系,見算例。

對于破壞準則,結(jié)合應(yīng)用較廣泛的 Hoek-Brown準則[12]進行分析。

式中:σ1、σ3分別是大小主應(yīng)力;σc為巖石單軸抗壓強度;m、s為材料參數(shù)。

在拉剪條件下,存在如下關(guān)系[13]:

式中:τf為巖石純剪切強度。Rt為巖石單軸抗拉強度。

應(yīng)當指出,當主控裂隙形成后,地應(yīng)力會充分釋放,主應(yīng)力差迅速減小,系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡[14]。因此,張性地應(yīng)力在危巖的形成過程中具有階段性的重要作用。

1.3 危巖的破壞

主控裂隙形成后,在水,風化,植物根劈作用下不斷發(fā)展,形成貫通裂隙,此時,危巖上的力主要為重力,軟巖反力,地震力和水壓力,受力模型如圖2所示。

圖2 危巖破壞的力學模型

對于貫通式裂隙,由于兩側(cè)裂隙的排水作用,一般降雨條件下,裂隙水高度不會超過裂隙深度的一半[15]。同時,裂隙尖端處僅會存在毛細水,不考慮毛細壓力的有利作用,按裂隙高度一半計算水壓力Ew。則危巖塊的破壞模式和相應(yīng)的判據(jù)如下:

(1)軟巖基座破壞

式中,pmax為泥巖基座最大壓力,按式(9)、式(10)計算。

當pmin≥0時

當時pmin＜0時

(2)平動破壞

(3)轉(zhuǎn)動破壞

危巖繞o點轉(zhuǎn)動,臨界狀態(tài)時危巖體與泥巖基座脫開。則有:

從3種破壞模式可以看出,隨著b1的增大,危巖趨向于破壞,可根據(jù)(8)到(12)式計算分析破壞的控制模式。

按上述理論對危巖的形成與破壞進行分析需要測試邊坡地應(yīng)力情況。下面結(jié)合地應(yīng)力測試進行分析和計算示例。

2 典型工程地應(yīng)力測試及分析

2.1 工程概況

重慶市渝中區(qū)洪崖洞危巖邊坡位于嘉陵江南側(cè)沖刷岸,解放碑向斜軸部。解放碑向斜為平緩開闊式褶皺,其軸向NE5°～15°,巖層產(chǎn)狀平緩 ,一般為3°～ 10°。

岸坡上陡下緩,中上部為陡坡,坡度 70°～80°,其間分布有多種形式的危巖。下部為30°～50°中緩坡,呈臺階分布直至嘉陵江[16]。如圖3所示。

圖3 洪崖洞危巖邊坡典型地質(zhì)剖面圖

洪崖洞地區(qū)主要以走向 70°～90°及320°～330°兩組裂隙發(fā)育,裂隙傾角較陡,集中在60°～80°之間。裂隙寬度通常在 0.5～1 cm,最寬的達到20 cm。

陡崖帶坡體主要由侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2S)砂巖體和其下泥巖基座組成。坡體上部的長石砂巖呈灰白色,中粒結(jié)構(gòu),出露厚度 20.00～25.00 m。坡體中下部的紫紅色泥巖,層厚50～60 m,構(gòu)成危巖軟弱基座。

2.2 現(xiàn)場地應(yīng)力測試和分析

采用套孔應(yīng)力解除法測試了洪崖洞危巖邊坡內(nèi)的地應(yīng)力,測試選定WK7與WK8號危巖之間的一面完整砂巖巖壁作為測試地點。從鉆孔取芯看,測孔僅在4m左右有一道裂隙,更深處的巖石完整,地應(yīng)釋放不充分,是一個良好的測試場所。測試地點距地表深度h=21.53m,測試鉆孔深度13m,方位角170°,傾角4°,采用KX81型空心包體全應(yīng)力計和專門設(shè)計的定向安裝棒定位安裝,見圖2,測試示意圖見圖3。測試成果列于表2。

圖4 定向安裝棒示意圖

圖5 地應(yīng)力測試示意圖

表2 主應(yīng)力大小及方位

砂巖實測容重24.2 kN/m3,對于埋深較淺的地層,地應(yīng)力中間主應(yīng)力往往由重力引起。重力應(yīng)力σz=γ H=24.2×21.53=0.52 MPa。理論計算結(jié)果與實測結(jié)果中間主應(yīng)力非常接近,而中間主應(yīng)力值傾角接近垂直,從而驗證了測試結(jié)果。

將邊坡走向與實測的地應(yīng)力大小和方向繪于圖4中?？梢娭骼瓚?yīng)力作用面與邊坡走向接近垂直,而已有危巖優(yōu)勢卸荷裂隙面方向約90°,與主拉應(yīng)力近于垂直。

圖6 測試結(jié)果與邊坡走向關(guān)系圖

根據(jù)格里菲斯理論,巖石的開裂始于內(nèi)部隨機存在的細微裂隙,在一定應(yīng)力條件下,這些微裂隙端部產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中,當應(yīng)力集中超過巖石的局部抗拉強度時,新的宏觀裂隙開始出現(xiàn)。格里菲斯強度準則可作為巖石中新裂隙始發(fā)的判別條件,如公式(13)、(14)所示。

洪崖洞長石砂巖抗拉強度為4.56 MPa,將判據(jù)與地應(yīng)力測試結(jié)果一起繪于圖8中,可以直觀地看出,測點應(yīng)力處于非破裂區(qū)中。在測點部位,單純的地應(yīng)力作用下,尚不具備產(chǎn)生新裂隙的條件。另據(jù)調(diào)查顯示[16],洪崖洞砂巖卸荷裂隙在坡頂向后5～10 m內(nèi)密集發(fā)育。理論分析和現(xiàn)場調(diào)查結(jié)合,可以證明在此范圍以內(nèi)為巖石卸荷松動區(qū),是當前危巖和潛在次級危巖的發(fā)育區(qū),而測點部位表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的狀態(tài),可見危巖發(fā)育范圍約10～12 m左右。

圖7 Griffith破裂判別示意圖

3 危巖形成與破壞算例分析

以洪崖洞WK10-5號危巖為例分析,目前該危巖巖腔深度1.35 m。計算參數(shù)為:a=4.7 m,b=3.8 m,β=4.5°,砂巖抗壓強度 36.52 MPa,抗拉強度4.56 MPa,粘聚力1.25 MPa,內(nèi)摩擦角36.16°,泥巖抗壓強度7.06 MPa。地應(yīng)力采用表2的實測數(shù)據(jù)。當b1=0時,m-n上沒有彎矩,可據(jù)此條件反算kc標準值為0.015。圖8列出的計算結(jié)果表明了破壞時的巖腔深度與kc的相關(guān)關(guān)系。圖中斜率較大的曲線簇是 σ1-σ3,斜率較小的曲線簇是(下同)。

可見,按標準kc分析,當巖腔深度1.07 m時,主控裂隙形成。事實上,由于泥巖表層風化和向臨空面的塑性流變或由于地下水作用,在巖層分界面處出現(xiàn)泥化現(xiàn)象等原因,kc會逐漸變小,而kc的減小對主控裂隙形成時機影響很大,當 kc減小到0.01,主控裂隙形成時,巖腔發(fā)育深度僅0.46 m。實際工程中可根據(jù)具體情況,合理確定kc取值,以預(yù)測主控裂隙開展時機。將巖腔臨界發(fā)育深度代入式(1),即可估算主控裂隙形成時間。

圖9 ks對主控裂隙形成的影響

圖9的結(jié)果顯示了水平地震系數(shù)ks對主控裂隙形成的影響?；鶞仕降卣鹣禂?shù)取為0.05,當其上下變化時,曲線簇交點變化不是很大?？梢?這個參數(shù)的變化對巖腔發(fā)育深度的影響不如kc明顯。

如果考慮到巖體本身存在的裂隙,可將巖石強度參數(shù)降低進行類似分析,同時應(yīng)注意到,裂隙巖體會引起地應(yīng)力大量釋放,裂隙巖體中殘余地應(yīng)力與完整巖石中存在的地應(yīng)力之比為釋放系數(shù)kr,圖10列出了巖石強度參數(shù)折半和不同kr條件下的計算結(jié)果?？梢?kr的相關(guān)性也是很明顯的。

圖10 kr對主控裂隙形成的影響

如前所述,當主控裂隙形成后,地應(yīng)力會充分釋放,系統(tǒng)重新恢復(fù)平衡。這一點從張性地應(yīng)力在應(yīng)力差中所占的比例可以明顯看出。因此,張性地應(yīng)力在危巖的發(fā)育過程中只具有階段性作用。

按(8)～(12)式對WK10-5可能破壞模式進行預(yù)測,結(jié)果繪于圖11中,為了直觀比較,將縱軸單位進行了統(tǒng)一化處理,不影響結(jié)果。當危巖巖腔發(fā)育深度達到1.83m時,基底壓力線與基底抗力線相交,表明泥巖基座壓壞;巖腔深度接近1.9 m時,發(fā)生轉(zhuǎn)動破壞[17];直到巖腔深度達到2.0時,平動推力與抗力仍未取得交點,事實上已超出定義域,這種破壞模式不會發(fā)生。將控制性破壞模式的巖腔深度代入式(1),即可預(yù)估發(fā)生破壞的時間。

圖11 典型危巖破壞模式預(yù)測

差異風化型危巖的形成與破壞模式表明,試圖對危巖用大規(guī)模清除的辦法來治理應(yīng)當慎重[18],清除相當于進行了人工卸荷,去除當前危巖后,后面的巖石繼續(xù)發(fā)展為新危巖。

4 結(jié)論

差異風化型危巖的形成與破壞是一個漸進的過程,它與地形、地貌,地質(zhì)構(gòu)造,危巖上的各種作用力和巖腔發(fā)育時間歷程都有關(guān)系。通過對差異風化型危巖體地應(yīng)力測試和形成破壞機理的研究,可以得出下面幾個結(jié)論:

1)分析表明,差異風化型危巖的形成與張性地應(yīng)力和巖腔發(fā)育深度相關(guān),而危巖的破壞模式主要受巖腔發(fā)育深度影響。

2)采用空心包體全應(yīng)力計測試了危巖邊坡的地應(yīng)力,并驗證了測試結(jié)果的可靠性。將地應(yīng)力測試結(jié)果與地勘資料綜合分析,可以判定危巖體發(fā)育范圍,確定工程設(shè)計的穩(wěn)定母巖位置。

3)用地應(yīng)力測試結(jié)果對差異風化型危巖進行計算分析,結(jié)果表明主控裂隙的形成與地應(yīng)力大小、巖腔發(fā)育深度和泥巖強度發(fā)揮系數(shù)的相關(guān)性較強,最后提出了控制性破壞模式的預(yù)測方法。

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