高地震烈度区危岩体稳定性分析

高地震烈度区危岩体稳定性分析

1强震条件下的外分鉴定与变形破坏四川省雅（安）-泸（沽）高速公路穿过新鲜河流和安宁河。该区域的振动频率和烈度非常高。雅泸高速场地地震基本烈度:雅安对岩(AK0)~观音岩(AK101)为VII度、观音岩~菩萨岗(AK174)为VIII度、菩萨岗~泸沽(AK243)为IX度。线路多次跨越发震断层,地震设防烈度从VII~IX度,地震动峰值加速度0.15g~0.40g。地震动参数在我国目前修建的高速公路中是最大的。“5·12”汶川地震触发的崩塌滚石是灾区损毁公路最为突出的地质灾害,强震触发的崩塌滚石除直接砸毁路基、路面外,还冲击桥墩,造成桥面变形或落梁,如图1所示。然而,同是汶川地震X~XI烈度区,有的危岩路段,由于实施了有效的防护措施边坡稳定,没有造成公路破坏与人员伤亡,如紫坪瀑水电站绕坝公路边坡。因此,强震条件下崩塌失稳模式与防治措施的研究对公路建设与运营管理非常重要。强震条件与一般重力作用下的崩塌破坏特征差别很大。黄润秋根据汶川地震中的一些典型破坏现象和变形机制总结提出了震裂(溃裂)、溃滑、溃崩、抛射、振动堆积等崩塌失稳模式,用于解释强震作用下岩体崩塌的动力响应过程。但是,强震作用下崩塌的力学机制和破坏性是极为复杂的,如果不引起足够重视并采取一些切实有效的防范措施,就会造成损失甚至毁灭性的破坏。本文以雅泸高速公路YK136+097西冲特大桥16#桥墩与边坡危岩体为研究对象,在详细地质调查的基础上,以斜坡陡倾坡外结构面与卸荷裂隙构成的危岩体构建地质力学模型,运用G.H.Shi研发的非连续变形数值分析(discontinuousdeformationanalysis,DDA)对边坡在地震动力作用下崩塌冲击桥墩的动力响应过程、变形破坏模式及破坏程度进行模拟预测,为防治工程设计提供较科学合理的数据支持,有针对性地提出防治方案。2危岩体边坡岩质边坡变形特征雅泸高速公路线位区处于整体的间歇性隆起状态,形成深切割的高山峡谷地貌。楠桠河河水湍急,河床下切迅速,导致斜坡自然坡度陡,表生改造强烈,浅表层岩体卸荷松弛,坡顶岩体被多组结构面切割,呈松散碎裂结构,图2为危岩体与高速公路位置关系平面图。目前,岩质边坡坡顶为较薄的松散覆盖层,斜坡岩体主要为中风化粗粒花岗岩,坡面植被稀少,岩体节理裂隙发育,上部为碎裂结构岩体,中、下部岩体为镶嵌状或次块状结构,图3为危岩体斜坡与16#桥墩地质剖面图。斜坡坡脚高程1308m,坡顶高程1332m,高差24m,平均坡度85°,斜坡与桥墩的距离仅有1.5~2.5m,桥面设计高程1338m;由于坡脚桥墩施工爆破影响,斜坡下段局部岩体已经垮塌,形成10m高的凹腔,内凹50~100cm,近地面凹腔稍浅,往上逐渐扩大;在中上部形成一倒悬岩体,该倒悬体三面临空,受爆破施工扰动影响,倒悬体产生多条张裂缝,张开度2~5mm。3各结构面断裂面该坡体缓倾坡内的结构面非常发育,延伸较长,连通率较高,结构面间距5~25cm,该结构面为控制性结构面,产状N10°E,NW∠46°;另一组控制性结构面陡倾坡外,产状SN,E∠85°,发育相对少,延伸长,间距4~6m;第三组为切坡结构面,产状N80°W,SW∠42°,下游侧坡较发育,间距1~3m,结构面微张,充填岩屑,延展性好,延伸较长的有25m,上游侧节理延伸长度2~4m,结构面波状起伏。这3组结构面交错组合形成共轭结构面,共同切割岩体形成坡体现有的岩体结构特征,控制坡体稳定,岩体及结构面物理力学参数见表1。4计算模型及力学参数利用非连续变形数值模拟程序DDA对陡崖危岩体的变形失稳过程进行分析。非连续变形分析方法是近年来发展的分析块状岩体的一种比较好的计算方法,它适用于不连续介质的大变形问题分析,从而实现岩石块体的移动、转动、张开、闭合等全过程的模拟,据此可判断出岩体的变形模式、破坏范围,从而对危岩体的整体和局部稳定性做出正确的评价。对于DDA模拟,计算断面的分块工作特别重要。由于破坏滑移或者错动面在计算中只能沿着块体间的接触面产生,因而在通常情况下,应事先有针对性地分析确定可能滑移或错动面的大致位置,而在该区域的分块也应按照岩体结构面的实际情况来划分,这样才能更真实地模拟危岩体的实际失稳破坏过程。将调查分析的危岩体作为计算模型,所构建模型高43m,宽61m,均超过潜在变形区尺寸的2倍,模型边界满足变形要求,本次模拟计算的二维模型划分的块体共243个,节点218个,模拟采用的时间步为1000时步,每一时间步的最大位移控制在0.00~0.01m,每一时间步为0.01s。模型的力学边界条件采用前后缘及底面固定约束,桥墩底端固定约束。在天然及地震工况下均符合受力及变形要求,模拟计算模型与拟设监测点位置图如图4所示(图中数字为监测点编号)。数值计算所需的岩体与结构面力学参数选自表1。有关强震条件下的地震峰值加速度参考了“5·12”汶川Ms8.0地震雅安部分加速度时程曲线特征(见图5,图中EW,NS分别为水平东西和南北分量,UD为垂直分量)。5地震波的期次与破坏形态为了解竖向地震惯性力对陡倾坡外结构面的震裂错断作用,以及水平地震惯性力对岩体的推覆拉断崩解作用,进行了地震工况下的数值模拟。本次模拟在1000时步内的变形过程。在边坡及桥墩关键部位共布置11个监测点(见图4),每个监测点的目的和意义都不一样,可以判断不同位置的稳定状态及变形趋势,同时也可以掌握该点附近的变形破坏数量。位移曲线图中每时步为0.01s。通过模拟发现,从破坏方式和规模及先后位置来看,整个变形破坏过程可分3个阶段:(1)斜坡顶部岩体被震裂松弛后发生小幅抛射;(2)斜坡中部岩体向坡外拉裂溃滑解体,与桥墩及岩块相互多次碰撞后向坡脚坠落;(3)失稳后的碎裂岩块经振动堆积稳定在坡脚。选取每个变形阶段具有典型变形特征的图形对变形破坏机制及外观表现形态进行分析,图6为强震岩体崩塌及冲击桥墩演进过程特征图。第一阶段:地震波能量释放在端部的放大效应明显。构成斜坡顶及端部的岩体单薄,在河流快速下切过程中岩体风化卸荷强烈,节理裂隙发育,多组结构面将岩体切割成碎块状;局部岩块在长期风化及重力作用下自然坠落形成凹岩腔,使变形破坏有了良好临空条件,上述地质条件及结构特征是构成岩体变形破坏的地质基础;而强大水平地震惯性力是构成这一变形破坏的外在直接诱发因素,导致岩体沿着陡倾坡外及缓倾坡内的结构面震裂松弛(溃裂),进而在水平地震激震力作用下发生小幅抛射运动,抛射出的岩块在坡表反复多次碰撞后向坡脚坠落。同时,斜坡顶部岩块脱离母岩抛射出去对中部岩体产生一种“拉动”作用,加之水平地震力向坡外的反复推挤作用,使得中部岩体沿着陡倾坡外结构面产生破裂出现微张现象(见图6(a)),其破裂面性质表现为张性或张剪性特征。由此可判断后缘陡峻破裂面已基本孕育生成。第二阶段:该阶段破坏主要是中部岩块后缘陡峻破裂面逐渐扩展并贯通(见图6(b)),在水平地震动力持续震动及重力作用下已经被震裂松弛处于临界平衡状态的岩块沿后缘贯通破裂面拉裂向坡外崩解,坡表倒锥形岩体锁固段在重力及水平地震惯性力作用下被剪断,发生剪切错落破坏,导致岩体溃滑散体化(见图7(a)),在与桥墩碰撞后完全解体,并向坡脚坠落经振动作用后堆积稳定下来。该阶段破坏特点是:规模大、影响范围广、作用力复杂。第三阶段:在第二阶段变形结束后,后缘断壁顶部已松动岩体底面大面积失去支撑而悬空(见图6(c))形成次生凹岩腔,且向坡外凸起,呈“摇摇欲坠”之势,在地震持续振动及重力作用下发生滑塌或偏心滚落(水平地震力主导),而整体破坏呈滑移剪切式。溃滑体与先期崩落碎裂岩块一起经震荡作用后在坡脚堆积,形成13m高的碎块石堆积体。破坏后的斜坡形成70°~75°后缘断壁坡度,破裂面粗糙,同时岩体已经处于拉裂变形,成为通常所谓的“震裂山体”。图7所示的5#,7#监测点反馈到图4的布置位置,可以看出近坡缘的5#监测点350时步的水平位移量已高达2500m,已经完全垮塌,而水平退深最大(约8m)的7#监测点最大位移量为80mm,震后形成的水平拉裂缝宽度20~30mm(见图7(b)中200时步以后的水平位移),显然这与一般重力作用下崩塌破坏特征有明显区别的。6危岩体斜坡与墩柱的防范措施受地震力作用及强震触发崩塌岩体的冲击,桥墩位移变化呈现出明显的波动特征(见图8),但波动中心轴不通过坐标原点,而是有一定偏移,这种偏移是永久变形的表现。桥墩中部系梁处的永久位移表明该段桥墩向坡外侧变形,永久位移为12mm,除地震作用外,主要是受破坏岩块的撞击及堆积体的影响所致;桥墩顶端在上部荷载作用影响下永久位移略倾向坡内侧,永久位移5.2mm;下部位移振幅很小,波动不明显,墩身位移略倾向坡外,永久位移3mm,见表2。根据危岩体斜坡及16#桥墩的变形破坏程度(见表3),为确保桥墩的安全与稳定,对斜坡与墩柱的防范措施作如下建议:在斜坡高程1330~1326m范围内以随机锚杆+主动防护网,局部喷射水泥砂浆进行防治,锚杆防治的水平退深为6~8m;在高程1326~1316m范围内,采用系统锚杆进行加固处理,锚杆水平退深5~6m;从地面到高程1316m的凹岩腔,采用浆砌石进行支顶、嵌补处理,支顶体顶部与凹岩腔之间用干硬混凝土填塞,以防止下梁处及以下墩身,对纵向受力钢筋及箍筋作适当加密处理,以提高桥墩抗剪断和抗弯曲能力。只有采取有效措施同时保证斜坡和桥墩两者的安全与稳定,才能为强震作用下高速公路的安全运营提供保障。7数值模拟研究(1)雅泸高速公路YK136+097西冲特大桥16#墩侧斜坡,是在强烈地质构造及河流强烈下切长期内外营力改造,由多组结构面及卸荷裂隙组合而成的、上部凸出松驰、中下部凹进镶嵌的错落式危岩体边坡。(2)利用非连续变形数值分析方法(DDA)对强震条件下危岩体斜坡变形破坏模式、演进过程及受冲桥墩位移量数值模拟研究,演进过程:坡顶岩体震裂松弛小幅抛射,中部岩体拉裂溃滑解体,危岩破坏后在坡顶形成底部大面积失去支撑而悬空的松动岩块发生滑落或偏心滚落破坏