崩塌破坏失稳机理与稳定性分析

4.7.1　崩塌破坏失稳机理

4.7.1.1　崩塌产生条件

岩质路堑边坡和山坡坡面的崩塌，通常是岩体剪应力值超过岩体的软弱结构面的强度时产生的，而崩塌的破坏过程，主要是岩体的部分结构体，在外力和自重的作用下，沿结构面的剪切滑移、拉开，或整体的累积变形和破裂所致。因此岩体的稳定性主要取决于岩体结构面的性质和空间组合以及结构体的性质。

结构面将岩体切割成不同形状、大小的块体——结构体。常见的单元结构体为柱状、块状、板状、锲状、菱形状、锥状等六种形态;此外，因岩体的变形及破碎程度的不同，也可能形成片状、碎块状等更小的结构体。

岩体稳定性问题的实质，主要是应力应变关系上表现为滑动与抗滑之间的矛盾。岩体力学分析，就是要定量地考察其两者对立统一的关系及其转化条件。岩质边坡的崩塌就是一部分不稳定的结构体，沿着某些结构面拉开，并沿着另一些结构面向一定的空间转移的结果。因此部分结构体失去平衡而滑动或崩塌的主要边界条件是:

1)滑动面

岩体滑动破坏时，沿其滑动并产生较大的剪应力及摩阻力的结构面称为滑动面。完好的岩质边坡，因受力超过强度而发生变形，导致滑动或崩塌的情况，极少见到。如果岩体中无先期的可能滑动面，则基本上是稳定的;如果岩体中存在滑动面，此时岩体能否滑动或崩塌，主要取决于滑动面的特征。

2)切割面

不稳定的结构体与岩体分开的结构面(在滑动破坏中不受较大的法向应力，不产生显著的摩阻力，仅沿此面拉开)称为切割面。如果岩体中仅有滑动面，而无相应的切割面，则滑动或崩塌仍不能形成。但是，就一般情况而论，由于岩体常常受到多组结构面的切割，故切割面易于形成，有时切割面上也产生一定的摩阻力，但仍不是主要的滑动面，此时的切割面称为切割滑动面。自然界的岩体被结构面切割成不同形状的结构体，但是只有被切割面和滑动面所切割的结构体，才是不稳定的滑动体或崩塌体。

3)变形空间

滑动体或崩塌体可向其滑动而不受阻碍的自由空间(广义上来说，可以压缩的断层破碎带也可视作变形空间)称变形空间。

岩体中的部分结构体，虽然具备了滑动面和切割面的条件，但不具备变形空间的条件时，结构体还是不会产生滑动或崩塌(工程实践中常采用灌浆，砂浆勾缝的目的之一是消除局部不稳定结构体的变形空间)。所以，滑动面、切割面和变形空间三条件，称为岩体滑动或崩塌的边界条件。

综上所述，发生崩塌、落石的充分而必要的条件有:地形高差悬殊、斜坡陡峻或悬崖峭壁;岩体被结构面切割后，具备滑动面、切割面、变形空间，总下滑力大于总抗滑力。

4.7.1.2　崩塌发育过程

边坡崩塌破坏是指局部岩体松动、脱落，主要运动形式为自由坠落或滚动。

崩塌和滑坡比较有四个显著特点:①崩塌运动速度快。②崩塌体运动不依附固定的面或带。③崩塌体在运动过程中有翻倒、跳跃、滚动、坠落、互相撞击等运动形式，其整体性遭到完全破坏。④垂直位移大于水平位移。复杂急骤的崩塌现象的形成是有一定发展阶段和发展过程的，并具有其自身的发展模式。崩塌体的崩落过程一般来说是很快的，但是其形成和发展也和其他事物一样，有一个由量变到质变的发展过程。一般说来其发育过程大致可以划分为三个阶段。

1)潜在崩塌体形成阶段

山坡或边坡上的潜在崩塌体不是原来就有的，它是在长期地质构造作用、斜坡重力作用、风化作用等营力的作用下，在地貌不断地演变过程中形成的。

(1)边坡岩体中的软弱结构面的组合是潜在崩塌体形成的基础。边坡岩体在漫长的地质时期中，经受了历次地质构造作用，重力作用、风化作用和地貌演变的作用，岩体中都或多或少的存在着各种结构面。这些结构面包括构造结构面、沉积结构面和风化结构面等。它们的产状都不尽相同，其中倾向临空面的并且在边坡上出露的结构面最不稳定。典型的边坡岩体有二组结构面，如图4－36边坡岩体中的结构面组合所示。

图4－36潜在崩塌体形成

结构面①倾向山里;结构面②走向平行线路，产状直立;结构面③倾向线路。显然，倾向山里的结构面①是较稳定的结构面;而倾向线路的结构面③是不稳定的，而另一组直立结构面大致与线路平行，常常为岩体的切割面，它和倾向线路的结构面组合，共同切割岩体，可能形成潜在崩塌体，但是这两组结构面都是闭合的，所以潜在崩塌体还没有明显形成。如果这两组结构面在重力、风化营力、震动力等不断作用下，可能不断发展，裂隙面张开，则潜在崩塌体逐渐形成。

(2)重力和风化营力在潜在崩塌体形成中的作用。如图4－36所示，倾向线路的结构面③以上的岩体，在重力作用下，沿结构面有一个向下的分力，这个分力的方向大致与结构面②相垂直，因此，沿结构面②最易被拉开。风化营力主要包括阳光、气温、雨水等，在这些营力的作用下，岩体中的结构面将不断张开，由闭合向微张、张开、宽张发展。结构面②的产状直立，雨水易渗入，在雨水、冰劈、气温等长期作用下，结构面②较结构面①更易于张开。所以，结构面②和结构面③贯通，则被它们切割的岩体ABCD就形成了潜在崩塌体。当然，图4－36中的ABCD是在边坡横断面上的岩体，对于实际的空间岩体来说，还需在和断面平行的方向上，也就是在岩体的两侧还需有两个切割面。在重力和风化营力作用下，只有上述结构面相贯通时，潜在崩塌体才真正形成。

(3)地貌演变在潜在崩塌体形成中的特殊作用。地壳表层的岩体都处在一定的地应力环境中，当原来山坡遭到河流冲刷或由于人工开挖，使原来的地貌发生变化，则原来平衡的地应力遭到破坏，通常会引起地应力释放，导致与河岸或开挖边坡平行的卸荷裂隙的产生。经常会在沿河陡山坡上或在高陡路堑边坡上发现张开的卸荷裂隙，这种卸荷裂隙继续发展与倾向河流的或倾向线路的结构面贯通，就会形成潜在崩塌体。因开挖高陡路堑而引起的卸荷裂隙，通常在施工中就能发现，所以这也是施工中崩塌现象发生较多的原因。可见，人工开挖和河流冲刷造成的地貌演变都能促进潜在崩塌体的形成。

总体而言，潜在崩塌体的形成阶段是较长的。但是对于公路工程来说，在施工中和在施工后，在边坡岩体上可能已有一些潜在崩塌体存在，或者虽不存在，但已具备形成潜在崩塌体的条件和可能。这些都应在勘测和施工中查清，以便采取适当的措施。判别潜在崩塌体是否存在的条件是，看它的边界条件是否清楚，切割它的结构面是否贯通，以及结构面的张开程度。

2)潜在崩塌体的蠕动位移

潜在崩塌体形成后，并不意味着马上就要发生急剧的崩塌现象，一般要经过较长的蠕动位移阶段。如图4－36中所示的潜在崩塌体ABCD，可能由于CD结构面的抗剪力大于下滑力，潜在崩塌体不会向下滑动造成崩塌。但是当AD结构面中充水，在冬季冻结，或在AD面中有树木生长，在冰劈作用或在树的根劈作用下，则可能使岩体向下缓慢的位移，使AD裂面变宽。在多次缓慢的位移中，CD面遭到摩擦，强度会降低，并由于位移使裂缝加大，更便于水的流通，在雨水或地下水的长期作用下，CD结构面逐渐会发生泥化作用或被黏土质风化物充填，将使其抗剪强度大大降低。当该面得抗剪力小于下滑力时，潜在崩塌体就会向下滑动，继而产生突然的崩塌。这种蠕动位移除具有上述的长期性之外，还具有断续性和累进性。在各种因素作用下间断发生。

这个阶段在微地貌上也会有几种相应的变化。如(坡顶上的大致与线路平行的拉张裂缝不断变宽，延伸变长;坡面上相应部位外鼓或下错加剧)有时有岩石掉落，有时能听到岩体位移的响声。及时查清这些征兆，对防治崩塌灾害有十分重要的作用。

3)突然崩落阶段

当潜在崩塌体的重心移出边坡之后，突然而急剧的崩塌就会产生。突然崩落的全过程短的仅几秒钟，一般多在20min之内完成。大型崩塌体常由于崩塌速度大，激起巨大的冲击气浪。

综上所述，边坡崩塌属于拉裂破坏，岩体存在临空面，在结合力小于重力时会发生崩塌，其破坏机理可以概括为:

(1)岩层和构造及其与河谷的组合关系是控制岩崩的基础条件。

(2)降雨和河流侵蚀作用的诱发崩塌的主要自然动力因素。

(3)不合理的工程活动是诱发岩崩的人为动力因素。

4.7.2　崩塌破坏稳定性分析

崩塌破坏稳定性计算可采用Goodman-Bray方法和危岩体稳定计算方法，Goodman-Bray方法前面已经介绍，不再赘述，这里仅介绍崩塌危岩体稳定性计算方法。

4.7.2.1　滑移式危岩崩塌稳定性计算

(1)危岩体后缘无陡倾裂隙时(见图4－37)，稳定系数按式(4.52)计算式中，V为裂隙水压力(kN/m)，根据不同工况按式(4.11)计算;Q为地震力(kN/m)，按公式(4.53)确定，式中地震水平作用系数ζe取0.05;Fs为危岩稳定性系数;c为后缘裂隙黏聚力(kPa);当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段黏聚力标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段黏聚力标准值取岩石黏聚力标准值的0.4倍;φ为后缘裂隙内摩擦角(°);当裂隙未贯通时，取贯通段和未贯通段内摩擦角标准值按长度加权的加权平均值，未贯通段内摩擦角标准值取岩石内摩擦角标准值的0.95倍;α为滑面倾角(°);W为危岩体自重(kN/m)。

图4－37滑移式危岩崩塌稳定性计算(后缘无陡倾裂隙)

(2)危岩体后缘有陡倾裂隙、滑面缓倾时，滑移式危岩稳定系数稳定系数按式(4.8)计算。

4.7.2.2　倾倒式危岩崩塌稳定性计算

(1)危岩体稳定性由后缘岩体抗拉强度控制时(图4－38)。

危岩体重心在倾覆点之外时，稳定系数按式(4.54)计算:

式中，h为后缘裂隙深度(m);hw为后缘裂隙充水高度(m);H为后缘裂隙上端到未贯通段下端的垂直距离(m);a为危岩体重心到倾覆点的水平距离(m);b为后缘裂隙未贯通段下端到倾覆点之间的水平距离(m);h0为危岩体重心到倾覆点的垂直距离(m);flk为危岩体抗拉强度(kPa)，根据岩石抗拉强度标准值乘以0.4的折减系数确定;α为危岩体与基座接触面倾角(°)，外倾时取正值，内倾时取负值;β为后缘裂隙倾角(°)。

图4－38倾倒式危岩崩塌稳定性计算(由后缘岩体抗拉强度控制)

(2)危岩体稳定性由底部岩体抗拉强度控制时(图4－39)，稳定性系数按式(4.56)计算:

图4－39倾倒式危岩崩塌稳定性计算(由底部岩体抗拉强度控制)

4.7.2.3　坠落式危岩崩塌稳定性计算

图4－40坠落式危岩崩塌稳定性计算(后缘有陡倾裂隙)

(1)对后缘有陡倾裂隙的悬挑式危岩体，稳定系数按式(4.57)、(4.58)计算，稳定性系数取计算结果中的较小值(图4－40)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(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(°)。

(2)对后缘无陡倾裂隙的悬挑式危岩体，稳定系数按式(4.59)、(4.60)计算，稳定性系数取计算结果中的较小值(图4－41)式中，H0为危岩体后缘潜在破坏面高度(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0.30的折减系数确定;其他符号意义同前。

图4－41坠落式危岩崩塌稳定性计算(后缘无陡倾裂隙)