太原西山8号煤层中黄铁矿的表面形态

太原西山8号煤层中黄铁矿的表面形态 太原西山大佛松动岩体边坡稳定性分析 1 1 1 1 2孙进忠, 田小甫, 管旭东, 于永贵, 杨秀生 ( ) 11 中国地质大学 北京工程技术学院 ,北京 100083 21 太原市晋源区文物局 ,山西 太原 030025 1 1 1 1 2Sun J i nzho ng, Tia n Xiaof u, Gua n Xudo ng, Yu Yo nggui, Ya ng Xi u she ng ( ) 11 S c hool o f En gi nee ri n g an d T ec hnol o g y , Chi na U ni ve rsi t y o f Geosciences B ei j i n g, B ei j i n g 100083 , Chi na 21 J i n y u an D ist rict B u rea u o f Cul t u ral Rel ics an d T ou ris m , T ai y uan 030025 , Chi na Sun Jinzhong , Tian Xiaof u , Guan Xudong , et al1 Sta bil ity analysis f or loosened rock slope of Jinyang Grand Buddha in Ta iyuan , China . Ea r t h Scie nce F r ont ie rs , 2008 , 15( 4) :2272238 Abstract : Ba sed o n t he stat us quo of J inyang Gra nd Buddha in Taiyua n , so me f acto r s such a s topo grap hy , geo2 lo gical st r uct ures , climate , hydrolo gy a nd engineering geolo gy t hat inf l uence t he sta bilit y of t he Buddha slop e a re co nsidered , a nd several wo r king sit uatio ns of t he slop e po ssibly suff ered a re p re sented in t hi s p ap er . The Buddha slop e sta nds up right a nd t he rock ma sses are co mpo sed of t hick Per mia n sandsto ne , w hich dip s slightly inwar ds t he slop e. Aff ected by bo t h t he inci sio n of regio nal joint s a nd t he load relief to f ree surf ace , t he rock ma ss of t he Buddha slop e ha s t ur ned into loo sened block s. N umerical sta bilit y a nalysi s by FL A C22D ba sed o n st rengt h reductio n met ho d reveal s t hat t he localized defo r matio n of t he rock ma sses nea r t he vertical surf ace of t he slop e may t rigger rever sing of rock beddings ma king t he back dip slop e co nvert to a dip slope wit h t he po s2 sibilit y of pla ne sliding f ail ure. Furt her mo re , t he p seudo2static met ho d fo r t he dynamic p rocess a nd t he li mit e2 quilibrium met ho d fo r t he static p roce ss are applied to diff erent wo r king sit uatio ns of t he Buddha slop e . The a nalytical re sult s ill ust rat e t hat plane sliding f ail ure will no t occur w hen t he slop e i s aff ected o nly by sei sm. Ho wever , water2filling i n cracks of t he loo sened rock ma ss may greatly co nt ribute to t he po tential pla ne sliding f ail ure. When ho rizo ntal sei sm2fo rce and hydro static p re ssure a re co upled , t he Buddha slope ca n ha r dly keep stable . A dditio nally , t he loo sened rock ma sse s a re p ro ne to block toppling f ail ure w hen i nf l uenced by t he sei sm fo rce . Key words : J inya ng Gra nd Buddha ; loo sened rock ma ss ; slop e sta bilit y ; st rengt h reductio n met ho d ; FL A C ; limit equilibrium 摘 要 :针对太原西山大佛现状 ,根据大佛所处的地形地貌 、地质构造 、气象水文条件和场地工程地质条件 ,分 析了影响大佛边坡岩体稳定性的主要因素 ,提出了大佛边坡岩体可能遭受的主要工况类型 。大佛边坡直立 , 边坡岩体为二叠系厚层砂岩 ,岩层近水平略向坡内倾斜 。区域构造节理切割和临空卸荷使大佛岩体呈松动块 状 。基于强度折减法的二维有限差分稳定性分析表明 ,边坡边缘局部变形可能导致陡崖由反向坡变为顺向 坡 ,从而使大佛边坡趋于滑动失稳 。进一步运用拟静力法和极限平衡法分析了多种工况条件下大佛松动岩体边坡的顺层抗滑动稳定性和抗倾覆稳定性 。分析表明 ,仅在地震力作用下大佛陡崖岩体不会发生顺层滑动破 坏 ,但存在向外倾覆崩落的危险 ;在排水不畅的条件下松动岩体裂隙充水对大佛陡崖边坡的抗滑稳定性会有 显著影响 ;在裂隙静水压力和水平地震力联合作用下 ,大佛陡崖将失稳破坏 。 收稿日期 :2008201230 ;修回日期 : 2008203212 基金项目 :太原市晋源区文物局委托项目 ( ) 作者简介 :孙进忠 1955 —,男 ,教授 ,地质工程/ 岩土工程专业 ,从事岩土体稳定性研究 。E2mail : sunji nz @1261 co m 关键词 :西山大佛 ;松动岩体 ;边坡稳定性 ;强度折减 ;有限差分法 ;极限平衡法 () 中图分类号 : TU457 文献标识码 : A 文章编号 :100522321 20080420227212 ?的大型石刻佛像 。目前所见到的大佛 , 只是一尊 ,拥有大量的中国是一个历史悠久的文明古国 四肢残缺 、破碎不堪的无首大佛躯干及底座 。文物 文物古迹 ,其中 ,开凿并赋存于天然岩体中的摩崖石 刻具有重要的历史意义和文化价值 。但是 ,随着时 部门决定重修大佛 ,重整大佛及周边环境 。这对于 保护珍贵的历史文化遗产 、发展当地的旅游经济具 间的推移 ,历经千百年风吹 、日晒 、雨淋 、地震等自然 有十分积极的意义 。 因素的影响以及人为的破坏 ,这些珍贵的石质文物 [ 123 ] 的保存现状不容乐观,对这些石质文物的保护研 西山大佛修建开凿于直立的二叠纪砂岩陡崖 上 ,岩体破碎松动且表面差异风化显著 ,大佛岩体岌 究迫在眉睫 。我国对石质文物保护的工程地质研究 岌可危 。因此 ,调查与评价西山大佛松动岩体边坡 始于 20 世纪 50 年代末 ,研究内容涉及石质文物的 [ 429 ] 稳定性现状 ,为大佛岩体加固提供依据 ,这是大佛修 风化 、崩塌 、渗水 、溶蚀及失稳等问题。赋存于原 复工作的首要任务 。 位岩体中的各类摩崖石刻因其所处位臵的区域地质 11 2 太原西山大佛区域地质条件条件 、岩体边坡特征以及岩体的材质不同而形成不 西山大佛位于太原市西山东侧山脚丘陵地带 , 同类型的工程地质问题 ,形成工程地质学研究的一 在晋源区寺底村旧址以北约 1 k m ,地理坐标为东经 个特殊领域 。 112?11′11″, 北纬 37?48′33″, 海拔高度约 850 , 900 () 太原晋阳西山大佛 也称蒙山大佛开凿于北齐 m 。大佛北 、东 、西三面环山 , 南面为寺底沟口 。受 () 时代 公元 6 世纪,佛体在二叠系厚层砂岩构成的 地质构造作用 ,岩体中节理裂隙发育 ,属构造剥蚀侵 陡崖上依山而坐形成轮廓 ,之后用泥皮彩塑形成伟 蚀地貌 。 岸的佛像 ,具有很高的历史 、宗教和文物价值 。不同 如图 1 所示 ,西山大佛所在地区位于西山强烈 于乐山大佛 、龙门石窟 、云冈石窟等直接用岩体石质 ?( ) 上升区的东部边缘 , 晋祠大断裂 17的西侧 。西 材料表现的摩崖造像 ,太原西山大佛泥皮彩塑的特 山区的地质构造对于大佛所在岩体边坡的稳定性具 殊构造形式决定了其主要的工程地质问题是岩体边 有显著的影响 。 坡稳定性问题 ,这也正是现在重修大佛所面临的关 西山区的地质构造以 N E E 向展布的断裂和褶键问题 。受构造节理切割及陡崖临空面卸荷的双重 皱为主 ,反映出西山区的区域构造应力场最大主应 作用 ,佛身岩体呈松动块状 ,残存的佛体岌岌可危 , (σ) 力 方向为 N N W 。1 是迄今为止石质文物工程地质研究中不多见的一种 断裂构造主要发育在靠近东部盆地的山区边缘情况 。本文依据对太原西山大佛实地勘查所获得的 地带 ,较大的 N E E 向断裂有 6 条 ,所切割的地层自 第一手资料 ,考虑大佛边坡岩体可能遭遇的工况 ,研 奥陶系至二叠系 。N E E 向褶皱基本发育在断裂的 究了大佛岩体边坡的稳定性 ,为大佛的加固修复提 ( ) 附近 ,尤以南部最为发育 ,自秋沟南背斜 16向南 , 供了依据 。 十个褶皱展布在 15 k m 的范围内 。区内延伸最长 者可达 10 k m ,一般在 5 , 6 k m 。这些褶皱两翼倾 1 太原西山大佛概况及地质条件 角一般在 5?,20?,两翼宽缓 ,基本对称 。褶皱轴走 向一般为 N E 55?, 70?, 影响地层为石炭系和二叠 11 1 大佛概况 系 。太原晋阳西山大佛开凿于北齐宣帝高洋天保二 大佛场地位于轴向为 N E E 的武家崖 —田家庄 ( ) 年至 后 主 高 纬 时 公 元 551 —576 年 , 迄 今 已 有 () 背斜 18东部倾伏端的北侧 , 介于两个 N N E 走向 1 400余年 。被砂 石 掩 埋 600 年 后 , 1980 年 西 山 大 (的正断层之间 ,北侧为西峪村 —上冶村正断层 倾向 佛被重新发现 ,1983 年经考古专家实地勘察予以肯 定 ,大佛才重闻于世 。西山大佛为坐像 ,据《翠峰和 ( ) ? 杜锦华. 晋阳文史资料 第五辑. 太原 : 太原市晋源区政协文 ( ) 尚道行碑》记载 ,大佛“一十八丈七尺”约合 63 m。 史资料委员会 , 2001 .现场实测表明 ,大佛从底座到颈部的高度近 30 m , ? 山西省地质矿产局区域地质调查队. 中华人民共和国太原市地 ( ) 颈部直径 5 m ,肩宽 25 m ,是目前所知世界上最早质图 1 ?50 000说明书. 北京 : 中国地质图书馆 , 1986 . ?图 1 太原西山大佛区域地质构造图 Fig1 1 Regio nal geologica2lst r uct ures of J inyang grand Budd ha图例说明 ,地层 :1 —第四系 ; 2 —上第三系 ; 3 —三叠系 ; 4 —二叠系 ; 5 —石炭系 ; 6 —奥陶系 ; 7 —寒武系 。构造 : 8 —背斜 ; 9 —向 斜 ; 10 —隐伏背斜 ;11 —隐伏向斜 ;12 —正断层 ; 13 —逆断层 ; 14 —隐伏断层 ; 15 —性质不明断层 ; 16 —推测隐伏断层 ; 17 —隐伏 ( ) m新生界深度 震级 ; 23 —新 活动断层 ;18 —隐伏活动断层带 。其他 : 19 —地质界线 ; 20 —地层产状 ; 21 —钻孔 ; 22 —震中终孔地层 发震年月 ( ) 生界底板等深线 m; 24 —下降泉 、上升泉 ;25 —断层编号 ;26 —褶皱编号 ;27 —陷落柱 ;28 —大佛位臵 ( ) ? 山西省地质矿产局区域地质调查队. 中华人民共和国太原市地质图 1 ?50 000说明书. 北京 : 中国地质图书馆 , 1986 . [ 12 ] ( ) ) 次一级的岩体。大佛肩部的岩体为厚层砂岩 ,比 N W,南侧为冶峪 —寺底村正断层 倾向 S E。地 ( ) 较坚硬 ,被 N N E 和 N W W 两组近正交的直立节理 层主要为二叠系石盒子组 Ps h z灰白色砂岩 ,局部 1 切割为块状 ,加之陡崖自由表面的卸荷作用 ,与临空 为砂质泥岩 ,粉砂岩 。地层产状较为平缓 。 [ 10 ] 面近于平行的节理裂隙张开度可超过 10 c m ,形成 根据全新活断裂的,影响大佛所在地区 () 的活断裂主要有 3 条 ,分别为田庄断裂 ,晋祠断裂和 大佛腹部以上的松动岩体 如图 5 所示。该层岩体 [ 12 ] 2 ??质量可判定为 IV 级。 城关断裂 。这 3 条断裂带附近历史上都发生过 中强地震 ,且近年来沿地震带的小震活动也很频繁 。 受这 3 条活断裂影响 ,在西山大佛场地附近区域 ,历 2 大佛岩体边坡稳定性的影响因素 史和现今均发生过地震活动 ,震中距非常小 。根据 ?() 1重力作用 。重力作用是控制边坡稳定性的 地震 活 动 性 分 析 , 今 后 本 区 仍 处 在 地 震 活 跃 期 。 基本地质营力 ,在大多数边坡崩滑事件中 ,重力作用 根据 2001 年公布的中国地震动参数区划图 ,结合工 都是主要的控制因素 。大佛所在陡崖边坡是由略向 程场地的地质条件 ,大佛工程区的地震动峰值加速 [ 11 ] 里倾的岩层构成的反向坡 ,重力在岩层面上产生沿 度为 01 2 g ,对应的抗震设防烈度为 8 度。 层面向坡内的作用力 。所以在现状条件下 ,重力作 11 3 大佛岩体边坡的场地工程地质条件 () 用不会导致岩体发生沿层面向坡外的滑动失稳 ,同1地形地貌 。大佛所在岩体边坡为近直立的 时重力产生的力矩也是阻止岩石块体向坡外倾覆的 陡崖 ,陡崖面沿山势 坐北 朝 南环 抱山 谷 , 东西 长 近 抗倾覆力矩 。所以 ,对于层面向坡内倾斜的反向坡 200 m 。断崖顶部大致在同一高程向两 侧展 开 , 崖 而言 ,重力作用是一个有利于边坡稳定的作用因素 。 底部地形逐渐升高与两侧山体连接过渡 。主体大佛 但是 ,受两组近正交的直立节理切割和陡崖临 占据中部陡崖 ,宽度约 25 m ,崖高约 20 m 。上述边 空面卸荷作用的影响 ,大佛腹部以上的岩体形成了 坡形态一方面为大佛开凿提供了有利的地形地貌条 松动块体 ,加之腹部泥质细砂岩强风化形成软弱层 , 件 ,另一方面也为岩体的风化和卸荷破坏提供了充 使得大佛所在陡崖边坡处在潜在的不稳定的状态 。 () 分的边界条件 如图 2。 在上部岩层重力作用下 ,下部的软弱层和松散块体 () (2工程地质岩组 。根据现场工程地质调查 工 可能会发生向坡外的挤出变形 ,进而引发上部岩层 ) 程地质填图和钻探,大佛场地的岩层主要为软硬相 1 + 2 的弯折溃曲 ,可能会导致陡崖边缘岩层转为向坡外 ( ) 间互层状砂页岩岩组 Ps h z, 大佛主体雕凿于 1 倾斜 。这时重力作用即由稳定因素转变为非稳定因( 较坚硬 的 石 盒 子 组 厚 层 块 状 砂 岩 中 如 图 2 、3 所 素 。) 示。岩层倾向 N W 近水平 , 与场地所处的背斜褶 () 2地震作用 。大佛场地附近的 3 条活断裂历 () 皱 18转折端北侧的构造部位相吻合 ,同时在大佛 史上地震活动频繁 ,据地震活动性分析 ,现在和未来 所在的陡崖处形成了岩层略向坡内倾斜的反向坡 。 一定时期内断裂仍处在地震活跃期 。所以 ,大佛边 () 3岩体结构面及大佛所在岩体边坡的岩体质 坡岩体的稳定性必然会受到地震作用的影响 。 地量 。现场调查表明 ,大佛附近岩体中普遍发育两组 震作用是影响边坡稳定性的重要因素 。天然 ( 基本直立 、近于正交的节理 ,一组走向为 N N E 358? 或人工开挖的边坡在没有地震或地下水作用时 ,一 ) ) ( ,10?,另一组走向为 N W W 272?,278?,节理面 般尚可以保持稳定 ,但在受到高烈度地震作用时 ,其 平直 ,为典型的剪节理 ,反映了 N N W 向区域水平构 [ 13214 ] 稳定性就很难保证 。在滑动面倾向坡外且倾角 (σ) 造应力 的作用 。在岩体内部 ,节理间距为 1 m1 左右 ,呈闭合状态 ; 在陡崖临空面附近 ,节理空间密 ? 山西省地质矿产局第三水文地质工程地质队. 中华人民共和国 度增加 。岩体向临空面的卸荷导致与临空面近平行 ( ) 太原市灾害地质图 1 ?100 000说明书. 北京 : 中国地质图书 的一组节理开启 ,形成不利于大佛岩体稳定的松动 馆 , 1987 . 危岩体 。 ? 山西省地质矿产局区域地质调查大队. 中华人民共和国太原市 ( ) 地质构 造 图 1 ?10 000 说 明 书. 北 京 : 中 国 地 质 图 书 馆 , 如图 4 所示 ,大佛佛身岩层差异风化显著 ,风化 1986 . 最为严重的是腹部的泥质胶结的细砂岩 ,表面呈碎 ? 山西省地质矿产局第三水文地质工程地质队. 中华人民共和国 裂薄片状 ,剥落掉块严重 ,在大佛腹部形成凹槽 。该 ( ) 太原市工程地质图 1 ?100 000说明书. 北京 : 中国地质图书 层岩体的基本质量级别可定性判定为 V 级 ,属于最 馆 , 1986 . 图 2 太原市晋阳西山大佛工程地质图 Fig1 2 Engineering geology moapf J inyang grand Budd ha 图例说明 ,1 —第四系 ;2 —二叠系下统石盒子组砂泥岩 ; 3 —二叠系下统石盒子组页岩 ; 4 —二叠系下统石盒子组砂 岩 ;5 —二叠系下统石盒子组砂页岩 ;6 —地形等高线 , m ;7 —陡崖 ;8 —山路 ;9 —台阶 ;10 —铅垂向钻孔 ; 11 —水平向钻 孔 ;12 —岩层产状 ; 13 —节理统计点 ;14 —剖面线 ;15 —大佛位臵 ;16 —平台 图 3 太原晋阳西山大佛场区A —A 工程地质剖面图 Fig1 3 Cro ss sectio n A2A of J i nyang Buddhsal ope 图 4 太原晋阳西山大佛主体 Fig1 4 Main b ody of J inyang Grand Budd ha 小于坡角的情况下 ,指向坡外的水平地震力导致边 坡下滑力增大 、滑动面上的抗滑力减小 。另外 ,地震 图 5 大佛腹部以上节理切割形成的松动岩体 Fig1 5 Loo sened roc2kmasses ab voe t he bellyo f t he Buddha 作用使得岩土中的孔隙水压力增加 、岩土体强度降 [ 15 ] 低 。这些均能 对 边 坡 的 稳 定 性 产 生 不 利 影 响。 旱气候区 , 多年平均降雨量 464 mm , 但变化较大 。 边坡岩体可能的失稳方式有两种 : 一种是沿层面的 ,主要集中在夏季 ,降雨年降雨量时间分布极不均匀 滑动失稳 ,另一种是 岩石 块 体向 坡外 的 倾覆 失稳 。 ?量可达 280 mm ,占全年降雨量的 60 % 。 当水平地震力在岩体中产生向坡外的作用力超过岩 大佛附近地区地下水主要有壤中水 、浅层基岩 层的抗滑强度时 ,岩体就有可能发生滑动破坏 ;当水 裂隙水和深层岩溶裂隙水 。近年来 ,由于大量采煤 , 平地震力产生的倾覆力矩超过岩块自重和岩层连接 强度产生的抗倾覆力矩时 ,岩体就可能发生向坡外 的倾覆崩落 。 ? 山西省地质矿产局区域地质调查队. 中华人民共和国太原市地 () ( ) 质图 1 ?50 000说明书. 北京 : 中国地质图书馆 , 1986 . 3降雨作用 。太原地处内陆 ,属典型的内陆干 地下水位不断降低 ,大佛及附近岩体中基本处于无,并在水工结构及岩质起了国内外学者的广泛重视 [ 20223 ] 水状态 。但是 ,强烈降雨不能及时排泄时 ,会使岩体 边坡稳定分析中得到了应用。 强度折减的基 () () 裂隙充满水 ,而裂隙周围的砂岩较为致密 ,基本不透 本是利用公式 1和 2将介 φφ 水 ,可视为隔水体 。这样 ,快速充填进入裂隙的雨水 质的强度指标 c 、折减为 c 、: ()1 会在大佛陡崖边缘的岩石块体间的裂隙面上施加一 c = c/ F φφ) ()( 个水平向外的水压力作用 ,加大了岩体向外滑动的 ′= a rct a n t a n/ F2 [ 16 ] φ作用力。另 外 , 降 雨 入 渗 边 坡 后 岩 层 面 吸 水 软 其中 F 为折减系数 。将 c′、′代入数值分析程序 ,采 化 ,强度降低 ,进而削弱边坡岩体的抗滑和抗倾覆能 用 Mo hr2Co ulo mb 屈 服 准则 进行 分析 。不 断 增 加 力 。所以 ,强降雨对于大佛陡崖岩体的稳定性是一 折减系数 F ,反复 分析 边坡 的 稳定 性 , 直至 边 坡达 个非常不利的因素 。到临界破 坏 , 此 时 得 到 的 折 减 系 数 即 为 安 全 系 数 [ 24 ] Fs 。 按强度折减法的原理 ,采用 FL A C 程序定量研 3 大佛岩体边坡稳定性问题的定性分 究在大佛岩体自重和增加佛头产生的额外重量作用 析 下陡崖边坡岩体在现状强度状态和临界强度状态下 的变形和屈服情况 。 根据横过大佛陡崖边坡的工31 1 陡崖岩体变形稳定性和顺层滑动稳定性问题 ( )坚硬岩体边坡中的岩层面是控制边坡稳定性的 程地质剖面 图 3 一个重要结构面 。大佛陡崖岩层为近水平的层状岩 建立二维有限差分模型如图 6 所示 ,模型材料的物 体 ,岩层产状略微向坡内倾斜 ,形成反向坡 ,有利于 理力学参数如表 1 所示 。模型共包括 5 105 个四边 边坡的稳定 。但是 ,大佛岩体岩层产状为小角度内 形单元 ,考虑了大佛岩体中发育的两组近正交的直 倾 ,陡崖临空面的变形很容易使岩层产状发生逆转 。 立节理 。模型底部及坡后右边界采用水平 、垂直约 束 。计算中把增加的佛头视为佛体上施加的荷载 。在以下两种情况下 ,会导致陡崖岩体的顺层滑动稳 () 定性问题 : 1由于某种原因边坡附近岩体发生变形 ,佛头荷重增加对于大佛陡崖岩体的稳定试算表明 而导致岩层产状发生逆转时 ,情况就会发生根本性 性影响不大 ,所以在边坡变形 FL A C 计算模型中采 () 变化 。譬如 ,在上部岩体自重或额外竖向荷载作用 用恒定的佛头荷重 佛头质量按 40 t 计。 下 ,下部软弱岩层或破碎岩块可能会发生向坡外的 挤出变形 ,导致上部岩层悬空而发生弯折 ,从而形成 ( ) 岩层向坡外滑动的条件 。2当边坡岩体受到指向 坡外的较大水平荷载作用时 ,岩体也有可能会产生 向边坡外的滑动 ,导致边坡顺层滑移破坏 。 31 2 陡崖危岩块体倾覆稳定性问题 大佛胸部和肩部是由基本无粘结的岩石块体堆 图 6 大佛陡崖岩体变形稳定性分析模型 砌而成 ,只是由于岩层产状略向坡内倾斜 ,所以块体 Fig1 6 Analytical m deol fo r t he slope o f( 尚未掉落 ,一旦受到一定强度的外力作用 譬如 ,地 J inyang Grand Budd ha ) 震作用或裂隙充水形成的水平水压力就有向坡外 图 7 是按岩体现状强度分析得到的大佛岩体边 倾覆崩落的危险 。 坡弹塑性区分布 ,可见 ,位于大佛腹部的较软弱岩层 在靠近坡面边缘高程 476 m 处出现压剪屈服状态 。 4 大佛岩体边坡稳定性问题的力学分 说明大佛腹部陡崖边缘处较软弱的含泥砂岩在重力 析 作用下有发生屈服破坏的可能 。含泥砂岩层的屈服 变形会引起陡崖边缘上部岩层向下弯沉 ,从而使岩 41 1 大佛边坡变形稳定性分析 [ 17 ] [ 18220 ] 层面发生向坡外方向的反转倾斜 ,局部转变为顺向 近年来 , Griffit h s、任青文等提出并发展 坡 ,从而大大降低陡崖边坡的力学稳定性 。所以 ,腹 () 了强度折减 强度储备的非线性数值分析方法 ,将 部岩层压剪屈服是影响大佛陡崖岩体稳定性的潜在 非线性迭代崩溃作为结构失效的判据 ,这一方法引 表 1 大佛陡崖岩体稳定性分析中采用的现状岩体物理力学参数 Table 1 Rock p arameter s fo r sta bilit y a nal ysi s of J inyang Grand Buddha 密度 弹性模量 内聚力 内摩擦角 抗拉强度 岩性 泊松比 - 3 )(( ) / GPa / k Pa / ? / M Pa / g 〃cm 2 . 63 7 0 . 28 700 38 . 7 1 细砂 中砂 2 . 44 8 0 . 28 800 42 1 粗砂 2 . 57 7 . 5 0 . 28 750 40 . 4 1 灰岩 2 . 71 10 0 . 25 1 300 50 1 . 5 2 . 4 4 0 . 32 400 28 . 8 0 ( ) 泥岩 页岩 2 . 4 0 . 01 0 . 35 40 16 . 7 0 夹层 图 7 大佛陡崖岩体天然强度状态下 图 8强度折减至临界状态的边坡岩体弹塑性分布图 的弹塑性区分布图 Fig1 8 Di st ributio n of ela stic and plastic ar s eaFig1 7 Di st ributio n of ela stic and pl astic area s of t he slopea t critical s att e of t he slopea t nat ural st at e 威胁之一 。 岩体强度折减至临界状态时 ,边坡发生沿着大 () 佛腹部软弱夹层 高程 476 m的挤出破坏 。破坏时 的位移矢量如图 8 所示 ,破坏时的塑性区分布见图 9 。由图 8 可以看出 ,塑性区在陡崖附近大佛腹部向 内 、向上方延伸 ,并在陡崖后的岩体中形成拉伸屈服 图 9 强度折减至临界状态的边坡岩体位移矢量图 带 ,可见大佛腹部含泥沙岩层的明显的差异风化现 Fig1 9 Di splacement vec rt so of t he slopea t critical s att e 象与该层岩石的受力变形有关 ,这就是所谓的应力 陡崖附近岩块节理裂隙充水 ,从而使层面或近水平 侵蚀作用 。这一模拟结果可以反映陡崖自由面的卸 的裂隙的抗滑强度降低 ,并在铅锤裂隙的边壁上施 荷作用 。 加水平方向的水压力 。另外 ,根据陡崖边坡岩体的 对现状边坡岩体强度参数逐步折减试算直至边 变形稳定性分析的结果 ,陡崖边缘大佛腹部的含泥 坡出现大面积屈服破坏的临界状态 ,得到大佛陡崖 砂岩层存在压剪屈服挤出变形的可能 ,从而也存在 的安全系数为 21 46 。说明在现状边坡岩体强度状 陡崖边缘岩层产状变化的可能 。因此 ,必须对岩体 态下 ,大佛岩体边坡的变形稳定性不会有太大的问 受水平力作用以及岩层产状发生变化时 ,陡崖边缘 题 。问题在于因边坡局部变形导致的陡崖边缘岩层 岩体的顺层滑动稳定性进行力学分析 。研究中采用 反转 ,这会使陡崖由反向坡转变为顺向坡 ,这对大佛 极限平衡法对大佛陡崖边坡上部岩体的顺层滑动稳 陡崖稳定性而言是最为致命的潜在问题 。 定性进行了定量分析 。 41 2 陡崖边坡岩体顺层滑动稳定性分析 41 21 1 陡崖边坡岩体地震顺层抗滑稳定性分析模按大佛岩体的现状定性分析 ,只有当大佛岩体 型受到指向坡外的较大水平力作用 ,或是陡崖边缘岩 ( 根据大佛 陡 崖 边 坡 岩 体 的 实 际 情 况 见 图 3 、 层变形导致岩层产状变化时 ,才有可能发生岩体顺 ) 4,对陡崖上部岩体裂隙切割情况适当简化 ,形成如 层滑动失稳 。根据大佛场地的区域地质构造条件和 10 所示的极限平衡分析的块体模型 。图 气候条件 ,岩体极有可能受到地震和强降雨的影响 。 () 块体模型分为上下 2 块 块体 1 和块体 2,2 块 前者会使岩体受到水平地震力的作用 ,而后者则使 表 2 大佛陡崖岩体稳定性极限平衡分析 模型工况一览表 Table 2 Wo rking sit uatio ns for limit equilibrium analysis 块体模型 模型工况 岩层倾角变化 自重 、水平地震力 - 2?,32? - 2?,19?自重 、静水压力 自重 、水平地1 块体 - 6?,3?震力 + 静水压力 自重 、水平地震力 - 2?,14? 自重 、静水压力 自重 、水平地- 30?, - 21?1 + 块体 2 块体 - 39?, - 29?震力 + 静水压力 41 21 2 分析结果 对表 2 所列工况 ,进行极限平衡分析 ,所得结果 图 10 滑动破坏分析块体模型 Fig1 10 Block m odel fo r plane sliding a ifl ure 如表 3 所示 。 由表 3 结果可知 ,在地震力单独作用下 ,陡崖岩之间以层面 1 为界 , 层面 2 为块体 2 与陡崖下部岩 石块体有较好的顺层滑动稳定性 ,即使岩层产状变 体的分界面 。2 个层面的强度基本相同 ,粘聚力 c =成向坡外倾斜 10?,在 01 2 g 的水平地震加速度作用 φ27 k Pa ,摩擦角 = 16?。块体的结构参数和尺度已 ( 下岩体仍然具有一定的抗滑稳定性 顶部单一块体 在图 10 中注出 ,设上下 2 个层面的倾角相等 。分析 稳定系数为 11 67 ,上下两个块体合为一体稳定系数 中考虑了岩层倾角变化 ,倾角取负值表示岩层向坡) 为 11 12。 内倾 ,倾角取正值表示岩层向坡外倾 。图 10 中 W 1分析结果表明 ,裂隙岩体对水的作用比较敏感 。 为上部块体的自重 , W 为下部块体的自重 ,块体的 2 ( ) 如果竖向裂缝切割不深 块体 1 的高度 ,4 m,则在 3 容重可近似取为 25 kN/ m; H为上部块体受到的1 裂隙充满水的情况下 ,岩体还具有较高的稳定性 ,当 水平力 , H为下部块 体 受到 的水 平力 。水平 力 分 2 岩层向外倾斜到 18?时 , 才出现顺层滑动的临界状 为 2 种情况 :单独地震力作用 、地震力与静水压力同 ( ) 态 K = 1。而当裂隙切割达到一定深度且不具备 时作用 。分析中设定了如下几种工况 : 较好的排水条件时 ,岩体的抗滑稳定性会大大降低 。 ()1 单独考虑上部块体 ,此时块体自重为 () 对块体 1 和块体 2 合并 裂隙深度为 81 5 m分析的 W = W 1 结果表明 ,在裂隙充满水的静水压力单独作用下 ,即 上下 2 个块体合为一体 ,此时块体自重为 使岩层倾向坡内也会产生顺层滑动失稳问题 ,只有 ()2 当岩层向坡内的倾角超过 23?左右时 , 岩层的抗滑W = W + W 1 2 稳定系数才能大于 1 。 在水平地震力与岩体后缘裂()3 单独考虑地震力作用 ,此时水平力为H 隙静水压力的共同 β()H =W 3 作用下 ,陡崖岩体的抗滑稳定性会更加糟糕 。裂隙β式中 :为水平地震力系数 ,等于场地水平地震动峰 (较浅时 切割深度至块体 2 之上 , 裂隙深度 4 m 左 β 值加速度 a 与重力加速度 g 的比值 ,即= a/ g 。) 右,岩层向坡内倾斜的角度小于 2?,就会发生顺层 () 4同时考虑地震力和静水压力作用 ,此时水 ( 滑动失稳的问题 。而裂隙切割深度达到 81 5 m 块 平力 H 为 : ) 体 1 、块体 2 合并分析时 ,在水平地震力和充满裂 a 12 γ()H = W + w h4 隙的静水压力共同作用下 ,岩体几乎肯定会发生滑 g 2 动破坏 ,因为岩层向坡内倾斜角度超过 30?时 ,岩体 3 γγ式中 :为水的重度 , 一般取 = 10 kN/ m; h 为 w w 的抗滑稳定系数才会大于 1 。 (块体后缘裂隙的高度 单独考虑块体 1 时 , h = h;上 1 总之 ,在水平地震力和裂隙静水压力作用下 ,大 下 2 块体合为一体考虑时 , h = h+ h; 同时应注意1 2 佛陡崖岩体的抗滑稳定向会大大降低 ,特别是在地 滑动面倾向坡内 、坡外引起的静水作用面高度的差震和强降雨共同作用下 ,陡崖岩体可能会发生较严 ) 别 ,进行适当的修正。上述工况的组合情况归纳于 重的滑动破坏 。表 2 中 。 表 3 层面滑动破坏极限平衡分析结果一览表 Ta ble 3 Re sult s of li mit equilibri um a nalysi s fo r plane sliding f ail ure ( ) ( ) 块体 块体 1 裂隙深度 4 m1 + 块体 2 裂隙深度 8 . 5 m 地震 + 水压地震力 地震力 静水压力 静水压力 地震 + 水压 α α α α α α K K K K K K - 2 3 . 21 - 2 1 . 45 - 6 1 . 09 - 2 2 . 30 - 30 1 . 18 - 38 1 . 21 4 2 . 27 1 1 . 37 - 5 1 . 07 0 2 . 12 - 29 1 . 15 - 37 1 . 18 10 1 . 67 4 1 . 27 - 4 1 . 04 2 1 . 80 - 28 1 . 13 - 36 1 . 16 16 1 . 34 7 1 . 19 - 3 1 . 02 4 1 . 56 - 27 1 . 10 - 35 1 . 13 22 1 . 15 10 1 . 12 - 2 1 . 00 6 1 . 38 - 26 1 . 08 - 34 1 . 11 28 1 . 03 13 1 . 07 - 1 0 . 98 8 1 . 24 - 25 1 . 06 - 33 1 . 08 29 1 . 02 16 1 . 03 0 0 . 96 10 1 . 12 - 24 1 . 03 - 32 1 . 06 30 1 . 01 17 1 . 02 1 0 . 94 12 1 . 02 - 23 1 . 01 - 31 1 . 03 31 0 . 99 18 1 . 00 2 0 . 92 13 0 . 98 - 22 0 . 99 - 30 1 . 01 32 0 . 98 19 0 . 99 3 0 . 91 14 0 . 94 - 21 0 . 97 - 29 0 . 99 α() ( ) 注 :—岩层倾角 ?,负值表示倾向坡内 ,正值表示倾向坡外 ; K —岩体抗滑稳定系数 量纲一。 41 3 陡崖危岩块体倾覆稳定性分析 ,顺时针力矩为抗倾覆力矩 。计算并比较抗覆力矩 41 31 1 陡崖危岩块体地震抗倾覆稳定性分析模型 倾覆力矩与倾覆力矩的相对大小 ,即可得出对块体 陡崖裂隙岩体在地震水平力和静水压力作用下 抗倾覆稳定性的认识 。 还有向外倾覆崩 落的 危 险 。为 对这 一问 题作 出 判为简化分析 ,设上下两个块体之间的接触面以断 ,还需要对陡崖危岩块体的抗倾覆稳定性进行力 及下部块体与陡崖其他部分岩体的接触面无连接强 学分析 。 度 ,块体仅受自重 W 和指向坡外的水平外力 H 的 建立如图 11 所示的简化块体模型 ,模型由宽度作用 ,这对于陡崖松动岩体的倾覆稳定性而言 ,是相 对不利的情况 。这时 ,水平力H 产生的力矩 M 为为 b、高度分别为 h和 h的 2 个截面为矩形的块体 H 1 2 () 倾覆力矩 , 块体自重 W 产生的力矩 M 是抗倾覆力块体 1 和块体 2上下叠臵而成 ,2 个块体的自重分 W 矩 。定义抗倾覆力矩 M 与倾覆力矩 M 的比值为 别为 W 和 W , 总重为 W 。W H 1 2 块体的抗倾覆稳定系数 K,即 :M K= M / M () M W H5 当 M> M 时 K > 1 , 块体处于稳定状态 ; 当 M W H M W < M 时 K < 1 , 块体有倾覆的危险 ; 当 M= M H M W H 时 K = 1 ,块体处于临界状态 。M h= 4 m , h 1 2参照图 11 所标注的块体尺度 ,取 = 41 5 m , b = 21 2 m 。考虑水平地震力的作用 ,则水 平力 H 可按下式取值 : ()β6 H =W 图 11 倾覆破坏分析块体模型 [ 11 ] βFig1 11 Block m odel fo r block toppling a ifl ure 其中 ,为水平地震力系数 。根据相关资料,大佛 β 场地的水平地震动峰值加速度可取为 01 2 g ,即= ,抗与陡崖松动块体顺层抗滑稳定性分析类似 01 2 。 倾覆稳定性分析也考虑两种情况 : 一种情况是假设 41 31 2 分析结果 对模型设定工况的地震倾覆现状下部的块体 2 稳定 ,上部的块体 1 以左下角点 O为1 稳定性进行了 轴 ,有向坡外倾覆的危险 。另一种情况是上下 2 个分析 ,并进一步计算了分析模型的地震倾覆稳定性 块体合为一体 ,可能发生相对于块体 2 左下角点 O的临界地震加速度水平 ,以便得到关于大佛陡崖松 的倾覆翻转 。动岩体地震倾覆稳定性的趋势性认识 。各种工况的 考虑块体向坡外的倾覆 ,取块体受到的各个作 块体稳定性分析结果如表 4 所示 。 用力相对于块体左下角点的力矩 ,逆时针力矩为倾 根据表 4 所列结果可知 , 单单考虑 01 2 g 的水 平地震加速度作用 ,大佛陡崖松动岩块基本上不会阻止岩层的进一步风化和挤出变形 ,避免引起上覆 ( ) 发生倾覆 。对于上部的单独块体 块体 1,可能发 岩体的外倾 。 () 生倾覆崩落的临界水平地震加速度为 01 55 g ; 更大 3为保护大佛边坡的整体稳定性 ,建议对大佛 () 块体 块体 1 + 块体 2发生地震崩塌的临界水平地 陡崖松动岩体进行锚固处理 ,而且应根据大佛陡崖 震加速度为 01 25 g ,这与本场地设防烈度 01 2 g 的 岩体结构面的发育以及岩体松动的范围和深度进行 水平地震加速度很接近 。所以大佛陡崖松动岩体还 细致的加固设计 。 是存在地震崩塌的危险 ,如果再加上强降雨时裂隙 水静水压力的作用 ,岩体的抗倾覆稳定性将大大削 Ref erences : 弱 ,大佛陡崖岩体的抗倾覆稳定性不容乐观 。 [ 1 ] Ya ng S T. 70 % lit hoi d cul t ural2relics are da maged serio u sl y 表 4 松动岩体模型地震倾覆稳定性分析结果i n Chengde Su mmer Re so rt [ EB/ OL ] . 2005211224 , ht tp : ? Ta ble 4 Re sult s of a nal ysi s fo r bloc k topp li ng f ail ure () new s. qq. co m/ a/ 20051124/ 000364 . ht ml i n Chi nese. 模型工况 稳定系数 临界水平地震力系数 K= 2. 75ef aw . L e sha n Buddha i s cr yi ng [ EB/ OL ] . 2007211216 , ht tp : 1 M 块体 [ 2 ] 现状稳定性 ( (β)?www . ef aw . cn/ ht ml/ fzzb/ 20071116/ J 4 I K8154 . ht ml i n = 0. 2 块体 1 + 块体 2K= 1. 29M βK= 1= 0. 55 块体 1 M cr ) Chi ne se. 临界状态 β 块体 1 + 块体 2K= 1= 0. 25M cr ef aw . Yunga ng gro t to i s serio usl y suff eri ng f ro m weat heri ng [ 3 ] [ EB/ OL ] . 2007212231 . ht t p : ?www . ef aw . cn/ ht ml/ fzzb/ () 20071231/ E2B E10547 . ht ml i n Chi nese. Mo u H C , Ya ng Z F , Wu F Q . St udy o n engi neeri ng geo me2 5 结论与建议 [ 4 ] cha nics fo r p re ser vatio n of rocky hi sto rical relics [ M ] . Bei2 () ji ng : Sei smolo gical Press , 2000 i n Chi ne se. 51 1 结论 Fa ng Y , Deng C Q , Li H S. Envi ro nment geolo gical p ro b2 通过对太原晋阳西山大佛陡崖边坡变形 、顺层 [ 5 ] le ms i n p reventio n a nd cure of weat heri ng di sea se s of ca r ved 滑动和抗倾覆的稳定性分析 ,可以得出如下结论 : ( ) ( sto ne relics[ J ] . Geo science , 2001 , 15 4 : 4582461 i n Chi2 () 1大佛顶部增加佛头对大佛陡崖岩体的稳定 ) ne se. 性影响不大 。 He Y , Li Z Y. A st udy of geolo gical di sea se a nal yses a nd [ 6 ] reno vatio n met ho ds i n Li ngqua n Te mple Gro t to of Hena n , () 2在大佛陡崖岩体自重作用下 ,大佛腹部的相 ( ) (Chi na [J ] . Rock a nd Soil Mecha nics , 2000 , 21 3: 56259 i n 对软弱岩层可能会产生向坡外的挤出变形 。这是导 ) Chi ne se. 致大佛腹部岩体明显差异风化的原因之一 。 Mo u H C. Rock mo ve ment a nd sub sidence [ M ] . Beiji ng : [ 7 ] () 3单独在地震荷载作用下 ,大佛陡崖岩体基本 () Sei smolo gical Pre ss , 1992 i n Chi nese. 不会发生顺岩层的滑动破坏 ,但是 ,在排水不畅的条 Li Z Y , Zha ng X G , Li H S. A st udy o n t he weat heri ng di s2 [ 8 ] ea se of sto ne cult ural relics i n Zho ngxia n , Sichua n [J ] . Ea rt h 件下松动岩体裂隙充水对大佛陡崖边坡的稳定性会 Science —J o ur nal of Chi na U niver sit y of Geo science s , 1995 , 有非常大的影响 。在裂隙水压力和水平地震力同时 ( ) () 20 4: 3782382 i n Chi ne se. 作用下 ,大佛陡崖基本上不能保持稳定 。 Guo X Y. Dazu rock ca r vi ngs st udy serie s [ M ] . Cho ngqi ng : [ 9 ] () 4在地震荷载作用下 ,大佛陡崖松动岩体存在 () Cho ngqi ng Pre ss , 1993 i n Chi ne se. 向外倾覆崩落的危险 。 GB 50021 —2001 Co de fo r i nve stigatio n geo t echnical engi neer2 [ 10 ] () i ng [ S ] i n Chi nese. 51 2 建议( GB 50011 —2001 Co de fo r sei smic de sign of buil di ngs [ S ] i n 根据大佛陡崖边坡岩体的工程地质稳定性现 [ 11 ] ) Chi ne se. 状 ,对大佛边坡的加固处理提出以下建议 : GB 50218 —94 St a nda r d fo r engi neeri ng cla ssificatio n of rock () 1裂隙充水对大佛松动岩体的稳定性会产生[ 12 ] () ma sse s[ S ] i n Chi nese. Tao L J , Su S R , Zha ng Z Y. Dyna mic st a bilit y a nal ysi s of 致命的影响 ,因此在大佛陡崖岩体的加固处理设计 [ 13 ] joi nt ed rock slop e [J ] . J o ur nal of Engi neeri ng Geolo gy , 2001 , 中必须首先考虑大佛边坡岩体的排水问题 。可以在 ( ) () 9 1: 32238 i n Chi ne se. 边坡顶部设臵排水沟 ,以利于雨水迅速排走 ,减缓静 Qi S W , Wu F Q , Li u C L , et al . Engi neeri ng geolo gy a nal y2 水压力作用 ,改善块体稳定条件 。[ 14 ] si s o n st abilit y of slop e under ea rt hqua ke [J ] . Chi ne se J o ur nal () 2在加固中 ,应首先对大佛腹部的软弱岩层进 ( ) of Rock Mecha nics a nd Engi neeri ng , 2004 , 23 16 : 27922 行加固和表面封闭处理 ,采用挂网喷锚的支护方式 , () 2797 i n Chi ne se. 法网. 乐 山 大 佛 在 哭 泣 [ EB/ OL ] . 2007211216 , ht tp : ? [ 2 ] e Tia n H . A nal ysi s of f acto r s i nfl uenci ng slop e st a bilit y [ J ] . www . ef aw . cn/ ht ml/ fzzb/ 20071116/ J 4 I K8154 . ht ml . [ 15 ] e 法网. 云冈石窟遭遇风化危机 [ EB/ OL ] . 2007212231 , ht tp : () Sha nxi Wat er Re so urce s , 2004 , 6 : 63 i n Chi ne se. [ 3 ] ?www . ef aw . cn/ ht ml/ fzzb/ 20071231/ E2B E10547 . ht ml . 牟He M C , Yao A J , L u C , et al . St udy of mecha nical f unctio n [ 16 ] 会宠 , 杨志法 , 伍法权. 石质文物保护的工程地质力学研 究of under gro und wat er i n slop e rock ma ss[J ] . 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