金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施

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分类号密级：、睿硕士研究生学位论文论文题目(中文)金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施论文题目(外文)研究生姓名李金龙学科、专业工程硕士专业学位建筑与土木工程研究方向文物保护工程学位级别硕士导师姓名、职称周仲华高级工程师论文工作起止年月年月至年月论文提交日期年月论文答辩日期年月学位授予日期校址：甘肃省兰州市 原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文,是在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等,均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外,不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：日期：屮关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定,同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版,允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以釆用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,第一署名单位仍然为兰州大学。本考位论文研究内容口不宜公开,已在学位办公室办理保密申请,解密后适用本授权书。请在以上选项内选择其中一项打论文作者签名：导师签名：全期：。屮日期： 金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施摘要金塔寺石窟位于甘肃省河西走廊中段的祁连山北麓,是马蹄寺石窟群的重要组成部分。寺内保存有流行于北凉到北魏时期典型的中心柱石窟,是我国早期石窟链中重要的一环,为研究我国早期石窟艺术提供了第一手宝贵资料。尤其是窟中的高浮雕飞天,凌空悬塑,若从天而降,在全国独一无二,素有东方飞天之精华的美誉。经历了千百年的漫长岁月,在不利的自然和人为因素影响下,目前金塔寺石窟文物的保存现状不容乐观。窟壁岩体风化剥落,卸荷裂隙发育,严重危害石窟的安全,窟内的壁画空鼓随处可见,部分塑像、壁画出现严重的酥碱、剥落等现象,同时由于面流及岩壁裂隙的渗漏导致窟内相对湿度增高,不利于窟内文物的保存和洞窟的安全。通过对石窟全面现场调查,研究岩体的破坏模式并进行计算,确定了较好的加固方案。根据金塔寺地质勘查资料,将病害区地层分为新近系及第四系地层,其中新近系地层按岩性可分为三个岩性段,各岩性段呈整合接触关系。石窟窟区岩体节理裂隙极为发育,节理裂隙与岩层层理相互切割,形成了板状、片状等倾向临空方向的危岩体。在石窟现场进行了比较详细的工程地质环境调查,主要查明了石窟的地形地貌、地层岩性、地质构造、气候条件、地震和窟区水文地质条件等。石窟主要病害为岩石在温差、地震、风力等因素作用下形成的岩石风化破碎,形成凹腔、滑坡等危害；其次,渗水造成的病害也比较严重。对野外采集的砂岩样进行了室内试验,确定了岩样的物理力学参数。在以上各研究资料的基础上,详细分析了每个区的病害发育情况。选取了两块最主要的危岩体,确定了危岩体的主要破坏模式为倾倒崩塌破坏,并进行了计算分析,得出了危岩体在暴雨和地震因素影响下的稳定性。根据上述研究资料和参数,选取一典型坡面运用进行数值模拟计算,更加直观的了解危岩体的变形破坏。结合病害原因分析和计算结果,提出了金塔寺石窟岩体合理的以危岩体加固工程为主和水害治理工程为辅的加固措施,并详细的介绍了各种加固措施。关键词：金塔寺石窟岩体稳定性分析加固措施 TheStudyofStabilityandReinforcementMeasuresontheRockMassofJintaGrottosAbstractJintasiGrotoesisoneoftheimportantpartsofMaTiSigrottogroups,whichliesinthemiddleofthenorthQilianmountainofHexicorridorinGansuprovince.ThecenterofthetypicalcolumngrottoesbeingpreservedintempleispopularfromBeiliangperiodtoBeiweiperiod,whichisoneoftheimportantgrotoeschainsofearlyChina.Itprovidesfirst-handvaluableinformationfortheresearchofChina'searlygrotoesart.Especiallytheflyinghigh-reliefinthegrotoesisuniqueinchina,withairsuspensionmodel,likingcomingdownfromheaven.Afterlongyears,withadverseinfluenceundernaturalandartificialfactors,thepreservationsituationoftheculturalrelictempleofJintagrotoesisnotoptimistic.Withgrottoeswallrockweatheringpeelingandunloadingcrackdevelopment,itseriouslyharmsthesafetyofthegrottoes.Muralsemptydrumisgeneratinginsidethecaveeverywhere.Partofthestatueandmuralgeneratesalinitywithspallphenomena,simultaneouslybecausethesurfaceflowandrockfractureoftheleakageingrottoesleadtohigherrelativehumidity,itgoesagainstthepreservationofhistoricalrelicandthesafetyofthegrottoes.Throughfieldinvestigationofgrottoescomprehensive,westudythedamagemodeloftherockandcalculateit.Wehavedeterminedthegoodreinforcementscheme.AccordingtothegeologicalexplorationdataofJintatemple,thediseaseareasaredividedintofourtertiarystrataandthestrata,amongthemthestratatertiarycanbedividedintothreelithologicsections,thelithologicsectionisbeingconformablecontactrelationship.Rockformationinthegrotoesgeneratemanyjointsandfissures,andjointsandfissuresandstratabeddingcutmutual,thereforeformeddangerousrockmasslikeplateandsheettothedirectionofoverhead.Withdetailedinvestigationoftheengineeringgeologicalenvironmentinthegrotoes,wemaininvestigatethetopographyandgeomorphology,rocks,geologicalstructure,climatecondition,theearthquakeandhydrogeologyconditions,etc.Themaindiseaseofgrottoesisweatheringandbrokenrockwhichformedundertheroleoffactorssuchastemperature,therockforearthquakeandwind,formingconcavecavityandlandslidehazards.Thediseasecausedbywaterisalsoserious.Wedoindoortestforfieldcollectionofthesandstonesamples,andidentifyvariousphysicalandmechanicalparameters.Onthebasisoftheresearch,wedetailedanalysisthediseaseofeverydevelopmentconditions.Withselectionoftwopiecesofthemainpowerofrockmass,weII determinetheriskofthemainfailuremodeforrockcollapsedestruction,andwecalculateandanalyseit,soobtainthestabilityofthedangerousrockmassundertheinfluencefactorsoftheheavyrainsandearthquake.Basedontheaboveresearchmaterialandparameters,theselectionofatypicalslopesurfaceisusedforFLAC3Dnumericalsimulation,soweknowtherockmassdeformationdamageintuitively.Combinedwithanalysiscauseofdiseaseandcalculationresults,theessayputsforwardthetempleofthegrotorockreasonablereinforcementmeasureswhichincludedangerousrockreinforcementprojectprimarilyandwaterdamagecontrolprojectsecondly,anddetailedintroducesvariousreinforcementmeasures.Keywords:jintagrottosrockmassstabilityanalysisreinforcementmeasuresin 目录录绪论论文选题依据及研究意义岩体加固研究历程国内外岩体加固研究历史岩体加固研究现状岩质边坡破坏机理研究现状边坡稳定性分析方法研究内容与技术路线金塔寺石窟工程地质环境石窟现状地形地貌地层岩性新近系上岩组金塔寺亚组第四系崩坡积物、残积物地质构造气候条件地震窟区水文地质条件金塔寺石窟岩体主要病害及其成因分析边坡失稳的影响因素危岩体变形特征及稳定性评价危岩体危岩体危岩体变形原因分析洞窟渗漏水病害岩体风化病害 3.5保护设施破损缺失室内试验砂岩试样的采集岩石的物理性质试验岩石的力学性质岩体稳定性分析危岩体稳定性计算分析计算方法计算参数选取危岩体数值模拟分析简介及计算原理计算模型及参数选择计算结果及分析金塔寺石窟岩体的加固措施加固原则危岩体加固工程设计参数加固工程水害治理工程结论与建议结论存在的不足与建议参考文献在学期间的研究成果致 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施绪论论文选题依据及研究意义甘肃河西地区自古以来交通地位特殊,是汉地文化西传和西方文化东传必经的咽喉之地,因此河西文化是中西文化的荟萃。河西古来就是众多民族竞相表演的大舞台,无论是匈奴、乌孙、月氏、鲜卑、拓跋,更无论是回鹘、党项、蒙古、吐蕃、哈萨克等都曾在这里繁衍生息、争战变迁、建功立业,为丝網之路的繁荣―兴盛,民族间的融合、发展以及文化的传播、交流都做出过不可磨灭的贡献,因此河西文化融合了各民族文化的特征。佛教传入我国后,河西是我国早期佛教的繁荣之地,文化亦有极浓的佛教痕迹。古代河西多石窟,寺庙也不可胜数,这正是佛教文化兴盛的明证。西域及各地佛僧来此,建寺开窟,将建筑、绘画、雕塑融为一体,形成了独特的佛教艺术。人■、：、：？、、,：」,、—；力■图地理位置马蹄寺石窟群始建于十六国北凉时期,由千佛洞、金塔寺、马蹄南寺、马蹄北寺、上、中、下观音洞七个单元组成,尚存有文物遗迹洞窟个,窟内保存有北凉、北魏、西魏、北周、隋、唐、西夏、元、明、清以来的珍贵塑像余身,壁画,具有藏传佛教风格的元、明时期的舍利塔龛群规模较大,保存较好。马蹄寺石窟群的北凉石窟是河西地区北凉石窟的重要组成部分,与其他的北凉石窟有非常相似的特点,形成了中国石窟艺术史上的凉州模式,对北 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施方地区尤其是北魏石窟产生了巨大的影响。金塔寺石窟位于甘肃省河西走廊中段的张掖市以南约的祁连山北麓,马蹄藏族乡李家沟村南侧沟内的红砂岩北崖壁上,属肃南县管辖的马蹄区境内,是马蹄寺石窟群的重要组成部分。窟内文物以石胎泥塑佛像及彩色壁画为主,具有西北典型的佛教风格。金塔寺内保存有流行于北凉到北魏时期典型的中心柱石窟,是我国早期石窟链中重要的一环,为研究我国早期石窟艺术提供了第一手宝贵资料。尤其是窟中的高浮雕飞天,凌空悬塑,若从天而降,在全国独一无二,素有东方飞天之精华的美誉。东窟中心柱四面均分上、中、下三层开翕造像。每龛内造一佛,结跏趺坐,龛外两侧除下层北面二弟子外,其余均为二脅侍菩萨。下层四面翕外顶部均悬塑飞天身,中心柱上层各塑十菩萨,其余龛外空间原满塑小佛,化生童子等,如此众多的内容,在河西诸石窟中还较为少见。年月被国务院公布为全国重点文物保护单位。图东窟精美飞天塑像因此这里具有地域特点和民族风格的石窟建造艺术,窟内塑像、壁画,是研究古代丝绸之路各国政治、经济、历史、文化、宗教、建筑、科学技术、民族文化交流、发展的宝贵资料,在我国佛教石窟艺术发展史上占有重要地位。为研究古代的政治、经济、文化、军事、民族、民俗等情况,以及文化交流情况,提供了珍贵的形象资料,具有很高的科学和艺术价值。目前金塔寺石窟文物的保存现状不容乐观,经历了千百年的漫长岁月,在自然与人为因素的不利影响下,岩体风化剥落,卸荷裂隙发育,严重危害石窟的安全。金塔寺石窟的严重病害引起了省市各级文物保护管理部门的高度重视,并及时开展了金塔寺石窟保护的前期工作。由于要兼顾到文物保护,这与一般的岩体■加固有所不同,本文以此为背景,详细调査了金塔寺石窟工程地质环境情况,并 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施对岩体进行了进一步的研究,初步得到了石窟岩体病害情况,这对深化石窟岩体稳定性研究,提出石窟岩体加固保护措施和保护历史文物有着重要意义。岩体加固研究历程国内外岩体加固研究历史石窟岩体加固有主要有两种含义,一方面石窟岩体是文物赖以生存的载体,对文物的保护和石窟的稳定起到决定性的作用,通过提高石窟岩体的稳定性,便能让文物保存的更久；另一方面石窟岩体也是岩质工程中的高边坡,因此岩体稳定性的研究方法与岩质工程中高边坡的研究有一定的相似性。国内外很多的岩质工程高边坡的理论应用研究为石窟岩体加固研究提供了有价值的参考。随着人类工程活动的发展,对边坡问题的研究也在不断深入,归纳前人对边坡问题的研究大致可以分为以下几个阶段：人们对边坡稳定性的关注和研究最早是从滑坡现象开始的,世纪末和世纪初期,伴随着欧美资本主义国家的工业化而兴起的大规模土木工程建设,出现了较多的人工边坡,又发了大量滑坡和崩塌,造成了很大的损失。这时,人们才开始重视边坡失稳给人类造成的危害,并开始借用一般材料分析中的工程力学理论对滑坡进行半经验、半理论的研究。早期对边坡稳定性的研究主要从两个方面进行：一是借用土力学中极限平衡的概念,由静力平衡条件计算边坡极限状态下的稳定性；二是从边坡所处的地质条件、影响因素和失稳现象上进行对比分析。世纪年代,我国学者引进苏联工程地质的体系,继承和发展了地质历史分析法,并将其应用于滑坡的分析和研究中,对边坡稳定性研究起到了推动作用。该阶段学者们着重边坡地质条件的描述和边坡类型的划分,采用工程地质类比法评价边坡稳定性。世纪年代,由于世界上几起灾难性边坡失稳事件的发生,人们逐渐认识到了结构面对边坡稳定性的控制作用和边坡失稳的时效特征,初步形成岩体结构的观点,并在运用赤平极射投影的基础上,提出了实体比例投影方法,用来进行边坡破坏的计算,定性判断边坡的稳定性。我国学者结合露天矿边坡稳定性研究,进行了一些室内试验研究,推动了岩质边坡稳定性研究的发展。世纪年代,边坡研究者从大量的工程实践和斜坡失稳事件中,逐渐认识到边坡稳定性研究必须重视其变形破坏过程和机理的研究,提出累进行破坏的观点及边坡变性破坏的机理模式,使边坡稳定问题的研究工作进入了地质分析和岩石力学分析相结合的时代。国内的学者通过大量的现场调研,深入研究了斜坡 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施变性破坏演化机制的一般规律,提出斜坡变形的种主要模式,即蠕滑拉裂、滑移压致拉裂、滑移拉裂、弯曲拉裂、塑流拉裂和滑移弯曲,以及边坡失稳的种基本破坏方式,亦即崩塌、滑坡、扩离。这些变形破坏模式得到了普遍承认,而且被广泛地推广和应用,为推进边坡稳定性研究做出重要贡献。世纪年代,边坡稳定性研究进入一个新的阶段。年,国际工程地质协会成立,它是国际上第一个专门研究滑坡及其防治的国际组织。国际岩石力学与工程学会、国际岩土力学与基础工程学会、国际大坝委员会等将边坡工程作为重要的专题进行学术交流和探讨。在系统科学方法论的指导下,对边坡岩体的赋存环境、坡体结构、内部应力状态、变形破坏机制、影响稳定性的因素等进行了系统研究,形成较为完善的边坡稳定性研究思路；边坡变形破坏的地质模式得到了进一步的补充和完善,针对不同的地质模式提出一些相应的稳定性计算方法；数值模拟和物理模拟手段被引入边坡研究中,人们借助有限元法、离散元法、地质力学模型试验等再现边坡变形破坏的全过程,从整体上、内部作用机理等方面对边坡进行全面的认识和评价；利用统计热力学理论、灰色系统理论、数量化理论、概率论与数理统计等,探索了边坡稳定性的预测预报方法。可以说,这一阶段是边坡科学发展的高峰期。世纪年代以来,人类工程活动在发展中国家迅速增长,人工边坡的规模和高度不断增大,边坡稳定问题越来越突出。而非线性科学理论、非连续介质理论、可靠分析理论以及计算机技术的发展,为边坡稳定性问题的研究提供了新的途径及方法,多学科、多专业的交叉研究已经成为边坡研究的发展方向。可靠性分析理论、模糊数学、块体理论、灰色系统理论、神经网络理论、分形理论、突变理论、自组织理论以及各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡稳定研究中。边坡稳定性研究步入了定性与定量相结合、概念模型与仿真模型相结合、监测与反馈分析相结合的新阶段,取得了大量有意义的成果—。岩体加固研究现状岩质边坡破坏机理研究现状边坡岩体结构的研究被赋予了新的内容岩质边坡结构复杂,其稳定性与在边坡岩体中发育的各类结构面特征密切相关。在岩体结构控制论的基础上,人们进一步认识到,不仅要查清边坡岩体结构面的地质力学成因、分布规律、结构面的充填物质及几何特征等,而且要追溯边坡岩体结构建造、构造改造和浅表生改造的全过程,并通过精细的量测技术和数理统计方法获得表征岩体结构的一系列定量参数(如连通率、迹长、间距、密度、起伏度、粗糙度等)。在此基础上建立岩体结构模型和定量化模式,为边 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施坡稳定性评价和模拟研究打下坚实的基础。在岩体结构的基础研究中,提出了浅生时效构造理论,并将其应用于边坡工程研究中,为一些重大工程边坡稳定问题的解决做出了贡献。对边坡变形破坏现象的认识进一步的深化通过大量的工程实践和现场观察,人们逐渐认识到斜坡岩体的浅表生改造是斜坡演化的一个重要阶段,浅表生改造迹象不同于重力作用下边坡的变形破坏迹象,正确区分和认识这两种现象,对边坡稳定性评价具有非常重要的意义。基于这样的认识,边坡稳定性研究中出现了一些新的概念,如卸荷破裂岩体、卸荷松动岩体等。这些概念的提出推动了边坡科学的发展。边坡变形破坏地质力学模式的不断深化、补充和完善边坡变形破坏地质力学模式是其内部作用过程和本质的体现,也是反映影响边坡稳定性状态的各种地质因素的综合体现。因此,在工程实践中可以根据边坡的变形破坏机制与模式,评价和预测边坡的变形发展趋势和可能的破坏形式,并选择可靠的加固措施。世纪年代以来,边坡工作者通过大量的调査、观察和研究,对边坡变形破坏的地质力学模式进行了深化、补充和完善；探讨了已有地质力学模式量化评价的方法；推动了边坡变形破坏机制分析在边坡稳定性评价、预报预测以及治理措施中的应用。王兰生等提出了边坡变形的旋转滑移拉裂模式；孙广忠将边坡的变形破坏形式分为：楔形体滑坡、圆弧滑面滑坡、顺层面滑动滑坡、倾倒变形边坡、溃屈破坏边坡、复合型滑面滑坡、斜坡开裂变形体、堆积层滑坡、崩塌碎屑流滑坡。国际上边坡破坏的类型釆用五分法,即：崩塌、倾倒、滑动、侧向扩展拉裂、流动。数值模拟技术被广泛应用数值模拟技术现己广泛应用于边坡问题的研究中,尤其是在边坡变形破坏过程模拟以及稳定性分析方面发挥了重要作用。近年来,在计算方法、计算模型、软件编制和岩土力学参数确定等方面有了很大的进展。目前,常用的数值模拟方法有：有限单元法、有限差分法、边界元法、离散元法、流形元法、非连续变形分析法(以及各种稱合计算方法等。各种使用方便、界面又好、前后处理功能强大的软件不断推出。描述岩土介质的本构模型,已由弹性、弹塑性模型发展到黏弹性、黏塑性、黏弹塑性模型,特别是单元的引入较好地解决了又节理或断层的边坡有限元模拟问题(。岩土力学参数由过去的主要由实验室实验和现场试验确定,发展到采用多种方法综合确定,如,数值反分析法、野外抽样与统计推断技术等。有关岩体结构特征研究的进展,使得岩质边坡的数值计算结果更为可靠。目前,可以在计算机上模拟岩体的裂隙网格,确定裂隙网格的结构特征参数,定量评价岩体的质量、力学参数,仿真模拟边坡的 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施应力场、位移场、形成演化过程、人工开挖过程以及加固结构的作用等。引入损伤、断裂力学理论及大变形理论使数值计算结果更接近实际。快速拉格朗日差分法(、离散单元法(和非连续变形分析法(让我们能够考虑边坡大变形问题,在计算机上模拟边坡运动的特征与失稳过程等。利用这些方法,黄润秋等(提出了边坡变形破坏全过程的模拟和控制技术。专家系统方法及信息技术的应用专家系统是世纪年代末走向实用并迅速发展起来的一种计算机应用技术,是基于专家知识和经验判断进行特向领域问题求解的非数值计算机分析软件。它根据用户提供的数据、信息或事实,运用系统存储的专家经验或知识,进行推理判断,同时给出结论的可信度,以供用户决策分析。近年来,专家系统被逐渐引入边坡研究,帮助地质工程师审定边坡设计、边坡安全分析、滑坡识别与分类、边坡稳定性分析等。非线性科学理论和方法的引入耗散结构论、协同论、突变理论、混沌理论、分形理论、神经网络理论等非线性科学的发展,给边坡稳定性研究提供了新理论、新思维和新方法。这些理论在解决非线性性质、非平衡体系的问题方面是行之有效的,因此,它们在复杂的边坡工程中具有应用的普适性和广阔的前景,因为地质体中平衡和封闭是相对的,非平衡和开放才是绝对的。研究者们逐渐认识到边坡系统是一个开放的系统,是一个充满灰与白、确定性与随机性、渐变与突变、平衡与非平衡、有序与无序的对立统一的混沌体系,复杂性是边坡的根本属性。尽管非线性科学理论在边坡研究中的应用才刚刚起步,处于探索阶段,但它却给这一研究领域带来了崭新的思想方法,并获得不少幵拓性的研究成果。年,秦四清等所著的《非线性工程地质学导引》一书,将非线性科学理论首次系统地引入工程地质研究中,探索了滑坡的复杂性特征和滑坡孕育的混沌特征,运用突变理论研究了边坡的稳定性和失稳预报等问题。张子新、孙钧(提出了分形块体力学,并将其运用于三峡船闸高边坡研究中。哈秋林(提出了非线性岩石(体)力学的概念。当然,这方面的研究成果还要逐渐受到实际问题的考验。边坡监测与预警预报技术发展迅速由于边坡工程的复杂性和边坡研究水平的限制,人们对边坡的监测给予了高度重视。边坡监测已成为掌握边坡动态、确保工程安全、了解失稳机理和开展边坡稳定性预警预报的重要手段。目前,边坡监测已由过去以大量测量为主发展为多种方法和手段综合运用、相互验证；高新技术正逐渐应用于边坡监测中,如干涉雷达遥感技术和技术等；监测仪器的自动化水平得到提高,边坡的自动监测系统正在逐步开发和应用。但是,监测仪器的抗干扰性、环境适应性以及可靠 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施度方面仍有较多问题需要解决—。边坡稳定性分析方法目前岩体边坡稳定定量分析方法主要有两大类方法：极限平衡法和数值分析方法等,而定性方法主要有工程地质比拟法、地质条件分析法和图解法等,此外还有塑性极限分析法、条分法、强度折减法、随机搜索方法、可靠性方法、有限元方法、方法、遗传算法以及利用动态监测资料分析判断方法等。边坡稳定性数值分析主要包括以下几种方法有限差分法有限差分法的基本思想是将连续的定解区域用有限个离散点构成的网格来代替,把连续定解区域上的连续变量的函数用在网格上定义的离散变量函数来近似,把原方程和定解条件中的微商用差商来近似,积分用积分和来近似,于是原微分方程和定解条件就近似地代之以代数方程组,即有限差分方程组,解此方程组就可以得到原问题在离散点上的近似解,然后再利用插值方法便可以从离散解得到定解问题在整个区域上的近似解。但对于边坡稳定的分析较少直接用有限差分法进行,而在某些特定的条件下,将差分法和其它方法结合使用来处理一些课题,可使数值方法解决问题的能力得到提高。有限元法有限元法是一种十分成熟的数值方法,它几乎可适用于所有的计算领域。该方法在边坡岩土体的稳定性分析中最早得到应用,也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。目前,已经开发了多个二维及三维有限元分析程序,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。有限元的基本思想是将一个连续体离散化,变换成有限数量的有限大的单元集合,这些单元之间只通过结点来连接和制约,用变换后的结构系统代替实际的系统采用标准的结构分析来进行处理。其原理可以用支配方程来阐述：式中：整体刚度矩阵；整体结点位移；整体等效荷载。尽管有限元应用十分广泛,但它还不能很好地求解大变形和位移不连续等问题,对于边坡稳定分析中的无限域、应力集中问题等的求解还不理想。边界元法边界元法是世纪年代发展起来的一种数值方法,于年首先将其应用于分析层状岩体的开挖稳定问题。与有限元方法不同,它只对研究区的边界进行离散,因而它要求的数据输入量较少。边界元法本质上是求解边 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施界积分方程的一种数值方法,它与有限元法有某些相似之处,通过形函数对单元进行等参变换,其基本未知量是边界单元上的函数值。该方法对处理无限域和半无限域问题较为理想。边界元法的优点是应用定理使问题降阶,将三维问题化为二维问题,将二维问题化为一维问题,大大减少了计算工作量,并保持了较高的精度。边界元法的缺点是必须事先知道求解问题的控制微分方程的基本解,它在处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面还远不如有限元法,尤其对于非线性问题,基本解的求出十分困难,它同样不能求解大变形问题,它目前在边坡岩体稳定性分析中的应用还远不如在地下洞室中应用广泛。无界元(法为了克服有限元法在计算时其计算范围和边界条件不易确定的这一缺点,于年提出了无界元方法。它可以看作是有限元方法的推广,它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数,能够反映在无穷远处的边界条件,近年来已比较广泛地应用于非线性问题、动力问题和不连续问题等的求解。无界元的优点是有效地解决了有限元方法的边界效应及人为确定边界的缺点,在动力问题中尤为突出；显著地减小了解题规模,提高了求解精度和计算效率,这一点对三维问题尤为显著。它目前常常与有限元法联合使用,互取所长。快速拉格朗日分析法为了克服有限元等数值分析法不能求解岩土大变形问题的缺陷,最早由提出了数值分析方法,它是一种显式时间差分解析法,由美国咨询公司首先使用并推广。该方法基于牛顿运动定理,考虑到材料的非线性和几何学上的非线性,使用了离散模型方法、动态松弛方法和有限差分方法三种技术将连续介质的动态演化过程转化为离散节点的运动方程和离散单元的本构方程求解,即首先由节点的应力和外力(或速度变化和时间步长利用虚功原理求节点不平衡力和速度,再根据单元的本构方程由节点速度求单元的应变增量、应力(或位移增量和总应力,进而进入新的循环。该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征,求解速度较快,适用于求解非线性大变形,但其缺点是同有限元方法一样,计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性,本质上仍属于求解连续介质范畴的方法。离散元(法离散元法是由于世纪年代首先提出并的数值分析方法,可以用来模拟边坡岩体的非均质、不连续和大变形等特点,因而,也就成为目前较为流行的一种岩土体稳定性分析数值方法。该方法在进行计算时,首先将边坡岩体划分为若干刚性块体(目前已可以考虑块体的弹性变形),以牛顿第二运动定律为基础,结合不同本构关系考虑块体受力后的运动及由此导致的受力状态和 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施块体运动随时间的变化。它允许块体间发生平动、转动,甚至脱离母体下落,结合技术可以在计算机上形象地反应出边坡岩体中的应力场、位移及速度等力学参量的全程变化。该法适用于不连续介质、大变形、低应力水平,对块状结构、层状破裂或一般碎裂结构岩体比较适合,特别适用于节理岩体,可解决准静态问题,但对真正的动态问题需做些处理。方法存在的主要问题是阻尼的选取和迭代计算的收敛性。非连续变形分析是石根华教授于世纪年代提出的一种新的数值方法。该方法用一种类似于离散元的块体元来模拟被不连续面切割成的块体系统,在此过程中,块体通过不连续面间的接触连成整体。此方法的计算网格单元与岩体物理网络相一致,可以反映岩体连续和不连续的具体部位。通过不连续面间的相互约束建立整个系统的力学平衡条件,但与一般的连续介质法不同,它引入了非连续接触和惯性力,采用运动学方法来解决非连续的静力和动力问题,其特点是考虑了变形的不连续性和引入了时间因素,既可以计算静力问题,又可以计算动力问题。它可以计算破坏前的小位移,也可以计算破坏后的大位移,如滑动、崩塌、爆破及贯入等,还可考虑渐进型破坏,因此,特别适合于极限状态的设计计算,这为其在工程界的应用开辟了广阔的前景。方法的理论体系严密,总体上由变分原理控制,方程组的求解以位移为未知量,属位移法,其位移的模式与有限元法相同。它在求解方程组的过程中,若刚度矩阵是病态的,可采用时间步或罚函数来限制刚体运动,但它们的选取较为困难,并且防止块体相互侵入的容许值很难确定,而且在实际应用时,常因考虑之块体数量众多,计算时间较长,这些问题使得受到限制,应用还不十分广泛,但无疑它是一种很有潜力的数值分析方法。流形元法流形元法是石根华通过研究与有限元的数学基础于年提出的,是与有限元的统一形式。流形元以最小位能原理和现代数学流形分析中的有限覆盖技术为基础,建立起一种新的数值分析方法,统一解决了连续与非连续变形的力学问题。有限覆盖由物理覆盖和数学覆盖组成,有限元在流形方法中只有一个单独的物理覆盖,它覆盖了全部的数学覆盖；而在流形元法中,则有许多物理覆盖,它们各自覆盖一部分数学覆盖。这两种方法在流形元法中只是两个特殊的例子。在流形元法,只要用两种不同的覆盖组合就可以解决比有限元和更具有普遍意义的复杂问题。该方法被用来计算结构体的位移和变形,在积分方法上采用与传统数值方法不同的方法即单纯形上的解析积分形式。近几年周维垣、裴觉民等相继将引入我国工程界,在边坡稳定性分析中得到一 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施定的应用。流形元方法有很大的灵活性,可计算块体和裂隙中明显可见的变形和位移,因此可适用于不连续介质、大变形,可以统一解决、和其它数值方法耦合的计算问题。目前流形元法还处于初始发展阶段,期待进一步的深入研究。无单元(法无单元法是一种新的数值分析方法,它采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数近似场函数,将计算区域离散成若干节点,进而根据每个节点的形函数集成整体方程组进行计算。无单元法最早由等提出用于构造插值函数来拟合曲线和曲面。等于年在研究有限元法的过程中提出,等于年对的方法进行了改进,提出了无单元伽辽金法,之后,得到许多学者的完善和发展无单元法在许多领域逐步得到应用。与有限元不同,无单元法只需结点信息参数而不需划分单元,节点可以自由分布,且与积分网格无关具有信息简单、灵活和精度高的特点,可以求解复杂边界条件的边值问题,它特别适用于岩土工程数值分析,具有广阔的应用前景。当然,无单元法本质上是一种非线性插值方法,虽有助于提高解答的精度和解的连续性,但因与各种非线性因素的交织与相互作用,在研究中还存在着一些困难,如何合理准确地确定影响半径的大小、权函数选择、已知边界条件的处理特别是位移边界条件的处理等,它们是目前无单元法研究中的主要困难,另外无单元的计算量相比有限元有较大的增加。近几年来越来越多的学者运用数值模拟软件来辅助研究边坡的稳定性,结果表明都取得了很好的效果。岩体加固具有地质工程高边坡加固的属性,同时又属于文物范畴,因此崖体加固所采取的措施及施工工艺具有复杂性和特殊性。参考国内外相似边坡加固的措施,结合几十年的崖体加固工程的实践,不断地调整优化加固方案,积累了丰富的崖体加固经验,形成了科学合理的加固工程措施与加固施工工艺。王逢瑞等人总结了西北院多年来对石窟和古建筑群岩体的勘测、设计以及治理资料,选取了个国家重点保护的遗址,分别详细介绍了不同情况的石窟岩体治理技术,并提出了新观点、新理论。李最雄等人汇集年来土遗址保护研究的成果,根据交河故城保护加固工程为典型实例,介绍了土遗址保护研究的最新成果与新进展。研究内容与技术路线在现场查明金塔寺石窟区周围的地质环境的基础上,对金塔寺石窟区运用无损检测手段(地震等)进行了初步检测,并重点检测了危岩体的现况。从现 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施场采集了岩样,对岩样做了如下室内试验：含水率、块体干密度等基本物理性质试验和抗压强度(自然含水率)、抗拉强度(自然含水劈裂法)、剪切强度等基本力学性质试验。分析金塔寺石窟区病害的成因。对两块危岩体的稳定性进行了数值模拟及稳定性计算,客观的评价了它们在各种环境条件下是否稳定。针对金塔寺现存的病害,依据计算结果和稳定性评价,提出了合理的加固方案。金塔寺岩体稳定分析与加固研究采用的技术路线如下图金塔寺石窟岩休稳定性分析与加固措施查阅文献资料现场调查环境分析病害分析现场梭测现场取样确定危岩体室内试验稳定性分析数值模拟危岩体稳定状态可能出现的破坏模式加固处理措施图论文技术路线图 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施金塔寺石窟工程地质环境石窟现状金塔寺全部石窟由人工开凿于第三系砂岩陡壁之上。石窟坐北向南,分东、西两窟,均为典型的中心柱窟。东窟平面近似正方形,东西向宽,南北向进深,高约,覆斗顶盖平顶；西窟平面近长方形,东西向宽,南北向进深,高,覆斗顶盖平顶。洞窟距地面左右,从沟底至洞窟共有级石阶。窟内现存造像身,壁画。历经北凉、北魏、西魏、隋、唐、西夏、元、明、清各代。经历了千百年的漫长岁月,在自然与人为因素的不利影响下,目前金塔寺石窟文物的保存现状不容乐观。由于其特殊的工程地质条件,窟壁岩体风化剥落,卸荷裂隙发育,严重危害石窟的安全,窟内的壁画空鼓随处可见,部分塑像、壁画出现严重的酥碱、剥落等现象,同时由于面流及岩壁裂隙的渗漏导致窟内相对湿度增高,不利于窟内文物的保存和洞窟的安全。金塔寺石窟的严重病害引起了省市各级文物保护管理部门的高度重视,并及时开展了金塔寺石窟保护的前期工作。随着对金塔寺石窟学术研究工作的深入,石窟的文物价值和社会价值不断被揭示并得到认可,从而对石窟的保护,不仅在体制上逐步受到重视,而且在保护手段和方法上也引起了广泛的关注。通过金塔寺石窟抢险加固工程和金塔寺石窟保护后续工程的实施,会为以后的研究、科学参观旅游打下坚实的铺垫。地形地貌金塔寺石窟位于肃南县马蹄寺东南处大都麻河西岸的大剌沟红石崖之上。这里山峦起伏,芳草如茵,环境清净幽雅。整个区域属于型山谷地貌,两侧山峰耸立,底部因水流冲蚀较为平坦宽缓,金塔寺石窟幵凿在北侧红砂岩崖壁上,距地面约。崖顶为一自然斜坡,坡度较小,斜坡上灌木、乔木、杂草生长茂盛。山体节理裂隙发育且相互切割,崖面风化剥落严重,多处形成岩腔及凹槽。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施图窟区位置图窟区远景地层岩性该区地层的岩性、软弱带层数、产状和高程位置等是控制坡体结构的主要因素。依据坡体结构可确定坡体内可能生成崩塌变形的部位、形状、规模以及加固工程的持力层位置。根据区域地质资料及地表出露的地层岩性分析,组成病害区的地层主要为新近系上岩组金塔寺亚组(及第四系地层。其中,新近系上岩组金塔寺亚组(岩层倾向,倾角为°,按岩性可分为三个岩性段,各岩性段呈整合接触关系。新近系上岩组金塔寺亚组金塔寺亚组第一岩性段出露于金塔寺立壁下部,厚度大于,岩性为橘黄色含砾粗砂岩,巨厚层状,接触式泥粉砂质胶结,岩质疏松。碎屑以石英为主,高岭土化长石约占岩屑占。分选性较好,颗粒磨圆度高,层理发育,风化面不平整。金塔寺亚组第二岩性段出露于金塔寺立壁中部,厚度约,岩性为砖红色粉砂岩、细砂岩。巨厚层状,颗粒支撑结构,接触式泥质胶结,岩质疏松。成分以石英为主。高岭土化长石约占分选性好,颗粒磨圆度高,层理及交错层理发育。该组岩层是组■成金塔寺石窟的主体。金塔寺亚组第三岩性段出露于金塔寺立壁顶部,厚度大于,岩性为橘黄色含砾细砂岩夹中细粒砂岩。巨厚层状,颗粒支撑结构,泥粉砂质胶结,岩质疏松。成分以石英为主,高岭土化长石约占,岩屑占,分选性较好,颗粒磨圆度高,层理及 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施层间软弱结构面发育,风化面不平整。崖顶为第四系覆盖层。第四系崩坡积物、残积物第四系崩坡积物、残积物主要由中、粗砂及砂砾岩强风化碎石岩屑组成,主要分布在窟顶地表及陡崖以下的缓坡地带,在陡崖坡顶处厚度为,在陡崖缓坡地带一般厚左右。地质构造金塔寺石窟立壁上区域性断裂构造不很发育。但受断裂构造影响,后期张性构造裂隙发育,多呈平行或雁行状排列,长度数米至数十米,大裂隙可达数百米,裂隙宽,大者可达以上。裂隙按其产状要素可分为四组。第一组裂隙走向平行于立壁面,倾向与立壁一致,倾角为°°,此组裂隙发育。第二组裂隙走向与第一组裂隙一致,但其倾向与立壁面相反,此组裂隙不发育。上述两组裂隙宽度具上大下小之特征,是在构造基础上形成的卸荷裂隙。第三组裂隙为层间裂隙,该组裂隙规模较小,多由下部岩体坍塌卸荷和差异风化所致,产状近于水平。第四组裂隙为构造裂隙,与崖壁垂直,控制着岩体变形破坏的侧界。综上所述在区域地质构造的作用下,石窟窟区岩体节理裂隙极为发育,节理裂隙与岩层层理相互切割,形成了板状、片状等倾向临空方向的危岩体。气候条件金塔寺地处祁连山北麓中低丘陵地带,属高寒半干旱区。地势高,气候寒冷,年平均气温低于°,月气温最高,可达,月气温最低,极端条件下可达°以下,最大冻深,无霜期短。年降雨量。区内暴雨频繁,阴湿天气多,冬季奇冷,岩石物理风化强烈,对立壁、洞窟稳定性影响较大。地震金塔寺区在地震区带划分上属于青藏高原北部地震区,祁连山地震亚区,河 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施西走廊地震带中段。带内强地震主要发生在年前后。这些地震都与活动断裂构造有关,特别是构造交汇部位控制着地震的发生和分布。根据《建筑抗震设计规范》(年版)(划分,张掖地区设防烈度为度。根据石窟本身的抗震潜力大小以及使用功能恢复的难易程度,按建筑抗震设防分类标准(,文物保护工程的建筑抗震设防类别为甲类建筑,应按提高设防烈度一度设计。因此,本地区抗震设防烈度为度,设计基本地震加速度值为。窟区水文地质条件洞窟区域的水源补给主要为崖顶冰雪融水和大气降水。洞窟顶部地形相对较为平缓,汇水面积大,降水沿崖体卸荷裂隙以及窟檐与崖面间的间隙下渗到洞窟里面,使洞窟壁画、塑像酥碱,剥落,加快洞窟立壁风化速度,对文物的保存和洞窟的安全有着很大的影响。且崖面面流不断冲蚀砂岩,带走岩体内的细小颗粒,在软弱带处形成凹槽及岩腔,长期作用会使上部岩体底部凌空,导致失稳,形成危岩体。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施金塔寺石窟岩体主要病害及其成因分析岩体内部有许多的节理裂隙,由于这些节理裂隙的切割作用,使得岩体的稳定性降低,内部出现块体结构。在暴雨和地震等因素的影响下,产生了更大的裂隙,进而产生了一些大的危岩体,同时也在岩体内部产生了微小的渗水通道,部分岩体由于金塔寺所处特殊的工程地质条件,窟壁岩体风化剥落,卸荷裂隙发育,严重危害石窟的安全,窟内的壁画空鼓随处可见,部分塑像、壁画出现严重的酥碱、剥落等现象,同时由于面流及岩壁裂隙的渗漏导致窟内相对湿度增高,不利于窟内文物的保存和洞窟的安全。边坡失稳的影响因素岩质边坡稳定性的影响因素主要有地形要素、地层岩性要素、地质构造要素、气候要素、地下水、地震要素以及人为要素等。地形要素：诱发新的地质问题,首先是由于对原有地形的改造特别是在山区。地层岩性要素地层岩性不同,对边坡的稳定性影响也有较大差别。形成结晶岩较多的地区容易造成宽厚风化层沿冲沟两岸坡的局部性崩塌,在我国南方多形成崩岗地形；石灰岩质区除了含夹层顺向坡可以发生滑移性失稳,多呈现为崩塌或被溶隙切割而形成的分割块体的倾倒、倾滑以及空间挠曲、压裂等；沙、泥岩互层主要表现为泥岩风化、侵蚀而导致上覆砂岩座落,故多呈台阶形地形,且常因沙、泥岩差异风化而形成岩腔,上覆砂岩常形成危岩而崩塌；泥岩基本上是风化剥蚀、水土流失或泥石流；膨润土中的蒙脱石等亲水矿物必然成为坡体变形、失稳控制层。岩质边坡失稳通常发生在遇水容易软化的岩石所在的区域。地质构造要素在地层产状近水平的条件下,破题的变形、失稳的主控界面是平行沟谷的垂直裂隙同层面的组合,变形体的规模取决于侧向界面的间距在顺向坡的条件下,当地层层面倾向江河时,顺层的变形、失稳是基本形式；在反向坡的条件下,当地层层面倾向山体时,坡体的变形、失稳控制界面是反倾向裂隙同层面的组合,在低刚度沙泥岩互层中呈现为坠溃形失稳；当为切向坡时,破题的变形、失稳形式及规模取决于裂隙产状同岩层面产状之间的关系。滑动面常常发生在顺坡的层面、节理面、不整合接触面、断层面等软弱面。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施气候要素降雨不仅增加坡体的重量,而且雨水还起到润滑的作用,因此,许多滑坡有大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑的现象,另外,坡体失稳还与冻融作用有关,在冻融季节较常出现滑坡。地下水水渗入岩土层颗粒间的孔隙中将消除颗粒间的吸附力,溶解颗粒之间的胶结物而使颗粒丧失粘结力。水进入岩土孔隙将增加其单位体积的重量而加大了剪应力；水大量进入坡体内,使潜水面上升,因而增加孔隙水压力,孔隙水压力对潜在破裂面上的岩土体起着浮托作用,降低了坡裂面上的正应力,因而使抗剪强度减少；大量的雨水沿节理裂隙入渗,软化节理裂隙面。地震要素地震可通过松动斜坡岩土体结构、造成破裂面和引起弱面错位等多种方式,降低斜坡的稳定性。强烈地震导致的边坡失稳不仅取决于地震本身,而且也与边坡所处的地震背景、岩体结构类型、地层岩性组合、地形地貌条件及水文地质条件密切相关。地震对边坡会产生两种作用：一是地震惯性力的作用,主要指地震的加速度、振幅、位移等与边坡的稳定性密切相关,其中地震加速度峰值对边坡稳定影响较大。二是地震产生的超静孔隙水压力的迅速增大和积累作用,这两种作用共同导致了边坡的失稳。不同的边坡破坏类型,这两种作用起的作用强度也不同。对于塑性流动失稳破坏是孔隙水压力的累积作用起主导作用引起,崩塌型、层体弯折型则是地震惯性力起决定作用,对于滑动型破坏则视情况而定。对于后发型边坡失稳,则是由于地震的累积效应导致了边坡的失稳破坏。人为要素主要体现为不合理的开挖与堆载。人为影响主要体现在人为扰动对边坡的影响,包括边坡开挖,矿山开采,水库蓄水以及震动作用。这些人类活动将引起边坡的应力重分布,是边坡失稳的一个不利影响。第一,边坡开挖使得边坡的应力重分布,便有可能引起边坡变形并产生破坏；第二,矿山开采时,坡脚被开挖,坡体逐渐卸载,而矿渣堆砌时,对边坡不断加载,这两种情况都将使边坡应力重新分布而产生变形；第三,水库水位对边坡有较大影响,在库内水位下降时,边坡内的孔隙水压力比水库中的水下降的慢,因此坡体内受到很大的剪切力而使边坡发生滑坡破坏；第四,汽车震动和人群荷载对边坡的稳定性也有一定的不利影响,虽然单次荷载的作用比薄弱,但是这种震动具有持续性,随着时间的推移,可能会引起边坡的变形与破坏。对于一些已经遭受破坏的边坡,车辆荷载可能对其进一步产生严重的破坏作用—。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施危岩体变形特征及稳定性评价金塔寺石窟开凿在上第三系上岩组砂岩中,各岩性段砂岩普遍风化强,胶结差,岩质疏松,吸水性强,遇水软化,向张性结构面发育,岩层层理、交错层理及软弱结构面极为发育。因此,在重力、地震力、冻胀力及地下水的作用下,窟区形成了不同规模的危岩体,局部已经发生危岩体崩塌现象。受内外营力的长期作,崖壁危岩体一直处于不断变形发展状态,规模不断扩大,稳定性逐渐降低,严重威胁洞窟及游人安全。根据现场详细调査,危岩区主要表现为以下几个特点危岩体变形带方向主要沿崖面展布,并受表水冲刷及重力卸荷等长期作用,不断向后牵引,使得危岩体变形范围不断扩大。卸荷裂隙控制着危岩体的发展变形,走向平行崖面,近直立,局部反倾,受其影响,在窟区形成板状危岩体。垂直于崖面方向的裂隙宽度大,但相对稀疏,其常与平行崖面的节理裂隙相互切割,形成危岩体。厚层含砾砂岩中的软弱夹层经风化剥蚀搬运作用形成岩腔,致使上部岩体逐渐失去支撑发生变形破坏。崖壁顶部节理裂隙当中植被发育,现场调査发现,崖顶裂隙中均不同程度地生长有植物,其根系对岩体产生劈裂作用。窟区崖面表水面流作用非常严重,几乎每隔就有一道表水沿崖面面流的痕迹,常冲蚀崖面软弱夹层以及砂岩中的细颗粒物质。窟区危岩体的变形类型主要表现为沿后部卸荷裂隙倾倒变形。危岩体该危岩体位于石窟西侧斜上方,高程为南侧和东侧临空,高宽,厚呈板状。该危岩体主要由厚层状砂岩组成,岩质较软,中强风化,强度较低。危岩体主要受层理和丽°近直立的卸荷裂隙控制,其中卸荷裂隙控制着岩体的后侧界,使危岩体与母岩近乎脱离。在层理和卸荷裂隙的相互切割下,形成微倾向南西临空方向的板状危岩体。危岩体顶部植被发育,其根系常沿节理裂隙面延伸,不断扩大已有的节理裂隙面；危岩体底部为软弱结构面,易受冲蚀,形成凹槽和岩腔。目前,局部岩体己崩塌掉落。随着内外应力的不断作用,随时有整体破坏失稳的可能,一旦危岩体失稳,将对窟内文物造成毁灭性的危害,同时也对游人的安全造成极大的威胁。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施图石窟左侧窟壁危岩体图石窟左侧窟壁危岩体危岩体该危岩体呈板状,分布在整个石窟上部崖壁上,紧邻危岩体,高程为南侧壁临空,高,宽,厚到不等。该危岩体主要由厚层状砂岩组成,岩质较软,中强风化,强度较低。该危岩体主要受层：理和爾°近直立的卸荷裂隙控制,其中卸荷裂隙控制着岩体的后侧界,使危岩体与母岩近乎脱离。在层理和卸荷裂隙的相互切割下,形成微倾向南西临空方向的板状危岩体。且危岩体顶部植被发育,其根系常沿节理裂隙面延伸,不断扩大已有的节理裂隙面；另外危岩体顶部地形相对较为平缓,汇水面积大,表水大量灌入裂隙,不断弱化危岩体与母岩之间的粘聚力；危岩体底部为软弱结构面,易受冲蚀,形成凹槽和岩腔。长期在外力作用下,危岩体会以趾脚点为转点发生转动倾倒,严重危害文物及游人的安全。目前窟区顶部的板状危岩体变形破坏已经比较严重,局部表面还伴随掉块发生。虽然剥落岩体一般较小,但由于窟顶相对较高,一旦坠落,会对文物及游人造隐患。图石窟上部窟壁危岩体图石窟上部窟壁危岩体 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施危岩体变形原因分析山体崩塌变形绝非突发,是长期地质作用的结果。现详细分析如下：窟区内的陡崖为危岩体崩塌的形成提供了天然地形条件崩塌变形危岩体主要位于石窟上部的陡崖上,天然坡度多在°以上,地形上为悬崖陡壁。大量工程实践证明陡峻的斜坡是形成崩塌落石的必要条件,而且一般坡越陡越高,越易形成崩塌落石,同时崩塌落石的规模和强度也越大。故金塔寺的陡崖地形为危岩体崩塌的形成提供了天然地形条件。窟区的地层岩性是形成危岩体的基本条件之一①病害区砂岩属于脆性岩层,在地质构造作用下,形成陡峻山峰,并且在峰体上形成诸多陡倾节理裂隙,为形成危岩体提供了有利条件。②厚层砂岩存在岩层层理、交错层理及软弱结构面。由于差异风化性,在岩层层理、交错层理及软弱结构面易形成岩腔、凹槽和压缩变形,致使上部岩体底部凌空,顶部受拉,长期作用易形成危岩体。地表水的灌入是危岩体崩塌变形的诱发因素在危岩体治理工程中常有大雨大塌,小雨小塌,无雨不塌之说,足见降水与危岩体崩塌变形的密切关系。病害区岩体节理裂隙发育,窟顶缓坡地带,缺少排水措施。在雨季大量降水灌入节理裂隙当中,弱化危岩体与母岩之间的粘结力。具体表现在四个方面：①充满节理裂隙中的水及其流动对危岩体产生静水压力、动水压力及冰劈作用；②节理裂隙和其它结构面中的充填物在水的浸泡下抗剪强度降低；③充满危岩体两侧节理裂隙中的水,使危岩体与稳定体之间的侧向摩擦力减小；④大量表水面流作用,冲蚀岩层层理、交错层理及软弱结构面,使得上部岩体相对悬空。植物根系的根劈作用不可忽视金塔寺地处祁连山北麓中低丘陵地带,属高寒半干旱区。地势高,气候寒冷。在危岩体底部及上部植被发育,根系沿节理裂隙不断延伸,使得原有的节理裂隙不断张开扩大,并使岩体进一步破坏,导致原本的危岩体变形不断加剧。地震作用是影响窟区危岩体变形的主要外因,地震作用影响窟区危岩体的变形,主要表现以下三个方面：地震波会促使岩体既有裂隙扩大,并形成新的微裂隙,完善危岩体的变形边界。地震产生强大的水平地震力,降低软弱结构面上的抗剪能力,触发临界 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施状态危岩体崩塌,并加速既有危岩体的变形。地震作用致使岩体裂隙增宽,为表水的下渗提供了更宽的通道,进一步弱化岩体强度。洞窟渗漏水病害洞窟内的渗漏水也是金塔寺石窟较为突出的病害,主要现象是崖面面流冲刷痕迹、窟壁反潮、泛碱,壁画酥碱、剥落等。根据其不同成因,分为以下两种类型：石窟岩壁裂隙渗水金塔寺石窟位于祁连山北麓,山上长年积雪,春、夏、秋三季缓慢融化,陡壁上部有一缓坡平台,植被发育,形成一个较为有利的汇水区域。根据现场工作人员介绍,每年雨季西窟窟顶裂隙会出现渗水现象,为了查明渗水通道,在现场：布置了物探工,图采集数据图探针布置根据地震成果表明,崖体深部岩体相对完整,未见明显破碎带,岩体裂隙主要集中在坡体风化松弛厚度范围。岩体渗水来源为大气降雨及积雪融水在缓坡平台等径流缓慢区通过表层风化裂隙额、卸荷裂隙及表层松弛岩土缝隙渗入岩体内部,渗入岩体内部的水通过裂隙(含软弱层处风化裂隙)以及岩体内的孔隙向临空侧崖壁运移排泄,洞窟所处的崖壁凹槽,即基岩裂隙水运移排泄的一个重要部位。由于岩层反倾,岩体可局部存水,待水头积至岩层界面或裂隙面时,即沿层面或裂隙渗出。从洞窟岩壁根部潮湿风化程度分析,洞窟底部周边及以下的岩体中存在水分运移的通道。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施图西窟窟顶裂隙图陡壁缓坡面流冲刷崖壁并渗入洞窟造成危害金塔寺窟区夏秋两季雨水充沛,且多为集中降雨,加之山上积雪融化,面流冲刷崖壁并沿反倾崖壁渗入洞窟内。崖面上基本上每隔就存在一道面流冲刷痕迹。年有关主管部门曾对洞窟进行抢险性防渗保护处理,但由于窟檐、窟门与窟壁之间接触不密贴,惨在间隙,流水依然能够渗入窟内。据石窟管理人员介绍,下大时,可见窟顶有水滴下。图崖面面流冲刷痕迹图崖面面流冲刷痕迹渗漏水对文物本体及石窟造成的危害渗漏水病害对石窟文物的危害相当严重,主要表现在以下两个方面：水害的存在加速文物本体的风化破坏地表及地下水的入渗,导致洞窟内相对湿度增高,加速文物的风化破坏,使珍贵的塑像、壁画出现空鼓、酥碱、剥落等现象,严重威胁着文物的长期留存。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施图石窟岩壁壁画剥落图石窟塑像剥落水害的存在对石窟岩体的耐久性与稳定性造成不利影响面流渗入窟壁,浸泡、软化岩体,导致岩体强度降低,岩石风化速度加快,—窟壁岩体风化剥落,形成岩腔和凹槽,长期作用致使整个石窟的稳定性降低。图洞西窟底部岩体剥落形成凹槽图东窟底部岩体剥落形成岩腔地表水下渗形成地下水,具体表现为堆积层中的潜水,基岩裂隙水和层间孔隙水等。根据区域地质资料及现场査勘情况,显示该区不但水量较大,而且稳定,最终以泉水的形式出露排泄。在地下水运移过程中,石窟陆壁下的岩体不断被浸湿、软化、溶蚀,细颗粒、可溶盐及可溶矿物不断被带走,使本来疏松、强度低的上第三系上岩组砂岩更加疏松,强度进一步降低,出现剥落、坍塌现象,使上方石窟外侧的危岩失去底部支撑,直接威胁石窟的安全。岩体风化病害整个金塔寺窟区岩体存在着不同程度的风化,主要是因为金塔寺石窟开凿在上第三系上岩组砂岩中,各岩性段砂岩风化强,胶结差,岩质疏松,孔隙率大, 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施吸水性强,容易软化；加之岩层层理、交错层理及软弱结构面极为发育,在面流冲乍用下容易产生风化剥落。图崖面风化剥落图崖面风化形成岩腔图洞窟立壁风化形成岩腔图中心立柱风化剥落崖面岩体会成片状、板状风化剥落,危及游人及石窟安全,同时易在软弱带处形成凹槽及岩腔,长期作用会使上部岩体底部凌空,导致失稳,形成危岩体。保护设施破损缺失由于地理位置、地形条件以及经费等诸多原因,金塔寺石窟的相关保护设施已出现破损或缺失,具体表现为窟檐简陋和挡水功能不足。金塔寺石窟分为东西两个石窟,目前两个石窟各有一窟檐,两窟檐仅相距、。窟檐处在石窟外侧小平台,场地极为狭窄,宽度仅有。两窟檐伸出崖面仅,难以满足挡雨防水的需要,下雨下雪形成的地表水会沿崖壁流入洞窟对洞窟壁画、塑像造成危害,也会加快立壁、立柱的风化速度,长期作用会影响整个洞窟的安全。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施图西窟窟檐宽度不足图东窟窟檐宽度不足由于金塔寺石窟位于马蹄藏族乡李家沟内的砂岩石壁上,地形陡峻,从沟底经由一条石台阶进入石窟,该踏步长期承担着游客和工作人员上下通行的作用。踏步高约,宽为,坡度达°以上,局部达°以上,高陡险峻,加之年久失修,踏步基础已开始松动,局部踏步已经出现失稳现象。尤其是雨季和冬雪时期,踏步湿滑,极难攀行,已对文物保护管理和旅游参观造成了极大的障碍和安全隐患。石窟所在崖壁由于坍塌而形成陡壁,受空间条件限制,目前的洞窟参观条件极差,东窟外侧廊道仅宽,而东西两窟之间的通道也只有宽,不便于通行及近距离工作、参观。—图东窟外侧廊道狭窄图两窟通道狭窄 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施室内试验砂岩试样的采集为了査明石窟区的地质工程特性,结合石窟区的地质环境,在现场进行了系统采样,并在室内系统地测试了岩石的物理、力学等性质,为判定和计算石窟区岩体稳定性提供了依据和参数。实验设计的内容有含水率试验、块体干密度试验、抗压强度试验、抗拉强度试验、剪切强度(天然)试验、内摩擦角(天然)试验等基本土工试验,为了保证实验的准确性,试样均取自石窟区岩体。由于金塔寺石窟区的危岩体主要分为两块区域,因此采样数量共两组,均为原状样。各样品的具体取样位置及及描述如下图所示：表金塔寺石窟区取样位置及试样描述试样编号取样位置试样描述石窟西侧斜上方橘黄色含砾粗砂岩,原状样分选性较好,颗粒磨圆度高,层理发育,风化面不平整。石窟上部崖壁砖红色粉砂岩、细砂原状样岩,分选性好,颗粒磨圆度高,层理及交错层理发育。岩石的物理性质试验为了得到金塔寺石窟区危岩体砂岩的物理性质相关参数,在室内进行了含水率试验、块体干密度试验等几项基本物理性质试验。实验结果见表表石窟区危岩体岩样的物理性质岩样编号含水率块体干密度岩样编号含水率块体干密度 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施续表石窟区危岩体岩样的物理性质岩样编号含水率块体干密度岩样编号含水率块体干密度瞬)平均值平均值由表可以看出两块危岩体岩样含水率在大多左右,这主要由当地的气候环境条件控制。岩石的含水率对于软岩来说是一个比较重要的参数,组成软岩矿物中往往含有较多的粘土矿物,遇水易软化,此处危岩体含水率对其稳定性影响并不大,但下部的岩体由于长期处于渗水的状态下,加上各种物理化学及环境的作用,影响了部分岩体的稳定性。岩石的力学性质岩石的力学性质是岩石作为工程地质性质最重要的部分,它为分析危岩体区域稳定性和破坏机理提供了直接的计算参数,因此岩石的力学性质实验是非常重要的。本次试验进行了抗压强度(自然含水率)试验、抗拉强度(自然含水勞裂法)试验和直接剪切试验。实验结果如表表岩石基本力学性质实验结果岩样抗压强度(抗拉强度(直接剪切强度内摩擦角(°岩样岩样 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施￠°图危岩体岩样直剪实验图■图危岩体岩样直剪实验图 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施由表和两图可以看到,危岩体岩样的抗拉强度、抗压强度和剪切强度均比危岩体岩样要高出很多,查阅工程地质手册中岩石的基本力学参数可知,两组数据均比正常岩石力学参数要低,间接地说明了两块危岩体岩石强度很低,对其稳定性影响非常大,也为下面的稳定性分析提供了参数和依据。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施岩体稳定性分析危岩体稳定性计算分析窟区内的危岩体的破坏模式主要为：倾倒崩塌破坏。倾倒崩塌破坏是指危岩体的上下部分和稳定岩体之间均有裂隙分开,一旦发生破坏,将以危岩体趾脚点：为转点发生转动倾倒。计算方法根据《滑坡防治工程勘査规范》(,并査阅工程地质手册,可得以下倾倒崩塌类型的稳定性计算方法：、力裂隙崖面危岩体转动原点图倾倒式危岩体简图 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施—危岩体重量；裂隙水压力；—裂隙深度；—裂隙充水深度；—水平地震力；—危岩体重心作用点距倾覆点的水平距离；■—地震力距倾覆点的垂直距离；—危岩体抗拉强度,取抗拉强度标准值的倍。』图倾倒式危岩体计算模型计算参数选取根据兰州隆基土木工程科技有限公司提交的《张掖马蹄寺石窟群金塔寺石窟砂岩检测报告》,抗拉强度取值为,危岩体容重取值为。据资料分析和现场调查,按《建筑抗震设计规范》―年版)划分,以及建筑抗震设防分类标准(,抗震设防烈度为度,设计基本地震加速度值为。评价依据 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施根据《滑坡防治工程勘查规范》(,可查处危岩体稳定性评价,见表一表危岩体稳定性评价标准稳定性系数稳定性评价不稳定欠稳定基本稳定稳定计算结果及稳定性评价在对危岩体的稳定性计算时,分自然、暴雨以及地震三种工况,进行计算分析与评价。具体计算及评价结果见下表：表危岩体稳定性计算及评价表危岩体编号工况稳定性系数稳定性评价自然状态稳定危岩体暴雨状态基本稳定地震状态欠稳定自然状态稳定危岩体暴雨状态基本稳定地震状态欠稳定分析计算结果可知,两块危岩体区域在自然状态下处于稳定状态,暴雨降低了岩体的稳定性,但仍处于基本稳定状态,地震大大降低了两块危岩体的稳定性,使其稳定性达到临界状态有失稳滑动的可能性。因此,上述危岩体需尽快进行治理。危岩体数值模拟分析根据现场调查和室内资料分析的情况,我们发现有病害发生的岩体一般存在卸荷裂隙、岩体凹蚀掏进风化剥落等。这些处于极限平衡状态下的岩体在外荷载作用下很容易发生失稳。目前边坡稳定性分析的方法有很多,最常用的是极限平衡分析法,包括瑞典圆弧法、法、法等。极限平衡方法的特点是, 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施只考虑静力平衡条件和摩尔一库伦破坏准则,通过分析土体在破坏时的力的平衡来求解问题,计算时将边坡土体当做刚体进行分析。上文已对岩体的病害原因和稳定性做了分析,但这不考虑岩体的应力应变,不能反映边坡实际变形问题。为了能更真实的反映岩质边坡失稳时的应力场和位移场,本文选了一种典型的有裂隙凹蚀的岩体进行了稳定性数值分析,使岩质边坡稳定分析更为深入准确,也为确定石窟岩体加固措施提供了更多准确的资料。软件的基本原理是三维快速拉格朗日法,它是基于三维显式有限差分法的数值分析方法。用来模拟岩土或其他材料的三维力学特性。将计算区域分为若干四面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系。如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,可以对连续介质进行大变形分析,相对局限于小变形假定的其他方法更适合岩土工程的破坏问题研究。这里利用软件内嵌的强度折减法来进行数值模拟,对边坡的稳定性给予评价。简介及计算原理是由美国公司开发的一种基于三维显式差分法的三维快速拉格朗日数值分析方法,它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为。三维快速拉格朗日分析采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程,并应用了混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其是在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。边坡岩体作为一种特殊的材料,具有典型的非线性性质,目前岩土材料常采用摩尔一库伦准则(准则)和德鲁克一普拉格(准则)。准则能较好的反映岩土材料拉压不等的特性,应用最为广泛。在计算时是利用软件内有一条自动查找安全系数的命令,该命令就是对内聚力：和内摩擦角进行折减,直至边坡处于临界破坏状态来确定安全系数,其实质就是强度折减法,该命令通过内插逼近的办法来确定安全系数。其计算原理如下：滑坡的安全系数定义为实际抗剪强度指标与滑坡发生破坏临界状态时虚拟的折减强度指标的比值——二其中—―通过逐步调整系数,得到不同的、代入反复迭代计算,直至坡 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施体达到临界状态,坡体达到临界状态的值即为边坡安全系数。在摩尔一库伦屈服准则下解得不收敛作为破坏标准。摩尔一库伦强度准则是目前工程中应用最为广泛的破坏准则,其表达式为：、式中：、为应力张量第一不变量和应力偏量第二不变量,。为应力罗德角,、(为粘聚力和内摩擦角。计算模型及参数选择计算模型选取一典型砂岩坡面作为研究对象,实体模型左边与山体相连,有限差分法计算模型见图所示,假定底边固定,左右两侧加水平方向约束,崖面为自由边界,模型底部为固定约束。■■―,图剖面有限差分法模型岩体强度参数选取以实验成果数据为依据,坡面岩体为厚层状砂岩,块体干密度为,抗拉强度为,剪切强度为摩擦角大小为°,模型共有个节点和个单元。初始荷载为模型自重,计算中覆岩采用弹塑性本构模型,屈服准则采用摩尔库伦准则,以最大不平衡力趋近 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施于为收敛标准。计算结果及分析一一『,！；图方向位移云图■■■―…：纏：图合位移云图 兰州大学硕士硏究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施：■『■■■□一□■■■■■￡图方向应力云图■■、■醫―■■￡■图方向应力云图 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施、■：―一：磘■,一二参：■、！图最大主应力云图：■■■■■■■二■■■■图剪应变增量云图 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施下面就数值计算结果从变形(位移)情况和应力情况两个方面来分析岩质边坡的力学响应特性,以及可能存在的内在变形破坏机理。位移场规律分析：从合位移云图和水平位移云图可以看出,位移最大的部分集中在产生凹腔的危岩体的上部和尾部,在自重应力的作用下,变形主要集中在危岩体处,且向前缘和后缘减小。应力场规律分析：从方向应力云图和方向应力云图的来看,边坡并未出现明显的拉应力区,基本以压应力为主,即边坡若发生破坏,以压剪破坏模式为主。从合应力云图作用下,在自重应力的作用下,边坡底部危岩体上部边缘处产生的应力最大。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施金塔寺石窟岩体的加固措施加固原则针对金塔寺现存的病害,提出了以以下加固原则为基础的加固方案工程治理尽可能不改变窟区的原貌,达到修旧如旧的效果。突出重点,根据岩体病害严重程度及危岩体位置分段设置工程。工程治理主要以为岩体稳定治理为主,采用错固、支顶、注漿、排水相结合的综合治理措施确保洞窟及文物的安全。确保文物古迹的完整性及真实性不受破坏,以及工程设置与周围环境的协调。危岩体加固工程该治理工程主要以钢筋锚杆、仰斜排水孔为主要措施,同时根据各病害的特点,结合裂隙注浆、浆砌片石嵌补、截排水沟等多种工程措施综合治理。现将主要治理工程措施分述如下：设计参数根据对窟区病害的调查分析,在工程地质勘察资料基础上,对主要危岩体进行防治工程设计,主要设计参数如下：危岩体规模：按照工程地质勘察报告及现场实际地形分析确定。在石窟的上方共存在两个危岩区域,即图示危岩区域和危岩区域。危岩位于石窟西侧斜上方,高程为,南侧和东侧临空,高,宽,厚,呈板状。危岩亦呈板状,分布在整个石窟上部崖壁上,紧邻危岩体,高程为,南侧壁临空,高宽厚不等。危岩体锚固采用错杆材料安全系数取为。地震设防烈度度,设计基本地震加速度值地层与锚固体粘结强度特征值：依据岩石试验报告—。锚固工程中錨杆采用①钢筋制作。加固工程工程分区 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施根据洞窟区工程地质条件、危岩体实际分布状况及其对文物的影响程度,对加固范围进行如下分区：洞窟岩体加固区该区域为洞窟所在的崖壁凹槽部位,若干层状、板状危岩分布于洞窟周边,为确保洞窟稳定,在该区域有针对性地布设加固措施。崖壁上方重点加固区该区域位于洞窟正上方的高陡崖壁台坎之上,岩体曾发生过坍塌,稳定性较差,且一旦再次发生岩体失稳破坏,将对下方洞窟造成极大威胁。故经过检算与分析,在该区域进行岩体系统加固,确保其在暴雨和地震条件下的稳定性崖壁上方一般加固区该区域位于重点加固区东西两侧,距离洞窟较远,其失稳的破坏影响也相对较小,故对该区域危岩进行一般性防护。锚固工程布置首先检査和修整岩体,将松散的浮石和石渣清除,用浆砌片石填补空洞,对坡面缝隙进行封闭,经修整的岩体应该平整、密实、无溜滑体、蠕变体和松动岩石。危岩体采用钢筋锚杆加固。洞窟危岩区域共布设锚杆根,单根长度,间距。崖壁上方重点加固区域共布设锚杆根,其中锚杆根,锚杆根,间距。崖壁上方东西两侧一般防护区域共布设锚杆根,其中与錨杆各根,间距。以上三区域共布设锚杆根,总长度。锚杆采用钢筋制作,锚杆长度—,呈梅花型布置,钻孔孔径。锚头外部采用钢板做反力装置,嵌进岩体并对表面做复旧处理。嵌补支顶工程与裂隙注浆针对岩体的裂隙,锚固后必须进行注浆填充,否则一旦裂隙中入渗雨水会导致土体软化,使锚杆失去锚固作用；另外,裂隙中不断填充沙土,或裂隙两壁长期风化,也会影响锚固效果。因此,锚固后裂隙注衆填充的密实与否,是保证锚固作用的关键。裂隙宽度较大没有充填物的,应充填粉土块；若裂缝较窄小,可适当增大水灰比以减小浆液粘度,增大可注性。对于宽大裂缝,在封闭裂隙时可配合土坯封闭。施工时应注意工艺的选择,对有充填的裂隙,应通过掏孔保证裂隙注浆密实,注浆时应通过试验确定一定的注浆压力,压力不宜太大,应小于防止漿液产生的静水压力与动水压力造成危险块体的失稳,同时在灌浆的整个过程中,要随时关注加固危险块体的变形。注浆时应采取间隔跳开的工艺 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施施工,保证施工时崖体稳定在洞窟周边及崖壁上方危岩区域底部的岩腔部位采用浆砌片石进行嵌补,预留泄水通风通道。对危岩体后部卸荷裂隙采用超细水泥注柴。充填注架图裂隙充填注浆水害治理工程针对窟区岩体存在的渗水病害,分别采取封、堵、排、挡等综合措施进行治理,具体如下：西窟崖体表层裂隙封堵在西窟窟檐处存在一细小的卸荷裂隙,为防止面流通过卸荷裂隙下渗对文物及洞窟岩体产生不利影响。采用修复砂衆对此裂隙进行封闭处理,既增加岩体完整性又防止大气降水沿裂隙渗入岩体深部,从而减缓岩体风化速度。洞窟内岩体裂隙封堵注奖在两个洞窟内都不同程度的发育着卸荷裂隙、构造裂隙。为防止岩体内部的裂隙水通过裂隙网络向洞窟排泄,对两洞窟内的裂隙进行封闭注浆。根据裂隙宽度可分为两种注漿材料和方式：对细微裂隙(宽度小于蘭,采用水性环氧树脂材料进行细部注浆；对宽度较大的裂隙,在对其进行表面封堵后采用超细水泥浆液进行注衆。洞窟上方崖顶岩体裂隙注衆与土体裂缝夯填 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施为防止和减少地表水沿裂缝渗入坡体、影响洞窟,在洞窟上方崖体径流缓慢区(含崖壁顶部截水沟附近及重点加固区域台坎范围)约范围内,清理松散的土体和强风化砂岩至较完整的岩体,对所揭露的裂隙进行封闭注浆,注浆材料选用超细水泥,既增强岩体完整性又防止面流沿裂隙渗入岩体深部,从而减缓岩体风化速度。处理完毕后采用粘土对地表进行夯填覆盖,对植被茂盛的地表裂缝亦采用粘土夯填的方法进行处理,注意保护植被。修建崖顶截排水沟在洞窟上方崖顶距崖壁边缘约处,结合地形沿山坡走向设置截排水沟一道。水沟采用浆砌片石砌筑,长度,自中部向两端排水,排水坡度不小于。两端与自然沟相衔接,必要时可采用排水管将水引入自然沟。水沟实际走向及截面尺寸必要时可根据实际地形适当调整,以确保排水效果。水沟深度应该结合该区的季节冻结深度,综合考虑,尽量降低对其水沟的影响。图排水沟断面示意图注：图中尺寸以计设置单孔三向仰斜疏干排水孔为加快洞窟附近岩体内部水分的运移和排泄,进而降低基岩裂隙水对洞窟文物的不利影响,在洞窟底部以下左右设置单孔仰斜疏干排水孔处。每处排水孔由三个钻孔组成,在平面与立面上均设置不同的角度,以最大限度增大截排水范围,形成疏干孔群。钻孔孔径画,单孔长度,仰角—°,孔内设置软式排水管。排水孔总长度。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施仲斜排水孔續仲舰孔■排永孔郷排水孔虽土￠仰藝水孔崖壁图单孔三向仰斜疏干排水孔平面及立面示意图既有屋檐改造原有洞窟屋檐已破旧不堪、且与崖壁衔接不紧密,不能有效的防止面流对洞窟的危害,需要重新修建雨篷。具体如下：在洞窟上部沿洞窟宽度方向每隔—间距布置一榀木桁架,木桁架通过锚入崖体深的工字钢连接。木桁架下弦杆悬挑,木桁架上弦杆与下弦杆夹角成°,便于迅速排开雨水,每榀桁架设置道木腹杆以增强桁架整体稳定性。木桁架上部铺设的木条板通过横向布置的木龙骨固定,木条板之间留宽温度伸缩缝,填塞弹性防水材料。木条板铺设完成后按木材防水要求刷防水涂料,木条板与崖壁相交处设置反檐可有效防止崖壁面流侵蚀,反檐材料为防水水泥砂浆。设置立面挡水坎(导流槽)为阻挡和引排崖壁面流,减少其对洞窟的影响,在洞窟窟檐以上一定范围内,设置自然崖壁立面挡水坎(导流槽)。可根据实际地形,在崖壁变坡处开窄槽(或修整人字形台坎),并进行防水防渗与适当加固措施,使其成为导流槽和挡水坎,达到将面流引离洞窟范围的目的。该项措施应随坡就势,确保不明显破坏崖壁外貌。既有栈道改造由于金塔寺石窟位于崖壁中部,原有洞窟栈道狭窄,不能满足参观人员及文物管理人员通行,需要重新修建栈道。拟在窟前设置悬臂栈道,既解决窟前通行问题又保证窟檐稳定。具体如下：栈道梁下方岩土体局部加固栈道拟采用型钢混凝土木材复合结构。栈道挑梁由两部分构成,岩体内部的锚固段采用型钢混凝土结构,确保其稳定与耐久性,外露承载部分采用型钢结 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施构,上部栈道板与护栏采用纯木结构,该结构形式与同等尺寸的普通钢混结构相比,质量减轻近,可有效减轻结构体自重,有利于保护岩体,增强结构适应性。栈道设计宽度,栈道栏杆设计高度,栈道挑梁设计间距不大于栈道挑梁通过内外边梁连接并在内部设置剪刀撑使之形成栈道骨架,栈道骨架每联长度应不大于,以防止温度应力集中对栈道结构产生破坏。栈道地板和栈道栏杆采用标准化木构件,通过螺栓、卡扣与栈道骨架连接。栈道挑梁采用型钢混凝土复合结构,挑梁设计截面尺寸,嵌入崖体的深度不小于,挑梁内部设置一根锚杆,锚入岩层的深度不小于,锚杆主筋采用直径匪的钢筋,锚杆主筋通过悍接与埋设在挑梁内的型钢连接,型钢采用号工字钢,挑梁外挑长度为。为进一步分散结构对下部岩体的局部压力,在挑梁下部崖体设置梁垫,梁垫设计尺寸为,梁垫嵌入崖体的深度为,并预埋刚强度螺栓,梁垫采用钢筋混凝土现场浇注。梁垫与外挑梁中部设置斜支撑,通过高强度螺栓与之连接,以减小外挑梁所受的弯矩和剪力,斜支撑采用号槽钢。斜支撑安装完毕后,通过内外边梁将挑梁连接,内外边梁均采用号槽钢通过搭接板与挑梁栓接。相邻两个挑梁之间设置剪刀撑,以提高桟道骨架的抗扭刚度,剪刀撑也作为栈道地板铺设时的支撑点,以减小栈道地板横向变形,提高栈道的通行品质。栈道地板釆用经过防腐处理的木料加工成标准件现场安装,栈道地板厚度宽度,相邻栈道面板设置蘭的空隙,栈道地板表面刻防滑槽,通过螺栓和卡扣与栈道骨架连接,栈道栏杆立柱与栏杆板通过螺栓、卡扣与栈道外边梁连接。为确保栈道梁板在施工完成后的使用过程中,不因表层岩土松弛徐变而产生较大的变形,除对栈道结构进行优化外,还须采用锚固、灌浆的方法对梁下方岩土体进行局部加固。栈道结构稳定性及工作状态监测考虑到金塔寺石窟岩体力学性质较差,易风化剥蚀,在建造栈道过程中在关键结构部位预埋监测元件,对栈道在修建完成后的应力应变、结构位移等进行持续监测,及时掌握栈道工程的健康状态,为工程维护及今后类似工程设计施工积累必要的资料。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施结论与建议结论本文在现场调查与前人分析研究的基础上,结合室内试验和数值模拟分析,确定了两块危岩体的稳定性,并提出了合理的加固措施。主要有以下结论：金塔寺石窟区岩体岩性主要为砂岩,按岩性可分为三个岩性段,各岩性段呈整合接触关系。各个区域岩体岩性相近但又有所不同,破坏方式和原因也有所差异。石窟主要病害为岩石在温差、地震、风力等因素作用下形成的岩石风化破碎,形成凹腔、滑坡等危害；其次,渗水造成的崖面面流冲刷痕迹、窟壁反潮、泛碱,壁画酥碱、剥落等也比较严重。室内对两块危岩体岩样进行了含水率试验、块体干密度试验、抗压强度试验、抗拉强度试验、剪切强度试验、内摩擦角试验等基本土工试验,得出了基本的物理力学参数。数据表明,两块岩样各力学指标均低于正常值。窟区内的危岩体的破坏模式主要为倾倒崩塌破坏,经过计算和分析,结果表明两块危岩体在自然状态下较稳定,在暴雨状态下基本稳定,处于极限平衡状态,但受地震影响较大,在地震作用下,危岩体处于不稳定状态,易发生崩塌破坏从而影响洞内的稳定。对存在危岩体的典型的厚层状砂岩做了数值模拟分析,结果表明,变形最大处在坡面中部有凹腔危岩体的上下边缘处,从应力云图看,边坡产生应力以压应力为主,易出现压一剪破坏。依据现场调查、计算结果、危岩体稳定性评价和病害情况分析,将金塔寺石窟区危岩体加固措施分为两个方面：水害治理工程和危岩体加固工程。水害治理工程主要有：表层裂隙封堵、裂隙封堵注浆、裂隙注浆与土体裂缝夯填、修建崖顶截排水沟、设置单孔三向仰斜疏干排水孔、既有屋檐改造、设置立面挡水坎等。岩体加固工程主要有：锚杆锚固、注浆灌浆、预埋监测元件等。存在的不足与建议经过现场调査、室内试验、稳定性计算和数值分析,本文对金塔寺石窟区岩体的稳定性有一定的了解。限于作者的水平、认识程度以及客观条件限制,本文还有许多不足之处,对于岩体稳定性的研究还有待进一步的提高。由于客观条件的限制,对岩体的工程地质条件和病害的调查及分析并不 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施全面和精确,调査的时间过于仓促,不到一个星期,不能了解到石窟的所有情况,对石窟的渗水和裂隙调査仅采用了无损检测法,不够全面。在进行岩体稳定性分析计算时,仅考虑了倾倒崩塌这一最可能发生的情况,在考虑影响岩体稳定性因素时,仅考虑的地震和降雨两种主要情况,其他因素影响还有待进一步研究。对岩质边坡进行数值模拟时,由于作者学习软件时间较短,并未对加外荷载和人为荷载对岩体稳定性的影响等情况进行进一步分析,也未考虑渗流影响等。 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施参考文献中铁西北科学研究院张掖马蹄寺石窟群金塔寺石窟区病害治理工程方案设计说明兰州：中铁西北院张有天,周维垣岩石高边坡的变形与稳定北京：中国水利水电出版社刘兴远雷用,康景文边坡工程设计监测鉴定与加固北京：中国建筑工业出版社祁生文,伍法权岩质边坡动力反应分析北京科学出版社李天斌,王兰生岩质工程高边坡稳定性及其控制北京科学出版社满君柏孜克里克石窟崖体稳定性及加固措施硕士论文甘肃兰州大学汤明高,许强,黄润秋等滑坡体基质吸力的观测试验及变化特征分析岩石力学与工程学报,：谷德振岩体工程地质力学基础北京科学出版社,孙玉科姚宝魁我国岩质边坡变形破坏的主要要地质模式岩石力学与工程学报,—中村浩之论水库滑坡水土保持通报,：廖红建,盛谦,高石夯等库水位下降对滑坡体稳定性的影响岩石力学与工程学报, 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施吴川顺,金爱兵,王金安车辆荷载下路基挡土墙结构失稳机理数值模拟岩土力学,谢伟平,王国波,王艳丽移动荷载引起的土变形计算岩土工程学报,杨忠良交通荷载对道路两侧建筑物桩土体系受力性状的影响研究硕士学位论文杭州：浙江大学,石玉成石窟围岩及其附属构筑物地震稳定性评价方法研究西北地震学报,秋仁东地震荷载下预应力錨索加固石窟围岩的动力响应研究硕士学位论文甘肃,中国地震局兰州地震研究所王春放土钉墙在地震作用下的动力稳定性分析硕士学位论文兰州：兰州理工大学,黄达黄润秋,裴向军,等溪洛渡水电站某危岩体稳定性及加固措施研究岩土力学,：李丽慧龙游大型古洞窟群变形破坏模式及加固方法研究岩石力学与工程学报,赵立新,肖成忠龙游石窟洞东区洞顶围岩稳定性分析及加固措施中国科技信息,李文军王逢瑞中国石窟岩体病害治理技术兰州：兰州大学出版社,王旭东中国西北干旱环境下石窟和土遗址保护加固研究博士学位论文兰州：兰州大学,李最雄丝绸之路古遗址保护北京：科学出版社,李最雄,王旭东古代土建筑遗址保护加固研究的新进展敦煌研究,：, 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定分析与加固措施,梁利红浅谈在边坡工程中的应用科技资讯,李旭东在边坡稳定分析中的应用中国水运,：陈平,高彦之,孙建刚基于重庆莲湖边坡稳定性分析与治理路基工程,刘芳珍彬县大佛寺石窟危岩加固设计与施工岩土工程学报,刘红丹,毛朝亮,关永平边坡稳定性分析方法及数值模拟水利与建筑工程学报,龚文惠公路膨胀土路基的沉降和边坡稳定性研究博士学位论文武汉华中科技大学,白云峰顺层岩质边坡稳定性及工程设计研究博士学位论文成都：西南交通大学,黄润秋岩石高边坡发育动力过程及其稳定性控制岩石力学与工程学报,―黄润秋,邓荣贵高边坡物质运动全过程模拟成都成都科技大学出版社, 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施在学期间的研究成果参与科研生产项目中铁局集团项目：包西铁路工程隧道衬砌质量检测,中铁局集团项目：新建兰州至重庆铁路标段隧道检测,省科院滑坡所项目：舟曲县龙江新村滑坡和南桥滑坡物探剖面研究,中铁西北科学研究院嘉峪关长城墙体病害无损检测,中铁西北科学研究院太原天龙山石窟岩体稳定性检测, 兰州大学硕士研究生学位论文金塔寺石窟岩体稳定性分析与加固措施致谢在这论文即将完成之际,回想在论文写作过程中遇到不少的困难,却都在各位老师同学朋友的帮助下度过了,在这里,我要衷心感谢他们。感谢我的导师周仲华高级工程师,近二年来给了我无微不至的关怀。无论在学习上、生活上还是在思想道德修养上,我取得的每一点进步无不饱含着导师的心血和汗水。他严谨的治学态度,谦虚宽厚的为人态度,富有启发性的指导以及高度责任感的工作作风处处感染着我。导师给予我多次的实践机会,带领我从理论走向实践,学到了很多的社会上的知识使我终生受益。本文是在导师周仲华高级工程师悉心指导下完成的,从选题到论文的撰写等面都给了我许多有益的指导,使论文得以圆满完成。感谢梁收运教授、刘高教授、张虎元教授和谌文武教授等老师们,在研究生阶段的学习生活中,以他们严谨务实的工作作风和出色的学术造诣,为我们树立了榜样,激励我奋发图强。感谢孙博、彭宁波师兄和李玲师姐,丁志海,朱军昌、党冰和刘贺丰师弟们,在和你们一起度过的两年短暂时中,与你们一起交流学习和论文完成期间进行的有益讨论,使我开阔了视野、启发了思路和激发了灵感。要特别感谢孙博师兄,从参与项目走上实践,到提供必要的论文参考资料,还有对我为人处事上的有益引导,无一对我不有巨大帮助,感谢彭宁波师兄和李玲师姐对我数值模拟上的指导。同时也感谢我各位的同学和室友在两年的生活和学习中对我的帮助。谨以此文献给我的父母、朋友和关心我的同学们。感谢他们对我整个学生涯的无私奉献,没有他们的理解、支持与帮助,就没有我今天所取得成绩。在论文写作中,査阅和参考了大量文献,在此向作者表示忠心的感谢。同时,还要感谢出席我答辩会的各位师长、专家和同学们！谢谢你们！李金龙