高位危岩体破坏模式分类及失稳演化机理

Classification of Failure Modes and Instability Evolution Mechanism of High-Altitude Dangerous Rock Mass

摘要

针对山区铁路沿线高位危岩体现有分类方法在力学机制及失稳演化过程分析上的不足，提出一种基于受力机制与失稳演化过程的分类体系。在系统梳理国内外危岩体分类研究成果的基础上，结合西南山区铁路沿线高位危岩体的现场调研、理论分析及力学建模，建立融合结构面组合特征、力学响应状态及变形演化规律的多维度分类方法；构建各类危岩体的地质力学模型与稳定性计算式，开发失稳演化过程概念模型，以及揭示不同类型危岩体的失稳主导机制与破坏路径。结果表明：该分类方法将高位危岩体划分为倾倒式、滑移式、错断式、坐落式、坠落式和孤立式6大类，含拉裂倾倒等11个亚类，能精准刻画复杂地质条件下危岩体的失稳本质，兼顾结构特征与演化机制的关联性，显著提升了类型判别的客观性与工程适用性；通过力学模型与计算方程，实现了对典型危岩体受力模式与失稳判据的定量化表征；借助演化过程概念模型，明确了各类危岩体从孕育、发展到最终破坏的完整阶段及主控因素。研究成果可为西南山区铁路沿线高位崩塌落石灾害的机理分析、风险评估及精准防控提供科学的理论依据与工程技术支撑。

Abstract

Given the limits of existing classification methods for high-altitude dangerous rock masses along mountain railways in analyzing mechanical mechanisms and instability evolution processes, a classification method based on force-bearing mechanisms and instability evolution processes is proposed. On the basis of domestic and overseas research on dangerous rock mass classification methods, combined with field investigations, theoretical analyses and mechanical modeling of high-altitude dangerous rock masses along railways in southwest mountainous areas, this paper establishes a a multi-dimensional classification method integrating structural plane combination characteristics, mechanical states, and deformation evolution modes of collapsing dangerous rock masses; geological mechanical models and stability calculation formulas for various dangerous rock masses are constructed; conceptual models of instability evolution processes are developed; and the dominant mechanisms and failure paths of different types of dangerous rock masses are revealed. The results indicate that the proposed classification method categorizes high-position dangerous rock masses into six main types (toppling, sliding, shearing, sitting, falling, and isolated) and 11 sub-types (including tension cracking collapse, etc.), which accurately captures the instability nature of high-altitude dangerous rock masses under complex geological conditions by considering both structural characteristics and evolution mechanisms, thereby enhancing the objectivity and applicability of type identification. Through mechanical models and stability calculation equations, quantitative characterization of force-bearing modes and instability criteria for typical dangerous rock masses is achieved. By constructing conceptual models of the instability evolution processes, the complete stages (from initiation and development to final failure) and dominant controlling factors for various dangerous rock masses are clarified, and the typical failure paths and key influencing factors of different types of dangerous rock masses are revealed. The research findings provide technical support for mechanisms analysis, risk assessment, and precise prevention and control of high-altitude collapse and rockfall hazards along railways in southwest mountainous areas.

Graphical abstract

关键词

山区铁路 / 高位危岩体 / 破坏模式 / 结构面组合特征 / 失稳演化机理

Key words

Mountain railways / High-altitude dangerous rock mass / Failure mode / Structural plane combination characteristics / Instability evolution mechanism

随着交通基础设施建设的快速推进，路网布局持续向复杂艰险山区延伸，沿线广泛分布的高位崩塌危岩体已成为威胁交通运营安全的突出工程地质灾害。针对这一问题，亟须深入开展高位崩塌危岩体的破坏模式分类与失稳演化机理研究，从而为交通基础设施的选线规划、工程设计、施工建设及防灾减灾工作提供科学依据与技术支撑。

边坡岩体破坏模式及其分类，始终是国内外工程地质领域的研究热点与核心议题^［1-9］。自20世纪80年代起，国内学者基于不同的研究视角与技术路径，提出了多种危岩分类方案。其中，胡厚田^［10］依据失稳模式，将岩崩划分为倾倒式、滑移式、鼓胀式、拉裂式和错断式5类；陈洪凯等^［11］聚焦危岩单体的力学响应特征，提出压剪-滑动型、拉剪-倾倒型、拉裂-坠落型及拉裂-压剪坠落型4种类型；陈维等^［12］通过量化岩腔深度、危岩体厚高比与主控裂隙深度的关联关系，建立了4类对应的破坏判据；马显东等^［13］则采用运动学分析方法，将危岩体破坏模式归纳为平面滑动、楔体破坏、直接倾倒和弯曲倾倒4种基本类型。尽管相关研究成果丰硕，但由于不同学者选取的主控因素存在明显差异，涵盖岩体运动方式、力学特性、结构面发育条件及外界环境影响等多个维度，导致现有分类体系存在定义交叉、概念界定模糊等问题，难以形成统一且普适性的分类标准。

在危岩体失稳演化机理研究领域，学界普遍认为危岩破坏多受主控结构面控制，因此相关研究多聚焦于主控结构面及其裂纹端部特性。陈洪凯等^［14］基于大量剪切试验，提出主控结构面力学参数黏聚力c和内摩擦角φ值的贯通率取值法；向波等^［15］通过原位试验对结构面进行分级，并针对不同等级结构面开展参数修正，该方法具备较强的工程实用性。主控结构面强度参数的合理取值直接影响危岩体稳定性计算的准确性，但受危岩体所处地质环境的复杂性与差异性影响，普适性强度参数取值方法的构建仍面临巨大挑战，导致当前实际工程中仍以原位监测结果为主要依据。

在危岩体形成条件与失稳机制的研究中，陈智强等^［16］通过分析地形地貌、地层岩性、坡体结构、降雨及人类工程活动等关键因素，明确上部硬岩、下部软岩的地质结构是危岩形成的重要物质基础。数值模拟技术作为揭示失稳机理的核心手段，已得到广泛应用。黄达等^［17］结合物理模型试验与离散元模拟，阐明软硬互层岩体的倾倒变形机理；李鹏等^［18］采用地质力学分析与UDEC离散元模拟相结合的方法，系统揭示震裂-滑移式崩塌的形成机制；黄波林等^［19］提出简化三维涌浪数值模型，为柱状危岩体坐落式崩塌涌浪研究提供有效支撑。此外，吴永等^［20］针对高寒地区特殊环境，探究冰胀力诱发危岩错断的力学机制；罗刚等^［21］从岩崩早期识别、失稳运动机理及综合防护技术等方面进行系统综述，进一步完善了复杂地质环境下危岩体失稳演化机制的认知框架。

然而，随着山区交通基础设施建设向纵深推进，针对沿线高位危岩体的专项调查发现，现有分类方法在精准反映岩体地质结构特征与力学响应规律方面仍存在明显不足。为填补这一研究空白，亟须完善危岩体分类体系，揭示地质结构、变形特征与破坏机制的内在关联。

本文在梳理整合前人研究成果的基础上，结合西南山区高位危岩体的实地调查与系统分析，提出一套能够综合表征地质结构特征、力学响应机制及变形演化过程的危岩体分类体系，为山区交通基础设施沿线高位危岩体的灾害评估与精准防控提供理论支撑和实践指导。

1 高位危岩体破坏模式分类

高位危岩体在差异性风化、河流冲刷、软弱垫层等特殊地质环境，以及卸荷、降雨、植物根劈等内外影响因素的耦合作用下，其岩体结构特征会发生显著改变。而不同的结构面组合模式，又会导致高位危岩体的失稳演化机理呈现明显差异。地质环境、影响因素及结构面组合特征共同构成了危岩体灾变的决定性要素，其中危岩体结构面组合特征更是开展危岩体分类的核心因素。

相较于以往仅依据运动方式^［10］、力学属性或几何特征的单一维度分类体系，在系统梳理前人研究成果的基础上，结合西南山区高位危岩体的实地调查与综合分析，提出一种融合结构面组合特征、力学状态及变形运动模式的多维度分类方法。该方法将高位危岩体划分为倾倒式、滑移式、错断式、坐落式、坠落式及孤立式6个主类（表1），并根据危岩体结构面组合特征及影响因素的异质性，进一步细化为11个亚类（图1）。

2 高位崩塌危岩体受力模式及失稳演化机理

2.1　倾倒式崩塌

倾倒式崩塌是指重心位于陡倾的主控结构面以外，危岩体以底部外侧支点为轴，向临空方向翻转，并拉裂主控结构面下部未贯通部分而破坏^［7］。发生倾倒式崩塌的危岩体多呈长柱状，其后部陡倾裂隙或结构面作为主控结构面。重力卸荷、差异性风化及河流对坡脚的掏蚀等，是导致倾倒式崩塌形成的主要影响因素。根据危岩体重心与底部支点的相对位置关系，可将倾倒式崩塌细分为拉裂倾倒式和推挤倾倒式2个亚类。

需特别说明的是，本文各类力学模式的稳定性计算基于以下简化假设：①将岩体视为均质各向同性刚体，暂忽略局部节理破碎性的差异；②采用二维平面简化分析模型，不计侧向边界约束及空间效应的影响；③将结构面与滑动面理想化处理为光滑面。基于上述假设构建的力学模型，适用于西南山区广泛分布的高位危岩体，尤其对结构特征清晰、破坏机制单一的典型崩塌类型具有良好的适用性。

2.1.1　拉裂倾倒式崩塌

拉裂倾倒式崩塌是指危岩体的重心位于底部支点之外，在危岩体自重W、水平地震力及动静水压力等作用下危岩体绕支点向外倾倒并发生破坏，如图2所示。当危岩体的重心产生的倾覆力矩大于陡倾主控结构面未贯通部分的抗拉力矩时，危岩体将发生失稳。

1）力学模式

直立岩体拉裂倾倒式崩塌的地质力学模式如图3所示。图中：β₁为主控结构面倾角，°；P为水平地震力，kN；e为主控结构面贯通的垂直高度，m；e₁为水位充填高度，m；a为危岩体重心至底部支点O的水平距离，m；l_{\mathrm{1}}为主控结构面与岩层（结构面）交点至支点O的距离，m；H为危岩体的垂直高度，m；h₀为危岩体重心至支点O的垂直距离，m。

拉裂倾倒式崩塌的力学特征表现为：陡倾结构面AB与底部岩体OA段均承受拉应力作用，且危岩体重心处于底部支点O的外侧。

2）稳定计算分析

根据图3，陡倾裂隙（结构面）AB为主控结构面。

主控结构面AB受到的静水压力Q为

Q=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\gamma }_{\mathrm{w}}{e}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}（1）

式中：{\gamma }_{\mathrm{w}}为水容重，kN · m^-3。

选取以O点为倾覆支点，其倾覆力矩M_{\mathrm{倾覆}\mathrm{1}}和抗倾覆力矩M_{\mathrm{抗倾}\mathrm{1}}分别为

M_{\mathrm{倾覆}\mathrm{1}}=Wa+P{h}_{\mathrm{0}}+Q\left(\frac{e_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}\right)（2）

M_{\mathrm{抗倾}\mathrm{1}}=f_{\mathrm{l}\mathrm{k}}\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+l_{\mathrm{1}}{f}_{\mathrm{o}\mathrm{k}}（3）

式中：f_lk为岩体的抗拉强度标准值，kPa；f_ok为危岩体与岩层（结构面）间的抗拉强度标准值，kPa。

由式（2）和式（3）得到拉裂倾倒式崩塌的稳定性系数F_{\mathrm{s}\mathrm{1}}为

F_{\mathrm{s}\mathrm{1}}=\frac{M_{\mathrm{抗倾}\mathrm{1}}}{M_{\mathrm{倾覆}\mathrm{1}}}=\frac{f_{\mathrm{l}\mathrm{k}}\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+l_{\mathrm{1}}{f}_{\mathrm{o}\mathrm{k}}}{Wa+P{h}_{\mathrm{0}}+Q\left(\frac{e_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}\right)}（4）

2.1.2　推挤倾倒式崩塌

推挤倾倒式崩塌是指危岩体的重心位于底部支点正上方或附近，在水压力、地震、植物根劈等因素的作用下危岩体发生倾倒破坏，如图4所示。当危岩体在水平力作用下形成的力矩大于陡倾主控结构面未贯通部分的抗拉力矩时，危岩体将会发生失稳，并沿倾倒方向发生旋转崩塌。

1）力学模式

推挤倾倒式崩塌的地质力学模式如图5所示。在水压力、地震及植物根劈等因素的作用下，陡倾结构面AB张开，底部岩体OA段受拉，最终导致推挤倾倒式崩塌的发生。

2）稳定计算分析

根据图5，陡倾裂隙（结构面）AB为主控结构面。

选取以O点为倾覆点，其倾覆力矩M_{\mathrm{倾覆}\mathrm{2}}和抗倾覆力矩M_{\mathrm{抗倾}\mathrm{2}}分别为

M_{\mathrm{倾覆}\mathrm{2}}=P{h}_{\mathrm{0}}+Q\left(\frac{e_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}\right)（5）

M_{\mathrm{抗倾}\mathrm{2}}=Wa+f_{\mathrm{l}\mathrm{k}}\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+l_{\mathrm{1}}{f}_{\mathrm{o}\mathrm{k}}（6）

得到推挤倾倒式崩塌危岩体稳定性系数F_{\mathrm{s}\mathrm{2}}为

F_{\mathrm{s}\mathrm{2}}=\frac{M_{\mathrm{抗倾}\mathrm{2}}}{M_{\mathrm{倾覆}\mathrm{2}}}=\frac{Wa+f_{\mathrm{l}\mathrm{k}}\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+l_{\mathrm{1}}{f}_{\mathrm{o}\mathrm{k}}}{P{h}_{\mathrm{0}}+Q\left(\frac{e_{\mathrm{1}}}{\mathrm{3}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}+\frac{H-e}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{1}}}\right)}（7）

2.1.3　演化机理

倾倒式崩塌演化过程大致可分为4个阶段，构建倾倒式崩塌演化过程概念模型，如图6所示。

第1阶段：岩体在重力卸荷和差异风化、河流掏蚀坡脚等作用下，危岩体底部逐渐出现局部悬空，削弱了对上部岩体的支撑能力，使危岩体逐渐积累了倾覆力矩，随着倾覆力矩的积累，危岩体顶部陡倾裂缝逐渐张开，如图6（a）所示。

第2阶段：底部岩体持续受风化侵蚀和水流冲刷作用，致使倾覆力矩进一步增强。同时，上部裂缝在拉张应力作用下不断向下扩展，底部岩体承受集中应力，局部发生压碎与剥落，如图6（b）所示。

第3阶段：危岩体顶部主裂缝扩展延伸到底部，崩塌危岩体与后方岩体发生开裂，在不对称力的作用下，崩塌危岩体的旋转力矩迅速释放，发生倾倒破坏，如图6（c）所示。

第4阶段：崩塌危岩体在惯性力和重力的综合作用下，与坡面碰撞，最终碎裂并堆积到坡脚，整个倾倒式崩塌完成，如图6（d）所示。

2.1.4　案例分析

案例工点位于重庆市两河口-镇紫街区间，属于低山河谷地貌区，如图7所示。该段线路所在自然山体高约82 m，坡向约220°，线路右侧为路堤边坡，坡高约26 m，坡度约15°，坡脚为綦江；线路左侧为路堑边坡为折线坡，坡高约56 m，坡向约220°，距线路高约55 m，平距约100 m处设有1条混凝土乡道。坡面植被发育，以乔木、灌木为主。左侧路堑边坡上部岩层层面产状为234°∠4°，分布有2组结构面，一组为卸荷裂隙J₁，产状为205°∠80°，另一组为危岩体侧界的结构面J₂，产状为115°∠78°，卸荷裂隙较为发育，裂隙贯通至中下部，雨水易沿裂隙下渗，降低危岩体的抗滑力。在地震、根劈作用下易发生推挤倾倒式崩塌。

2.2　滑移式崩塌

滑移式崩塌是指危岩体沿倾向坡外的岩层层面、光滑结构面或软弱面发生剪切滑动破坏，此时危岩体的重心位于上述滑移面之上。根据危岩体底部沿岩层层面或结构面产生的滑移破坏特征，滑移式崩塌可进一步细分为顺层面滑移式崩塌（图8）和顺层结构面滑移式崩塌（图9）。

2.2.1　力学模式

滑移式崩塌一般是沿着岩层层面或顺坡向的结构面滑动，其力学模式基本相同，因此建立滑移式崩塌地质力学模式图如图10所示。图中：β₂为主控岩层层面（结构面）倾角，°；l₂为危岩体底部主控岩层层面（结构面）长度，m。

2.2.2　稳定计算分析

根据图10，AB为陡倾的主控结构面，OA为主控岩层层面（结构面）。主控岩层层面（结构面）是指具有一定层理产状并在岩体中起主导控制作用的岩层接触面或层间软弱面。

主控结构面AB受到静水压力Q按式（1）计算。针对OA主控岩层层面（结构面）进行分解，可得法向分量N和切向分量T分别为

N=W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{2}}-P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{2}}-Q（8）

T=W\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{2}}+P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{2}}（9）

按法向分量和切向分量沿主控岩层层面（结构面）均匀分布进行分析。危岩体在自重、地震、差异性风化及植物根劈的作用下，单位宽度的平均法向应力\sigma和平均剪应力\tau分别为

\sigma =\frac{N}{l_{\mathrm{2}}}（10）

\tau =\frac{T}{l_{\mathrm{2}}}（11）

主控岩层层面（结构面）允许抗剪强度{\tau }_{\mathrm{f}}为

{\tau }_{\mathrm{f}}=c+\sigma \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi =c+\frac{N}{l_{\mathrm{2}}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi（12）

式中：c为主控岩层层面（结构面）的黏聚力，kPa；φ为主控岩层层面（结构面）的内摩擦角，°。

危岩体沿着主控岩层层面（结构面）的抗滑力F_{\mathrm{抗滑}\mathrm{力}\mathrm{3}}为

F_{\mathrm{抗滑}\mathrm{力}\mathrm{3}}={\tau }_{\mathrm{f}}l=\left(c+\sigma \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi \right)l_{\mathrm{2}}=c{l}_{\mathrm{2}}+N\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi（13）

滑移式崩塌危岩体沿着主控岩层层面（结构面）的下滑力T_{\mathrm{下滑}\mathrm{力}\mathrm{3}}为

T_{\mathrm{下滑}\mathrm{力}\mathrm{3}}=W\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{2}}+P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{2}}（14）

滑移式崩塌危岩体稳定性系数F_{\mathrm{s}\mathrm{3}}为

F_{\mathrm{s}\mathrm{3}}=\frac{F_{\mathrm{抗滑}\mathrm{力}\mathrm{3}}}{T_{\mathrm{下滑}\mathrm{力}\mathrm{3}}}=\frac{c{l}_{\mathrm{2}}+\left(W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{2}}-P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{2}}-\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\gamma }_w{e}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi }{W\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{2}}+P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{2}}}（15）

2.2.3　演化机理

滑移式崩塌演化过程大致分为4个阶段，构建滑移式崩塌演化过程概念模型如图11所示。

第1阶段：危岩体在重力卸荷、差异性风化、地震及植物根劈等因素的作用下，软硬相间岩层中的软岩受水软化，抗剪强度明显降低，危岩体后缘形成卸荷裂隙或受控于陡倾结构面。此时，岩体顶部裂缝开始微弱张开，如图11（a）所示。

第2阶段：危岩体底部软弱结构面（层面）中的软岩进一步软化，岩体后界的卸荷裂缝或陡倾结构面在降雨入渗和植物根劈的共同作用下逐步向深部扩展，如图11（b）所示。

第3阶段：在重力、风化、动静水压力及地震等外力耦合作用下，控制危岩体后界或侧界的陡倾结构面趋于贯通。当贯通程度达到一定程度时，危岩的自重完全由岩层层面（结构面）的抗剪强度承担，在动静水压力、风化、地震及人类工程活动叠合作用下，当危岩体沿着岩层层面（结构面）的作用力与其抗剪强度不匹配时，危岩体就会沿着岩层层面（结构面）发生滑移，如图11（c）所示。

第4阶段：危岩体沿着岩层层面（结构面）产生滑移破坏，崩塌危岩体与坡面碰撞，完全碎裂并堆积到坡脚，完成整个滑移式崩塌，如图11（d）所示。

2.2.4　案例分析

案例工点位于普洱渡至临江溪区间，属低山峡谷区，如图12所示。左侧斜坡为折线型，上部较陡，基岩裸露，发育了8层砂岩陡壁，下部坡度较缓，覆盖崩坡积层，顶部距铁路最大垂直距离约600 m，坡度约40°~80°，线路走向165°。坡面植被发育一般，多为灌木和乔木。根据现场调查，地层主要为砂泥岩互层，砂岩为厚层巨厚层。左侧路堑边坡发育有2组节理面，其中一组为顺坡向的卸荷裂隙J1，产状为262°∠60°，另一组为垂直于线路方向的侧界裂缝J2，产状为335°∠83°。岩层产状139°∠10°，将危岩体切割成块状、巨块状，下部泥岩受水软化承载力降低，危岩块体沿着卸荷裂隙面剪切滑移破坏。陡倾的卸荷裂隙面与边坡坡向近乎一致，属典型的顺结构面滑移破坏类型。

2.3　错断式崩塌

错断式崩塌是指由软、硬岩体构成的互层状陡坡，多呈长柱状，板状。在自重作用下，危岩体沿与母岩之间未贯通的结构面发生剪断，并向坡外滑出，如图13所示。

2.3.1　力学模式

错断式崩塌是在动、静水压力、风化、地震及植物根劈等因素作用下，促使陡倾主控结构面裂隙逐步贯通。当危岩体自重超过岩体的抗剪强度时，便会发生错断式崩塌。其地质力学模式如图14所示。图中：β₃为潜在的破裂面倾角，°；l₃为潜在的破裂面长度，m。

2.3.2　稳定计算分析

根据图14，AB为陡倾贯通结构面，OA为潜在的破裂面。

陡倾结构面受到静水压力按式（1）计算，针对OA潜在破裂面的法向分量和切向分量按式（8）和式（9）计算，沿着潜在破裂面方向单位宽度的平均法向应力和平均剪应力分别为按式（10）和式（11）计算。潜在破裂面的允许抗剪强度按式（12）计算。

危岩体沿着潜在破裂面的抗错断力F_{\mathrm{抗错}\mathrm{断}}和错断力T_{\mathrm{错断}}分别为

F_{\mathrm{抗错}\mathrm{断}}={\tau }_{\mathrm{f}}{l}_{\mathrm{3}}=\left(c+\sigma \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi \right)l_{\mathrm{3}}=c{l}_{\mathrm{3}}+N\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi（16）

T_{\mathrm{错断}}=W\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{3}}+P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{3}}+Q\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{3}}（17）

错断式崩塌危岩体稳定性系数F_{\mathrm{s}\mathrm{4}}为

F_{\mathrm{s}\mathrm{4}}=\frac{F_{\mathrm{抗错}\mathrm{断}}}{T_{\mathrm{错断}}}=\frac{c{l}_{\mathrm{3}}+\left(W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{3}}-P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{3}}-\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\gamma }_w{e}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}\right)\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi }{W\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{3}}+P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{3}}+Q\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{3}}}（18）

2.3.3　演化机理

错断式崩塌演化过程大致分为4个阶段，构建错断式崩塌演化过程概念模型如图15所示。

第1阶段：岩体在地质构造、重力卸荷、差异性风化及植物根劈等因素的作用下，在岩体顶部产生卸荷裂隙（陡倾结构面），岩体顶部裂隙在风化、侵蚀作用下微微张开，如图15（a）所示。

第2阶段：在地震扰动、动静水压力、强风化以及根劈作用的持续影响下，岩体后界裂隙进一步向下延伸扩展，如图15（b）所示。

第3阶段：控制危岩体后界或侧界的陡倾结构面在重力卸荷、风化溶蚀、动静水压力、植物根劈等作用下逐渐贯通张开，当贯通到一定程度时，若危岩体自重与岩体抗剪强度不匹配，危岩体发生剪切错断破坏，如图15（c）所示。

第4阶段：危岩体一旦错断，在重力作用下沿剪切错断面发生崩塌破坏，崩塌危岩体与坡面碰撞，完全碎裂并堆积到坡脚，完成整个错断式崩塌，如图15（d）所示。

2.3.4　案例分析

案例工点位于重庆市南川区平桥镇境内的石蛋溪河谷，属于丘陵河谷地貌区，如图16所示。地面高程424~490 m，石蛋溪河谷地形总体呈V形，两侧岸坡陡峭，宽度约5~15 m。河谷左岸坡高约150 m，斜坡中上部坡度约50°~65°，下部近直立，河谷右岸坡高约100 m，坡度约60°~75°，坡面植被发育，以乔木为主。该河段右岸斜坡的岩层产状为91°∠21°，卸荷裂隙为J₁，结构面产状为273°∠65°。调查发现，岩体卸荷裂隙较为发育，在水压力作用下裂隙不断向下延伸，逐渐扩展至上部岩体。当上部岩体的重力超过岩层的抗剪强度时，岩层发生剪断破坏，即发生错断式崩塌。

2.4　坐落式崩塌

坐落式崩塌是指危岩体后界裂缝贯通，且危岩体底部存在较厚的软弱层。在地表水沿着陡倾结构面（卸荷裂隙）下渗的作用下，下部软弱岩层强度降低，危岩体在自重作用下压碎、剪切并挤出底部软岩，最终发生坐落式破坏。此类崩塌中，危岩体的重心位于底部较厚软弱岩层之上。根据底部软岩的岩性及其破坏特征，可将坐落式崩塌分为基座软化型、基座剪断型和软岩压溃型3种亚类，如图17所示。

（1）当危岩体底部存在较厚软弱岩层，地表水沿陡倾裂隙下渗，导致下部软岩受浸泡后承载力降低。当上部危岩体的竖向压力超过底部软岩的抗压强度时，软岩产生侧向变形并被挤出，危岩体发生下沉和侧移，最终形成坐落式崩塌，此类危岩称为基座软化型坐落式崩塌，如图17（a）所示。

（2）当危岩体底部存在一定厚度的相对软弱垫层，在危岩体自重及陡倾结构面静水压力的共同作用下，下部基座发生剪切破坏，称为基座剪断型坐落式崩塌，如图17（b）所示。

（3）当危岩体底部存在一定厚度的软岩，受危岩体自重及陡倾结构面静水压力作用，底部软岩局部应力集中并发生压溃破坏，称为软岩压溃型坐落式崩塌，如图17（c）所示。

2.4.1　力学模式

坐落式崩塌是在动、静水压力、地震、差异性风化及植物根劈等因素的共同作用下，促使陡倾结构面裂缝贯通。当底部软岩无法承受上部岩体重力时，底部软岩会发生剪断、压溃或软化，导致上部危岩体下沉，最终形成坐落式崩塌。其地质力学模式如图18所示。图中：β₄为底部软岩与危岩体交界的结构面（层面）倾角，°；l₄为危岩体陡倾结构面与底部软岩交界处至坡脚的长度，m。

2.4.2　稳定计算分析

根据图18，AB为陡倾贯通的主控结构面，OA为底部软岩与危岩体交界的结构面（层面）。

陡倾结构面AB受到水压力按式（1）计算；针对OA主控结构面的法向分量和切向分量按式（8）和式（9）进行计算。

假定法向分量沿主控结构面均匀分布，危岩体在受重力、地震力、水压力作用下，下部软弱岩体单位宽度的平均法向应力\sigma为

\sigma =\frac{N}{l_{\mathrm{4}}}=\frac{W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{4}}+P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{4}}+Q\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{4}}}{l_{\mathrm{4}}}（19）

基座软弱坐落式崩塌抗压安全系数F_{\mathrm{s}\mathrm{5}}为

F_{\mathrm{s}\mathrm{5}}=\frac{\left[\sigma \right]}{\sigma }=\frac{\left[\sigma \right]}{\frac{N}{l_{\mathrm{4}}}}\frac{\left[\sigma \right]l_{\mathrm{4}}}{W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{4}}+P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{4}}+Q\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{4}}}（20）

式中：\left[\sigma \right]为下部软岩允许承受的应力，kPa。

2.4.3　演化机理

坐落式崩塌演化过程大致分为4个阶段，构建坐落式崩塌演化过程概念模型如图19所示。

第1阶段：在地质构造应力、重力卸荷和差异性风化等因素作用下，岩体顶部产生卸荷裂隙或陡倾结构面。随着风化、降雨及侵蚀的持续作用，顶部裂缝微微张开，如图19（a）所示。

第2阶段：在地震扰动、降雨侵蚀和植物根劈等外力作用下，岩体后界的裂缝进一步向下延伸扩展，后缘岩体结构进一步削弱，如图19（b）所示。

第3阶段：控制危岩体后界或侧界的陡倾结构面在重力卸荷、风化溶蚀、动静水压力、植物根劈等因素的叠合作用下逐渐贯通张开，当与底部软弱结构面（层面）贯通时，危岩体自重完全由底部软弱岩体承担，若动静水压力、地震力及危岩体自重等外力的合力超过底部软岩的承载能力，底部软岩发生剪切、压碎或软岩挤出等破坏，如图19（c）所示。

第4阶段：底部软岩一旦发生剪切、压碎或挤出等破坏，危岩体在重力作用下发生崩塌，崩塌危岩体与坡面碰撞，完全碎裂并堆积于坡面，完成整个坐落式崩塌，如图19（d）所示。

2.4.4　案例分析

案例工点位于四川省宜宾市叙州区境内，属于中低山沟谷地貌，如图20所示。危岩体自然斜坡高约192 m，呈上陡下缓趋势，自然坡度约40°~70°，下部缓坡、坡顶有农田耕种作物，上部裸露岩体为砂岩、泥岩互层。现场调查测得砂岩岩层产状265°∠10°，卸荷裂隙产状100°∠79°，危岩体侧界产状190°∠69°。因底部泥岩受水软化强度降低，上部危岩体沿陡倾卸荷裂隙面下坐，最终形成坐落式崩塌。

2.5　悬空坠落式崩塌

悬空坠落式崩塌指在自重作用下沿主控结构面拉断并发生竖直坠落破坏的危岩体。危岩体重心位于主控结构面之下，一般规模较小，如图21所示。

2.5.1　力学模式

悬空坠落式崩塌是指陡倾结构面贯通，将危岩体切割为危岩块体，危岩块体与母岩之间通过顶部相连在一起，当危岩块体自重产生的拉应力大于主控结构面抗拉强度时，危岩块体将沿主控结构面拉开，并向下坠落，其地质力学模式如图22所示。图中：β₅为未贯通主控结构面（岩层层面）的倾角，°，l₅为未贯通主控结构面（岩层层面）长度，m。

2.5.2　稳定计算分析

根据悬空坠落式崩塌力学模式图，OA为陡倾贯通结构面，AB为未贯通的主控结构面（岩层层面）。针对AB主控结构面的法向分量和切向分量按式（8）和式（9）进行计算。假定法向分量沿主控结构面（岩层层面）均匀分布，危岩体在自重、地震、差异性风化及植物根劈的作用下，下部岩体在单位宽度下的平均法向应力按式（19）计算。

悬空坠落式崩塌稳定性系数F_{\mathrm{s}\mathrm{6}}为

F_{\mathrm{s}\mathrm{6}}=\frac{f_{\mathrm{l}\mathrm{k}}}{\sigma }=\frac{f_{\mathrm{l}\mathrm{k}}}{\frac{N}{l_{\mathrm{5}}}}=\frac{f_{\mathrm{l}\mathrm{k}}{l}_{\mathrm{5}}}{W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{5}}+P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{5}}}（21）

2.5.3　演化机理

悬空坠落式崩塌演化过程大致分为4个阶段，构建悬空坠落式崩塌演化过程概念模型如图23所示。

第1阶段：在地质构造、差异性风化及人工不合理开挖等因素作用下，岩体底部局部失去支撑，出现悬空现象，同时靠山体内侧的陡倾结构面裂缝局部贯通，如图23（a）所示。

第2阶段：在地震、降雨侵蚀、风化等作用下，岩体后界裂隙进一步向上延伸扩展，如图23（b）所示。

第3阶段：当后界陡倾裂缝向上贯通至一定高度后，危岩体的自重与顶部主控结构面的抗拉强度不匹配，当抗拉强度不足以承受危岩体的自重时，危岩体沿主控结构面发生拉裂，失去支撑后在重力作用下形成悬空状态，并发生坠落，如图23（c）所示。

第4阶段：危岩体一旦发生坠落，在重力作用下以自由落体形式与坡面碰撞，最终完全碎裂并堆积于坡脚，整个悬空坠落式崩塌完成，如图23（d）所示。

2.5.4　案例分析

案例工点位于高山峡谷区的金沙江岸坡，金沙江局部河段的部分岩体变形破坏较为强烈，受构造裂隙切割，该段岩体较为破碎，易形成坠落式崩塌和落石现象。该区域发育有崩坡积成因的碎块石堆积物，但规模相对较小，多分布于边坡中下部的基岩陡崖或缓坡变坡地带，以层状碎裂岩体为主。其变形特征主要表现为浅表层崩落，未见一次性形成大规模崩塌，如图24所示。此外，受河流切割和工程建设影响，局部形成倒悬危岩区。由于外部和底部存在凌空面，危岩体在自重应力作用下易发生拉裂，并最终向下坠落。

2.6　孤立式落石

孤立式落石一般为坡面的浮石、孤石等，浮石、孤石等停积在斜坡坡面或嵌入一定深度的坡表覆盖层，主要依靠与斜坡坡面的摩阻力、嵌合力以及植被的拦挡作用维持稳定。浮石、孤石的失稳模式有2种：滚落式失稳和滑移式失稳。

（1）滚落式失稳。孤立危岩体主要依靠与坡面之间的摩阻力、嵌合力或植被的拦挡等作用维持稳定。当地震、降雨等因素叠加，或因水体对坡面的软化、溶蚀，以及拦挡植被的折断，使得危岩体与坡面的摩阻力和嵌合力降低，重心逐渐偏移并失去支撑，最终发生滚落而失稳，如图25所示。

（2）滑移式失稳。孤立危岩体主要依靠与坡面之间的摩擦力或植被拦挡等作用维持稳定。在地震、降雨等因素叠加，或水体对坡面的软化、溶蚀，以及拦挡植被折断的情况下，危岩体与坡面的摩擦力降低，最终以滑移的形式发生失稳，如图26所示。

2.6.1　受力模式

1）滚落式失稳

当孤石底部受到水的软化或溶蚀作用，其与坡面摩擦力、嵌合力降低，重心逐渐偏移，以滚落的形式失稳，滚落式落石地质力学模式如图27所示，图中：h为O点到形心的垂直距离，m，l₆为O点到形心的水平距离，m。

2）滑移式失稳

当孤石底部受到水的软化或溶蚀作用，其与坡面摩擦力降低，在危岩体的自重及地震力的作用下，其下滑力大于危岩体与坡面的摩擦力时，发生滑落形式失稳，如图28所示，图中：β₇为孤石所在坡面的倾角，°；l₇为危岩体与坡面的接触长度，m。

2.6.2　计算分析

1）滚落式失稳

根据滚落式落石力学模式图，以O点为转点，其稳定性系数F_s7可按下式计算

F_{\mathrm{s}\mathrm{7}}=\frac{W{l}_{\mathrm{7}}}{Ph}（22）

2）滑移式失稳

根据滑移式落石力学模式图，以OA为危岩体与坡面的接触长度，针对OA接触面的法向分量和切向分量按式（8）和式（9）进行计算。

危岩体沿着接触面抗滑力F_{\mathrm{抗滑}\mathrm{力}\mathrm{8}}和下滑力F_{\mathrm{下滑}\mathrm{力}\mathrm{8}}分别为

F_{\mathrm{抗滑}\mathrm{力}\mathrm{8}}={\tau }_{\mathrm{f}}{l}_{\mathrm{7}}=c{l}_{\mathrm{7}}+(W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{7}}-P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{7}})\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi（23）

T_{\mathrm{下滑}\mathrm{力}\mathrm{8}}=W\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{7}}+P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{7}}（24）

滑移式落石稳定性系数F_s8为

F_{\mathrm{s}\mathrm{8}}=\frac{F_{\mathrm{抗滑}\mathrm{力}\mathrm{8}}}{T_{\mathrm{下滑}\mathrm{力}\mathrm{8}}}=\frac{c{l}_{\mathrm{7}}+(W\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{7}}-P\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{7}})\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\phi }{W\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{7}}+P\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\beta }_{\mathrm{7}}}（25）

2.6.3　演化机理

孤立式落石演化历程大致分为以下4个阶段，构建孤立式落石崩塌演化过程概念模型如图29所示。

第1阶段：孤石、浮石分布于坡面或崩塌堆积体表面，在重力与摩擦力的共同作用下，整体处于暂时稳定状态，如图29（a）所示。

第2阶段：地震振动、强降雨或水流软化等外部扰动因素作用于孤石、浮石，导致其与下伏岩土体间的摩擦系数降低，局部结构发生初始失稳，如图29（b）所示。

第3阶段：在水体软化、冲蚀或振动累积效应的持续作用下，孤石、浮石的稳定性达到判据极限，重力分量超过抗滑（或抗滚）力矩，进入临界失稳状态，如图29（c）所示。

第4阶段：孤石、浮石彻底失去平衡，沿坡面发生崩落，过程中呈现块体滚落、跳跃等动力学行为，最终在坡脚或平台处停积，完成整个崩塌演化过程，如图29（d）所示。

2.6.4　案例分析

案例工点位于西南山区某隧道出口仰坡，隧道出口危岩位于隧道出口上方，零星分布，隧道上方植被发育，具有隐蔽性，如图30所示。属中高山-高山峡谷地貌，地形起伏较大，植被较为发育，中间段为常年雪山，绝对高程2 370~4 220 m，相对高差最大达1 850 m，自然坡度一般20°~55°。外营力以流水侵蚀作用为主，同时伴有生物风化及寒冻风化（高海拔地带）作用，进出口端沟谷深切，局部形成陡崖。地表出露第四系全新统崩积（Q_{\mathrm{4}}^{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{l}}）块石土，下伏基岩为上元古界奥长花岗岩（{\gamma }_{\mathrm{o}}^{\mathrm{P}\mathrm{t}\mathrm{3}}）。宝灵山隧道出口危岩落石现场排查共计排查出70处隐蔽危岩落石区，部分危岩区对隧道进、出口（正线）工程可能产生影响，危岩落石分布高差最高处距离隧道出口（正线线位）约300 m。在隧道洞口上部存在厚度10~20 m的松散崩滑堆积体，内部存在大量块石。同时，整个坡面同样分布有与母岩脱离、完全孤立的块石。

3 结论

本文通过对高位崩塌危岩体的实地调查，结合国内现有危岩体分类研究成果，综合运用理论分析、力学计算等多种技术手段，系统深入地探究了高位危岩体的受力模式及失稳演化机理，主要研究结论如下。

（1）基于危岩体的受力机制与结构面组合特征，提出了涵盖倾倒式、滑移式、错断式、坐落式、坠落式及孤立式6大类高位危岩体分类体系，并依据受力机制的差异化进一步细分为11个亚类，完善了复杂地质条件下高位危岩体的分类标准。

（2）针对不同类型的高位危岩体，根据地质力学模型，推导建立的稳定性计算分析方程实现了对典型危岩体受力模式与失稳判据的定量化描述，为稳定性评估提供了精准的计算依据。

（3）构建的6类危岩体失稳演化过程的概念模型，明确了各类危岩体从孕育、发展到最终破坏的完整演化阶段及主控机制，揭示了不同类型危岩体的典型破坏路径与主导影响因素，深化了对失稳演化规律的认知。

（4）通过系统分析6类危岩体的受力机制，结合典型工程案例开展对比研究，形成的针对性的灾害防控技术思路，为同类高位危岩体的危险性评估、灾害预警及工程防控提供了科学的技术支撑与实践参考。

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基金资助

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2024YJ250)

中国铁道科学研究院集团有限公司院基金课题(2024YJ393)

西南交通大学宜宾研究院博士后专项科研经费(BSHBZ20230160201)