王 俊,孫書偉,陳 沖

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京 100013)

飽水黃土基底排土場地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究

王 俊1,2,孫書偉1,陳 沖1

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院,北京 100013)

為了揭示排土場邊坡的變形機理和潛在病害的發(fā)展規(guī)律,采用地質(zhì)力學(xué)模型試驗方法,以黑岱溝露天礦黃土基底排土場作為研究背景,完成了分級填筑模擬排土邊坡增高過程,并進行了地下水入滲基底軟弱黃土層的模擬試驗。介紹了飽水黃土基底排土場的相似物理模擬方法,采用底部注水的方式模擬地下水入滲基底軟弱黃土層對邊坡穩(wěn)定性的影響,研究了分級填筑、軟弱基底以及飽水條件下黃土基底排土場邊坡裂縫開展和發(fā)育特征以及邊坡破裂面的空間形態(tài)特點。研究表明,隨著排土高度的增加,主要變形由淤泥質(zhì)黃土上部坡體向臨空方向的壓剪變形為主,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樘烊稽S土上方坡體豎向沉降為主,并且黃土基底含水量的持續(xù)增加會直接引起邊坡的破壞失穩(wěn),變形模式為后緣依附淤泥質(zhì)黃土與天然黃土(水坑邊緣)分界面的整體滑動。

黃土基底;排土場;邊坡;地質(zhì)力學(xué)模型試驗;穩(wěn)定性

隨著煤礦開采中露天開采比例的逐年增大,新興的現(xiàn)代化大型露天煤礦主要集中在西部及西北部的黃土高原地區(qū)[1-3]。黃土基底之上進行露天礦排土堆積形成排土場的現(xiàn)象也越來越常見,然而由于某些特定的水文地質(zhì)條件,形成的飽水黃土軟弱基底,使得排土過程中邊坡的力學(xué)性質(zhì)和失穩(wěn)變化情況更加的復(fù)雜[4-10]。許多學(xué)者對黃土基底排土場的變形特征、滑坡模式和形成機理進行了大量研究,并從黃土微結(jié)構(gòu)的不同角度提出了黃土基底排土場邊坡的滑坡模式,如祖國林1999年提出黃土承載后,出現(xiàn)低強度軟塑帶-“演化弱層”是黃土基底構(gòu)筑物失穩(wěn)的內(nèi)在基礎(chǔ),其弱層的出現(xiàn)必然遵循介質(zhì)內(nèi)部作用機制[11];紀(jì)玉石,朱新平等通過對排土場形成后的基底黃土層以及不同載荷下原狀土體的微結(jié)構(gòu)特征的研究,提出了承載土體內(nèi)黏土演化弱層的觀點[12];楊洪海針對黃土基底排土場特殊的地質(zhì)條件,論述了排土場的變形破壞機理及潛在的滑坡模式——“坐落滑移式”[13]。但是關(guān)于飽水軟弱黃土基底排土場的破壞失穩(wěn)模式尚未有較為成熟的研究和理論解釋。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗是根據(jù)一定的相似原理對特定工程地質(zhì)問題進行縮尺研究的一種方法,它可以較直觀的模擬地基、邊坡及地下硐室等結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的變形形態(tài)、穩(wěn)定安全度和破壞機理等。自20世紀(jì)60年代,以E.Fumagalli[14]為首的專家在意大利結(jié)構(gòu)模型試驗所(ISMES)開創(chuàng)了工程地質(zhì)力學(xué)模型試驗技術(shù)以來,取得了一大批試驗研究成果[15-17]。本文通過地質(zhì)力學(xué)模型試驗,對飽水黃土基底排土場填筑過程和地下水入滲工況下排土場邊坡的變形破壞和滑坡模式進行研究,對軟弱飽水黃土基底排土場的破壞機理和失穩(wěn)模式進行了探討,并得出了初步的結(jié)論。

1 試驗工點概況

陰灣排土場是黑岱溝露天礦的外排土場,位于黑岱溝露天礦坑西側(cè),設(shè)計占地面積1.958 km2,最終排棄高度1 300 m,整體地貌如圖1所示,排土場邊坡設(shè)計為八級邊坡,坡頂設(shè)計標(biāo)高1 300 m,邊坡最大高度約152 m,每一級邊坡高度設(shè)計高度均為20 m,坡率為1∶1.25。

陰灣排土場邊坡地基條件較差,勘察資料表明,基底巖性從上到下依次為:第四系粉質(zhì)黏土(層頂標(biāo)高1 143.00～1 148.10 m,平均層厚6.65 m)、第四系上更新統(tǒng)黏土(層頂標(biāo)高1 136.00～1 144.20 m,平均層厚6.72 m)、粗砂、黏土以及二疊紀(jì)的強風(fēng)化泥巖。

整體而言,對邊坡穩(wěn)定性影響較大的地層為粉質(zhì)黏土層和黏土層,兩層均為隔水層,共計層厚16～20 m。下部粗砂為透水層,底部黏土和強風(fēng)化泥巖埋深較大,對排土場邊坡的穩(wěn)定性影響不大。

圖1 排土場整體地貌Fig.1 The whole landscape of dumping site

2 模型試驗設(shè)計

2.1 原型選取

選取計算原型斷面Z3-Z4如圖2所示,工程邊坡總高度約為120 m,共6級邊坡,每級邊坡均為20 m,坡率為1∶1.25。

圖2 邊坡原型斷面Fig.2 Layout of the slope

將圖 2進行概化,概化后的原型范圍為長360 m,高113 m,縱向厚80 m,斷面如圖3所示,結(jié)合室內(nèi)試驗槽寬0.4 m、水平距離1.8 m、高1.2 m的實際情況,確定模擬試驗的幾何相似比Cl=200∶1,模擬范圍包括了原型坡體的主要地層及相應(yīng)邊界條件,因此能滿足本項試驗要求。

圖3 模型斷面Fig.3 Layout of the model disenged

2.2 相似材料

本次試驗幾何相似系數(shù)Cl=200∶1,主要選用黃土沙、石灰、石膏來配置相似模型材料,具體配比見表1。坡體材料的物理力學(xué)參數(shù)見表2,其中γ,c,φ,E, ν分別表示容重、黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量及泊松比。下標(biāo)p代表原型,m代表模型。材料1為淤泥質(zhì)黃土,材料2為天然黃土,材料3為排棄土。

表1 相似模型材料配置比例Table 1 Model material allocation ratio %

3種制備好的相似材料如圖4所示。

2.3 地下水入滲的模擬-底部持續(xù)注水技術(shù)

由于陰灣排土場基底積水坑的存在,在地表積水的長期作用下,巖土體性質(zhì)發(fā)生變化,隨著天然含水率的增大,土粒之間的連結(jié)減弱,強度降低,勢必影響著基底的承載力,試驗中對積水坑所在位置的飽水黃土軟基區(qū)域進行了相應(yīng)的注水模擬試驗,主要考慮在地下水入滲作用下,黃土基底逐漸達到飽水狀態(tài)過程中對邊坡穩(wěn)定性的影響。因此在分級填筑完成后,采用底部持續(xù)注水技術(shù)模擬地下水入滲對模型黃土基底的影響。該技術(shù)的要點是在模型箱體底部設(shè)定范圍內(nèi)相隔一定距離預(yù)留若干直徑15 mm的注水小孔,逐級填筑時將小孔封住;填筑工況結(jié)束后,將孔從模型箱底部打開,外接注水管向預(yù)定黃土基底區(qū)域注水。試驗中通過調(diào)整每管的注水量來控制黃土基底的含水率以及是否達飽水狀態(tài)。該技術(shù)不僅可以模擬黃土基底不同部位具有不同含水量的情形,而且可以模擬地下水入滲到黃土基底的全過程。

表2 原型坡體材料與模型材料的力學(xué)參數(shù)Table 2 Mechanical parameters of in-situ rock mass and model materials

圖4 3種相似材料Fig.4 Three different model materials

2.4 試驗方法及量測系統(tǒng)

2.4.1 試驗方法

試驗采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)采礦實驗室三維模型箱,該模型箱長2 m,高1 m,沿坡體縱向厚0.4 m,模型箱底部設(shè)計注水孔和排水孔,可以實現(xiàn)對模型材料含水量的控制,模型如圖5所示。

試驗分2個階段:第1階段試驗(試驗1)為天然狀態(tài)下排土場邊坡填筑試驗,在保持基底黃土天然含水量下進行分層排土(共5次);第2階段試驗(試驗2)為破壞性試驗,在排土場邊坡成形后,持續(xù)增加基底黃土含水量。兩階段試驗采用相同的位移觀測系統(tǒng)。

圖5 邊坡模型及尺寸示意Fig.5 Layout and size of model slope

2.4.2 量測系統(tǒng)

試驗量測內(nèi)容以位移為主,采用高精度電子經(jīng)緯儀觀察測點位移隨各階段填筑的位置的變化情況,位移基點采用10×10的網(wǎng)格式布置,共布置測點57個,分布如圖6所示。

圖6 坡體模型測點布置示意Fig.6 Layout of measuring points in model slope

圖7 模型觀測示意Fig.7 Schematic diagram of observation in model slope

模型觀測如圖7所示,其中H0為模型架的高度, H1為模型臺的高度,H2為模型架距地面的高度,點1,2,3,4設(shè)在模型架的左右兩側(cè)的固定架上,相當(dāng)于固定點。任意點B距1-2邊的距離為lx,距離1-4邊的垂直距離為hx。在地面的A點安設(shè)電子經(jīng)緯儀,C點為電子經(jīng)緯儀的中心位置,以C點垂直于模型的平面為基中平面,來觀測點1,2,3,4的水平角和垂直角,并且精密測量出1,2,3,4點之間的距離,這些數(shù)據(jù)作為觀測任意點的起算數(shù)據(jù)。然后用電子經(jīng)緯儀將每個測點的水平角度和垂直角度測出,并做好記錄。

為了便于成果分析與應(yīng)用,本文把原始測量數(shù)據(jù)利用推導(dǎo)出的水平位移和垂直位移的計算公式按相似系數(shù)換算至原型。

3 試驗成果及分析

3.1 填筑過程中位移場的分析

圖8是5次填筑之后各排測點的水平位移和豎直位移的變化曲線。其中,第1排測點位于黃土基底與第1層排土之間,第5排測點位于第4層排土與第5層排土之間。

3.1.1 水平位移特征

由圖8(a)可知:①排土場水平位移沿X方向的變化可以分為 3部分:Ⅰ區(qū)(0～900 mm)、Ⅱ區(qū)(900～1 400 mm)和Ⅲ區(qū)(1 400～2 000 mm)。其中Ⅰ區(qū)產(chǎn)生變形和位移的主導(dǎo)因素為排土底部的飽水黃土軟基;Ⅱ區(qū)的主導(dǎo)因素為飽水黃土基底與天然黃土基底交界所引發(fā)的不均衡受力;Ⅲ區(qū)的主導(dǎo)因素則為上部排土重力。② 排土場左側(cè)(圖8(a)中Ⅰ區(qū))是模型中發(fā)生水平位移最小的區(qū)域,表明該區(qū)域受排土場排土重力的影響不大,變形和位移的主導(dǎo)因素為排土底部的飽水黃土軟基。③各排位移較大的測點

圖8 填筑完成后測點位移Fig.8 The displacement of measuring points after the dumping

主要集中在排土場中部的700～1 300 mm,如圖8(a)中Ⅱ區(qū)所示,即位于飽水黃土與天然黃土交界處上方及其兩側(cè),由于基底黃土的含水量在此處發(fā)生了較大的變化,故容易引起上部排土受力的不均衡,從而導(dǎo)致各排測點的水平位移的峰值集中在該區(qū)域。④ 排土場右側(cè)(圖8(a)中Ⅲ區(qū))的水平位移雖小于Ⅱ區(qū),但是整體大于左側(cè)(圖8(a)中Ⅰ區(qū)),該現(xiàn)象是由于排土的逐層堆積,導(dǎo)致排土場形態(tài)呈現(xiàn)出左低右高的情況,第3,4,5級排土的重力主要作用于排土場右側(cè),故受非均勻重力的影響,排土場右側(cè)的水平位移大于左側(cè)。

3.1.2 豎直位移特征

由圖8(b)可知:①排土場豎直位移沿X方向的變化也可分為 3部分:Ⅰ區(qū)(0～900 mm)、Ⅱ區(qū)(900～1 400 mm)和Ⅲ區(qū)(1 400～2 000 mm)。②排土場豎直位移的峰值區(qū)(Ⅱ區(qū))較水平位移向右側(cè)偏移了200 mm,表明排土場豎直位移受排土自重的影響較大。③ 各測點水平位移的變化在0～300 mm,豎直位移的變化在-500～-1 400 mm,水平位移普遍小于豎直位移,說明排土場邊坡的變形破壞主要受豎直位移的影響。

綜合水平位移和豎直位移的分析,可知排土場因排土逐級堆積而產(chǎn)生的位移主要集中在排土場中部(700～1 500 mm),雖然填筑完成后并未出現(xiàn)明顯的破壞跡象,但是可以預(yù)測破壞應(yīng)當(dāng)最先出現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)。

3.2 基底注水軟化過程中位移場分析

填筑完成后,通過持續(xù)注水使黃土的含水量增加,隨著注水量的繼續(xù)增加至基底黃土達到飽和含水量的60%,在該過程中,第4級邊坡坡頂開始出現(xiàn)裂縫,裂紋位于第4級填筑土的頂部,共2條:第1條裂紋在靠近第5級填筑土的坡腳處,基本平行于第5級坡腳,長約300 mm,寬1～3 mm,平均2 mm;第2條裂紋起始于距第5級坡腳后緣大約100 mm處,長度25 mm,寬1～2 mm,平均約1.5 mm,如圖9所示。

圖9 坡頂裂縫Fig.9 Layout of fissure on the top

隨著注水量的繼續(xù)增加至基底黃土達到飽和,此過程中裂紋繼續(xù)發(fā)展,長度變長,寬度變寬,并且在模型的正面也出現(xiàn)了較為明顯的裂縫,如圖10所示。

圖10 正面裂縫Fig.10 Layout of fissure in the front

觀察地下水入滲對邊坡穩(wěn)定性的影響。圖11是注水試驗后孔各排測點的水平位移和豎直位移的變化曲線。其中,第1排測點位于黃土基底與第1層排土之間,第6排測點位于第5層排土頂部。

圖11 注水完成后測點位移Fig.11 The displacement of measuring points after water injection

注水后,隨著黃土含水量的增加,水平位移和豎直位移進一步增大,且峰值區(qū)(Ⅱ區(qū))的位移增加顯著,說明黃土基底含水量的增加對此處的影響最大,之后在此該區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的裂縫也正是基于此。

3.3 變形機理與破壞模式分析

為了更好地將模型的位移變化展現(xiàn)出來,繪制豎直和水平位移的堆棧圖如圖12所示,其中X為到坡腳的水平距離,Y為到坡腳的垂直距離,Δu為測點的位移變化量。

圖12顯示了排土場不同高度的位移變化,從圖12(a)和(b)可以看出,各排測點水平位移的峰值從下往上基本呈現(xiàn)出向左側(cè)偏移的情形,而圖12(c)和(d)則顯示了相反的偏移,即豎直位移峰值向右偏移,說明飽水黃土軟弱基底對水平位移的影響大于豎直位移。

圖12(a)與(c)比較可知:在持續(xù)注水的過程中,不同高度的測點位移值均發(fā)生了較大的增加,這種情形在圖12(b)與(d)的比較中也有非常明顯的體現(xiàn)。特別是第5排左端的測點,在注水的影響下,水平位移增加66 mm,豎直位移增加55 mm,直接導(dǎo)致在此處出現(xiàn)張拉裂縫,對照模型,可將破壞區(qū)域軟弱滑動面大致描繪如圖13所示。

結(jié)合位移分析圖和模型的破壞區(qū)域形態(tài),可以得出,填筑過程以豎向位移為主,基本穩(wěn)定;隨著基底飽水,模型前部飽水基底處上方變形逐漸增加,變形趨勢向模型后方發(fā)展;由于失穩(wěn)區(qū)范圍有限,以局部破壞為主,具有漸進性破壞的特點。

圖12 不同高度各排測點的位移Fig.12 Displacement of difference the horizontal lines in the model

圖13 模型破壞區(qū)域滑動面形態(tài)Fig.13 Model undermine regional sliding surface morphology

4 結(jié) 論

(1)淤泥質(zhì)黏土在自然狀態(tài)下(含水量約為23.8%),邊坡原設(shè)計排土方案能夠保證邊坡的整體穩(wěn)定性。模型試驗結(jié)果表明,開始排土階段,邊坡變形以淤泥質(zhì)黃土的壓縮變形為主;隨著排土高度的增加,淤泥質(zhì)黃土上部坡體產(chǎn)生了向臨空方向的壓剪變形,水平位移量最大值換算成原型邊坡約為28.4 cm。

(2)第4層排土以后,排棄土基本不在淤泥質(zhì)黃土上部區(qū)域,坡體自重應(yīng)力的增加對淤泥質(zhì)黃土區(qū)域影響不大,隨著邊坡排土高度的增加,坡體變形以天然黃土上方坡體豎向沉降為主,最大沉降量換算成原型約為1.35 m,沉降最大值位于第5層排土的底部靠近右側(cè)模型邊界部位。

(3)黃土基底含水量的持續(xù)增加會直接引起邊坡的破壞失穩(wěn),變形模式為后緣依附淤泥質(zhì)黃土與天然黃土(水坑邊緣)分界面的整體滑動。建議實際工程中,在排棄之前采用排石擠淤等方法對軟弱基底進行處理,另外還應(yīng)做好陰灣露天礦排土場邊坡附近的截排水工作,嚴(yán)防出現(xiàn)積水坑再次積水引起黃土含水量增加的情形。

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Geo-mechanical model experiment research of dumping site?on loess basement

WANG Jun1,2,SUN Shu-wei1,CHEN Chong1
(1.Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Institute of Mine Safety Technology,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

To reveal the deformation mechanism and evolution of potential diseases of the dumping site slope,a series of geo-mechanical model tests was conducted on the background of Yinwan Dumping site slope,Heidaigou open-pit mine.The process of dump slope elevating and groundwater infiltrating into loess basement was simulated.A method to simulate dumping site above the water-saturated loess basement was introduced.During the tests,the influence of water in loess basement was simulated by water injection from the holes on the bottom of the model.The variety of displacement of dumping site above the loess basement under filling,weak base,as well as water-saturated conditions was studied.It shows that,as dump height increased,the main deformation transformed from the shear deformation above the water-saturated loess basement to the vertical settlement above the natural loess basement,and the destruction of the model was caused directly by the continually increasing of moisture content of the loess basement.The destruction mode trailing edge attachment the silty loess and the loess(puddles edge)overall sliding interface.

loess basement;dumping site;slope;geo-mechanical model experiment;stability

TD824

A

0253-9993(2014)05-0861-07

王 俊,孫書偉,陳 沖.飽水黃土基底排土場地質(zhì)力學(xué)模型試驗研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(5):861-867.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0599

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Wang Jun,Sun Shuwei,Chen Chong.Geo-mechanical model experiment research of dumping site on loess basement[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):861-867.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0599

2013-05-06 責(zé)任編輯:王婉潔

國家自然科學(xué)基金資助項目(51034005,41002090);煤炭科學(xué)研究總院技術(shù)創(chuàng)新基金資助項目(2011CX04)

王 俊(1981—),男,遼寧撫順人,博士研究生。Tel:010-84261837,E-mail:wangjunlngd@163.com