滿海忠 任建民 崔 旋 張 宇

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070； 2.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160)

1 概述

礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā)為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活水平的提高做出了重要貢獻(xiàn)，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不可避免的排棄物——排土料。作為露天礦山最主要的剝離物堆置地——排土場(chǎng)，是一種特殊的人工建造形成的高、大散體介質(zhì)堆積體，用于集中堆存礦山采礦排棄物。為實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境效益雙豐收，建設(shè)超高臺(tái)階排土場(chǎng)已成為土場(chǎng)建設(shè)的主要方向[1]。

目前，排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析在工程中廣泛采用線性強(qiáng)度指標(biāo)或分層對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性分析[2-7]。在大型超高排土場(chǎng)中由于散體巖石分布具有明顯的粒徑分級(jí)[8]。顆粒的不均勻性導(dǎo)致堆棄物料力學(xué)性能呈現(xiàn)分層性，對(duì)高排土場(chǎng)穩(wěn)定分析影響較大。在大型邊坡中，由于散體巖石的粒徑分級(jí)導(dǎo)致底部堆積料的力學(xué)性能參數(shù)會(huì)弱化，并非遵循線性原則[8-11]。在排土場(chǎng)堆排過(guò)程中，底部堆石料受到圍壓作用使得顆粒相互滑移、充填、粗大顆粒棱角破碎和重排，即顆粒破碎效應(yīng)。顆粒破碎效應(yīng)引起粒間應(yīng)力重新分布，粒間粘結(jié)力變?nèi)酰瑢?dǎo)致堆石料力學(xué)特性呈現(xiàn)分層性，且表現(xiàn)出明顯非線性性質(zhì)。

本文結(jié)合某鐵礦排土場(chǎng)開(kāi)展排土場(chǎng)邊坡安全穩(wěn)定性的模擬分析。從抗剪強(qiáng)度模型、非線性參數(shù)選取以及采用非線性強(qiáng)度參數(shù)對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析等進(jìn)行了探討，以期對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析提出合理建議。

2 堆石料的抗剪強(qiáng)度

2.1 堆石料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的非線性

Duncan[12,15]在1984年提出的雙曲線應(yīng)力—應(yīng)變模式時(shí)，對(duì)無(wú)黏聚性土彎曲的強(qiáng)度包線提出了以下對(duì)數(shù)關(guān)系式：

φ=φ0-Δφl(shuí)g(σ3/pa)

(1)

其中，φ為土體滑動(dòng)面的摩擦角；φ0為圍壓為一個(gè)大氣壓力下的摩擦角；Δφ為摩擦角增量；σ3為小主應(yīng)力；pa為大氣壓力。

由于鄧肯的雙曲線應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系在我國(guó)得到了廣泛使用，因此，新的DL/T 5395—2007碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定粗粒料抗剪強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)采用對(duì)數(shù)形式的非線性抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，其計(jì)算公式如式(1)所示。

2.2 非線性強(qiáng)度參數(shù)的確定

為了研究排土棄料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，采用室內(nèi)三軸試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究排土棄料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度特性。試驗(yàn)為飽和固結(jié)排水剪(CD)。

破壞點(diǎn)的確定:當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值時(shí)，取峰值點(diǎn)為破壞點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線無(wú)峰值時(shí)，則取應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為破壞點(diǎn)[13]。

試樣在不同圍壓下的(σ1-σ3)—ε1和εv—ε1關(guān)系曲線如圖1,圖2所示。

當(dāng)軸向位移達(dá)到15%時(shí)取值計(jì)算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)度指標(biāo)

在飽和固結(jié)排水剪(CD)條件下，砂卵料的摩擦角為33.4°，粘聚力(咬合力)為0.078 MPa。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理的E-B鄧肯-張模型參數(shù)：砂卵料的K為500，Kb為180。

3 非線性強(qiáng)度指標(biāo)下的邊坡穩(wěn)定分析方法

采用剛體極限平衡法計(jì)算邊坡穩(wěn)定，考慮式(1)所代表的非線性強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，主要問(wèn)題是確定小主應(yīng)力σ3的大小。首先考慮到的是如何得到土條底部法向應(yīng)力σn與土體第三主應(yīng)力σ3之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系式。

剛體極限平衡分析中土條底面法向應(yīng)力σn=Ni/li，其中,Ni為土條i底部法向力;li為土條i底部滑動(dòng)面的長(zhǎng)度。同時(shí)，根據(jù)摩爾—庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，如圖3所示，可得到：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，φe為各土條發(fā)生極限平衡狀態(tài)時(shí)的內(nèi)摩擦角，可以通過(guò)安全系數(shù)來(lái)確定，如式(6)所示：

tanφe=tanφ/FS

(6)

其中，φ為采用非線性參數(shù)得到的內(nèi)摩擦角；FS為安全數(shù)。

從式(5)和式(6)可以看出，內(nèi)摩擦角φ和安全系數(shù)FS存在迭代關(guān)系，所以在計(jì)算中需要不斷迭代計(jì)算，才可使得上述各式得到滿足。將邊坡土體計(jì)算土條劃分越細(xì)時(shí)，得到的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)越接近邊坡的真實(shí)特性。對(duì)于抗剪強(qiáng)度參數(shù)中的另一重要參數(shù)粘聚力c，考慮到其本身對(duì)散體邊坡穩(wěn)定性的影響較小，因此忽略粘聚力帶來(lái)的非線性影響。

4 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析

4.1 模型建立及邊界條件

排土場(chǎng)完成設(shè)計(jì)標(biāo)高堆排時(shí)，總堆置高度為265 m，為探明堆置過(guò)程中顆粒破碎效應(yīng)引起的排土料強(qiáng)度改變對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，本文選取典型排土場(chǎng)設(shè)計(jì)剖面，采用考慮排土料顆粒破碎效應(yīng)的非線性強(qiáng)度指標(biāo)，對(duì)自然工況下設(shè)計(jì)標(biāo)高排土場(chǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了論證，并對(duì)降雨工況和地震工況下的排土場(chǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了校核。

滲流計(jì)算邊界約束條件：垂直邊界面為固定水頭邊界，底面為不透水邊界；上表面穩(wěn)定計(jì)算中為自由面，降雨計(jì)算中為入滲流量邊界，降雨流量為4.3×10-6m/s。

應(yīng)力計(jì)算約束條件：截面底部為X，Y雙向固定約束邊界，兩側(cè)垂直邊界為X向固定約束邊界。計(jì)算模型及單元?jiǎng)澐忠?jiàn)圖4，排土料及地基土層滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 排土料及地基土層滲透系數(shù)

4.2 應(yīng)力變形分析

剖面豎向應(yīng)力和大、小主應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖5，圖6。沿豎直方向從上至下，排土場(chǎng)內(nèi)大主應(yīng)力隨著深度的增加逐漸增大，最大值約為4 000 kPa，小主應(yīng)力呈現(xiàn)出類(lèi)似的趨勢(shì)，排土場(chǎng)底部小主應(yīng)力最大值約為1 200 kPa。需要注意的是，隨著排土場(chǎng)內(nèi)部壓應(yīng)力的增加，排土碎石料的內(nèi)摩擦角存在一定程度的減小，表現(xiàn)為碎石料抗剪強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的弱化。且圍壓(小主應(yīng)力)越大，這種碎石料抗剪強(qiáng)度弱化的效果越大，因此對(duì)于高壓條件下的排土場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，應(yīng)充分考慮高圍壓作用對(duì)碎石料抗剪強(qiáng)度的弱化，以免高估排土場(chǎng)的邊坡抗滑穩(wěn)定性。

4.3 穩(wěn)定性分析

采用堆石料的非線性強(qiáng)度指標(biāo)反映碎石料內(nèi)摩擦角隨著圍壓的變化程度，評(píng)價(jià)了自然工況下排土場(chǎng)典型設(shè)計(jì)剖面的邊坡整體抗滑穩(wěn)定性，并對(duì)降雨工況和地震工況進(jìn)行了校核，以期充分考慮高圍壓作用對(duì)碎石料抗剪強(qiáng)度的弱化，準(zhǔn)確評(píng)估高應(yīng)力條件下排土場(chǎng)的邊坡抗滑穩(wěn)定性。

圖7為計(jì)算剖面內(nèi)摩擦角φ′的分布情況。計(jì)算剖面基于瑞典圓弧法(Ordinary)及簡(jiǎn)化Bishop法的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表3；基于簡(jiǎn)化Bishop法的最危險(xiǎn)滑動(dòng)面見(jiàn)圖8～圖10。

表3 偏崖子區(qū)域E—E剖面邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

可以看出，越遠(yuǎn)離邊坡，φ′值越小。設(shè)計(jì)排土至最終斷面時(shí)，自然工況、降雨工況、地震工況下最小安全系數(shù)分別為1.412，1.306，1.187，滿足《有色金屬礦山排土場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

計(jì)算剖面最危險(xiǎn)滑動(dòng)面形式在不同計(jì)算工況下差別不大，滑入點(diǎn)位于坡頂內(nèi)側(cè)35 m左右，滑動(dòng)面以穿過(guò)排土體為主，從坡腳滑出。相對(duì)于自然工況，降雨工況下排土場(chǎng)安全系數(shù)略有降低，滑塊體積略有增加。這是因?yàn)榻涤暧绊懓镀赂浇磐翀?chǎng)的孔隙水壓力分布，孔壓的增加導(dǎo)致該區(qū)域排土料有效應(yīng)力的降低，降低了該區(qū)域土體的抗滑能力。地震工況下，兩個(gè)剖面的安全系數(shù)均為三個(gè)工況里面最低。這是因?yàn)楫?dāng)水平向慣性力方向指向坡外和豎直向地震慣性力方向數(shù)值向上的時(shí)候，均會(huì)降低土體的抗滑力，降低排土場(chǎng)的安全系數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)大型三軸試驗(yàn)研究了高應(yīng)力對(duì)排土棄料強(qiáng)度特性的影響，提出了一種強(qiáng)度準(zhǔn)則來(lái)反映排土棄料的強(qiáng)度變化特性，并根據(jù)該強(qiáng)度模型對(duì)排土場(chǎng)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。

2)通過(guò)軟件模擬實(shí)現(xiàn)排土棄料內(nèi)摩擦角的折減，進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，分析結(jié)果表明，采用本文提到的強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算的邊坡安全系數(shù)均滿足要求。

3)建議對(duì)于大型超高排土場(chǎng)采用文中提到的強(qiáng)度準(zhǔn)則做穩(wěn)定性分析，以期達(dá)到消除安全隱患的目標(biāo)。