陳岳會，劉 銀，楊郜輝，李紹斌，肖 歡，馬沁春

（鶴慶北衙礦業(yè)有限公司，云南 大理 671507）

某露天礦山采場南北長約1 550 m，東西寬約1 400 m，臺階標高（1 924～1 564）m，垂高360 m，臺階高10 m，清掃平臺寬13 m，安全平臺寬6 m，臺階坡面角60°，道路采用螺旋式運輸，布設在巖石條件較好，且相對壓礦較少部位，道路寬12 m，最小轉彎半徑15 m。

由于近年來礦山資源的探獲，具有改擴建的前景，擴幫采礦可充分利用礦石資源，增加服務年限，創(chuàng)造經濟效益。目前礦山邊坡相對較為穩(wěn)定，由于雨水的沖刷局部出現(xiàn)小面積垮塌，為保證后期擴幫采礦的安全及合理的工程設計，決定對現(xiàn)有邊坡的巖體力學性質進行研究，以取得巖體的抗壓、抗剪強度參數值?，F(xiàn)巖體力學參數選取方法研究較多[1-7]，也取得了一些成果，但邊坡巖體力學參數的選取問題仍是巖石力學領域的重要研究內容。現(xiàn)代科技的發(fā)展、各種計算方法和技術手段的不斷進步，已經能夠采用數值分析方法解決復雜巖質邊坡工程穩(wěn)定問題?？紤]到數值分析計算的準確性和巖體力學參數取值選取的可靠性，結合各方法的應用分析確定，試驗是確定巖體力學參數取值研究最基本的手段和方法，通過室內巖石力學試驗[8-9]和原位巖體力學試驗[15-18]獲取。

1 研究區(qū)域邊坡概況

研究區(qū)域主要為露天采場的西南部邊幫，該區(qū)域邊坡垂高約320 m，巖體走向近南北，總體傾向西，北高南低，向南西側伏，呈巖株產出，上盤接觸帶產狀較規(guī)整，下盤接觸帶產狀較復雜，總體傾角43°～85°，巖性主要為褐紅色含砂礫粘土、灰質角礫巖及灰?guī)r。其中有三組發(fā)育陡傾節(jié)理，兩組傾向西北；一組傾向北東，且與坡面斜交，貫通長度幾米到十幾米為主，受F6、F30斷層影響，巖體較為破碎完整性較差，普遍有鈣質膠結，整體破壞是順傾節(jié)理和斜切灰?guī)r為主，淺層潛在破壞以楔形破壞為主，灰?guī)r有少量涌水點。從節(jié)理分布上來看，主要為一組傾向 80°、傾角80°和一組傾向 280°、傾角 60°的陡傾節(jié)理，與坡面正交為主。

2 邊坡巖體力學試驗

2.1 室內巖石力學試驗

為了更好的反應巖石條件情況，選取合理巖體力學參數，室內巖石力學試驗采用單軸壓縮[10-11]和結構面剪切兩種形式進行[12-13]。

2.1.1 單軸壓縮試驗

根據現(xiàn)場情況，選取有代表性的巖石，依據《工程巖體試驗方法標準》（GBT 50266-2013）[14]制樣，采用RMT-150C巖石力學試驗系統(tǒng)加載，對巖石的自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)進行壓縮試驗，如圖1和圖2。

圖1 試驗制樣Fig.1 Sample preparation test

圖2 試樣抗壓試驗Fig.2 Compression test for samples

通過試樣加載抗壓試驗統(tǒng)計結果，利用單軸抗壓強度公式計算各試樣的抗壓強度，見表1。

表1 各試樣結果統(tǒng)計及單軸抗壓強度計算表Tab.1 Results statistics of each samples and calculation list for uniaxial compressive strength

式中：R：巖石抗壓強度，MPa；

P：最大破壞荷載，N；

A：垂直于加荷方向的試樣面積，m2。

考慮到現(xiàn)場巖體巖性分布的不均勻性和復雜性、以及取樣過程可能對巖樣造成的損傷，為保證試驗數據的可靠性，取所有試樣干燥和飽和狀態(tài)下抗壓強度的平均值作為該區(qū)的抗壓強度，見表2。

表2 巖石抗壓強度平均值表Tab.2 The average list for rock compressive strength MPa

2.1.2 巖石結構面剪切試驗

根據現(xiàn)場情況，選取有代表性的巖石，依據《工程巖體試驗方法標準》（GB/T50266-2013）[14]和《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）、《非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》（GB51016-2014）等進行制樣，采用法向千斤頂對制樣后的巖石施壓，做剪切試驗，如圖3和圖4。

圖3 試驗制樣Fig.3 Sample preparation test

圖4 試樣剪切試驗Fig.4 Sample shear test

各法向荷載下，作用于剪切面上的法向應力和剪應力分別按如下公式計算：

式中：б：作用于剪切面上的法向應力，MPa；

τ：作用于剪切面上的應力，MPa；

P：作用于剪切面上的法向荷載，N；

Q：作用于剪切面上的荷載，N；

A：有效剪切面積，m2。

將試驗各階段法向應力結果，按庫倫表達式繪制各法向應力下的剪應力與剪切位移關系曲線圖，見圖5；確定試樣的抗剪強度值，見表3。

圖5 試樣結構面抗剪強度曲線圖Fig.5 Shear strength curve chart of test sample surface

表3 巖石抗剪強度試驗結果表Tab.3 Results of rock shear strength test

2.2 巖體原位力學試驗

為使所選取的巖體力學參數更貼切實際，且更好的服務礦山，根據現(xiàn)場情況選取具有代表性的試驗點（7個），對飽和狀態(tài)下巖體進行原位力學試驗[15-18]，試驗形式如圖6。

圖6 原位力學試驗設計圖Fig.6 Design drawing of in-situ mechanical test

通過原位試驗各階段情況，繪制剪應力與法向應力的關系曲線圖，見圖7；變形模量圖，見圖8。

圖7 巖體剪切強度曲線圖Fig.7 Curve chart of rock shear strength

圖8 巖體變形模量圖Fig.8 Modulus chart of rock mass deformation

采用庫侖定律計算巖體的抗剪強度，見表4；采用變形模量和彈性模量公式計算變形模量和彈性模量值，見表5。

表4 巖體抗剪強度結果表Tab.4 Results of rock mass shear strength

表5 巖體變形模量和彈性模量表Tab.5 Rock mass deformation modulus and elastic modulus list

式中，τf：剪切破壞面上的剪應力，kPa；即巖土體的抗剪強度；

σ：破壞面上的法向應力，kPa；

c：巖土體的粘聚力，kPa；

φ：巖土體的摩擦角，°；

依據所測得的τf可推求出相應的C、φ值。

式中：σ：法向應力，kPa；

τ：切向應力，kPa；

變形模量和彈性模量公式：

式中：E：巖體彈性模量，MPa；當以總變形W0代入計算為變形模量E0；當以彈性變形We代入計算為彈性模量Ee；

μ：泊松比；

D：承壓板直徑或邊長，m；

p：按承壓板面積計算的壓力，MPa；

W：巖體變形，cm。

3 巖體力學參數綜合取值

3.1 巖體力學參數取值方法

根據前述試驗選點基本原則，通過對試驗選點后進行的巖體試樣觀察，整體均符合選擇相對較弱且具有代表性巖層的預定目標。

結合《巖土工程勘察規(guī)范》，巖土參數應根據工程特點和地質條件選用，并按下列內容評價可靠性和適用性：①取樣方法和其他因素對試驗結果的影響；②采用的試驗方法和取值標準；③不同測試方法所得結果的分析比較；④測試結果的離散程度；⑤測試方法與計算模型的配套性。

巖土參數按如下公式計算平均值、標準差和變異系數：

式中：φm：巖土參數平均值

σf：巖土參數標準值

δ：巖土參數變異系數

3.2 巖體質量評價的試驗參數分析

根據《工程巖體分級標準》 GB/T50218-2014，巖體基本質量指標BQ的確定，分級因素的定量指標Rc的兆帕數值和Kv，按下式計算：

式中：Rc：巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；

Kv：巖體完整性指數。

體積密度Jv在10～20條之間，對應的Kv平均為0.45。此外，現(xiàn)場巖體波速經驗值2 800 m/s左右，巖塊波速經驗值4 200 m/s左右，Kv=巖體波速/巖塊波速的平方，其值為0.44。根據室內單軸試驗結果，巖石飽和單軸抗壓強度RC取65 MPa，計算BQ為405。

3.3 巖體力學參數建議值

3.3.1 結構面抗剪強度建議值

根據結構面剪切試驗結果，巖石結構面抗剪強度建議取值，見表6。

表6 巖石結構面抗剪強度建議取值表Tab.6 Recommended value list for shear strength of rock structure surface

3.3.2 巖石抗壓強度建議值

根據巖石單軸壓縮試驗結果，給出巖石抗壓強度和軟化系數建議值，見表7。

表7 巖石抗壓強度和軟化系數建議值表Tab.7 Recommended value list for rock compressive strength and softening coefficient

3.3.3 巖體抗剪強度建議值

將前述各原位試驗點剪切試驗數據匯總，根據巖土工程勘察規(guī)范中的標準值計算方法，計算不同測點的巖體抗剪強度標準值，見表8。

表8 飽和狀態(tài)下巖體抗剪強度標準值表Tab.8 Standard value of rock mass shear strength under saturated state

由于1號試驗點有F6和F30斷層帶通過且局部崩塌滑坡，部分區(qū)域巖體相對破碎，而現(xiàn)場不允許也不能在巖體性質最差的區(qū)域開展試驗。試驗點選擇是巖體完整性相對較好的部位，因此得到的巖體抗剪強度值較高。

結合邊坡工程地質分區(qū)反分析計算結果，說明崩塌段整體穩(wěn)定性處在臨界狀態(tài)之上，雖然有相當比例的完整性較好的巖層，但取較破碎的巖層抗剪強度作為此區(qū)域的抗剪強度建議值，具有一定安全儲備。建議按下表取值，見表9。

表9 巖體抗剪強度建議取值表Tab.9 Recommended value list for shear strength of rock mass

3.3.4 巖體抗拉強度建議值

根據國際巖石力學學會建議的巖體抗拉強度估算方法，可由巖體抗剪強度比較可靠地估算巖體的抗拉強度，估算公式如下：

式中：бmt：巖體抗拉強度，kPa

c和φ為巖體的抗剪強度參數。

計算巖體抗拉強度建議值，見表10。

表10 巖體抗拉強度建議值表Tab.10 Recommended value list for rock mass tensile strength

3.3.5 巖體變形參數建議值

根據現(xiàn)場巖體變形試驗結果，為確保安全，取各試驗點中變形模量和彈性模量的較小值，作為各分區(qū)巖體變形參數建議值，見表11。

表11 變形參數建議值表Tab.11 Recommended value list for deformation parameters

4 結語

從試驗角研究度看，整體試驗過程及分析符合室內和原位試驗的相關規(guī)定及要求，試驗結果清晰透徹，所得巖體參數值具有較強的代表性，可靠度高，可滿足礦山擴幫設計需求，可直接應用于擴幫設計中，同時可作為礦山擴幫生產的安全評估依據。