孫 貝，王 鷹，田 闖

(中冀建勘集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050200)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性問題一直以來都受到國內(nèi)外學(xué)者的大量關(guān)注，近年來很多學(xué)者對其進(jìn)行了大量研究。例如：馮文凱[1]等研究了高烈度地震區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，同時提出了采用殘余變形率對露天臺階式組合邊坡的地震裂變累計(jì)的研究規(guī)律；黃亮[2]采用非線性有限元分析法和多重網(wǎng)格法對水電站邊坡進(jìn)行的大量的研究，研究結(jié)果顯示開挖對邊坡淺層的安全影響較小，深層的影響較大。本文采用力學(xué)試驗(yàn)和三維數(shù)值計(jì)算的方法對破碎巖體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析。

1 工程概況

某礦山為石灰?guī)r礦山，該礦山處于西南某地區(qū)，常年受降雨影響，該地區(qū)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體呈現(xiàn)出大量破碎現(xiàn)場，又因?yàn)樵摰V山為沉積巖，巖體中存在很多的軟弱結(jié)構(gòu)層，其中以部分泥巖、頁巖居多。該地區(qū)的地質(zhì)條件在后期的生產(chǎn)中受開采條件的影響，邊坡時常有浮石冒落，邊坡巖體呈現(xiàn)出極不穩(wěn)定的特點(diǎn)。為滿足現(xiàn)場施工生產(chǎn)，科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場的安全施工，需對該破碎邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

2 力學(xué)試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，該礦山的巖質(zhì)邊坡節(jié)理裂隙發(fā)育，后期在巖漿巖的入侵下，巖體變的支離破碎，且該地區(qū)降雨量豐富，在大氣降水的影響下，水流沿著巖體裂隙浸入到巖體中，對巖體產(chǎn)生了不同程度的破壞，組成巖體的巖石在水的作用下，發(fā)生了不同程度的變化，因此需對該破碎巖體的巖性特征進(jìn)行力學(xué)測試。通過現(xiàn)場采樣并通過切割機(jī)將巖樣切割成塊，如圖1所示，而后進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備的樣本

圖2 單軸抗壓試驗(yàn)曲線(部分圖件)

由圖2可知，巖石物理力學(xué)性質(zhì)存在很大的差異，各個方向的巖石性質(zhì)均不一樣，且試驗(yàn)過程中出現(xiàn)4次破壞狀態(tài)，同時出現(xiàn)了4次峰值，由此可知，巖石具有極強(qiáng)的不均質(zhì)性。同時根據(jù)圖2可知該巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度約為60.02 Mpa，彈性模量為約為19.76 GPa。

3 巖體的質(zhì)量評價(jià)

根據(jù)非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016-2014)，將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)以及規(guī)范中不同條件下的節(jié)理裂隙的相應(yīng)參數(shù)對邊坡巖體的質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)。經(jīng)計(jì)算得到該破碎巖體的相應(yīng)參數(shù)，如表1所示。

表1 破碎巖體邊坡物理力學(xué)參數(shù)

4 破碎巖體邊坡的變形規(guī)律

由于FLAC3D數(shù)值模擬軟件通常被應(yīng)用在工程地質(zhì)問題之中，是目前最常用的研究地質(zhì)條件的軟件之一，具有較大的權(quán)威性，因此本文采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對破碎巖體邊坡的變形規(guī)律進(jìn)行研究。模擬中采用摩爾-庫倫彈塑性[3-4]本構(gòu)模型，對邊坡進(jìn)行分析。

4.1 自然狀態(tài)的邊坡的位移分析

根據(jù)現(xiàn)場的時間工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維地質(zhì)邊坡計(jì)算模型，并對邊坡的水平位移和邊坡的最大主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，研究在自然狀態(tài)和暴雨兩種條件下的邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征。

從圖3可以看出，露天臺階邊坡水平位移方向指向臨空面，單位為正，最大水平位移約為11.71 mm，主要集中在臺階坡面處，邊坡整體未出現(xiàn)大的位移。

圖3 自然狀態(tài)下邊坡水平形變量

4.2 暴雨條件下邊坡的位移分析

從圖4可以看出，邊坡開挖結(jié)束后，在暴雨工況下，巖體受降雨和滲流作用的影響，力學(xué)強(qiáng)度降低，出現(xiàn)水平方向的最大位移量約為11.84 mm，方向指向坡外，單位為正，與自然工況相比在暴雨作用下臺階坡面水平位移增加了0.13 mm，主要集中在臺階坡面處，邊坡整體未出現(xiàn)大的位移。

圖4 暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡水平形變量

5 邊坡安全系數(shù)計(jì)算

5.1 極限平衡法的原理

邊坡安全系數(shù)的計(jì)算采用極限平衡法的Slide數(shù)值摸軟件進(jìn)行，其原理為：

露天礦開采形成的最終臺階形邊坡的的力學(xué)解析圖如圖5所示，安全系數(shù)的計(jì)算方法為：

圖5 臺階形邊坡力學(xué)解析圖

(1)

(2)

式中：l表示BC間的距離，將式(1)帶入式(2)，可得：

(3)

滑體自重W可表示為：

(4)

(5)

類似折線形邊坡，取

(6)

利用式(1)～式(3)可得臺階形邊坡的安全系數(shù)F、最不利的滑面傾角α0及最小安全系數(shù)Fmin。

5.2 模擬結(jié)果

暴雨對邊坡的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)降雨使土體的水膜加厚，使得土顆粒的距離增加，土體的抗剪強(qiáng)度變低；

(2)降雨使得土體的c,φ值降低；

(3)降雨對邊坡表面有沖擊作用；

本次在用Slide分析邊坡穩(wěn)定性的時候，首先考慮的是土體的c,φ值得降低，以及地下水的影響，圖6中“w”是根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際測得的，根據(jù)大氣降水以及巖石節(jié)理裂隙條件綜合判定的水的滲流深度。模擬中除了考慮水的影響，同時考慮了降雨荷載對邊坡的影響，模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 暴雨?duì)顟B(tài)下最大主應(yīng)力分布圖

根據(jù)圖6可知，在暴雨工況下，荷載主要為土體的自重荷載和暴雨荷載，該邊坡可能滑動面主要出現(xiàn)在第二級臺階處。剖面的最小安全系數(shù)約為1.8。

綜上所述，該邊坡在降雨條件下，邊坡整體處于穩(wěn)定性狀態(tài)，但邊坡在坡面臺階處存在明顯位移，說明該邊坡受降雨影響，邊坡局部會發(fā)生冒落或局部發(fā)生坍塌事件。

因此需采取相應(yīng)措施對邊坡進(jìn)行維護(hù)，例如對較破碎地方進(jìn)行掛網(wǎng)或在邊坡底部修筑安全擋墻，以防止冒落的碎石威脅到現(xiàn)場的生產(chǎn)安全。

6 結(jié)語

本文針對某礦山露天采場終了巖質(zhì)破碎邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，旨在為礦山的安全生產(chǎn)做出科學(xué)指導(dǎo)，其主要結(jié)論如下所示：

(1)邊坡巖體的物理力學(xué)性質(zhì)存在很大的差異，且在降雨條件下更是如此。巖石在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)4次破壞狀態(tài)，同時出現(xiàn)了4次峰值，由此可知，巖石具有極強(qiáng)的不均質(zhì)性。

(2)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知該巖石的單軸極限抗壓強(qiáng)度約為60.02 Mpa，彈性模量為約為19.76 GPa。

(3)露天臺階邊坡水平位移方向指向臨空面，單位為正。巖體受降雨和滲流作用的影響，力學(xué)強(qiáng)度降低，出現(xiàn)水平方向的最大位移量約為11.84 mm，方向指向坡外，單位為正，與自然工況相比在暴雨作用下臺階坡面水平位移增加了0.13 mm，主要集中在臺階坡面處，邊坡整體未出現(xiàn)大的位移。

(4)在暴雨工況下，荷載主要為土體的自重荷載和暴雨荷載，該邊坡可能滑動面主要出現(xiàn)在第二級臺階處。剖面的最小安全系數(shù)約為1.8。

(5)建議礦山采取掛網(wǎng)或在邊坡底部修筑安全擋墻的措施對邊坡進(jìn)行維護(hù)，以確保采場的生產(chǎn)安全。