碎石土大型直剪研究與邊坡穩(wěn)定性分析

王新剛，胡 斌，劉 強，余宏明

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，武漢 430074)

1 研究背景

碎石土是指粒徑大于2 mm的顆粒含量超過總質(zhì)量50%的土，在自然界分布十分廣泛［1］。本文室內(nèi)試驗所取土為西藏邦鋪礦區(qū)高陡邊坡上、中、下部碎石土，礦區(qū)碎石土分布廣而密，而邊坡的穩(wěn)定性問題又與土的抗剪強度密切相關(guān)，土體中滑動面的產(chǎn)生就是由于滑動面上的剪應(yīng)力達到土的抗剪強度所引起的。因此，科學地開展土力學試驗、準確地獲取碎石土的抗剪強度指標，客觀、全面地認識碎石土的抗剪性能，是解決工程中碎石土強度問題的基礎(chǔ)，對邦鋪礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析和制訂合理的整治措施具有十分重要的作用。國內(nèi)外許多學者對土石混合料的強度和變形特性進行了理論和試驗研究［2－3］。

以往的研究一般是做三軸圍壓的顆粒破碎性試驗，試驗尺寸效應(yīng)很明顯，且很少考慮不同粒徑級配下顆粒破碎對抗剪強度的影響，而大型直剪儀試樣尺寸較大，可以在最大程度上保留土樣的原始級配，弱化尺寸效應(yīng)，且直剪試驗操作簡便、適用范圍廣，而應(yīng)用最為普遍。隨著國內(nèi)外學者對碎石土工程特性的研究逐步深入，上世紀60年代以后，陸續(xù)研制了一系列適用于碎石土的試驗儀器，例如大型直剪儀、大型三軸剪切儀、大型擊實儀、大型振動密實儀及大型管涌滲透儀等，對粗粒土的壓實特性、抗剪強度特性、滲透特性等進行了深入研究，提出了許多有實用價值的成果。本文采用中國科學院武漢巖土力學研究所與香港大學聯(lián)合研制的應(yīng)變控制式大型室內(nèi)及現(xiàn)場兩用直剪儀進行研究分析高原碎石土物理性質(zhì)，進而獲取數(shù)值模擬所必需的參數(shù)，進行高陡碎石土邊坡穩(wěn)定性分析［4－6］。

2 室內(nèi)試驗

2.1 試驗儀器

本文采用大型室內(nèi)及現(xiàn)場兩用直剪儀研究，本次試驗采用的兩用直剪儀屬于拼裝式結(jié)構(gòu)，主要由整體可拆卸式外框架、水平加載系統(tǒng)、垂直加載系統(tǒng)、剪切盒(見圖1)等組成。剪切盒的凈空幾何尺寸為:長 ×寬 ×高 =500 mm×500 mm×410 mm。下剪切盒與整體框架連接在一起，上、下剪切盒之間的最大開縫寬度為10 mm，見圖1。由于此直剪儀剪切過程中下剪盒固定，上剪盒只能在水平面內(nèi)移動，所以剪切縫不會由于試樣的剪脹作用而發(fā)生改變，從而使試樣的變形較傳統(tǒng)的直剪儀更加均勻，大大減小了試驗的尺寸效應(yīng)，使其結(jié)果更加合理真實。

2.2 試樣制備

圖1 直剪儀與剪切盒Fig.1 The direct shear apparatus and shear box

試驗樣品分別取自西藏邦鋪礦區(qū)自然邊坡不同海拔的高原碎石土，具有黏結(jié)力很小、大顆粒多的特點。1#，2#，3#土取自自然邊坡上部海拔5 000 m處，4#，5#土取自自然邊坡中部海拔 4 800 m 處，6#，7#土取自自然邊坡下部海拔4 700 m處。土樣規(guī)格為30 cm×30 cm×30 cm。取樣前先去除了表層0.3 m厚的松散堆積層，然后用專用切土刀切取。為避免運輸過程中含水率的改變，保證土體的原狀結(jié)構(gòu)不受到破壞，將土樣密封在雙層防水袋中并裝在與土樣規(guī)格相應(yīng)的木箱中，如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場取土樣Fig.2 Collecting field soil samples

2.3 試驗結(jié)果

對土樣進行大型剪切試驗(試樣尺寸25 cm×25 cm×25 cm)，試驗垂直壓力分別為100，200，300，400 kPa，以獲取原狀土樣的力學參數(shù);上下剪切縫預(yù)留1 cm，采用均勻速率推動上剪切盒，在試驗過程中計算機自動采集了試樣的應(yīng)力和應(yīng)變，采用繪圖軟件后處理，取礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析的3個區(qū)域(上、中、下)的土樣(1#，4#，7#)分析，試驗結(jié)果如圖3，表1所示。

由圖3可以看出當剪應(yīng)力低時，土樣的剪切位移呈“蠕變”較慢變形，隨著的剪切位移增加，試樣的剪切位移速率逐漸增大。碎石土在低垂向壓力下具有峰值強度，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特性;在高垂向壓力下呈現(xiàn)弱硬化型，說明高原碎石土在長期凍融作用下和高地應(yīng)力的作用下，具有一定結(jié)構(gòu)性的強度。

3 數(shù)值模型及參數(shù)選擇

采用三維數(shù)值模擬軟件FLAC3D進行分析，該軟件是美國明尼蘇達Itasca軟件公司編制開發(fā)的三維顯式有限差分程序，是目前國際巖土工程界十分推崇的計算機軟件，F(xiàn)LAC3D應(yīng)用有限差分方法建立了

圖3 大剪試驗曲線圖Fig.03 Curves of the results of large direct shear test

表1 室內(nèi)大型直剪剪切試驗成果Table 1 Test results of indoor large direct shear test

單元應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)點位移等計算方程，使軟件能夠在使用較小內(nèi)存、保證較高精度和較快運算速度的條件下建立大規(guī)模的數(shù)值模擬坐標，適合于建立大變形非線性模型，對大變形情況應(yīng)用效果更好，主要應(yīng)用于工程地質(zhì)和巖土力學分析，如礦山滑坡等。

3.1 模 型

模型以西藏邦鋪礦區(qū)北東部剖面為例(圖4)，西藏邦鋪礦區(qū)位于地處念青唐古拉山南西麓的雅魯藏布江之拉薩河谷中游地帶，區(qū)內(nèi)山巒疊嶂、河谷縱橫，地勢總體為北東高西低，地形起伏較大，一般海拔4 426～5 341 m之間，相對高差約915 m，坡度大、海拔高、相對高差大，屬高山深切割區(qū)。

北東部剖面線走向約北偏東30°，近乎垂直臺階坡面，便于分析該礦區(qū)開采后的邊坡穩(wěn)定性問題，模型選用一期境界右半部分分析。采用有限元分析軟件ANSYS的前處理平臺，建立了西藏邦鋪北東邊坡工程地質(zhì)數(shù)值仿真計算模型，共劃分單元13 644個、節(jié)點13 950個(圖5)。

圖4 北東剖面工程地質(zhì)圖Fig.4 Engineering geological profile in the northeast of the mining area

圖5 北東部剖面計算模型圖Fig.5 Computation model of the northeast profile

3.2 模型參數(shù)

室內(nèi)土力學性質(zhì)試驗對邊坡穩(wěn)定性分析和數(shù)值模擬計算提供必要的物理力學指標參數(shù)。數(shù)值模型采用摩爾庫倫模型，粘聚力、摩擦角由大型剪切試驗獲得，所需的彈性模量由室內(nèi)試驗所得的壓縮模量等獲取。

由文獻［7］可知:

式中:Es為壓縮模量［11］;e0為碎石土初始空隙比;av為壓縮系數(shù)。根據(jù)公式

可以求得碎石土的彈性模量。

式中:E為彈性模量;μ為泊松比。

體積模量為

切變模量為

綜合室內(nèi)試驗與大型直剪試驗結(jié)果以及公式(1)至公式(4)可得西藏邦鋪礦區(qū)北東部邊坡數(shù)值計算模型參數(shù)(表2)。

表2 數(shù)值計算模型參數(shù)Table 2 Parameters of the numerical model

4 西藏邦鋪礦區(qū)北東部邊坡數(shù)值分析

4.1 北東部邊坡位移分析

位移分析見圖6，數(shù)據(jù)區(qū)的單位為m，水平位移指向坡外為負號。從圖6中可知:最大累計位移約為4.17 m，方向為指向坡體外面，出現(xiàn)的高程約為4 980～5 000 m。從上面的整體分析來看，在4 993～5 100 m出現(xiàn)了開挖不穩(wěn)定情況，需要對設(shè)計邊坡角進行修正。

圖6 北東部邊坡開挖位移圖Fig.6 Displacement of excavated slope in the northeast of the mining area

4.2 北東邊坡開挖剪應(yīng)力分析

剪應(yīng)力分析見圖7，數(shù)據(jù)區(qū)應(yīng)力的單位是Pa，方向以拉為正。從圖7可知:北東部邊坡開挖后其剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在計算模型的底部，并且隨著高程的增加其值減小，但在邊坡坡面以下附近出現(xiàn)局部應(yīng)力增大區(qū)，在臺階底部4 498 m位置出現(xiàn)剪應(yīng)力集中。

4.3 北東邊坡開挖塑性區(qū)分析

從北東邊坡開挖后的塑性區(qū)的特征來看(圖8)，在邊坡的頂部出現(xiàn)了連通的塑性區(qū)域，并且在沿著開挖卸荷方向出現(xiàn)了塑性區(qū)的擴展延伸，說明在邊坡頂部可能會出現(xiàn)滑動面，并且還會沿著邊坡的開挖卸荷不斷地加劇，使邊坡失穩(wěn)。

圖7 北東部邊坡開挖剪應(yīng)力圖Fig.7 Shear stress of excavated slope in the northeast of the mining area

圖8 北東部邊坡開挖塑性區(qū)圖Fig.8 Plastic zone of excavated slope in the northeast of the mining area

5 結(jié)論

(1)本文采用大型室內(nèi)剪切儀進行研究分析高原碎石土物理性質(zhì)，減小了試驗的尺寸效應(yīng)，使其結(jié)果更加合理真實，進而獲取了數(shù)值模擬所必需的參數(shù)。分析研究西藏邦鋪礦區(qū)北東部高陡碎石土邊坡，為同類地區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析提供了可行的研究思路和方法。

(2)由圖3可以看出，當剪應(yīng)力低時，土樣的剪切位移呈“蠕變”較慢變形，隨著剪切位移增加，試樣的剪切位移速率逐漸增大。碎石土在低垂向壓力下具有峰值強度，呈現(xiàn)應(yīng)變軟化的特性;在高垂向壓力下呈現(xiàn)弱硬化型。

(3)分析表明:西藏邦鋪礦區(qū)北東部邊坡開挖后，邊坡坡面以下附近出現(xiàn)局部剪切應(yīng)力增大區(qū)(圖7);邊坡的頂部出現(xiàn)了沿著開挖卸荷方向連通的塑性區(qū)域(圖8)，邊坡頂部可能會出現(xiàn)滑動面，并且還會沿著邊坡的開挖卸荷不斷地加劇，使邊坡失穩(wěn)。需要對開挖邊坡角進行合理的修正或者進行必要的邊坡支護整治，以達到礦山安全生產(chǎn)的目的。

(4)結(jié)合大型剪切試驗、室內(nèi)試驗成果、理論公式，利用國際知名軟件，可以更為準確地建立地質(zhì)模型，分析高陡碎石土邊坡穩(wěn)定性。

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