順層巖質(zhì)邊坡滑坡機(jī)理分析及工程治理*

熊齊歡 田 路 刁 虎

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司;4.首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦)

順層巖質(zhì)邊坡滑坡機(jī)理分析及工程治理*

熊齊歡1,2,3田 路4刁 虎1,2,3

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司;4.首鋼礦業(yè)公司水廠鐵礦)

為了應(yīng)對(duì)順層巖質(zhì)邊坡的潛在威脅，從力學(xué)角度分析，得出順層巖質(zhì)邊坡的3種平面破壞類型及各破壞類型的發(fā)生條件和影響因素，在此基礎(chǔ)上，研究了預(yù)應(yīng)力錨桿(索)加固機(jī)理。隨著預(yù)應(yīng)力的施加，滑面上下巖體之間的相互擠壓提高，同時(shí)潛在滑體的破壞模式也由第一向第二、第三類型發(fā)展，提高了滑坡條件，有利于邊坡的穩(wěn)定與安全。以水廠鐵礦K2路基順層巖質(zhì)邊坡為例，分析了該邊坡的破壞類型，計(jì)算了加固方案中的相關(guān)參數(shù)，得到了良好的加固效果。

順層巖質(zhì)邊坡 破壞機(jī)理 治理

順層巖質(zhì)邊坡與坡面的走向、傾向基本相同，主要由沉積巖、變質(zhì)沉積巖經(jīng)風(fēng)化或者開(kāi)挖卸載后回彈所形成，具有節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)面貫通性好等特點(diǎn)，因此其結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度低，潛在滑面多，加固困難。

在巖土工程的理論研究與實(shí)踐中，對(duì)于滑坡邊坡誘發(fā)機(jī)理的研究一直是一個(gè)難題[1-2]。唐建新等根據(jù)高速公路邊坡的演化過(guò)程，分析了不同產(chǎn)狀邊坡在人工開(kāi)挖作用下的滑坡機(jī)理[3]；張明等研究了降雨作用下邊坡失穩(wěn)機(jī)理[4]；鄒宗興等根據(jù)滑坡滑面的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，研究了滑坡過(guò)程中滑坡力學(xué)參數(shù)的弱化規(guī)律并提出了破壞地質(zhì)力學(xué)模型[5]；吳坤等通過(guò)對(duì)渝湘高速黔江段地質(zhì)勘查分析以及試驗(yàn)結(jié)果，深入研究了滑動(dòng)破壞的機(jī)理并提供了相應(yīng)的治理措施[6]。但對(duì)礦山順層邊坡在動(dòng)力作用下的破壞機(jī)理研究相對(duì)較少，本文針對(duì)水廠鐵礦露天礦山K2路基邊坡滑坡機(jī)理進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的治理措施。

1 順層巖質(zhì)邊坡力學(xué)破壞分析

根據(jù)坡面角α、巖層傾角β和結(jié)構(gòu)面的內(nèi)摩擦角φ之間的關(guān)系，將順層巖質(zhì)坡面分為六類。在靜力作用下，當(dāng)φ<β<α?xí)r，順層巖質(zhì)邊坡不穩(wěn)[7],在地震、爆破作業(yè)、人工開(kāi)挖或雨水沖刷等外界誘導(dǎo)下，其他幾類邊坡都可能發(fā)生失穩(wěn)與破壞。

圖1 滑體受力示意

在y方向合力為：

(1)

在x方向的合力為：

(2)

式中，fix、fiy分別為各力Fi沿坡面方向和垂直坡面方向的合力。

在動(dòng)力作用下，滑體除了可能沿滑面發(fā)生滑動(dòng)破壞外，還可能向凌空面發(fā)生拋擲破壞。

1.1 第一破壞模式

當(dāng)Fy大于巖橋的極限抗拉荷載時(shí)，滑體在垂直滑面方向失去平衡，在y方向外力作用下，滑體產(chǎn)生垂直于滑面方向的加速度，并飛離基巖，呈現(xiàn)拋擲破壞。此時(shí)的破壞條件可表示為：

Fy>klσc,

(3)

式中，k為巖體結(jié)構(gòu)面連續(xù)性系數(shù)；l為潛在滑面長(zhǎng)度；σc為巖橋抗拉強(qiáng)度。

另外，工作坊雖然可以為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)、探索創(chuàng)新的平臺(tái)，其不僅需要從教學(xué)方法上進(jìn)行探討，還要從硬件環(huán)境上予以保證[12]：學(xué)校要為工作坊提供充足的工作空間、設(shè)備、材料和制度支持等，如：建立完善的校內(nèi)專業(yè)實(shí)訓(xùn)室并堅(jiān)持對(duì)學(xué)生開(kāi)放，選聘優(yōu)秀的實(shí)訓(xùn)教師，鼓勵(lì)學(xué)生申報(bào)科研項(xiàng)目、實(shí)踐訓(xùn)練項(xiàng)目和創(chuàng)新項(xiàng)目，做好管理工作等，保證工作坊的健康、可持續(xù)發(fā)展。

1.2 第二破壞模式

當(dāng)Fy沿y軸負(fù)向，但x方向抗滑力不足以抵消該方向的下滑力時(shí)，滑體呈現(xiàn)平面滑動(dòng)破壞。此時(shí)的破壞條件可表示為：

(4)

式中，τ0為巖橋的抗剪強(qiáng)度;Fn為滑體與滑床之間的擠壓彈力。

1.3 第三破壞模式

當(dāng)Fy沿y軸正向，但是Fy不足以抵抗巖橋的抗拉力，x方向的抗滑力不足以抵消下滑力時(shí)，滑體同樣呈現(xiàn)平面滑動(dòng)破壞。其破壞條件為：

(5)

巖石抗壓不抗拉，在第一破壞模式下巖橋極易發(fā)生破壞，然而只有在強(qiáng)震作用下，垂直坡面方向動(dòng)力才可能克服滑體重力在垂直坡面方向的分力，使得Fy>klσc>0，導(dǎo)致滑體拋擲破壞。由于巖石的抗拉強(qiáng)度很小，對(duì)其抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果反推，拉剪強(qiáng)度應(yīng)小于其壓剪強(qiáng)度。比較式(4)、式(5)也很容易發(fā)現(xiàn)，第三破壞模式比第二破壞模式中巖體的破壞強(qiáng)度要小很多。如果巖體呈現(xiàn)第三破壞形式時(shí)，同樣要克服巖體重力沿坡面方向的分力，所以該破壞形式與第一破壞形式條件類似，即高陡邊坡在強(qiáng)震作用下發(fā)生；第二種破壞形式最常見(jiàn)，很多滑坡機(jī)理的研究都是基于這種破壞形式展開(kāi)的，然而在該滑坡形式下，滑體的強(qiáng)度較第一、第三要大很多。

2 加固機(jī)理

在滑體力學(xué)破壞機(jī)理的分析中，當(dāng)Δx、Δy中有一個(gè)不等于0時(shí)，邊坡便呈現(xiàn)失穩(wěn)狀態(tài)，因此加固方案的基本出發(fā)點(diǎn)是通過(guò)改變滑體的應(yīng)力狀態(tài)，避免x方向或y方向受力的不平衡。

在預(yù)應(yīng)力錨索+框架梁聯(lián)合加固體系中，預(yù)應(yīng)力的施加可以減小Fy的大小，甚至可以改變動(dòng)力作用下Fy方向，使其由第一破壞模式向第三、第二模式發(fā)展。在前面的力學(xué)分析中可知，巖體破壞強(qiáng)度的大小順序依次是第二、第三、第一，因此預(yù)應(yīng)力的施加在改變破壞形式的同時(shí)也改變了滑體的應(yīng)力狀態(tài)，提升了滑體的穩(wěn)定性。

隨著動(dòng)力荷載的增加，潛在滑體也可能由原來(lái)的第二破壞模式轉(zhuǎn)向第三、第一類型，那么巖體的強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)減小，由原來(lái)的壓剪強(qiáng)度轉(zhuǎn)向抗拉強(qiáng)度，因此在強(qiáng)震過(guò)程中，除了要考慮強(qiáng)大的動(dòng)力作用外，還應(yīng)考慮此時(shí)強(qiáng)度的損失值。所以預(yù)先對(duì)動(dòng)力荷載予以考慮，分析該區(qū)域在最大動(dòng)荷載作用下巖體可能發(fā)生的破壞模式，然后根據(jù)對(duì)應(yīng)模式的邊坡強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行合理的框錨布置。

在最優(yōu)加固角下加固時(shí)，錨索的預(yù)應(yīng)力除了在-y方向存在分量外，在-x方向存在一定的分力，所以在第二破壞模式中，預(yù)應(yīng)力既增加了滑體與滑床之間的擠壓力Fn，又減小了Fx的大小，使得破壞條件(式4)變得更加難以實(shí)現(xiàn)，即滑體的穩(wěn)定性得到了加強(qiáng)。

3 工程加固實(shí)例

水廠鐵礦為大型火山沉積變質(zhì)巖型磁鐵礦床，礦區(qū)內(nèi)節(jié)理裂隙發(fā)育，大小斷層40余條，礦區(qū)南幫巖體節(jié)理裂隙的傾向與臺(tái)階邊坡基本相同，傾角為20°～80°，并且結(jié)構(gòu)面貫通系數(shù)較高，非常不利于邊坡的安全與穩(wěn)定，再加上周邊長(zhǎng)期的爆破動(dòng)力作用，以及北方冬天雨雪的凍融、脹裂作用，在靠幫開(kāi)采過(guò)程中，該區(qū)域多次發(fā)生局部滑坡坍塌。為了保證該區(qū)域的運(yùn)輸皮帶安全，必須進(jìn)行工程加固。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察與分析，該滑體主要滑面與水平方向呈30°，如圖2所示。

圖2 滑體示意

計(jì)算滑體重力：G=2.2×107N，水平、豎直動(dòng)力：D1=D2=kcG=1.1×106N.

(6)

(7)

式中，kc為動(dòng)力影響系數(shù),取0.05。

由于Fy<0，因此該邊坡的破壞為第二種類型。為使巖體處于平衡狀態(tài)，下滑力與抗滑力基本相等，因此需要通過(guò)加固給滑體，即ΔF=0.15Fx=1.8×106N.

根據(jù)最優(yōu)加固角與滑面之間的關(guān)系得到：γ=φ-(α-β)=15°.邊坡所需要施加的預(yù)應(yīng)力滿足：

ΔF=Psin(γ+β)+Pcos(γ+β)tanφ ,

(8)

加固力：

(9)

單位面積加固力：

(10)

錨桿之間的行間距為3.6 m×3.6 m，單個(gè)錨桿至少提供212 kN的預(yù)應(yīng)力，才能保證邊坡體的安全儲(chǔ)備滿足規(guī)范要求?？蝈^布置見(jiàn)圖3，施工效果見(jiàn)圖4。

4 結(jié) 論

(1)順層巖質(zhì)邊坡的滑坡存在3種破壞模式，其中第一種破壞模式下邊坡自身強(qiáng)度最小，第二種破壞模式下最大，通常情況下順層巖質(zhì)邊坡都處于第二種破壞模式。當(dāng)高陡邊坡在強(qiáng)動(dòng)力作用下(強(qiáng)地震或近距離爆破)，可能出現(xiàn)第一、第三破壞模式。

圖3 框錨布置

圖4 加固效果

(2)預(yù)應(yīng)力錨索的加固不僅可以直接提高滑坡體的抗滑力，而且可以改變動(dòng)力作用下邊坡破壞模式，間接增強(qiáng)了滑體的安全性能。

(3)水廠鐵礦K2路基邊坡在滑動(dòng)前存在第二類破壞模式的趨勢(shì)，采用預(yù)應(yīng)力錨桿—框架梁結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行加固處理后，位移監(jiān)測(cè)效果顯示，加固效果良好。

[1] 吳樹(shù)人,石菊松，張永雙，等.滑坡宏觀機(jī)理研究—以長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)為列[J].地質(zhì)通報(bào)，2006(7):874-879.

[2] 王鳳娟.山體滑坡機(jī)理及監(jiān)測(cè)技術(shù)比較[J].礦業(yè)工程，2011(6):21-22.

[3] 唐建新，蔡世明，魏作安，等.萬(wàn)梁高速公路J合同段3#邊坡滑坡機(jī)理探討[J].巖土力學(xué)，2002(12):825-830.

[4] 張 明，胡瑞林，譚儒蛟，等.降雨型滑坡研究的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].工程勘察，2009(3):11-17.

[5] 鄒宗興，唐輝明，熊承仁，等.大型順層巖質(zhì)滑坡漸進(jìn)破壞地質(zhì)力學(xué)模型與穩(wěn)定性分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012(11):2222-2231.

[6] 吳 坤，鄭立寧，王文遠(yuǎn)，等.渝湘高速公路黔江長(zhǎng)大順層滑坡破壞機(jī)理與整治[J].路基工程，2011(6):174-176.

[7] 趙 文，曹 平，章 光.巖石力學(xué)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.

Analysis of the Mechanism of the Landslide and Its Engineering Management of the Bedding Rock Slope

Xiong Qihuan1,2,3Tian Lu4Diao Hu1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine; 3. Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.; 4. Shuichang Iron Mine,Shougang Mining Company)

In order to deal with the potential threats brought from the bedding rock slope, three surface damage types and the occurred conditions and influence factors of them are analyzed from the perspective of mechanics. Based on the above analysis results, reinforcement mechanism prestressed anchor rod (rope) is researched. With the increasing of prestress, the rock mass extrusion of the sliding surface is increased, at the same time, damage modes of the potential sliding surface are developing from the first damage type to the second and third damage type, therefore, the conditions of the landslide are improved, it is do good to the stability and safe of the slope. Taking the bedding rock slope of the K2 subgrade of Shuichang iron mine as an example, the damage types of the slope are analyzed, some related parameters of the reinforcement scheme are calculated. The research results show that the reinforcement effect is good.

Bedding rock slope, Damage mechanism, Management

*馬鞍山市產(chǎn)學(xué)研科技計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2014-6)。

2015-04-24)

熊齊歡(1988—)，男，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)西塘路666號(hào)。