巖體邊坡穩(wěn)定性與錨固支護研究

張　春　刁　虎　熊其歡

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

?

巖體邊坡穩(wěn)定性與錨固支護研究

張春1，2，3刁虎1，2，3熊其歡1，2，3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

摘要以首鋼水廠鐵礦為例,應用強度折減法模擬其邊坡在現(xiàn)狀條件下,削坡減載之后內部應力應變場的變化規(guī)律，以及采用預應力錨索對其加固時合理間距的確定。結果表明:在現(xiàn)狀條件下，邊坡安全系數(shù)低于規(guī)范值，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其破壞模式以淺層滑動為主；采取削坡減載之后，穩(wěn)定性增強，但安全儲備不足，破壞模式表現(xiàn)為深層次滑動?？蚣芰汗?jié)點的應力應變圖顯示,隨著相鄰錨索間距的增大，框架梁受力，壓縮變形協(xié)調性逐漸減弱，應力、應變跌落現(xiàn)象越來越明顯，整體作用、加固效果降低，考慮其經濟性與合理性，錨索間距為4 m時，總體效果較好，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

關鍵詞安全系數(shù)間距穩(wěn)定性邊坡支護

水廠鐵礦是一座大型火山沉積變質巖型磁鐵礦床，具有礦石儲量大、品位高、埋藏淺、便于露天開采特征。2015年10月20日，在-20 m水平按設計采裝到界的過程中，北采場上盤K2路基59#～89#皮帶架子外側邊坡發(fā)生順層滑坡，導致59#～89#架子的路基寬度由設計的8 m變窄為5～7 m，其中72#～89#皮帶架子西側水泥基礎、走臺呈懸空狀態(tài)；邊坡出現(xiàn)多處裂縫，局部地區(qū)裂縫長度達50 m，裂縫寬度約16 mm，深度10 mm，嚴重影響了該礦安全生產，需對其進行加固。

1　計算模型

選取首鋼水廠鐵礦邊坡某一實際剖面，巖體參數(shù)見表1。對其現(xiàn)狀以及削坡減載[1]后的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬分析，見圖1、圖2。模型離散時，初始狀態(tài)下共劃分了1 508個節(jié)點，1 347個單元(zone)，單元類型為六面體(圖1)；削坡減載后共劃分了1 312 個節(jié)點，1 087個單元(zone)，單元類型為六面體(圖2)。

表1　巖體參數(shù)

2　計算結果分析

從計算結果可以看出，現(xiàn)狀邊坡(-65～90 m 區(qū)域)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，從圖3、圖5的剪切應變增量圖、速度場可以看出:邊坡破壞模式以淺層為主，其表層滑動勢能較大，滑動面的入口主要表現(xiàn)在65 m平臺， 自此平臺至坡底容易發(fā)生塑性屈服。由表2可知，此時的邊坡安全系數(shù)為0.903，剩余滑動力5 923.1 t，邊坡安全系數(shù)較低，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故需進行適當?shù)南髌聹p載處理，考慮水廠邊坡地形等因素限制，對-20～60 m臺階進行削坡。從圖4、圖6的剪切應變增量圖、速度場可以看出:邊坡破壞模式以深層次為主，塑性屈服時主要表現(xiàn)為整體貫通，此時的邊坡安全系數(shù)為1.112，剩余滑動力為812.2 t，剩余下滑力明顯減小[2]，穩(wěn)定性增強，但仍沒達到邊坡允許安全系數(shù)要求，邊坡安全儲備不足，故需要對邊坡進行錨固處理。

圖1　初始狀態(tài)下的邊坡模型

圖2　削坡減載后的邊坡模型

圖3　初始狀態(tài)下的剪切應變增量

圖4　削坡減載后的剪切應變增量

圖5　初始狀態(tài)下的速度場

圖6　削坡減載后的速度場

表2　邊坡穩(wěn)定性分析結果

為確定錨固方案中預應力錨索的最佳間距，采取如下幾種方案進行研究分析：①預應力錨索間距為2 m;②預應力錨索間距為4 m;③預應力錨索間距為6。其中：錨索張拉力750 kN，E=50 MPa,梁400 mm×400 mm。

各錨固方案應力、應變見圖7～圖12，安全系數(shù)與預應力錨索的關系見圖13。

從圖7、圖8可以看出，框架梁的節(jié)點與其中點應力、應變變化比較協(xié)調，說明錨索和框架梁起同步作用，變形總體一致，框架梁之間不存在應力應變[3]跌落現(xiàn)象，此時邊坡安全系數(shù)為1.47，超出允許安全系數(shù)要求，邊坡穩(wěn)定性強，說明預應力錨索在間距為2 m時對邊坡整體起著良好的抑制作用，加固效果顯著，因此理論上方案1最優(yōu)；當邊坡間距為4 m時，從圖9、圖10可以看出，預應力錨索以及框架梁之間的應力、應變存在一定的跌落的現(xiàn)象，即在兩個預應力錨索中間部位力的作用減小，但跌落不是很明顯，此時安全系數(shù)為1.38，仍滿足邊坡允許安全系數(shù)要求，考慮加固的經濟性和合理性，方案2較好；當邊坡間距為6 m時，從圖11、圖12中可以看出，預應力錨索以及框架梁之間的應力、應變存在明顯的跌落現(xiàn)象，僅在預應力錨索處力的作用點上應力、應變作用明顯，梁端壓縮變形大,框格梁跨中壓縮變形較小，說明其間距對邊坡整體加固作用有限，此時邊坡安全系數(shù)為1.26，不滿足允許安全系數(shù)要求，因此方案3不能滿足加固要求。

圖7　間距為4 m時的應變

圖8　間距為4 m時的應力

圖9　間距為2 m時的應變

圖10　間距為2 m時的應力

圖11　間距為6 m時的應變

圖12　間距為6 m時的應力

圖13　安全系數(shù)與預應力錨索間距的關系圖

3　結　論

(1)在現(xiàn)狀條件下，邊坡破壞模式以淺層為主，邊坡安全系數(shù)為0.903，剩余滑動力為5 923.1 t，邊坡安全系數(shù)較低，處于不穩(wěn)定狀態(tài);削坡減載后，邊坡安全系數(shù)為1.112，剩余滑動力為812.2 t，穩(wěn)定性增強，但仍未達到邊坡允許安全系數(shù)，邊坡安全儲備不足。

(2)通過對3種方案的比較分析，確定了相鄰錨索之間的合理間距，方案2安全系數(shù)滿足邊坡允許安全系數(shù)要求，整體作用較好，經濟合理。

參考文獻

[1]鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].2版.北京：人民交通出版社，2010.

[2]連鎮(zhèn)營，韓國城，孔憲京.強度折減有限元法研究開挖邊破的穩(wěn)定性[J].巖土工程學報，2001，23(4)：407-411.

[3]宋二祥.土工結構安全系數(shù)的有限元計算[J].巖土工程學報,1997,19(2):1-7.

(收稿日期2016-04-25)

張春(1985—)，男，助理工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經濟技術開發(fā)區(qū)西塘路666號。