滲水邊坡巖體時變強度參數(shù)修正與穩(wěn)定性分析*

李海洲　張　璐　馬偉偉

(1.山東理工大學資源與環(huán)境工程學院；2.山東理工大學建筑工程學院；3.中鋼集團工程設計研究院)

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滲水邊坡巖體時變強度參數(shù)修正與穩(wěn)定性分析*

李海洲1張璐2馬偉偉3

(1.山東理工大學資源與環(huán)境工程學院；2.山東理工大學建筑工程學院；3.中鋼集團工程設計研究院)

以某露天礦滲水邊坡黑云片麻巖為研究對象，進行了不同浸水時間條件下黑云母片麻巖的常規(guī)試驗，并結(jié)合Hoek-Blown準則估算了浸水黑云片麻巖巖體的時變強度參數(shù)(巖體等效黏聚力、巖體等效摩擦角)，結(jié)果表明：估算的巖體等效摩擦角偏高，與《工程巖體分級標準》(GB50218-94)要求不符。在此基礎上，應用FLAC3D軟件進行了黑云片麻巖巖體的假三軸模擬試驗，計算修正了浸水黑云片麻巖巖體等效摩擦角，選取了露天滲水邊坡典型區(qū)段建立了三維數(shù)值分析模型，計算分析了滲水邊坡不同時期的穩(wěn)定性，為礦山邊坡動態(tài)安全預警提供了理論依據(jù)。

滲水邊坡時變強度穩(wěn)定性分析黑云片麻巖Hoek-Blown準則邊坡動態(tài)安全預警

巖體的水-巖作用一直是近年來的研究熱點，國內(nèi)外學者對此進行了深入研究，成果豐碩[1-8]。該類成果大多集中于分析含水率及含水狀態(tài)對巖石物理力學參數(shù)的影響，而對浸水巖體的強度參數(shù)尚未進行準確的估算。巖體強度參數(shù)的變化規(guī)律對于巖石的工程穩(wěn)定性評價具有重要作用，目前，有關巖體的強度參數(shù)隨含水率、浸水時間變化規(guī)律的研究成果鮮有報道[9-12]。故本研究以某露天礦滲水邊坡黑云片麻巖為例進行室內(nèi)常規(guī)試驗，分析巖石強度隨浸水時間的變化規(guī)律，并結(jié)合Hoek-brown準則，估算浸水巖體時變強度。應用FLAC3D軟件進行巖石試塊的假三軸模擬試驗，對浸水黑云片麻巖巖體等效摩擦角進行修正，并對滲水邊坡不同時期的穩(wěn)定性進行分析。

1　巖體時變強度參數(shù)估算

1.1黑云片麻巖抗壓、抗拉試驗

試驗所用巖石取自某露天礦山現(xiàn)場的黑云片麻巖，制作了尺寸為φ50mm×100mm的圓柱體標準試件(圖1)，分析浸水時間對飽水巖石強度及變形特征等物理力學參數(shù)的影響規(guī)律。巖石的單軸抗壓強度試驗采用TAW-3000微機控制電液伺服試驗機，同時配備應力傳感器和UCOM-60A靜態(tài)采集儀對巖石所加荷載及橫縱向變形進行量測。巖石的抗拉強度采用YAW-300微機控制電液伺服直剪試驗機的軸力加載系統(tǒng)配合巴西劈裂加載裝置(圖2)進行測定。分別對浸水時間為1，7，15，30，60d的黑云片麻巖進行了試驗，結(jié)果見圖3、圖4，巖石力學參數(shù)見表1。

圖1　黑云片麻巖部分巖石試件

圖2　TAW-3000及YAW-300電液伺服試驗機

圖3　巖石應力-應變曲線

1.2巖體時變強度估算結(jié)果

根據(jù)邊坡地質(zhì)資料并結(jié)合Hoek-Brown強度準則計算了黑云片麻巖巖體強度參數(shù)，結(jié)果見表2。

圖4　巖石拉壓比隨時間的變化曲線表1　不同浸水時間條件下的巖石力學參數(shù)

浸水時間/d單軸抗壓強度/MPa單軸抗拉強度/MPa巖石拉壓比17610.4880.1387679.7150.14515649.5360.14930578.8920.15660487.7280.161

表2　巖體時變強度參數(shù)

2　巖體時變強度參數(shù)修正

根據(jù)《工程巖體分級標準》(GB50218-94)，Ⅲ～Ⅳ級巖體的內(nèi)摩擦角為27°～50°，本研究根據(jù)Hoek-Brown準則計算的巖體摩擦角數(shù)值偏高，故采用FLAC3D軟件，通過數(shù)值模擬試驗對巖體時變強度參數(shù)進行修正。

2.1數(shù)值模型構(gòu)建

假三軸抗壓強度樣尺寸為φ50mm×100mm，試驗模型見圖5。

圖5　假三軸抗壓強度數(shù)值試驗模型

該模型參數(shù)以黑云片麻巖時變抗壓強度、抗拉強度為基礎，通過施加不同圍壓，得到不同浸水時間下巖體模型的應力-應變特性曲線。浸水1d模型試塊的應力-應變特性曲線見圖6，不同浸水時間下試驗模型在不同圍壓下的峰值強度參數(shù)見表3。

圖6　浸水1 d試塊應力-應變特性曲線

表3　試驗模型在不同圍壓下的峰值強度MPa

2.2浸水巖體等效摩擦角修正

應用σ1-σ3法求解巖體等效摩擦角，用最小二乘法確定了回歸方程：

式中，σ1為巖體峰值強度，MPa；σ3為巖體圍壓，MPa；φ為巖體等效摩擦角，(°)；a、b為計算系數(shù)。

根據(jù)上式，可求得不同浸水時間下巖體的等效摩擦角，結(jié)果見表4。

表4　不同浸水時間對應的巖體等效摩擦角

綜合上述分析，修正后滲水邊坡不同浸水時間對應的黑云片麻巖巖體的等效強度參數(shù)見表5，變化曲線見圖7。

表5　不同浸水時間對應的巖體等效強度參數(shù)

圖7　浸水黑云片麻巖巖體強度參數(shù)變化曲線●—原始曲線；……—擬合曲線

3　滲水邊坡穩(wěn)定性分析

選取該露天滲水邊坡典型區(qū)段建立了如圖8所示的三維數(shù)值模型，該模型長200m，寬210m，高102m。由于露天邊坡滲水主要發(fā)生在片麻巖巖層，滲水對其強度影響較大，根據(jù)浸水片麻巖巖體強度參數(shù)變化曲線，計算了較長浸水時間對應的(1個月、3個月、6個月、9個月、12個月)片麻巖巖體的強度參數(shù)， 其他各層巖體強度參數(shù)不發(fā)生變化，計算所用的各層巖體強度參數(shù)見表6。滲水邊坡的安全系數(shù)隨巖體浸水時間的變化曲線見圖9。

圖8　滲水邊坡數(shù)值計算模型表6　滲水邊坡穩(wěn)定性計算巖體強度參數(shù)

巖土名稱容重/(kN/m3)黏聚力/kPa摩擦角/(°)第四系18.04620.0片麻巖25.0473(初始值)24.4(初始值)磁鐵石英巖28.048732.0混合花崗巖25.656234.0

圖9　滲水邊坡安全系數(shù)變化曲線●—原始曲線；……—擬合曲線

4　結(jié)　語

以某露天礦滲水邊坡黑云片麻巖為例，通過常規(guī)室內(nèi)實驗，分析了不同浸水時間下巖石的強度弱化規(guī)律，結(jié)合Hoek-blown準則估算了黑云片麻巖巖體的時變力學參數(shù)。采用FLAC3D軟件，通過黑云片麻巖巖體假三軸模擬試驗，修正了浸水黑云片麻巖巖體等效摩擦角。選取該邊坡的典型滲水邊坡區(qū)段構(gòu)建了數(shù)值計算模型，詳細分析了滲水邊坡在不同時期的穩(wěn)定性，對于礦山邊坡的有效治理有一定的參考價值。

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StabilityAnalysisandTime-varyingStrengthCorrectionofRockMassofSeepageSlope

LiHaizhou1ZhangLu2MaWeiwei3

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,ShangdongUniversityofTechnology;2.CollegeofArchitectureEngineering,ShangdongUniversityofTechnology;3.SinosteelEngineeringDesignandResearchInstitute)

Takingthebiotitegneissoftheseepageslopeofaopen-pitmineastheresearchexample,theroutinetestofbiotitegneissundertheconditionsofdifferentimmersiontimeisconducted,thetime-varyingstrengthparameters(equivalentcohesiveforceofrockmassandequivalentfrictionangleofrockmass)oftherockmassofinundatebiotitegneissarecalculatedbyadoptingtheHoek-Blowncriterion,theresultsshowthattheequivalentfrictionangleofrockmassislargerthanthecalculationresultsofHoek-Blowncriterion,itisnotaccordwiththerequirementsof"engineeringrockmassclassificationstandard" (GB50218-94).Basedontheaboveanalysisresults,thefalsetriaxialsimulationtestoftherockmassofbiotitegneissisdonebyadoptingtheFLAC3Dsoftware,thetheequivalentfrictionangleofrockmassofinundatebiotitegneissiscorrected,besidesthat,thetypicalsectionofopen-pitseepageslopeisselectedtoestablishthethree-dimensionalnumericalanalysismodeltoanalyzethestabilityofseepageslopeindifferenttime.Theaboveresearchresultsinthispapercanprovidethetheoreticalfoundationformineslopedynamicsafetywarning.

Seepageslope,Time-varyingstrength,Stabilityanalysis,Biotitegneiss,Hoek-Blowncriterion,Slopedynamicsafetywarning

2016-05-30)

*山東省自然科學基金項目(編號：ZR2015EL016)；山東理工大學博士基金項目(編號：4041413046；4041414025)。

李海洲(1982—)，男，講師，博士，255049 山東省淄博市張周路12號。