含緩傾軟弱夾層的礦山高邊坡長期穩(wěn)定性分析

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(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，武漢 430074)

1 研究背景

在我國西南地區(qū)大范圍存在含緩傾軟弱夾層(巖層和夾層傾角<25°)的二疊系石灰?guī)r地層[1-3]。該二疊系含緩傾軟弱夾層的內(nèi)摩擦角普遍接近或大于巖層傾角(緩傾地層)，并因此已引發(fā)了多起沿這類緩傾軟弱夾層的大規(guī)?；瑒悠茐腫4-6]。這些邊坡滑動事故造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟損失和大量的人員傷亡。由于這類緩傾軟弱夾層的普遍存在，所以研究此類邊坡對于各類工程邊坡的穩(wěn)定性評價、預(yù)測與控制有重要的實際意義。

對于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究，一般采取定性分析、失穩(wěn)模式判別和定量分析等方法[7-9]。軟弱夾層的內(nèi)摩擦角通常小于滑動面傾角，常規(guī)力學(xué)分析結(jié)果多顯示邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，而這與現(xiàn)實中大量邊坡變形破壞現(xiàn)象相矛盾。因此，目前國內(nèi)外對含緩傾軟弱夾層巖質(zhì)滑坡的成災(zāi)機理頗具爭議。Maranini等[10-14]通過巖石流變試驗研究了沉積巖層中順層平行剪切帶的形成過程，認(rèn)為順層平行剪切帶的形成是軟巖蠕變、軟弱層膨脹性、坡體重力作用下的差異性沉降、滑面帶漸進式破壞以及河流侵蝕卸荷等因素作用的結(jié)果。劉晶輝等[15]認(rèn)為軟弱層是巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性的控制性因素，研究了軟巖蠕變特性并對軟巖長期強度的3種方法進行對比分析。

上述關(guān)于含緩傾軟弱夾層邊坡的穩(wěn)定性分析的研究模型與方法中考慮多種巖層多種模型的情況較少。本文以四川省峨勝水泥采礦場變形體邊坡為研究對象，采用常規(guī)力學(xué)試驗與環(huán)剪流變試驗得到各項參數(shù)，運用基于Burgers模型的計算方法對變形體邊坡進行穩(wěn)定性分析計算;綜合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并與傳統(tǒng)的極限平衡法、強度折減法進行對比，探討此類邊坡穩(wěn)定性的影響因素。

2 研究區(qū)工程地質(zhì)條件

四川省峨眉山市峨勝水泥采礦場變形體邊坡位于峨勝采礦場后緣1 270～1 380 m平臺，為采場終了邊坡(如圖1)。

圖1 變形體邊坡全景Fig.1 Panoramic view of deformed slope

該變形體邊坡大部分巖體以灰綠色、青灰色厚層、中厚層狀石灰?guī)r為主，下部為深灰色厚層、中厚層狀石灰?guī)r，該組灰?guī)r含有多層含泥軟弱夾層(如圖2)。這類軟弱夾層巖性為原生灰色至灰黑色炭質(zhì)泥頁巖，手摸易染色，主要礦物成分為伊利石、方解石和石英，物理力學(xué)性質(zhì)差。巖層傾向296°～325°，傾角14°～19°。潛在滑體厚度為10～58 m，滑坡體積380×104m3，可能形成大型巖質(zhì)順層滑坡。經(jīng)礦山生產(chǎn)人員反映，該開采邊坡出現(xiàn)局部變形跡象，邊坡前緣1 270 m平臺出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，變形體位于高程1 380 m處出現(xiàn)規(guī)模較大的拉裂縫，整個變形體處于加速破壞階段。

圖2 炭質(zhì)泥頁巖軟弱夾層Fig.2 Soft interlayers of carbonaceous shale

選取具有代表性的邊坡剖面a-a′(如圖3)作為研究對象，并進行巖石單軸、三軸壓縮強度試驗、巖石的直剪試驗、結(jié)構(gòu)面直剪試驗。軟弱夾層剪切試驗成果如圖4所示，常規(guī)物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖3 峨勝水泥采礦場a-a′邊坡工程地質(zhì)剖面圖Fig.3 Engineering geological profile of the slope of Esheng Mine

圖4 軟弱夾層大型剪切試驗破壞后的試樣Fig.4 Sample of soft interlayers after shear failure

巖性彈性模量/GPa密度/(kg·m-3)泊松比抗剪強度指標(biāo)黏聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)石灰?guī)r37.62 6600.3619.9353.62軟弱夾層1.01 9500.3016.7024.25

3 基于環(huán)剪流變試驗的Burgers流變模型計算方法

3.1 Burgers本構(gòu)模型介紹

對含緩傾軟弱夾層的邊坡進行長期穩(wěn)定性分析，需考慮時間因素對軟弱夾層的影響，選取最適合軟巖的Burgers模型對軟弱夾層進行分析。Burgers模型是由馬克斯威爾體與開爾文體串聯(lián)而成，其力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 Burgers體力學(xué)模型Fig.5 Mechanics model of Burgers body

Burgers體的本構(gòu)方程為

(1)

(2)

3.2 環(huán)剪流變試驗

環(huán)剪試驗是一種空心扭剪試驗，由于試樣寬度相對于土環(huán)半徑而言較窄，可以克服實心扭剪試驗中剪切面上正應(yīng)力和剪應(yīng)力分布不均的現(xiàn)象，因而可假設(shè)剪應(yīng)力沿剪切面是均勻分布的[16]。

環(huán)剪試驗過程中監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)主要為剪應(yīng)變和平均剪切位移(本文簡稱剪切位移)，剪應(yīng)變γ的計算公式為

(3)

式中：r1，r2分別為環(huán)形試樣的內(nèi)徑、外徑；h為試樣的高度；θ為轉(zhuǎn)過的角位移。剪切位移S滿足如下關(guān)系：

S=2πavt；

(4)

(5)

式中：a為試樣的平均半徑；v為環(huán)剪速率；t為剪切時間。

采用ARS型環(huán)剪儀對茅口組軟弱夾層進行環(huán)剪流變試驗，試樣為原狀樣，采取法向壓力為400 kPa、切向壓力分6級加載(如表2)，記錄6級荷載軸壓下的應(yīng)變-時間曲線，對其進行研究。試驗過程中顯示第6級加載時已經(jīng)破壞，因此本文研究前5級荷載下的應(yīng)變-時間曲線。

表2環(huán)剪流變試驗分級荷載

Table2Steppedloadingofcyclicsheartest

法向壓力/kPa切向壓力/kPa第1級第2級第3級第4級第5級第6級40024.148.272.396.4120.5129.8

將試驗得到的應(yīng)變-時間數(shù)據(jù)利用Origin軟件采用Burgers模型進行擬合，得到如圖6所示的擬合曲線，進行比對分析選取最優(yōu)參數(shù)，如表3。

圖6 環(huán)剪流變試驗分級加載結(jié)果及Burgers模型擬合曲線Fig.6 Fitted curves of strain-time relation in cyclic shear rheology test by Burgers model

法向壓力/kPak1/GPaη1/(GPa·d)k2/GPaη2/(GPa·d)4001.682.02×1021.06×1021.76×102

4 實例應(yīng)用數(shù)值模擬計算分析

4.1 網(wǎng)格模型的建立

利用FLAC3D軟件對變形體邊坡進行計算分析，F(xiàn)LAC3D采用顯式有限差分來模擬三維連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)行為，進而模擬含緩傾軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性是可取的。選取具有代表性的剖面a-a′(如圖3)，采用ANSYS軟件進行建模與網(wǎng)格剖分，其中軟弱夾層部分網(wǎng)格進行加密，將邊坡模型導(dǎo)入FLAC3D中，得到網(wǎng)格模型如圖7所示(共剖分3 260個網(wǎng)格與6 768個節(jié)點)，利用FLAC3D對底面、左右兩側(cè)以及y軸方向進行全約束?？紤]到石灰?guī)r具有較強的力學(xué)性質(zhì)，上下2層灰?guī)r采用表1的參數(shù)，本構(gòu)模型采用摩爾-庫倫模型，中間軟弱夾層采用表3 的參數(shù)，本構(gòu)模型采用Burgers模型進行數(shù)值計算，模擬計算時間為365 d。

圖7 網(wǎng)格模型Fig.7 Mesh model

4.2 數(shù)值計算結(jié)果分析

基于Burgers模型的計算結(jié)果如圖8所示。

圖8 基于Burgers模型的計算結(jié)果Fig.8 Calculation results based on the Burgers model

分析圖8(a)可知，基于Burgers流變模型的計算方法在1 a模擬時間內(nèi)最大水平位移達到了24 cm，在變形放大系數(shù)放大到100時能很明顯看到上覆灰?guī)r沿著軟弱夾層產(chǎn)生下滑破壞。

由圖8(b)可知，該邊坡的軟弱夾層剪應(yīng)變貫通整個軟弱夾層，可認(rèn)定軟弱夾層為滑動破壞面。由4幅不同時間段的剪應(yīng)變增量云圖還可看到，在剪出口位置剪應(yīng)變隨著時間的增加而增加，且模擬12個月后剪應(yīng)變增量的數(shù)值幾乎為強度折減法結(jié)果的4倍。從長期穩(wěn)定性的角度考慮，邊坡處于較危險狀態(tài)，極易產(chǎn)生破壞。

選取具有代表性的監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進行對比(圖9)。由圖9可知，該模型監(jiān)測點的位移與實測位移的擬合度較高，表明此模型能夠較好地反映該邊坡的實際情況。

圖9 實際位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig.9 Comparison of displacement between monitoring and numerical simulation

圖10 極限平衡法計算結(jié)果Fig.10 Calculation result by limit equilibrium method

4.3 傳統(tǒng)計算方法對比

為了得到最不利情況下邊坡的穩(wěn)定性狀況，分別利用極限平衡軟件Slide和FLAC3D強度折減法對邊坡進行了穩(wěn)定性計算，采用巖土體殘余強度參數(shù)得到穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.58和1.59。極限平衡法計算結(jié)果和基于摩爾-庫倫模型的強度折減法計算云圖分別如圖10和圖11所示。強度折減法計算結(jié)果顯示該邊坡最大水平位移4 cm左右，且邊坡整體剪應(yīng)變增量偏小，未貫通，反映該邊坡足夠穩(wěn)定。

圖11 基于摩爾-庫倫模型的強度折減法計算云圖Fig.11 Calculation result by strength reduction method based on Mohr-Coulomb model

綜合2種傳統(tǒng)方法對含緩傾軟弱夾層的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的計算結(jié)果，極限平衡法與基于摩爾-庫倫模型的強度折減法均不能科學(xué)合理地表現(xiàn)出該邊坡的長期穩(wěn)定性，而基于Burgers流變模型的計算方法與實際相符合，且具有代表性的模擬監(jiān)測點位移曲線與實際監(jiān)測位移曲線擬合度較高?？紤]到灰?guī)r較強的強度特性，本構(gòu)模型選取摩爾-庫倫模型,而對于可能導(dǎo)致邊坡破壞的軟弱夾層采用Burgers模型進行數(shù)值計算是合理的。

5 結(jié) 論

本文依托四川省峨眉山市峨勝石灰石礦山變形體邊坡優(yōu)化工程項目，對含緩傾軟弱夾層的石灰?guī)r礦山變形體邊坡的長期穩(wěn)定性進行研究，得到主要結(jié)論如下：

(1) 此礦區(qū)大面積覆蓋二疊系石灰?guī)r礦，石灰?guī)r中夾有多層灰色至灰褐色炭質(zhì)泥頁巖軟弱夾層，物理力學(xué)性質(zhì)差、流變特性明顯，其流變力學(xué)行為可用Burgers模型來描述。

(2) 選取常規(guī)力學(xué)試驗和環(huán)剪流變試驗的數(shù)據(jù)，利用Burgers模型進行反演，數(shù)值模擬計算得到的結(jié)果符合實際情況(整個邊坡已經(jīng)呈現(xiàn)破壞趨勢)。極限平衡法和FLAC3D強度折減法2種傳統(tǒng)方法的計算結(jié)果均顯示該邊坡穩(wěn)定，但體現(xiàn)不出長時間下的潛在破壞;基于Burgers模型的計算方法中的模擬監(jiān)測點位移與實際監(jiān)測點位移擬合度高，表示其流變特性在邊坡變形機制中是主要影響因素。

(3)對于此類含緩傾軟弱夾層的邊坡長期穩(wěn)定性分析，在有足夠的工程地質(zhì)資料時，可以根據(jù)不同巖層建立不同的模型進行計算分析，軟弱夾層可利用基于Burgers流變模型的方法進行數(shù)值模擬計算。