類土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究

吳朝義 魏昶帆 吳勇

摘要： 近年來礦區(qū)類出現(xiàn)了越來越多的類土質(zhì)邊坡，了解這種邊坡的定義、破壞模式越發(fā)重要，并制定出相應(yīng)的治理措施，才能給礦山帶來良好的收益。本文針對(duì)牟定縣安益鉑鈀貧鐵礦的類土質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算，結(jié)果表明，現(xiàn)狀條件下露天采場邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，終了狀態(tài)東幫和南幫邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)偏低，基本處于極限平衡狀態(tài)；在考慮地震作用時(shí)，東南幫邊坡安全系數(shù)偏低，存在失穩(wěn)可能性較大，為礦區(qū)類土質(zhì)邊坡的開挖和防護(hù)提供一些必要的理論依據(jù)。

Abstract： Nowadays， there are more and more kinds of soil slopes in the mining area. the corresponding treatment measures are made， which can bring good benefits to the mine. In this paper， it analyzes the stability of the status quo slope and the final slope slope for the class of slope of apricot platinum-poor iron ore mine in Mouding County. which is basically in the state of limit equilibrium. When considering the earthquake action， the safety factor of the southeast slope is low and the instability is likely， It provides some necessary theoretical basis for excavation and protection of soil-like soil slope.

關(guān)鍵詞：類土質(zhì)邊坡；破壞模式；巖體力學(xué)參數(shù)；穩(wěn)定性分析

Key words： soil-like slope；failure mode；mechanical parameters of rock mass；stability analysis

中圖分類號(hào)：P642.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0135-04

0 引言

近些年來類土質(zhì)邊坡這個(gè)名詞出現(xiàn)在了人們的眼球，尤其是邊坡工程領(lǐng)域，它是全新的學(xué)科領(lǐng)域[1]。類土質(zhì)邊坡是在我國的東南地區(qū)分布比較廣泛，例如湖南省、江西省、廣東省等地區(qū)。人們對(duì)類土質(zhì)邊坡的了解甚少，國內(nèi)外的學(xué)者研究這類邊坡最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，到目前為止，對(duì)這類邊坡所做的野外調(diào)查、理論分析還不夠特別完善，國內(nèi)也僅有少量類似專業(yè)的學(xué)者做過初步研究學(xué)習(xí)，了解類土質(zhì)邊坡對(duì)礦山邊坡的發(fā)展是很有必要。

1 類土質(zhì)邊坡的定義

這類邊坡這介質(zhì)構(gòu)成的表面上看起來像是砂性土或者是粘性土，但是卻跟這兩類土有著明顯的區(qū)別[2]，類土質(zhì)邊坡構(gòu)成的介質(zhì)是通過原巖風(fēng)化作用過后在原來位置所形成的殘積物，這種邊坡的巖土中保留著一點(diǎn)兒原始結(jié)構(gòu)，原有的物理特性只是殘留了部分或保存得不是很完整但是卻還能保持一些原來的性質(zhì)，比如原有的抗滑力、抗拉強(qiáng)度等特性。于是這種類型邊坡的基本表達(dá)方式略有不同，主要包含隱形的結(jié)構(gòu)軟弱面和宏觀的結(jié)構(gòu)面，擁有這種特征的邊坡便是我們所不了解的類土質(zhì)邊坡。因此，擁有或者保留著原有巖石力學(xué)特性的，必須結(jié)合其他理論與方法來研究這類特殊的邊坡類型，這種邊坡便是類土質(zhì)邊坡。

2 常見類土質(zhì)邊坡的破壞模式

2.1 平面破壞

平面破壞主要包括平面滑動(dòng)和溜滑等[3]。這種破壞主要受制于風(fēng)化后存留在坡體中的節(jié)理面或者隱藏的結(jié)構(gòu)面。當(dāng)?shù)乇硭虻叵滤顒?dòng)比較頻繁的時(shí)候，在水的沖刷和滲透作用下，邊坡巖土?xí)饾u變得松散破碎，原有的物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生改變，大大降低了其力學(xué)強(qiáng)度。當(dāng)因?yàn)殚_采的需要而挖邊坡的時(shí)候，由于巖土固有的自身重力，巖土的力學(xué)強(qiáng)度不能夠支撐時(shí)，被水所沖刷或滲透的上層覆蓋的巖土便會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，如圖1所示。

2.2 崩塌破壞

當(dāng)邊坡的侵入角和大構(gòu)造定向接近垂直時(shí)，巖土的滑動(dòng)力抗滑強(qiáng)度不足以支撐上覆邊坡的剪切結(jié)構(gòu)面，隨著坡面的開發(fā)造成原有結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生位移，在坡體自身重力的作用下，很容易引起邊坡的垮塌，我們將這種破壞模式稱之為崩塌破壞如圖2。降雨時(shí)，坡體上部的張拉裂縫會(huì)出現(xiàn)充水的現(xiàn)象，由于動(dòng)靜水壓力作用使軟弱結(jié)構(gòu)面前的土體會(huì)發(fā)生臨空面傾覆，從而產(chǎn)生坡體發(fā)生崩塌破壞。這種破壞模式一般出現(xiàn)在經(jīng)常降雨或者地表水活動(dòng)活躍并且邊坡巖土性質(zhì)容易受影響的邊坡中，每次單塊破壞體厚度一般不大于2m，往往形成疊瓦式破壞。

2.3 圓弧破壞

風(fēng)化作用對(duì)類土質(zhì)邊坡的影響很大，從而導(dǎo)致了失去了結(jié)構(gòu)面或者擁有一部分，但是對(duì)類土質(zhì)邊坡的破壞沒有起主導(dǎo)作用[4]。在巖體內(nèi)部的介質(zhì)比較均勻，沒有明顯結(jié)構(gòu)面的影響或者是內(nèi)部結(jié)構(gòu)與破面反傾。在這種圓弧破壞模式中，水是個(gè)極其重要的影響因素，水所帶來的負(fù)面影響便是降低巖土的力學(xué)強(qiáng)度，因此在研究這類破壞模式時(shí)，必須實(shí)時(shí)采用各種措施來監(jiān)測的地表水、地下水的活動(dòng)情況。

2.4 坡面沖刷破壞

在降雨過程或地表水流動(dòng)中，在水的作用下坡面巖土的重力勢能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，造成坡面土體的滑動(dòng)及流失，徑流不斷沖刷坡面，這種破壞便視為坡面沖刷破壞。有些巖土非常容易受到水的影響，在水的侵蝕作用下，便會(huì)造成很多巖土松散、軟化，部分巖土?xí)殡S水的流動(dòng)而流動(dòng)。因此在這種條件下，便會(huì)產(chǎn)生沖刷破壞。在破角比較緩的坡面中，降雨所形成的沖刷影響程度比較小，主要以片蝕為主，形成細(xì)小的溝壑，隨著水的沖刷，在坡度變大時(shí)，因?yàn)樗疀_刷的累積所形成的溝壑會(huì)越來越大，在自身重力是能下就自然而然地發(fā)生沖刷破壞。表1便是根據(jù)先輩們所研究的相關(guān)情況而總結(jié)出的分類[5]。

3 工程實(shí)例

牟定縣安益鉑鈀貧鐵礦礦區(qū)長1645m，寬1370m，面積2.31km2，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)102°19′38″，北緯25°29′11″。礦區(qū)植被覆蓋少，多為荒山，低凹處可見雜木林出現(xiàn)。主要賦存于前震旦系會(huì)理群河口組中部火山變質(zhì)巖段上亞旋回（Pt1h43）的中下部。 礦區(qū)礦體的直接頂?shù)装鍑鷰r和夾石（或包裹體）主要為石英鈉長巖，次為黑云（二云）石英片巖及少量的石榴黑云（二云）片巖、白云石英片巖，局部地段頂板為輝長巖以及少數(shù)煌斑巖。自然坡較高陡，為類土質(zhì)邊坡，上部土層為坡積亞粘土，土質(zhì)疏松，其下為粉砂巖殘積粘性土、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，下伏碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。

3.1 體積節(jié)理估算RQD值

當(dāng)結(jié)構(gòu)面呈不規(guī)則分布時(shí)，需要由一維變成三維，則Jv 每米結(jié)構(gòu)面數(shù)乘以系數(shù)K，K=1.65～3.0，一般K=2.0。因此就將一維或者二維的轉(zhuǎn)變成三維，因此得到體積節(jié)理數(shù)Jv。

體積節(jié)理計(jì)數(shù)Jv 與RQD 之間在理論上的關(guān)系為：

而且，當(dāng)Jv<4.5 時(shí)，RQD =100；當(dāng)Jv>35 時(shí)，RQD =0。計(jì)算結(jié)果列于表2。

3.2 巖體力學(xué)參數(shù)的確定

3.2.1 巖體抗剪強(qiáng)度

莫爾強(qiáng)度曲線可用下式確定[8]：破裂面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力為：

將相應(yīng)的？滓1和？滓3代入上式就能在？子-？滓平面上得到莫爾包絡(luò)線上？滓與？子的關(guān)系點(diǎn)坐標(biāo)。即可得出n 個(gè)參數(shù)點(diǎn)（？子i，？滓i）。然后對(duì)這些參數(shù)點(diǎn)（？子i，？滓i）數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理確定出巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)。在運(yùn)Hoek-Brown 法原理計(jì)算巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)時(shí)，關(guān)鍵是？滓3選擇的范圍，其最好范圍：0<？滓3<0.5？滓c。在本次計(jì)算中選?。孔?從0，1，2，3，……逐漸增大到0.25c。

3.2.2 巖體單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度

根據(jù)莫爾-庫強(qiáng)度曲線所示的幾何關(guān)系綜合考慮現(xiàn)場直剪試驗(yàn)參數(shù)和采用Hoek-Brown 對(duì)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)折減后的參數(shù)表最終推薦的計(jì)算用巖體力學(xué)參數(shù)見表3 所示。

3.3 穩(wěn)定性分析

根據(jù)礦山現(xiàn)狀所做的剖面結(jié)合所得出的巖體力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，采用Slide和理正兩種極限平衡法[8]進(jìn)行計(jì)算。

3.3.1 現(xiàn)狀條件下：

①自然狀態(tài)不考慮地震時(shí)，兩種計(jì)算方法所得的安全系數(shù)均大于1.15，最小值為1.218，邊坡均處于穩(wěn)定狀態(tài)；

②在按8°設(shè)防情況下，采用Slide方法計(jì)算的I -1、II-3、II-4、II-5、III-2、III-3、III-4和III-5剖面安全系數(shù)小于1.10，但采用理正方法計(jì)算的安全系數(shù)卻均大于1.10，最小值為1.128，綜合分析判斷，認(rèn)為現(xiàn)狀開采條件下，邊坡的穩(wěn)定性較好。

3.3.2 終了狀態(tài)時(shí)：

①自然狀態(tài)不考慮地震時(shí)，采用Slide方法計(jì)算的II-3、II-4、III-3、III-4和III-5剖面安全系數(shù)小于1.20，采用理正方法計(jì)算的II-3、III-3、III-4和III-5剖面安全系數(shù)小于1.20，并且兩種計(jì)算方法所得的III-3、III-4和III-5剖面安全系數(shù)還小于1.15，最小值為1.109，因此，認(rèn)為上述剖面安全性不足，邊坡有失穩(wěn)可能，需密切關(guān)注；

②在按8°設(shè)防情況下，兩種計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果均出現(xiàn)了大量剖面安全系數(shù)小于1.15甚至小于1.10的現(xiàn)象。因此，綜合判斷后認(rèn)為終了狀態(tài)在考慮地震影響時(shí)，該露天礦邊坡存在失穩(wěn)的可能性較大。

4 結(jié)論

本文采用Hoek-Brown準(zhǔn)則對(duì)牟定縣安益鉑鈀貧鐵礦的典型的類土質(zhì)邊坡巖體參數(shù)進(jìn)行了求解，并結(jié)合現(xiàn)場直剪試驗(yàn)結(jié)果，給出了邊坡兩種巖體的力學(xué)參數(shù)值。采用兩種極限平衡方法對(duì)現(xiàn)狀邊坡以及終了邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析計(jì)算，在考慮地震作用時(shí)，東南幫邊坡安全系數(shù)偏低，存在失穩(wěn)可能性較大。

綜合分析邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果，邊坡東幫和南幫安全隱患較大，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)密切觀察該區(qū)域邊坡的變形等情況。邊坡監(jiān)測是防止邊坡事故的重要手段，要時(shí)刻關(guān)注邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，尤其是在爆破前后、降雨期間等特殊時(shí)間節(jié)點(diǎn)，做好數(shù)據(jù)的分析與邊坡的實(shí)際觀測，防止事故發(fā)生對(duì)人員傷亡的影響，做到安全生產(chǎn)。

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