露天礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)巖體力學(xué)參數(shù)修正

田延哲，徐拴海

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

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露天礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)巖體力學(xué)參數(shù)修正

田延哲，徐拴海

(中煤科工集團(tuán) 西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

摘要：由于天然巖體中存在著層理、節(jié)理、弱面、斷層面等，使得巖體的宏觀力學(xué)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)室獲取的標(biāo)準(zhǔn)巖塊的力學(xué)參數(shù)之間存在差異，因此需要將實(shí)驗(yàn)室得到巖塊的宏觀力學(xué)參數(shù)經(jīng)過(guò)一系列修正以得到巖體的物理參數(shù)，才能將其運(yùn)用到邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中。通過(guò)Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)法、地質(zhì)力學(xué)法及RMI法對(duì)露天礦室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行了修正，給出了邊坡巖體力學(xué)參數(shù)建議值，同時(shí)考慮到露天礦邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中巖體的風(fēng)化、爆破震動(dòng)、施工機(jī)具擾動(dòng)尤其是凍融循環(huán)等不利因素對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，給出了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)建議值。結(jié)論為：天然狀態(tài)下，粘聚力最大值為3.22 MPa，最小值為1.84 MPa，內(nèi)摩擦角最大值為32.44°，最小值為24.42°；飽和狀態(tài)下，粘聚力最大值為2.77 MPa，最小值為1.55 MPa，內(nèi)摩擦角最大值為27.49°，最小值為21.35°。

關(guān)鍵詞：露天礦；力學(xué)參數(shù)；Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)法；地質(zhì)力學(xué)法；RMI法

露天礦邊坡是一個(gè)極其復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)體，邊坡的穩(wěn)定性受地下水埋深、地層傾角，綜合幫坡角等多種因素影響，露天礦邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果與巖體強(qiáng)度密切相關(guān)，準(zhǔn)確確定巖體的力學(xué)指標(biāo)不僅可以縮短工期，而且可以提高工程質(zhì)量。目前將巖石的力學(xué)參數(shù)修正到巖體力學(xué)參數(shù)的取值方法有許多，比如試驗(yàn)法、反分析法和數(shù)值計(jì)算法[1-3]等。由于天然巖體中存在著層理、節(jié)理、弱面、斷層面等，使得野外現(xiàn)場(chǎng)巖體的宏觀力學(xué)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)室獲取的標(biāo)準(zhǔn)巖塊的力學(xué)參數(shù)之間存在差異，因此需要將實(shí)驗(yàn)室得到巖塊的宏觀力學(xué)參數(shù)經(jīng)過(guò)一系列修正以得到巖體的物理參數(shù)，才能將其運(yùn)用到邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中。

本文在室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)基礎(chǔ)上通過(guò)Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)法、地質(zhì)力學(xué)法及準(zhǔn)巖體強(qiáng)度估算法等多種方法綜合分析、計(jì)算獲得邊坡巖(土)體強(qiáng)度[4-5]，最終提出適合于該邊坡巖(土)穩(wěn)定性計(jì)算建議參數(shù)值。

1　巖(土)體物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)

巖石力學(xué)試驗(yàn)是本次試驗(yàn)重點(diǎn)內(nèi)容。現(xiàn)場(chǎng)取樣主要以非工作幫、東端幫、西端幫、排土場(chǎng)為單元分別進(jìn)行，每單元均按層采取，比較破碎的泥巖只能取回碎塊進(jìn)行測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)巖樣采取時(shí)技術(shù)要求如下：① 每孔不同地層實(shí)際層位長(zhǎng)度大于0.5 m時(shí),取樣不得少于兩組，巖芯要及時(shí)封存與送檢。本工程需要采集的試樣有擾動(dòng)土樣，原狀巖樣。巖層用巖芯管取樣；② 所有原狀巖土樣，必須保證其天然結(jié)構(gòu)，天然含水率，做到輕拿輕放、避免人為擾動(dòng)。巖土樣取出后，及時(shí)封裝和粘貼標(biāo)簽，嚴(yán)禁曝曬，運(yùn)輸時(shí)輕拿輕放，采取防震和防凍措施。由于當(dāng)?shù)貨](méi)有相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備和儀器，所以所有巖石試驗(yàn)均委托西安理工大學(xué)巖土工程省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，對(duì)加工好的巖樣分別做了天然狀態(tài)和飽和狀態(tài)下各巖樣的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，各組巖樣要嚴(yán)格按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[6](GB/T 50266-2013)、《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[7](SL264-2001)等國(guó)家現(xiàn)行的試驗(yàn)規(guī)范和規(guī)程進(jìn)行測(cè)試，具體指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表1。

表1　采場(chǎng)各幫坡巖石物理力學(xué)參數(shù)

2　邊坡巖體強(qiáng)度的修正

本節(jié)在露天礦邊坡室內(nèi)巖石(土)力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)基礎(chǔ)上通過(guò)Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)法、地質(zhì)力學(xué)法及RMI法等多種方法綜合分析、計(jì)算獲得邊坡巖(土)體強(qiáng)度，考慮到巖石風(fēng)化，凍融循環(huán)等因素的影響，根據(jù)強(qiáng)度折減法最終提出適合邊坡巖(土)穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)建議值。

2.1Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則法

國(guó)外學(xué)者根據(jù)對(duì)節(jié)理化巖體試驗(yàn)的研究成果，提出天然節(jié)理化巖體應(yīng)滿足下面關(guān)系式：

σ1=σ3+(mσ3σc+sσc2)1/2

(1)

式中：σ1、σ3分別為三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力；σc為單軸壓縮試驗(yàn)中巖石的強(qiáng)度；m、s為常數(shù)，取決于巖石性質(zhì)。依據(jù)Hoek—Brown準(zhǔn)則推導(dǎo)出了節(jié)理化巖體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、φ值。其表達(dá)式為：

τ=(ctgφi-cosφi)mσc/8

(2)

結(jié)合以上Hook-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和摩爾庫(kù)侖準(zhǔn)則，可以得到弱化后巖體的c,φ值，對(duì)于給定的σ3，粘聚力和摩擦角可由下式獲得：

φ=2tan-1(Nφ(σ3))1/2-90°

(3)

c=σcm/2(Nφ(σ3))1/2

(4)

(5)

(6)

2.1.1m、s值的確定

(1)通過(guò)對(duì)露天礦野外巖體節(jié)理、裂隙調(diào)查，根據(jù)Hook-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的節(jié)理化巖體分類經(jīng)驗(yàn)表從而確定巖體模型。

本區(qū)共勘測(cè)了2處地質(zhì)點(diǎn)，各點(diǎn)的產(chǎn)狀測(cè)試結(jié)果如下：

第1勘測(cè)點(diǎn)產(chǎn)狀為210°∠35°，方位坐標(biāo)為(4221224.98,509120.85)，勘測(cè)到的節(jié)理組數(shù)：

1)85°∠70°，線密度3 條/m～8 條/m，節(jié)面平直。延伸3 m～5 m，張開(kāi)度2 mm～4 mm；

2)285°∠76°，線密度2 條/m～6 條/m，延伸3 m～6 m，張開(kāi)度1 mm～3 mm；

3)280°∠72°，線密度2 條/米～5 條/米，延伸5 m～6 m，張開(kāi)度2 mm～4 mm；

4)225°∠63°，線密度2 條/米～5 條/米，延伸3 m～8 m，張開(kāi)度1 mm～3 mm；

第2勘測(cè)點(diǎn)產(chǎn)狀為215°∠30°，方位坐標(biāo)為(4221265.40,509150.07)，勘測(cè)到的節(jié)理組數(shù)：

1)265°∠85°，線密度2 條/m～6 條/m，節(jié)面平直。延伸3 m～8 m，張開(kāi)度1 mm～3 mm；

2)15°∠67°，線密度2 條/m～5 條/m，延伸3 m～8 m，張開(kāi)度1 mm～3 mm；

3)20°∠76°，線密度2 條/米～4 條/米，延伸2 m～6 m，張開(kāi)度1 mm～3 mm；

第3勘測(cè)點(diǎn)產(chǎn)狀為255°∠39°，方位坐標(biāo)為(4221268.97,509029.41)，勘測(cè)到的節(jié)理組數(shù)：

1)183°∠60°，線密度1 條/m～4 條/m，節(jié)面平直。延伸2 m～5 m，張開(kāi)度1 mm～3 mm；

2)121°∠72°，線密度3 條/m～10 條/m，延伸2 m～6 m，張開(kāi)度1 mm～3 mm；

(2)根據(jù)Hook-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則和摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則的節(jié)理化巖體分類經(jīng)驗(yàn)表，可獲得節(jié)理化巖體的m、s值。

根據(jù)地質(zhì)環(huán)境及節(jié)理、裂隙調(diào)查結(jié)果：巖石的工程地質(zhì)特征相當(dāng)于強(qiáng)-中等風(fēng)化，質(zhì)量較差～一般，確定出m、s值應(yīng)取m=0.05、s=0.00001。

2.1.2σc值確定

σc由計(jì)算機(jī)控制的專門(mén)對(duì)巖石類工程材料進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)的多功能電液伺服試驗(yàn)機(jī)確定。

2.1.3指標(biāo)求取

用已經(jīng)得到的σc、m、s值，用式(3)、式(4)進(jìn)行計(jì)算并做出Mohr破壞包絡(luò)線，根據(jù)Mohr破壞包絡(luò)線的特性，可以計(jì)算出所巖體的內(nèi)摩擦角φ與粘聚力c值。根據(jù)Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)公式，巖體強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)計(jì)算值

2.2RMI法

RMI值以通過(guò)結(jié)構(gòu)面參數(shù)對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行折減來(lái)反映巖體的強(qiáng)度特性。其表達(dá)式為:

PRMI=σc×K

(7)

式中：σc為為巖塊單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)，由直徑為50 mm的巖石試件在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得；K為結(jié)構(gòu)面參數(shù)，其值變化在0～1間。對(duì)完整巖塊取1，破碎巖體取0。

該方法是在考慮了節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)面對(duì)巖體的影響，根據(jù)彈性波在這些結(jié)構(gòu)面內(nèi)傳播速度的變化情況，利用彈性波在試塊和巖體中的傳播速度比值的平方作為巖體的完整系數(shù)K判斷巖體中裂隙的發(fā)育程度[9]：

K=(Vml/Vcl)2

(8)

其中：Vml為巖體中彈性波縱波的傳播速度；Vcl為巖塊中彈性波縱波的傳播速度。

結(jié)合巖體完整系數(shù)[10-11]和結(jié)合中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所巖體分類標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)巖體的完整性系數(shù)取K=0.6，這樣巖體的準(zhǔn)強(qiáng)度就可以利用完整性系數(shù)和巖石強(qiáng)度指標(biāo)的乘積K來(lái)計(jì)算。巖體強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3　RMI法計(jì)算結(jié)果

2.3地質(zhì)力學(xué)分類法

由南非科學(xué)和工業(yè)研究委員會(huì)提出的CSIR分類指標(biāo)值RMR由RQD值、巖塊強(qiáng)度、節(jié)理間距、地下水、節(jié)理?xiàng)l件和節(jié)理方向修正值6項(xiàng)指標(biāo)組成，然后對(duì)每項(xiàng)指標(biāo)評(píng)分，求得總分RMR值，再對(duì)總分做適當(dāng)修正，最后利用修正后的總分來(lái)判定巖體的類別和強(qiáng)度值。評(píng)分中相關(guān)參數(shù)結(jié)合巖石力學(xué)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙勘測(cè)而知。根據(jù)巖體地質(zhì)力學(xué)分類表的標(biāo)準(zhǔn)[12]要求，對(duì)5部分的評(píng)分結(jié)果如表4所示。

通過(guò)以上分析，依據(jù)巖體級(jí)別和巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表的要求，本勘查區(qū)巖體屬于Ⅲ級(jí)的一般巖體，巖體內(nèi)聚力為200 kPa～300 kPa，內(nèi)摩擦角為25°～35°。

表4　各項(xiàng)分類參數(shù)評(píng)分結(jié)果

3　邊坡巖體強(qiáng)度建議值與質(zhì)量綜評(píng)

3.1邊坡巖體強(qiáng)度建議值

通過(guò)對(duì)以上巖體強(qiáng)度幾種分析方法計(jì)算結(jié)果的綜合分析，結(jié)合其它類似露天礦邊坡的工程實(shí)踐，在遵循Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法的基礎(chǔ)上，考慮RMI法，兼顧地質(zhì)力學(xué)分類法對(duì)露天礦首采區(qū)邊坡巖體物理力學(xué)參數(shù)做出綜合分析，給出建議值如表5所示。

3.2邊坡穩(wěn)定性計(jì)算強(qiáng)度參數(shù)建議值

考慮到露天礦邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中巖體的風(fēng)化、爆破震動(dòng)[13]、施工機(jī)具擾動(dòng)尤其是凍融循環(huán)等不利因素對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，所以在邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，相關(guān)強(qiáng)度指標(biāo)需做必要折減[14-18]。

巖體強(qiáng)度指標(biāo)折減依據(jù)：

(1)地溫監(jiān)測(cè)表明，該區(qū)季節(jié)性凍巖深度在5.75 m，多年凍巖深度在59.75 m，之下為穩(wěn)定巖體；隨著煤巖采剝量的增加，邊坡高度也隨之增加，出現(xiàn)凍巖厚度會(huì)沿坡體向下逐漸延深，且不斷的風(fēng)化侵蝕和凍融循環(huán)會(huì)加快這種延深。所以建議坡體面以下6 m內(nèi)需考慮季節(jié)性凍土影響，6 m～70 m深度范圍內(nèi)考慮多年凍土的影響。

(2)凍土試驗(yàn)表明：邊坡巖體在凍融循環(huán)作用下，抗壓強(qiáng)度損失在39%～97%。

(3)爆破震動(dòng)、開(kāi)挖機(jī)具以及運(yùn)輸車輛的擾動(dòng)會(huì)加劇巖體原生結(jié)構(gòu)面的擴(kuò)展，形成較多的次生結(jié)構(gòu)面，加之凍融循環(huán)影響，使凍巖深度會(huì)進(jìn)一步增加。

(4)剝掉的草甸覆蓋層失去對(duì)地層的保溫作用，會(huì)加劇凍巖深度的增加。

綜合上述各種依據(jù)，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，深度在70 m范圍內(nèi)時(shí)，建議計(jì)算強(qiáng)度指標(biāo)按巖體力學(xué)參數(shù)建議值的0.4折減,70 m～120 m按0.6折減，120 m～170 m按0.7折減。計(jì)算參數(shù)采用值見(jiàn)表6。

表5　邊坡巖體力學(xué)參數(shù)建議值

表6　邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)建議值

4　邊坡巖體質(zhì)量綜評(píng)

4.1結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)巖石力學(xué)室內(nèi)試驗(yàn)以及2節(jié)～3節(jié)分析，結(jié)合巖石質(zhì)量指標(biāo)(RQD)、中科院地質(zhì)研究所巖體分類法、以及地質(zhì)力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的分類以及《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[19](GB50218-1994)3.3中的相關(guān)規(guī)定，本次勘察區(qū)巖體結(jié)構(gòu)類型屬于：一般的、完整性為Ⅱ類(層狀結(jié)構(gòu))中Ⅱ1型的較堅(jiān)硬性巖體[20-21]。

4.2質(zhì)量分級(jí)

巖體質(zhì)量指標(biāo)BQ以103個(gè)典型工程為抽樣總體，采用多元逐步回歸和判別分析法建立了巖體基本質(zhì)量指標(biāo)表達(dá)式：BQ=90+3σcw+250KV計(jì)算。其中，σcw為32.44 MPa，KV為0.6，這樣BQ值為410.19。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[19](GB50218-1994)4.1.1中的標(biāo)準(zhǔn)，本勘察區(qū)巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

4.3強(qiáng)度大小

天然狀態(tài)下，巖體的抗壓強(qiáng)度最大值為63.84 MPa，最小值為26.57 MPa，平均值為45.21 MPa；飽和狀態(tài)下巖體的抗壓強(qiáng)度最大值為55.50 MPa，最小值為21.09 MPa，平均值為38.30 MPa；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，天然狀態(tài)下，粘聚力最大值為3.22 MPa，最小值為1.84 MPa，內(nèi)摩擦角最大值為32.44°，最小值為24.42°；飽和狀態(tài)下，粘聚力最大值為2.77 MPa，最小值為1.55 MPa，內(nèi)摩擦角最大值為27.49°，最小值為21.35°。

5　結(jié)　論

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到巖樣經(jīng)過(guò)加工分別進(jìn)行了天然狀態(tài)和飽水狀態(tài)下的單軸壓縮試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，獲得了不同狀態(tài)下巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角。

(2)通過(guò)Hoek-Brown經(jīng)驗(yàn)法、地質(zhì)力學(xué)法及RMI法對(duì)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正，給出了邊坡巖體力學(xué)參數(shù)建議值，同時(shí)考慮到露天礦邊坡在開(kāi)挖過(guò)程中巖體的風(fēng)化、爆破震動(dòng)、施工機(jī)具擾動(dòng)尤其是凍融循環(huán)等不利因素對(duì)巖體強(qiáng)度的影響，給出了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖體力學(xué)參數(shù)建議值。

(3)結(jié)合工程巖體分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)巖體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)類型、質(zhì)量分級(jí)和強(qiáng)度大小的綜合質(zhì)量評(píng)價(jià)。

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TheCorrectionoftheRockmassMechanicsParametersfortheStripMineSlopeStabilityEvaluation

TIAN Yan-zhe,XU Shuan-hai

(CCTEGXi'anResearchInstitute,Xi'an,Shaanxi710077,China)

Abstract：In the process of open-pit slope stability analysis,due to the existence of the layers,joints,weak interfaces and fault planes,the macromechanical parameters of the rockmass are different from those of the laboratary standard rock.Therefore the parameters obtained in the laboratory should be corrected in order to derive the physical parameters of the rockmass and then applied to the stability evaluation of the slope At first,the suggested mechanical parameters of the rockmass were obtained through the correction of Hoek Brown experience method,geomechanical law and RMI method.And then,the unfavorable factors of weathering,blasting vibration,construction disturbance and freeze-thaw cycle were taken into account to calculate the suggested mechanical parameter value of the slope stability.The results showed that under natural state,the maximum value of the cohesion was 3.22 MPa,the minimum was 1.84 MPa;the maximum value of internal friction angle was 32.44°,the minimum value was 24.42°.Under the saturated state,the maximum value of the cohesion was 2.77 MPa and the minimum value was 1.55 MPa;the maximum value of internal friction angle was 27.49°,the minimum value was 21.35°.

Keywords：strip mine;physical and mechanical parameters;Hoek-Brown experience method;geomechanical law;RMI method

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2014.06.022

中圖分類號(hào)：TD824

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672—1144(2014)06—0112—06

作者簡(jiǎn)介：田延哲(1988—)，男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，研究方向?yàn)槁短斓V山邊坡。

基金項(xiàng)目：中鐵資源集團(tuán)有限公司科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012-重點(diǎn)-61)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司創(chuàng)新基金(2012XAYCX020)；中科院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(SKLFSE201311)

收稿日期：2014-08-06修稿日期：2014-09-27