重載卡車作用下天池能源南露天礦北幫穩(wěn)定性研究

張建磊

（新疆天池能源有限責(zé)任公司 南露天煤礦，新疆 昌吉 831100）

在露天礦生產(chǎn)過程中，邊坡穩(wěn)定是絕對露天礦能否生產(chǎn)的重要因素，在眾多安全事故中，絕大多數(shù)是邊坡事故，所以保障露天礦邊坡穩(wěn)定性具有重要意義[1]。露天礦邊坡穩(wěn)定性受水、爆破振動和車輛荷載等多種因素影響[2]。其中重載卡車荷載下對邊坡穩(wěn)定特性有著較大影響，露天礦端幫道路及工作平盤上重載車輛的運(yùn)輸也加劇了邊坡巖體內(nèi)裂隙的發(fā)育和擴(kuò)張[3]，且隨著礦山生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，配套的礦用卡車自重與載重也相應(yīng)增大，動輒上百萬甚至幾百萬噸位的卡車長期在礦山運(yùn)輸?shù)缆愤\(yùn)行，無疑對承擔(dān)運(yùn)輸任務(wù)的端幫運(yùn)輸平臺造成長期不可逆反的損傷。

在研究車輛荷載對道路邊坡穩(wěn)定性的進(jìn)程中，許多學(xué)者進(jìn)行過各個領(lǐng)域邊坡受荷載情況下的穩(wěn)定性計算方法，韓流等[4]針對車輛荷載作用下的露天礦排土場穩(wěn)定性問題進(jìn)行理論分析并基于該理論及CAD 的二次開發(fā)得出了臺階越高受集中荷載的影響越大以及運(yùn)輸車輛總質(zhì)量越大排土場穩(wěn)定受到影響也越大的規(guī)律；白忠榮等[5]為研究邊坡潛在危險部位以及邊坡防治措施，采用FLAC3D對某金礦邊坡加載荷載前后的穩(wěn)定性做了模擬并分析了其中的最大不平衡力、塑性區(qū)和位移的變化，分析得出邊坡危險區(qū)域約位于頂部邊緣并整體向下凹形侵蝕；張友葩等[6]對于公路和鐵路在不同荷載作用下的邊坡穩(wěn)定性問題利用LUSAS 有限元分別對2 種荷載的屬性進(jìn)行分析，得出了,2 種動載荷的“有害頻率”及“有害動載時間”，并采用FLAC 對其邊坡的擾動情況進(jìn)行了數(shù)值分析；韋偉等[7]針對車輛荷載作用下的道路邊坡穩(wěn)定性問題基于極限平衡法提出了Fellenius 和Bishop 改進(jìn)算法，并對某露天礦運(yùn)輸?shù)缆愤M(jìn)行了穩(wěn)定性分析，認(rèn)為端幫運(yùn)輸?shù)缆房赏ㄟ^降低邊坡角來提高穩(wěn)定性，當(dāng)邊坡角降至70°時穩(wěn)定系數(shù)大于1.1，可滿足安全要求。

1 天池能源南露天礦北幫地質(zhì)概況

天池能源南露天礦年生產(chǎn)能力30 Mt，其東幫為工作幫，自西向東推進(jìn)，在工作幫向東推進(jìn)后，南北兩側(cè)端幫被揭露出來，由于礦區(qū)所賦存主要可采煤層為北向南傾斜分布，故北幫為順傾邊坡，穩(wěn)定性較差，再加上北幫煤層露頭處分布有松散雜色泥巖，巖石黏土礦物含量多，巖體裂隙分布較多，容易受到運(yùn)輸設(shè)備荷載影響。北幫作為運(yùn)輸端幫，除了承擔(dān)全礦部分煤炭及剝離物料的運(yùn)輸外，破碎站也分布于此，北幫的穩(wěn)定性對全礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

2 邊坡車輛荷載計算理論與穩(wěn)定性影響機(jī)理

2.1 車輛荷載計算理論

車輛靜力模型作為一種車輛荷載的常規(guī)計算理論，被廣泛應(yīng)用于礦山邊坡穩(wěn)定性計算，除此之外還在市政工程、橋梁工程和公路路基等領(lǐng)域有著豐富的應(yīng)用[8]。對于不同工程地質(zhì)條件以及差異化明顯的車輛類型，所建立車輛荷載模型及其適用范圍也有所差異。南露天礦北幫雜色泥巖區(qū)域邊坡為端幫邊坡，自工作幫向東推進(jìn)后便長期存在，邊坡空間位置與結(jié)構(gòu)隨著時間變化無明顯改變，邊坡路面經(jīng)平地機(jī)、壓路機(jī)等修整完成后路面平整度較好，南露天礦所采用的運(yùn)輸設(shè)備車速較低均在30 km/h 左右，在這種路面較為平整和車速較慢的工程背景下，車輛靜力模型能夠真實的還原車輛荷載對于巖土體的作用。車輛靜力荷載模型如下：

式中：r 為車輛荷載作用中心距荷載有效擴(kuò)散長度，m；r0為車輛荷載作用中心距荷載有效擴(kuò)散邊界的長度，m ；F（r）為車輛靜力荷載函數(shù)，Pa；p 為線源荷載，Pa。

r0為車輛荷載作用中心距荷載有效擴(kuò)散邊界的長度，根據(jù)擴(kuò)散長度的大小將靜力荷載分為3 種形式。當(dāng)r0＝0 時，車輛荷載作用于一點，F(xiàn)（r）為點源荷載；如r0＞0 時，車輛的荷載作用就不只局限于某一點，荷載將呈線性分布，F(xiàn)（r）成為線源荷載，如果考慮車輛荷載的作用面積時，則F（r）為面源荷載。

2.2 車輛荷載對邊坡穩(wěn)定性影響機(jī)理

當(dāng)車輛荷載作用于北幫邊坡上時，假定坡頂分布有均布荷載，采用剛體極限平衡法[9]。利用條分法分析其受力狀態(tài)，則每個條塊的受力平衡狀態(tài)為：

式中Wi為條塊的重力，kN ；Ti，Ti＋1 為豎直界面上的剪切反力，kN ；Ei、Ei＋1 為豎直界面上的水平反力，kN ；αi為條塊底面中點處的傾角，（°）；li為條塊底斜面長度，m ；Ui為底滑面上的平均壓強(qiáng)，kPa ；m 為施加均布荷載的條塊最大數(shù)目；n 為總條塊數(shù)目Si，Ni為底滑面上的剪切及垂直反力，kN。

忽略不計分界面上的剪力，即令（Ti－Ti＋1）＝0；取分條沿垂直方向合力為0，即（Ei－Ei＋1）＝0，同時忽略水壓力Ui則有：

由力矩平衡條件和莫爾庫倫準(zhǔn)則有：

式中：c 為滑面上的單位黏聚力，kPa ；φ 為滑面上的內(nèi)摩擦角，（°）；Fs為臺階頂部在均布荷載影響下的安全系數(shù)。

通過臺階頂部受均布荷載的極限平衡法可知，臺階頂部在受到車輛荷載影響下，邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)除了受其自身的抗剪強(qiáng)度參數(shù)所影響，還與所受荷載的大小、施加荷載區(qū)域有關(guān)。但僅從剛體極限平衡法分析車輛荷載對邊坡穩(wěn)定性的影響，可能會與工程實際不符，如極限平衡法需要假定滑動面且忽略位于滑體之外荷載的作用，導(dǎo)致計算結(jié)果出現(xiàn)誤差。將邊坡視為剛體也無法判斷在受車輛荷載作用下，其邊坡內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變情況，無法確定車輛荷載影響范圍，因此將采用有限差分軟件FLAC3D軟件模擬車輛荷載對北幫邊坡穩(wěn)定性的影響。

3 車輛荷載作用下北幫邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 分析模型

分析依據(jù)GB 51282—2018《煤炭工業(yè)露天礦礦山運(yùn)輸工程設(shè)計規(guī)范》，南露天礦運(yùn)輸平盤中運(yùn)輸設(shè)備分為2 類：一類為車寬最大值不超過4.05 m 的中型礦用卡車；一類為大型礦用卡車。但南露天礦大部分運(yùn)輸設(shè)備為中型礦用卡車，少量大型礦用卡車的運(yùn)輸區(qū)域主要位于東幫工作幫北側(cè)，邊坡穩(wěn)定性較低的北幫并無分布，故本次數(shù)值模擬模型所采用運(yùn)輸平盤技術(shù)參數(shù)為中型礦用卡車標(biāo)準(zhǔn)，道路外側(cè)距坡頂線（含安全擋墻）安全距離為4 m，道路內(nèi)側(cè)距坡底線（含安全擋墻）安全距離為3 m，車輛荷載選取南露天礦載重與整車整備質(zhì)量最大的中型礦用卡車徐工XDR85T，滿載車輛荷載為111 t，即1.11×106N，輪胎寬度為0.6 m，車輛驅(qū)動輪為雙排輪胎，兩側(cè)輪胎總長度為2.4 m，載荷施加方式為線源荷載，線源荷載大小為462.5 kN/m。

北幫邊坡數(shù)值計算模型如圖1，北幫為順傾邊坡結(jié)構(gòu)，煤層及雜色泥巖下部賦存有底板泥巖，端幫巖層從上到下依次為雜色泥巖、底板泥巖和基巖。550 m 水平下部煤層開挖后，在550 m 臺階右側(cè)形成較大臨空面，臺階高度達(dá)20 m，北幫線源載荷加載于數(shù)值模擬模型中的550 m 臺階。

圖1 北幫邊坡數(shù)值計算模型

3.2 車輛荷載作用下邊坡應(yīng)力和應(yīng)變及穩(wěn)定性

為得到車輛荷載對于北幫邊坡穩(wěn)定性的影響，建立北幫邊坡數(shù)值計算模型，分別進(jìn)行未施加車輛荷載和施加車輛荷載2 種情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，未施加荷載北幫應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律如圖2，施加荷載北幫應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律如圖3。

圖2 未施加荷載北幫應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律

圖3 施加荷載北幫應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律

通過對大量的邊坡破壞事故進(jìn)行調(diào)查得出，邊坡在發(fā)生失穩(wěn)破壞時，滑移面總是沿著其內(nèi)部抗剪強(qiáng)度較小方向或所受剪應(yīng)力最大方向，最大剪切應(yīng)變增量很好的反映了邊坡位于失穩(wěn)破壞時內(nèi)部最易滑面位置[10]，當(dāng)未施加荷載時，最大剪應(yīng)變分布于550 雜色泥巖臺階，這是由于550 m 水平臺階雜色泥巖體黏聚力和內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)強(qiáng)度較低，在550 m 水平臺階下部煤層開挖后穩(wěn)定性將會降低，說明北幫邊坡穩(wěn)定性最低區(qū)域位于550 雜色泥巖臺階，其邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)為1.258，作為非工作幫臨時邊坡，穩(wěn)定性良好，但需盡快進(jìn)行壓幫內(nèi)排以提高邊坡穩(wěn)定性。

在北幫最易滑區(qū)域550 臺階施加兩側(cè)輪胎寬度2.4 m，大小462.5 kN/m 線源載荷。當(dāng)施加車輛荷載后，邊坡滑移模式與范圍并未發(fā)生改變，邊坡內(nèi)部最大剪切應(yīng)變增量呈圓弧狀分布于550 m 水平臺階臨空面，最大值位于550 m 水平臺階底部，邊坡穩(wěn)定性為1.186，較為考慮車輛影響時穩(wěn)定系數(shù)略有下降，與未施加荷載時變化不大，沿邊坡傾向?qū)訝罘植?，最大值都?.32×106Pa，分布于邊坡中上覆巖體質(zhì)量最大處。為探究車輛荷載對邊坡穩(wěn)定性影響程度與范圍，在550 臺階坡面布設(shè)連續(xù)監(jiān)測點，起點位于臺階頂部施加荷載下方，終止于邊坡坡腳臨空面處。施加荷載與未施加載荷550 臺階位移分布如圖4。

圖4 550 臺階位移分布

由圖4（a）可知，施加車輛荷載與未施加荷載情況下，550 臺階邊坡內(nèi)部x 位移分布大致相同，距離監(jiān)測范圍起點距離越遠(yuǎn)，x 位移值越大，在邊坡上表現(xiàn)為，煤層開挖后，邊坡形成側(cè)向臨空面，缺少側(cè)向約束，原有地層應(yīng)力平衡被打破，邊坡上部巖土體在重力影響下，將內(nèi)部巖體向邊坡臨空方向卸荷，邊坡產(chǎn)生x 方向位移，且越臨近坡腳處，位移值越大。未施加荷載時，邊坡內(nèi)部x 最大值出現(xiàn)在距離監(jiān)測范圍起點28 m 處，峰值位移為2.70 m，當(dāng)施加車輛荷載時，邊坡內(nèi)部x 最大值分布位置較施加荷載時上移，出現(xiàn)在距離監(jiān)測范圍起點22.6 m 處，峰值位移為2.76 m，峰值位移較未施加荷載增加0.06 m。

由圖4（b）可知，邊坡豎直方向位移能很好的反應(yīng)邊坡內(nèi)部的變形情況，尤其是在坡頂施加車輛荷載時，能較清晰的分析出荷載影響的范圍與大小。未施加荷載與施加荷載在z 方向位移分布規(guī)律有較大不同，未施加荷載時，邊坡z 方向位移值從監(jiān)測點起點至550 m 水平臺階最下部呈先增大后減小的變化趨勢，z 方向位移最大值出現(xiàn)在距離監(jiān)測起點8.4 m處，與邊坡未施加荷載時z 方向位移云圖結(jié)果相對應(yīng)，邊坡z 方向位移最大值為1.75 m，出現(xiàn)在550 m水平臺階下部5～10 m 處。而施加車輛荷載后，邊坡z 方向位移分布有了較大變化，從監(jiān)測點起點至臺階下部，z 方向位移都呈減小趨勢，受車輛荷載影響，z 方向位移峰值向邊坡巖體內(nèi)部即車輛荷載施加區(qū)域移動，位移峰值位于車輛荷載下方達(dá)2.07 m，較未施加荷載增加了0.32 m。

4 結(jié)語

1）車輛荷載作用下北幫邊坡穩(wěn)定性由1.258 下降至1.186，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2）施加車輛荷載后，邊坡破壞模式未發(fā)生改變，仍為圓弧狀滑坡，邊坡向臨空方向x 方向位移分布規(guī)律相同，位移峰值增加0.06 m。z 方向位移整體加大，位移峰值增加0.32 m，位于邊坡車輛荷載下方。

3）防止局部邊坡在車輛荷載下發(fā)生塑性破壞坍塌，為了保證人員及邊坡安全，車輛應(yīng)保持道路外側(cè)距坡頂線4 m，同時應(yīng)在北幫550 m 水平臺階加強(qiáng)邊坡監(jiān)測，并盡快進(jìn)行壓幫內(nèi)排。