基于強(qiáng)度函數(shù)法的某排土場穩(wěn)定性分析

張 雷 吳五海 丁成功

（1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2.國家金屬礦山固體廢物處理與處置工程技術(shù)研究中心；3.江西銅業(yè)集團(tuán)建設(shè)有限公司）

排土場作為礦山永久邊坡將永續(xù)存在，并影響周邊環(huán)境及建（構(gòu)）筑物的安全［1］。排土場由于其排土工藝特點(diǎn)，散體物料在臺階高處自然滾落，呈現(xiàn)出明顯的上下差異性，下部多為大塊石，而邊坡上部細(xì)粒土含量多，致使散體物料的宏觀力學(xué)特性表現(xiàn)出強(qiáng)烈的不均勻性［2］。排土場散體物料在較高臺階上自然滾落堆積，通過不同臺階位置的試驗(yàn)，從臺階的上部到下部，散體物料的內(nèi)摩擦角逐漸增加，而黏聚力不斷減?。?］。但是在目前的排土場穩(wěn)定性分析中，多采用統(tǒng)一、固定的排土臺階抗剪強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)，并沒有考慮到由于大段高排土、物料自坡頂?shù)狡碌鬃匀粷L落的排土工藝而帶來的排土場頂、底部巖土體力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的差別，這樣使得排土場穩(wěn)定性分析結(jié)果不能真實(shí)地評價排土場安全狀況。

在國內(nèi)西南某鋼鐵礦業(yè)集團(tuán)公司的采場東北幫擴(kuò)幫工程中，擴(kuò)幫后境界多采出礦石3 128萬t，表外礦5 279萬t，但需要多剝離巖石11 885萬t，經(jīng)研究擬在擴(kuò)幫采場內(nèi)建設(shè)內(nèi)排土場，待建區(qū)域?qū)⒂?022年閉坑，已形成深凹露天采場，封閉圈標(biāo)高為1 270 m。采取內(nèi)排工藝可以利用原采礦場地，不占農(nóng)田、耕地和林地。但由于露天采場邊坡高，設(shè)計采用了“上土上排、下土下排、就近分散”的原則，排土場單臺階段高為75 m，總體排土邊坡高達(dá)375 m。排土場散體物料的分選與強(qiáng)度的差異性，在高臺階排土中尤為明顯。在本次排土場穩(wěn)定性分析中若采用傳統(tǒng)的統(tǒng)一強(qiáng)度參數(shù)，則與大段高排土場的實(shí)際情況不符，得出的穩(wěn)定性分析結(jié)果也不近客觀與合理，不能指導(dǎo)下一步排土場設(shè)計與實(shí)施。

為了科學(xué)合理地進(jìn)行本次排土場穩(wěn)定性分析并指導(dǎo)下一階段堆排設(shè)計，首先在場地內(nèi)之前排放的75 m段高排土臺階上不同段高位置進(jìn)行散體物料取樣并進(jìn)行室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)，統(tǒng)計分析散體抗剪強(qiáng)度與排土場不同位置的函數(shù)關(guān)系。再利用強(qiáng)度函數(shù)法將各土條位置的不同強(qiáng)度參數(shù)用于計算排土邊坡穩(wěn)定性，以得到更合理的排土場安全狀態(tài)評價結(jié)果。

1 排土場散體物料三軸剪切試驗(yàn)

在本次排土邊坡穩(wěn)定性分析研究中，重點(diǎn)對排土場堆積物料的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了堆積物料巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)，從之前排放的75 m段高排土臺階邊坡自坡頂?shù)狡碌滓来稳∩Ⅲw物料，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行4組三軸剪切試驗(yàn)。

本次三軸試驗(yàn)儀器采用了YS30-3B型應(yīng)力路徑三軸壓縮試驗(yàn)機(jī)。YS30-3B型應(yīng)力路徑三軸壓縮試驗(yàn)機(jī)適用于測定軸向應(yīng)力σ1不大于20 MPa（總荷載1 500 kN）、周圍壓力σ3不大于4.0 MPa的粗粒土抗剪強(qiáng)度及其變形特性，見圖1。

本設(shè)備能進(jìn)行軸向應(yīng)力、應(yīng)變、周圍壓力、孔隙壓力、試樣體積變化、固結(jié)排水量等參數(shù)測試采用伺服控制變頻計量油源方式完成軸向應(yīng)力、應(yīng)變和試樣周圍壓力的油水轉(zhuǎn)換加載控制，反向壓力采用壓縮氣體和水壓穩(wěn)定施加。液壓、氣壓控制系統(tǒng)集中安裝在1臺控制柜內(nèi)。本設(shè)備具有水頭壓力、真空抽氣、反向壓力3種不同的方式對飽和試樣的體積變化進(jìn)行測量。

對于本次排土散體試樣的固結(jié)不排水剪（CU）試驗(yàn)，試樣飽和后即關(guān)閉排水閥，保持恒定圍壓，采用剪切速率2 mm/min不斷增加軸壓，并分別測記量力環(huán)讀數(shù)、軸向變形和體變讀數(shù)，直至試樣破壞為止；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用回歸原理及數(shù)學(xué)模型，編制源程序，進(jìn)行統(tǒng)計分析，以三軸試驗(yàn)的每次數(shù)據(jù)為一組，對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得到三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)有效應(yīng)力強(qiáng)度的σ—τ曲線，見圖2。

從試驗(yàn)結(jié)果可見，單個臺階邊坡的散體物料由于在邊坡上的滾落導(dǎo)致排土粒徑的上下分選，所以散體黏聚力c在坡頂處數(shù)值最大，在坡腳處最低。與之相反的是內(nèi)摩擦角φ在坡頂處數(shù)值最小，在坡腳處最大。經(jīng)比較，在本次試驗(yàn)研究中黏聚力c在近坡頂處為20.9 kPa，在近坡腳處為9.5 kPa，強(qiáng)度差為2.2倍；內(nèi)摩擦角φ在近坡頂處為30.4°，在近坡腳處為37.45°，相比坡頂強(qiáng)度值僅為坡腳的0.811倍。

2 散體物料抗剪強(qiáng)度函數(shù)曲線

根據(jù)c、φ隨排土場高度的變化關(guān)系，擬合隨排土場高度變化的強(qiáng)度曲線見圖3、圖4，圖中H為排土場臺階高度，75 m；H1為取樣點(diǎn)至所在的排土場臺階坡頂?shù)母卟?，分別為距坡頂8.5，19.7，40.2，51.5 m。

從以上的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，散體物料的抗剪強(qiáng)度（c、φ）隨排土邊坡不同位置的變化較為明顯，黏聚力相比內(nèi)摩擦角隨高度變化更為明顯。在本次穩(wěn)定性分析中，采用排土體抗剪強(qiáng)度曲線模型，來模擬隨排土場高度位置變化，代入排土體抗剪強(qiáng)度數(shù)值的不同。

3 基于強(qiáng)度函數(shù)法的排土場穩(wěn)定性分析

3.1 排土場巖土體力學(xué)參數(shù)確定

利用GeoStudio系列軟件邊坡穩(wěn)定性分析模塊中提供的空間摩爾-庫倫材料模型的強(qiáng)度函數(shù)，對抗剪強(qiáng)度隨剖面標(biāo)高的變化曲線進(jìn)行擬合，其抗剪強(qiáng)度與排土場不同位置標(biāo)高h(yuǎn)的強(qiáng)度曲線見圖5、圖6。

根據(jù)該西南地區(qū)超高排土場的巖土結(jié)構(gòu)特征，參考了該排土場以往工程勘察成果，確定了排土場穩(wěn)定性分析計算所需的巖土體力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)見表1。本次分析研究采用了《冶金礦山排土場設(shè)計規(guī)范》（GB 51119—2015）中推薦的Morgenstern-Price法，計算排土場邊坡圓弧型破壞的穩(wěn)定性。

3.2 排土場75 m段高單臺階穩(wěn)定性復(fù)核計算

本次排土場穩(wěn)定性分析首先進(jìn)行了單臺階75 m段高的穩(wěn)定性復(fù)核計算，臺階坡面角約38°，單臺階穩(wěn)定性分析在其破壞模式與強(qiáng)度函數(shù)穩(wěn)定性分析法上具備一定的代表性，計算結(jié)果見圖7。

圖8、圖9為單臺階代入圓弧法計算的各土條散體強(qiáng)度參數(shù)，可見，參數(shù)并非單一均值，按照不同位置標(biāo)高，嚴(yán)格參照了強(qiáng)度函數(shù)取值，這樣的土條強(qiáng)度參數(shù)取值符合試驗(yàn)得出的規(guī)律性認(rèn)識，更符合排土場邊坡工程實(shí)際情況，得出邊坡穩(wěn)定性評價結(jié)果更為真實(shí)合理，且該排土臺階邊坡安全系數(shù)為1.154，滿足規(guī)范要求。

3.3 排土場整體邊坡穩(wěn)定性復(fù)核計算

本次穩(wěn)定性分析排土場位于攀西地區(qū)，排土場為露天采場內(nèi)部排土場，排土地基為中粒輝長巖，工程地質(zhì)條件較好，排土工藝采取了覆蓋式排土，單臺階段高75 m，排土場平臺寬度為50 m，排土標(biāo)高自1 150～1 525 m，排土場總高為375 m，總體排土坡面角約為28.9°，屬國內(nèi)大型二級排土場。由于采取的是自下而上的覆蓋式排土工藝，這樣每級75 m高排土臺階的散體物料皆存在著排土滾落分級，每級臺階分選基本一致。利用以上試驗(yàn)得出的強(qiáng)度函數(shù)，代入每級臺階，進(jìn)行整體排土場穩(wěn)定性分析，其分析結(jié)果見圖10。

該排土場分為5個排土臺階，從圖11、圖12可見5個排土臺階的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值，其特點(diǎn)一是非單一取值；其二是取值在自下向上非連續(xù)性，在每級臺階平臺處，由于覆蓋式排土工藝的特點(diǎn)，存在著排土物料的非連續(xù)性。從這一點(diǎn)也更能說明采用基于強(qiáng)度函數(shù)法的排土場邊坡穩(wěn)定性分析，更符合排土工藝實(shí)際情況，其穩(wěn)定性分析結(jié)果更為可信。

經(jīng)上文強(qiáng)度函數(shù)法穩(wěn)定性分析計算，由于整體排土邊坡坡面角較緩，自然工況下整體邊坡安全系數(shù)為1.405，大于排土臺階安全系數(shù)，且滿足規(guī)范要求的大于等于1.20～1.25的最小安全系數(shù)，所以此次內(nèi)排土工藝結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計合理，排土場安全穩(wěn)定性可滿足采場內(nèi)安全生產(chǎn)要求。

4 結(jié) 語

（1）通過在排土場不同位置取散體樣并進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，得出散體黏聚力在坡頂處數(shù)值最大，在坡腳處最低；與之相反的是內(nèi)摩擦角在坡頂處數(shù)值最小，在坡腳處最大。

（2）基于試驗(yàn)成果，構(gòu)建了散體物料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與不同排土標(biāo)高位置的強(qiáng)度函數(shù)曲線，該函數(shù)曲線不同于以往邊坡研究分析中的巖土體單一取值認(rèn)識，更符合排土場工藝實(shí)際情況。

（3）利用GeoStudio軟件中空間摩爾-庫倫材料模型，輸入排土場散體物料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行排土邊坡的單臺階和整體邊坡穩(wěn)定性分析。此種強(qiáng)度函數(shù)法的排土場邊坡穩(wěn)定性分析，更符合排土物料自然滾落形成的分選性質(zhì)，得出的穩(wěn)定性分析結(jié)論也更加接近真實(shí)的穩(wěn)定性狀態(tài)。