采場殘坡積土抗剪強度及邊坡時效穩(wěn)定性研究

張 默 熊金波 曹作忠 邱 宇

(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室,安徽 馬鞍山 243000;2.中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司,安徽 馬鞍山 243000;3.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦,江西 上饒 334505;4.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司,安徽 馬鞍山 243000)

露天礦采場邊坡對于礦山開采、運營都將經(jīng)歷幾十年甚至百年之久,采場邊坡從原始山脊地貌演變?yōu)樯畎疾煽?巖體經(jīng)過卸荷變形、長期自然風(fēng)化、腐蝕、震動剝落,最終巖體將在采場邊坡堆積形成殘坡積土。殘坡積土由原母巖不斷在外力作用下,逐漸演變成碎石及土類的性質(zhì)。堆積在邊坡之上一定范圍厚度的殘坡積土起初為不穩(wěn)定碎石土層,在小范圍內(nèi)不斷穩(wěn)定下來,當(dāng)坡腳堆積一定厚度之后,將向邊坡中上部堆積,最終形成較穩(wěn)定的殘坡積土堆積層。殘坡積土歷經(jīng)幾十年后,部分碎石不斷風(fēng)化成土,為植被生長提供了有利條件,但土料畢竟有限,未能為植被及時固定。從宏觀時間尺度分析,殘坡積土邊坡屬于新近期邊坡,穩(wěn)定性欠佳,在外界動力、雨水浸入作用下,較易在殘坡積土內(nèi)部或沿土、巖交界面變形失穩(wěn)。殘坡積土長期抗剪強度主要由土石料成分和膠結(jié)程度有關(guān),新近期內(nèi)的抗剪強度主要與含水率有關(guān)[1]。為研究露天采場殘坡積土在礦山運營期內(nèi)的穩(wěn)定性,本研究從不同季節(jié)的殘坡積土含水率對應(yīng)的抗剪強度為切入點,研究邊坡隨時間變化的規(guī)律,即邊坡時效穩(wěn)定性。

1 殘坡積土抗剪強度中型直剪試驗方案

殘坡積土為近期堆積土層,固結(jié)程度較低,為欠固結(jié)土層,力學(xué)抗剪強度沒有峰值,按照土工直剪試驗標(biāo)準(zhǔn),剪切應(yīng)變達到15%時,視為剪切破壞[2]。試樣主要采集江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦露天采場東幫邊坡殘坡積土,根據(jù)氣象和多年暴雨統(tǒng)計,一般來說,永平鎮(zhèn)5—8月份為雨季,9—12月份為旱季,分別采集了2019年12月、2020年3月、6月、7月和10月的5次樣品[3]。不同時間含水率直剪試驗方案如表1所示。其中對5次試樣進行顆粒篩分統(tǒng)計,粒徑級配曲線如圖1所示。

表1 殘坡積土試驗方案Table 1 Residual soil test program

圖1 殘坡積土粒徑級配曲線Fig.1 Grain size grading curve of residual slope deposits

對殘坡積土的顆粒級配進行分析[4],級配曲線中間分布較窄較陡。不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=57.5,曲率系數(shù)Cc=d230/(d10·d60)=27.83,不均勻系數(shù)Cu大于5,就有足夠的細(xì)粒土充填到粗粒土形成的孔隙中。但該殘坡積土不均勻系數(shù)Cu遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5,并且曲率系數(shù)Cc?[1,3],說明該殘坡積土缺乏中間粒徑的含量,粒徑不連續(xù),級配不良,進一步說明該露天采場邊坡殘坡積土短期幾十年內(nèi)碎石未完全風(fēng)化。

2 殘坡積土抗剪強度試驗結(jié)果

不同含水率殘坡積土不同軸向壓力作用下的直剪試驗結(jié)果如圖2～圖4所示。然后用一次線性函數(shù)擬合,擬合結(jié)果與試驗結(jié)果較為吻合,從抗剪強度公式得出不同含水率的殘坡積土抗剪強度公式,如圖5所示。

圖2 軸壓壓應(yīng)力為100 kPa不同含水率剪切試驗曲線Fig.2 The axial compressive stress is 100 kPa shear test curves with different water content

圖3 軸壓壓應(yīng)力為200 kPa不同含水率剪切試驗曲線Fig.3 The axial compressive stress is 200 kPa shear test curves with different water content

圖4 軸壓壓應(yīng)力為300 kPa不同含水率剪切試驗曲線Fig.4 The axial compressive stress is 300 kPa shear test curves with different water content

圖5 不同含水率殘坡積土剪切強度線性擬合方程Fig.5 The linear fitting equation of shear strength of residual slope deposits with different water content

3 殘坡積土抗剪強度時效規(guī)律研究

從不同含水率殘坡積土直剪試驗結(jié)果分析,得出其物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示,抗剪強度黏聚力和摩擦角隨含水率的變化規(guī)律如圖6所示。

表2 不同含水率殘坡積土試驗結(jié)果Table 2 Test results of residual slope deposits with different water content

圖6 不同含水率殘坡積土剪切強度變化規(guī)律Fig.6 Variation rule of shear strength of residual slope deposits with different water content

從圖6可以得出不同含水率的殘坡積土抗剪強度隨含水率的增加而降低,考慮到含水率對應(yīng)的月份或季節(jié),殘坡積土的抗剪強度時效規(guī)律為雨季強度比旱季小得多。對殘坡積土力學(xué)強度隨所在季節(jié)含水率變化規(guī)律的時效強度研究,可以探究其本質(zhì)原因為:含水率增加,將造成土料顆粒的吸附水膜增厚,顆粒間的作用力被削弱,自由水變多,基質(zhì)吸力降低;同時含水率增加,土料結(jié)構(gòu)間的膠結(jié)程度減弱,進而導(dǎo)致其學(xué)強度降低[5]。

4 殘坡積土邊坡時效穩(wěn)定性研究

本研究以永平銅礦采場邊坡為例,進一步探究露天采場殘坡積土邊坡的時效穩(wěn)定性。永平銅礦東幫邊坡曾出現(xiàn)過1#和2#滑坡體,破壞范圍在1～3個臺階,通過地質(zhì)調(diào)查與分析,東幫邊坡主要因殘坡積土在雨季時發(fā)生滑坡,通過錨噴加固治理后,邊坡穩(wěn)定性得到了較好的控制,具體殘坡積土邊坡如圖7～圖8所示。殘坡積土邊坡時效穩(wěn)定性研究主要以其不同含水率對應(yīng)的抗剪強度為主,力學(xué)強度參數(shù)取值如表2所示。殘坡積土層邊坡的破壞模式主要為圓弧形,穩(wěn)定性計算方法采用簡化畢肖普法[6]。從殘坡積土邊坡破壞發(fā)展?fàn)顩r得知,邊坡以單臺階向多臺階漸進破壞,本次以單臺階到3個臺階的組合臺階邊坡破壞方式研究其時效穩(wěn)定性。具體到東幫邊坡代表剖面的中上部邊坡地質(zhì)模型如圖9所示,對1個臺階到3個臺階高度的邊坡進行自然工況的時效穩(wěn)定性研究結(jié)果如表3所示,邊坡時效規(guī)律如圖10所示。

表3 不同含水率殘坡積土邊坡安全系數(shù)Table 3 Safety factor of residual soil slope with different water content

圖7 采場邊坡殘坡積土Fig.7 Residual soil of stope slope

圖8 采場邊坡殘坡積土滑坡Fig.8 Residual soil of stope slope slides

圖9 殘坡積土邊坡計算模型Fig.9 Residual soil slope calculation model

圖10 不同季節(jié)組合臺階邊坡的安全系數(shù)Fig.10 Safety factors of bench slope in different seasons

通過不同臺階的穩(wěn)定性研究結(jié)果,可以得出以下規(guī)律:不同組合臺階的穩(wěn)定性隨殘坡積土含水率的增加而降低,邊坡的時效穩(wěn)定性表現(xiàn)在旱季穩(wěn)定性較雨季穩(wěn)定性好;單臺階邊坡安全穩(wěn)定性低于多臺階邊坡穩(wěn)定性,說明當(dāng)含水率增加時,邊坡從單臺階向多臺階發(fā)生漸進性破壞。

5 結(jié) 論

本次以永平銅礦露天采場東幫殘坡積土邊坡為基礎(chǔ),采集了不同季節(jié)的殘坡積土樣,從不同季節(jié)的含水率對應(yīng)不同的抗剪強度為試驗數(shù)據(jù),進而研究殘坡積土邊坡的時效穩(wěn)定性?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:

(1)殘坡積土的黏聚力和摩擦角隨含水率增加而降低,相同含水量變化率的情況下,黏聚力降低程度比摩擦角降低程度較大。

(2)殘坡積土邊坡穩(wěn)定性受雨水影響較大,因其強度隨季節(jié)變化,其邊坡穩(wěn)定性也表現(xiàn)出時效性,安全性系數(shù)在旱季較雨季大,其他時間介于之間。

(3)對于永平銅礦采場殘坡積土邊坡,單臺階安全穩(wěn)定性系數(shù)較多臺階的小,邊坡主要以單臺階向多臺階發(fā)生漸進破壞。