高陡巖質(zhì)邊坡變形破壞特征及控制研究

王繼虎

(濟寧市水利工程施工公司，山東 濟寧 272000)

0 引 言

近年來國內(nèi)外很多學者對邊坡的穩(wěn)定性及邊坡的滑動、垮塌等危險狀態(tài)進行大量的研究，然后對于高陡巖質(zhì)邊坡的應力變形規(guī)律卻研究的較少。例如：黃小桂[1]等研究了軟巖陡傾邊坡傾倒變形過程特征，并提出了相應的處置方案，為邊坡的穩(wěn)定性及道路的安全性做出了巨大的貢獻；羅健平[2]采用強度折減法和飽和非飽和流固耦合理論研究了降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性及不同降雨時長對邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了相應的治理措施；付釗龍[3]采用離散元分析軟件PFC，研究了軟硬互層順向巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)變形規(guī)律，為工程的安全施工提供了科學依據(jù)；黨力[4]等通過構(gòu)建三維有限元模型，分析研究了東莊水庫水墊塘高陡邊坡施工期變形特性，發(fā)現(xiàn)邊坡在施工期間存在大量的的變形現(xiàn)象，并為其提供了良好的治理措施，為工程的正常施工提供了安全保證。曾錦繡[5]研究了邊坡在受破壞時，邊坡的有效治理措施，文中基于上限法的科學理論，研究了抗滑樁的設計，并提出了雙排抗滑樁的治理措施。范新宇[6]等研究了某水電站溢洪道邊坡在受爆破擾動下的邊坡穩(wěn)定性，并研究了對邊坡穩(wěn)定性影響的主要因素，研究結(jié)果顯示，爆破振動作用對邊坡的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用。

1 工程概況

某礦山為石灰?guī)r礦山，且該礦山屬中高山地區(qū)，地形較陡，開采過程中形成了約90m高的高陡巖質(zhì)邊坡，且石灰?guī)r屬于沉積巖，礦區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體局部較為破碎，且隨著開采的進行，在爆破擾動的沖擊下，邊坡時常有浮石冒落現(xiàn)象，且該區(qū)域內(nèi)降雨量豐富，每年5-10月降水集中，且最大降雨量為900mm，由于石灰?guī)r具有較強的水力性質(zhì)，因此降雨對邊坡具有一定的不良影響，為保證礦山的安全生產(chǎn)，需對該礦山高陡巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析。

高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的步驟主要分為：①對該高陡巖質(zhì)邊坡的巖石進行取樣，并進行室內(nèi)巖石力學試驗，確定巖石的基本物理力學性質(zhì)；②通過所得到的巖石的物理力學性質(zhì)通過Hoek-Brown[7]強度準則，將巖石的物理力學性質(zhì)轉(zhuǎn)化為巖體的物理力學性質(zhì)；③采用極限平衡法或強度折減法對邊坡的穩(wěn)定性進行分析，跟根據(jù)計算結(jié)果分析邊坡的應力應變規(guī)律及特征(極限平衡法適用于完整巖體的穩(wěn)定性分析，強度折減法適用于巖體存在大量節(jié)理裂隙及巖體局部破碎的邊坡穩(wěn)定性分析，文章工程地質(zhì)條件中，高陡巖質(zhì)邊坡局部破碎且?guī)r體的節(jié)理裂隙極度發(fā)育，因此采用強度折減法進行計算)；④提出有效的邊坡治理措施。

2 力學試驗

由于現(xiàn)場條件有限，無法進行現(xiàn)場巖體測試，因此采用現(xiàn)場鉆孔的方式，取具有代表性的巖芯，進行室內(nèi)巖石力學性質(zhì)測定。試驗前準備的樣本，見圖1；單軸抗壓試驗的應力應變曲線(部分圖件)，見圖2；劈裂抗拉試驗曲線(部分圖件)，見圖3。

圖1 試驗前準備的樣本

圖2 單軸抗壓試驗的應力應變曲線(部分圖件)

圖3 劈裂抗拉試驗曲線(部分圖件)

圖2和圖3基本反映了巖樣應力應變過程曲線變形的一般規(guī)律，巖塊在外荷載作用下，產(chǎn)生變形，并伴隨著荷載的不斷增加，變形也不斷增加，當荷載達到或超過某一定限度時，將導致巖塊的破壞。同時根據(jù)圖2可知該巖石的單軸抗壓強度為40.46MPa，彈性模量為11.40GPa，單軸抗拉強度為4.21MPa。

3 巖體的質(zhì)量評價

根據(jù)Hoek-Brown強度準則及非煤露天礦邊坡工程技術規(guī)范》(GB 51016-2014)并結(jié)合下列公式可以得出可將巖石的物理力學性質(zhì)轉(zhuǎn)化為巖體的物理力學性質(zhì)：

σcm=σc·

(1)

式中：Ei為完整巖石的彈性模量；Erm為巖體彈性模量；σcm為巖體抗壓強度；σt為巖體的抗拉強度。

將計算得出，巖體的物理力學參數(shù)，見表1。

表1 巖體的物理力學參數(shù)

4 高陡巖質(zhì)邊坡的變形規(guī)律

文章采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對高陡巖質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性分析，由于石灰?guī)r的物理力學性質(zhì)近似于摩爾-庫倫彈塑性物理本構(gòu)模型，因此文章采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型建立高陡巖質(zhì)邊坡，并采用強度折減法對其邊坡的應力應變特征進行分析研究。

4.1 邊坡的水平位移分析

根據(jù)現(xiàn)場的時間工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維地質(zhì)邊坡計算模型，并對邊坡的水平位移和邊坡的最大主應力進行計算，研究在自然狀態(tài)和暴雨兩種條件下的邊坡的應力應變特征。

1)自然狀態(tài)的邊坡的位移分析：自然狀態(tài)下邊坡水平形變量，見圖4。

圖4 自然狀態(tài)下邊坡水平形變量

從圖4可以看出，露天臺階邊坡水平位移方向指向臨空面，單位為正，最大水平位移約為1.10mm，主要集中在臺階坡面處，邊坡整體未出現(xiàn)大的位移。

2)暴雨條件下邊坡的位移分析：暴雨狀態(tài)下邊坡水平形變量，見圖5。

圖5 暴雨狀態(tài)下邊坡水平形變量

從圖5可以看出，邊坡開挖結(jié)束后，在暴雨工況下，巖體受降雨和滲流作用的影響，力學強度降低，出現(xiàn)水平方向的最大位移量約為1.44mm，方向指向坡外，單位為正，與自然工況相比在暴雨作用下臺階坡面水平位移增加了0.34mm，主要集中在臺階坡面處，邊坡整體未出現(xiàn)大的位移。

4.2 邊坡的最大主應力分析

根據(jù)上述分析可知，暴雨狀態(tài)下邊坡水平形變量高于自然狀態(tài)下的邊坡的水平形變量。由此可暴雨狀態(tài)下邊坡更不穩(wěn)定。因此，為更接近實際的描述邊坡的應力分布狀態(tài)，確保邊坡的穩(wěn)定性。此次將暴雨狀態(tài)下的邊坡的最大主應力分布狀態(tài)進行了系統(tǒng)的分析，并根據(jù)邊坡的高度，由上至下每個平臺均設置1個監(jiān)測點，共設置5個監(jiān)測點。暴雨狀態(tài)下最大主應力分布圖，見圖6。

圖6 暴雨狀態(tài)下最大主應力分布圖

圖6可以得知暴雨過后邊坡最大主應力為0.18MPa未超過巖體的極限抗拉強度；結(jié)合最大主應力歷史記錄圖發(fā)現(xiàn)，5個監(jiān)測點中應力最大為0.21MPa，最小為0.20MPa。監(jiān)測點歷史記錄最大主應力十分接近巖體的極限抗拉強度但均沒有超過，因此綜上可以得出，該邊坡在暴雨的作用下邊坡表面在不同位置產(chǎn)生了不同程度的巖石裂縫，并沒有產(chǎn)生滑坡，但是邊坡局部會有浮石冒落，邊坡產(chǎn)生的明顯位移為邊坡局部巖體開裂所致。

5 結(jié) 論

文章以某礦山高陡巖質(zhì)邊坡為研究對象，分別研究了邊坡在自然狀態(tài)及暴雨狀態(tài)兩種不同工況下，邊坡的水平位移及最大主應力分布情況。主要研究結(jié)果為：

1)自然狀態(tài)下邊坡的水平最大位移為1.10mm，暴雨狀態(tài)下邊坡的水平最大位移為1.44mm，且最大主應力為0.21MPa，最小為0.20MPa。

2)巖體的最大主應力并未超過巖體的極限抗拉強度，說明該高陡巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。說明該邊坡在暴雨的作用下邊坡表面在不同位置產(chǎn)生了不同程度的巖石裂縫，并沒有產(chǎn)生滑坡，但是邊坡局部會有浮石冒落，邊坡產(chǎn)生的明顯位移為邊坡局部巖體開裂所致。