北衙露天金礦邊坡巖體力學(xué)參數(shù)直剪試驗研究

余其品，龔明輝，肖 雨，袁從華

(1.云南黃金礦業(yè)集團股份有限公司，云南 昆明 650200；2.鶴慶北衙礦業(yè)有限公司，云南 大理 671507；3.湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；4.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

獲取工程地質(zhì)巖體基本力學(xué)參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ最常見且最直觀的方法為現(xiàn)場原位試驗。以往的原位直剪試驗均采用GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)[1]所規(guī)定的多點法進行,但大量的工程實踐表明，多點法常受試驗場地條件的制約而無法進行大量的原位試驗，且由于巖體結(jié)構(gòu)等因素不同導(dǎo)致加工的試件存在差異性，直接影響試驗數(shù)據(jù)，出現(xiàn)較大誤差，同時多點法試件制作耗時較長，經(jīng)濟效益差[2-6]。張景德等[7-10]提出抗剪強度的單點試驗法，即只需一個試件就能完成原位直剪試驗，從而獲得巖體的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。開展單點法和多點法的對比研究可知，單點法試驗結(jié)果與剪切峰值的誤差可控制在5%～15%，結(jié)果略偏保守，完全滿足工程實際需要[11]。

基于上述分析，在云南北衙露天金礦進行單點法直剪試驗，結(jié)合此次單點法在工程實踐中的應(yīng)用，為今后類似礦山邊坡開展巖體力學(xué)參數(shù)研究提供參考和依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

鶴慶北衙萬硐山礦段露天金礦位于云南省北衙縣城南部，礦區(qū)面積13.64km2。礦區(qū)位于近南北向鶴慶—松桂復(fù)式向斜南段，構(gòu)造與區(qū)域構(gòu)造線方向一致，均呈近南北向展布，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造活動強烈，次級褶皺、斷層發(fā)育。露天礦北側(cè)主要地層有人工填土、灰?guī)r、斑巖和斷層破碎帶，由于受F6斷層和F6-1斷層破碎帶影響，北區(qū)灰?guī)r較破碎，節(jié)理發(fā)育多、方向各異，巖體完整性差。露天礦北區(qū)巖層概況及西北區(qū)各巖層如圖1,2所示。

圖1 露天礦西北區(qū)巖層概況

圖2 露天礦西北區(qū)各巖層

露天礦北側(cè)上部人工填土結(jié)構(gòu)松散，顆粒粗細(xì)差別大，且以碎石為主，滲流性較好，內(nèi)部不易積水，已堆積多年，穩(wěn)定性較好。F6斷層破碎帶是礦區(qū)內(nèi)的主要斷層破碎帶，從露天礦西北側(cè)一直延伸到正南側(cè)，主要在露天礦西部出露。西北側(cè)斷層破碎帶厚度較大，約60m，南側(cè)厚度約30m。斷面破碎帶傾向西南，傾角約70°，在西側(cè)和西南側(cè)，多有正長斑巖侵入，破碎帶內(nèi)巖體更破碎，不利于境界邊坡穩(wěn)定。F6-1斷層破碎帶處在露天礦西北側(cè)，斑巖侵入，風(fēng)化程度較高，整體穩(wěn)定性弱于F6斷層破碎帶。北側(cè)中部的復(fù)合破碎帶受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力的強烈作用出現(xiàn)南北向斷裂，其附近的圍巖及巖性轉(zhuǎn)換面、層理面、巖石脆韌性差異部位、褶皺等薄弱部位形成系列層間破碎帶。

2 原位單點法直剪試驗

通過現(xiàn)場調(diào)查，決定在露天礦西北側(cè)選取巖體完整性相對較差、強風(fēng)化的且具有代表性的部位進行原位試驗，綜合考慮巖層巖性、結(jié)構(gòu)面走向、風(fēng)化程度、現(xiàn)場施工條件等因素，確定試驗地點在1734平臺。該試驗點位于強風(fēng)化灰?guī)r破碎帶，上覆人工填土層，位于露天礦西北側(cè)F6-1斷層破碎帶下，此區(qū)域巖層節(jié)理裂隙極其發(fā)育，破碎、強風(fēng)化、薄層，為采場局部較差巖層。

北衙露天礦邊坡潛在整體模式的破裂面角度為18°～40°，優(yōu)勢破裂方向和水平面夾角約為30°，為獲取潛在破裂方向上的巖體抗剪強度，直剪試驗采用斜推方式，剪切面和水平面角度為30°，試驗點位于強風(fēng)化灰?guī)r破碎帶，為獲取最不利情況下的巖體強度參數(shù)，在進行直剪試驗前，對試坑內(nèi)部進行48h泡水處理，直至試樣均為飽水狀態(tài)。

2.1 放樣及試樣制備

清理試驗點地表，直至原巖出露，根據(jù)圖1進行試驗點施工放樣，如圖3所示。

圖3 試驗點施工放樣(單位：m)

采用切割機在對應(yīng)部位進行切槽施工，對臺階邊坡進行反切施工，確保巖體試樣尺寸(50cm×50cm×50cm)，試樣施工如圖4所示，施工過程不能擾動巖體試樣。試驗點布置如圖5所示。

圖4 試樣施工(單位：cm)

圖5 試驗點布置

2.2 試驗方法

本次單點法剪切試驗按GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[12]的規(guī)定進行。剪切試驗中，在第1級法向應(yīng)力恒荷載下，當(dāng)施加剪應(yīng)力的比例達(dá)到極限時，降低剪切位移速率，當(dāng)施加剪應(yīng)力達(dá)到峰值時，可觀察到τ-μ變形曲線出現(xiàn)明顯拐點，說明此時已十分接近峰值或認(rèn)為已達(dá)到峰值，停止施加剪應(yīng)力，并卸載進入第2級法向應(yīng)力下的剪切試驗，直至在第4級或第5級法向荷載下完成剪斷試驗，一個試塊的單點法直剪試驗全部完成。

3 試驗成果

3.1 試驗結(jié)果分析

在露天礦北區(qū)1734平臺進行直剪試驗的5個巖體試樣分別編號為1～5，由于巖體較完整，均采用斜向剪切加載。直剪試驗完成后，各試樣剪切破壞如圖6所示。

圖6 1734平臺試驗點各試樣剪切破壞

由圖6可知，位于試坑邊緣的巖體試樣1較破碎，其在分級垂直壓力下，巖體試樣側(cè)面局部有豎向劈裂縫隙產(chǎn)生，當(dāng)斜推反力分級加載至極限后，巖體試樣基本按預(yù)定的30°斜向延伸發(fā)生整體剪切破壞。位于中間的巖體試樣3剪切前相對其他試樣較完整，由于巖體試樣所在巖層向東傾，而剪切破壞面南傾，該巖體試樣發(fā)生剪切破壞后，破壞面出現(xiàn)魚鱗狀順剪切方向破裂，屬于典型的切層破壞。除此之外，巖體試樣2，4，5發(fā)生剪切破壞時，均以剪切方向和垂向破裂為主，試樣完整性均較差。

直剪試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果如表1，2所示，τ-σ曲線如圖7所示。

表1 直剪試驗荷載數(shù)據(jù)

圖7 τ-σ曲線

表2 直剪試驗c,φ結(jié)果

由圖7和表2可知，試樣3為中厚層灰?guī)r，試樣完整性較好，其黏聚力c值明顯高于其他試樣，內(nèi)摩擦角44.4°也為最大值；試樣5黏聚力為167 kPa，為最小值。說明1734平臺試驗點處巖體性質(zhì)具有不均勻性，若采用多點法進行原位直剪試驗，會使各試樣直剪試驗的結(jié)果離散性高，導(dǎo)致無法取得合理的巖體抗剪強度參數(shù)，因此采用單點法進行原位直剪試驗是必要的。

3.2 巖體力學(xué)參數(shù)取值

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》，計算巖土參數(shù)平均值φm、標(biāo)準(zhǔn)差σf和變異系數(shù)δ。

(1)

(2)

(3)

巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值φk可按下列方法確定，式中正負(fù)號按不利組合考慮，如抗剪強度指標(biāo)的修正系數(shù)應(yīng)取負(fù)值。

φk=γsφm

(4)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》中的標(biāo)準(zhǔn)值計算方法，計算出各試樣參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及巖體抗剪強度標(biāo)準(zhǔn)值，如表3所示。

表3 1734平臺試驗點巖體原位直剪試驗結(jié)果

在露天礦西北區(qū)對1734平臺試驗點進行原位直剪試驗，1734平臺試驗點處于北側(cè)強風(fēng)化灰?guī)r破碎帶，試坑位于臺階邊坡地表，巖體試樣處于飽和狀態(tài)，巖體以中薄層為主，強風(fēng)化、節(jié)理發(fā)育，局部為中～中厚層，坡體由邊緣向內(nèi)風(fēng)化程度逐步減弱，因此用此試驗點的試驗結(jié)果代表整個露天礦西北區(qū)是可靠的。根據(jù)表3按建議取標(biāo)準(zhǔn)值，即黏聚力c為160kPa，內(nèi)摩擦角φ為42°。

4 單點法直剪試驗誤差

除了文獻中提到的直剪試驗常見誤差外[13]，本文通過回顧本次單點法直剪試驗各過程及對試驗后進行數(shù)據(jù)整理，發(fā)現(xiàn)以下幾方面誤差。

1)偏軸壓應(yīng)力的影響 隨著直剪試驗的進行，剛開始安裝試驗設(shè)備所對準(zhǔn)的剪切中心會產(chǎn)生一定的偏移，導(dǎo)致作用在巖體試樣剪切面上的正應(yīng)力隨著試驗的進行而發(fā)生變化。本次單點法直剪試驗為更符合巖體試樣的實際剪切情況，獲取潛在破裂方向上的巖體抗剪強度，采用斜向剪切方式，剪切面和水平面角度為30°，使得偏軸壓應(yīng)力作用更復(fù)雜。

2)人為操作造成的誤差 由于現(xiàn)場試驗條件的限制，無法通過伺服機器進行直剪試驗加載，人工加載操作無法達(dá)到機器的精確度，這也會造成試驗結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

1)在露天礦西北區(qū)內(nèi)1734平臺試驗點進行單點法直剪試驗，得到了西北區(qū)的巖體抗剪強度建議參數(shù)，即黏聚力c為160kPa，內(nèi)摩擦角φ為42°。

2)通過分析1734平臺原位試驗結(jié)果可知，同一試驗點試坑內(nèi)的不同巖體試樣通過原位直剪試驗得到的力學(xué)參數(shù)也存在較大的差異性，說明礦區(qū)內(nèi)巖體性質(zhì)存在高度的不均勻性，想得到較準(zhǔn)確的巖體力學(xué)參數(shù)，除了要結(jié)合實際情況選取合適的試驗方法，還要通過綜合考慮分析，才能獲取有效的巖體力學(xué)參數(shù)。

3)對于多點法而言，試驗點巖體性質(zhì)越不均勻，通過多點法得到的試驗結(jié)果越分散，直接影響結(jié)果的精度。相較于多點法，單點法的優(yōu)勢明顯，能客觀反映巖體的抗剪強度。