地震作用下排土場穩(wěn)定性研究

王建華

(安徽馬鋼礦業(yè)資源集團(tuán)有限公司, 安徽 馬鞍山市 243000)

0 前言

地震及爆破振動(dòng)作用對(duì)排土場邊坡穩(wěn)定性具有重要影響,為此,大量學(xué)者對(duì)其展開了研究[1-4]:耿清友等[5]通過數(shù)值模擬軟件GeoStudio,對(duì)唐山某礦山排土場邊坡在不同烈度地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,探討了地震波加速度與邊坡穩(wěn)定性的關(guān)系;羅成彥[6]運(yùn)用極限平衡法分析了地震、降雨及正常工況下的排土場穩(wěn)定性,提出了排土場安全監(jiān)測、排水、日常管理工作等措施。

本文基于Geo-Studio數(shù)值模擬軟件,對(duì)南山礦業(yè)公司和尚橋鐵礦典型截面的排土場邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究,探討地震工況下3種不同土排土場邊坡的穩(wěn)定性。

1 排土場工程概況

和尚橋鐵礦自2004年基建項(xiàng)目啟動(dòng),于2013年7月進(jìn)入試生產(chǎn),達(dá)到了300萬t/a的采選生產(chǎn)規(guī)模。和尚橋鐵礦床大尾山、馬塘礦段設(shè)計(jì)開采范圍為西起13勘探線,東至27勘探線,開采標(biāo)高＋36～-96 m,面積約1.23 k m2。經(jīng)過前期基建及開采,已基本形成＋12～0 m、0～-24 m、-24～-48 m、-48～-72 m 4個(gè)臺(tái)階,形成長約1300 m、寬約950 m、深72 m的采坑,工作臺(tái)階坡面角約為34°,最終邊坡角為24.5°。

2 模型建立及參數(shù)選取

以具有代表性的截面A-A'為研究對(duì)象進(jìn)行穩(wěn)定性分析,所取截面如圖1所示。

圖1 排土場總平面圖

截面A-A'高差84 m左右,呈階梯狀,共4層臺(tái)階,臺(tái)階高24 m(最頂層高12 m);臺(tái)階坡面角34°,內(nèi)排土場最終坡面角采場側(cè)26.4°,安全平臺(tái)寬度為20 m。采用Geo-Studio軟件QUAKE/W模塊對(duì)排土場邊坡進(jìn)行建模與穩(wěn)定性分析計(jì)算,得出礦堆最危險(xiǎn)滑弧所在位置以及最小抗滑安全系數(shù)。在數(shù)值模擬過程中使用QUAKE/W模塊中的Equivalent Linear Dynamic工具對(duì)排土場邊坡的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)展開研究,將得到的結(jié)果傳入Geo-Studio數(shù)值模擬軟件的SLOPE/W模塊進(jìn)行計(jì)算,并使用QUAKE/W模塊中的New-mark分析排土場邊坡在地震工況下的穩(wěn)定性情況。

堆積散體物料的各項(xiàng)物理性質(zhì)不穩(wěn)定,存在一個(gè)取值區(qū)間,所以在區(qū)間內(nèi)分5種不同的情況取值分析;同時(shí),根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)測定3種不同土體的基本物理力學(xué)性質(zhì),取3種不同土體物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬。場地屬區(qū)域穩(wěn)定地段,不會(huì)因地基承載力不足而導(dǎo)致地基底鼓,進(jìn)而誘發(fā)牽引式滑坡,因此基巖組取1種物理參數(shù)進(jìn)行分析。排土場散體物料和基巖的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)按表1選取。

3 結(jié)果分析

馬鞍山地震設(shè)防烈度為6度,峰值地震加速度為0.05g。地震烈度為6時(shí),邊坡安全系數(shù)隨地震加速度變化而變化,圖3表示輸入地震波的加速度曲線。

圖3 輸入地震加速度時(shí)程曲線

圖4至圖6表示受地震影響,邊坡加速度的變化規(guī)律。圖7至圖9為地震過程中排土場邊坡滑移面的安全系數(shù)時(shí)程曲線,圖10至圖12表示臨界滑面安全系數(shù)隨平均加速度變化情況。對(duì)比研究加速度時(shí)程曲線、安全系數(shù)時(shí)程曲線可知,在10 s的地震過程中,該排土場邊坡安全系數(shù)與平均加速度遷移曲線相似,且平均加速度變化起主導(dǎo)作用,邊坡安全系數(shù)隨之變化。平均加速度-安全系數(shù)曲線由加速度時(shí)程曲線和安全系數(shù)時(shí)程曲線復(fù)合而成,表示在地震過程中該排土場邊坡安全系數(shù)與邊坡平均加速度之間的關(guān)系。地震峰值加速度與邊坡安全系數(shù)之間呈反比關(guān)系,即安全系數(shù)隨平均加速度的增加而減小。當(dāng)參數(shù)較低,即內(nèi)摩擦角較小時(shí),以圖4、圖7為例,邊坡安全系數(shù)的谷值(1.299)對(duì)應(yīng)地震波所造成的邊坡平均加速度的峰值(0.0847g)。分析可知,當(dāng)排土場邊坡受到平均加速度為0.05g的水平地震波作用時(shí),在地震模擬10 s內(nèi)臨界滑移面平均安全系數(shù)為1.299。由于此時(shí)排土場邊坡臨界滑移面的最小安全系數(shù)大于1.05,因此,該邊坡在峰值為0.05g加速度的地震波作用下基本能夠保持穩(wěn)定。

圖4 土體1邊坡的平均加速度時(shí)程曲線

圖6 土體3邊坡的平均加速度時(shí)程曲線

圖7 土體1邊坡滑移面安全系數(shù)時(shí)程曲線

圖9 土體3邊坡滑移面安全系數(shù)時(shí)程曲線

圖10 土體1邊坡滑移面安全系數(shù)-加速度曲線

圖12 土體3邊坡滑移面安全系數(shù)-加速度曲線

圖5 土體2邊坡的平均加速度時(shí)程曲線

圖8 土體2邊坡滑移面安全系數(shù)時(shí)程曲線

圖11 土體2邊坡滑移面安全系數(shù)-加速度曲線

為研究地震加速度影響下坡體的加速度變化情況,以地震工況下安全系數(shù)適中的土體1邊坡一為例,坡頂加速度時(shí)程曲線、水平加速度與豎向加速度的時(shí)程曲線分別見圖13、圖14和圖15,在加速度為0.05g的地震影響下,在3.998 s時(shí)坡頂峰值加速度達(dá)到0.087g,對(duì)比分析可知,該加速度以水平加速度為主導(dǎo),豎向加速度較小。同時(shí)為研究坡面各臺(tái)階的加速度情況,取4個(gè)臺(tái)階加速度時(shí)程曲線,見圖16(節(jié)點(diǎn)2168為第1臺(tái)階,節(jié)點(diǎn)1946為第2臺(tái)階,節(jié)點(diǎn)1639為第3臺(tái)階,節(jié)點(diǎn)1382為第4臺(tái)階),4個(gè)臺(tái)階在地震作用下加速度變化趨勢基本一致,相比之下第1臺(tái)階即坡腳處加速度較大,可能導(dǎo)致坡腳碎石土產(chǎn)生較大的位移。

圖13 土體1邊坡的坡頂加速度時(shí)程曲線

圖14 土體1邊坡的坡頂水平加速度時(shí)程曲線

圖15 土體1邊坡的坡頂豎向加速度時(shí)程曲線

圖16 土體1邊坡的一各臺(tái)階加速度時(shí)程曲線

在地震作用下坡體變形情況如圖17所示(篇幅有限,僅展示部分圖形,下同),3種土體條件下最大位移均發(fā)生在坡頂坡腳部位,最高達(dá)到1.185～1.19 m,基巖也有較大位移,該位移由水平位移主導(dǎo),豎向沉降位移較小,由該部位到坡面向上位移都逐漸減小，故據(jù)此可推測在地震作用下,坡腳邊緣碎石土大范圍的滑移很有可能影響此邊坡的穩(wěn)定性。

圖17 地震工況下土體1邊坡的變形

地震作用下邊坡的最大剪應(yīng)力分布如圖18所示,剪應(yīng)力自上向下依次增大,坡面平臺(tái)剪應(yīng)力較小,大約在1.2715～1.320 k Pa,坡面剪應(yīng)力在1.320～50 k Pa,坡腳較坡面其剪應(yīng)力更為集中,最大剪應(yīng)力主要集中在下層基巖內(nèi)部,高達(dá)835.98～857.92 Pa。

圖18 地震工況下土體1邊坡的最大剪應(yīng)力分布

地震工況下的邊坡水平應(yīng)力分布如圖19所示,水平應(yīng)力為7.0058～654.25 k Pa。斜坡水平應(yīng)力越高,坡腳處的最大剪應(yīng)力越大。因此當(dāng)巖土體中存在較高的水平集中應(yīng)力時(shí),邊坡更易發(fā)生變形和破壞。

圖19 地震工況下水平應(yīng)力分布圖

不同條件下滑移面的分布如圖20所示。最危險(xiǎn)滑移面的安全系數(shù)見表2,當(dāng)壓實(shí)度較低時(shí),如土體3邊坡,其臨界滑移面在地震荷載作用下綜合安全系數(shù)為1.226,但是在地震作用下某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.099,為不安全邊坡;當(dāng)壓實(shí)度較高時(shí),如土體2邊坡,臨界滑移面綜合安全系數(shù)為1.664,地震作用下某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.474,可基本保持穩(wěn)定。綜合以上分析,截面AA'坡面在地震模擬的10 s內(nèi)有某一時(shí)刻臨界滑面安全系數(shù)較低,有一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)注意防范。

圖2 截面A-A'邊坡

表2 地震工況AA'截面的邊坡臨界滑面安全系數(shù)

圖20 地震工況下土體1邊坡的AA'剖面上的滑移面分布

4 結(jié)論

(1)在10 s地震過程中,該排土場邊坡安全系數(shù)與平均加速度時(shí)程曲線相似,平均加速度起主導(dǎo)作用,地震加速度與邊坡安全系數(shù)呈反比關(guān)系,即安全系數(shù)隨平均加速度的增加而減小。

(2)在地震作用下,3種土體坡體的最大位移均位于坡頂、坡腳部位,基巖位移主要由水平位移為主,豎向沉降位移較小,從基巖向上到坡頂位移逐漸減小，據(jù)此推測在地震作用下坡腳邊緣碎石土大范圍的滑移可能影響邊坡的穩(wěn)定性。

(3)斜坡水平應(yīng)力越高,坡腳處的最大剪應(yīng)力越大。因此,當(dāng)巖土體中存在較高的水平集中應(yīng)力時(shí),邊坡更易發(fā)生變形和破壞。

(4)當(dāng)壓實(shí)度較低時(shí),邊坡的臨界滑移面在地震荷載作用下綜合安全系數(shù)為1.226,但在地震作用時(shí)某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.099,為不安全邊坡;當(dāng)壓實(shí)度較高時(shí),臨界滑移面綜合安全系數(shù)為1.664,地震作用時(shí)某一時(shí)刻最低安全系數(shù)為1.474,可基本保持穩(wěn)定。綜上分析,截面AA'坡面在地震模擬的10 s內(nèi)某一時(shí)刻其臨界滑面安全系數(shù)較低,存在一定的滑坡風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)注意防范。