節(jié)理裂隙對(duì)露天采場(chǎng)陡傾邊坡穩(wěn)定性的影響研究

王智佼 李 勇 尹健斌 楊 帆 陶志剛

(1.甘肅長達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司,甘肅 蘭州 730000;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,北京 100083;3.煤炭精細(xì)勘探與智能開發(fā)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 4.深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

露天礦開采過程中主要的安全隱患為邊坡的失穩(wěn)問題,節(jié)理裂隙的存在嚴(yán)重影響巖體的強(qiáng)度,是導(dǎo)致邊坡變形和破壞的主要因素之一[1]。因此,對(duì)礦區(qū)的節(jié)理裂隙進(jìn)行研究,有助于探明露天采場(chǎng)的薄弱區(qū)域,從而為礦區(qū)的安全治理提供依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)含節(jié)理裂隙的巖體進(jìn)行了許多研究。室內(nèi)試驗(yàn)方面:靳瑾等[2]利用單軸壓縮試驗(yàn),分析了裂隙傾角對(duì)巖體破壞模式的影響規(guī)律;唐禮忠等[3]通過對(duì)節(jié)理裂隙傾角進(jìn)行研究,得出傾角較大時(shí),巖石有明顯的脆性性質(zhì)的結(jié)論。理論分析方面:周震[4]通過研究巖石內(nèi)部的節(jié)理裂隙分布特征,提出一種新型的節(jié)理裂隙提取分割算法;吳愛祥等[5]通過CT掃描技術(shù)對(duì)含節(jié)理裂隙的巖體進(jìn)行研究,驗(yàn)證了巖體顆粒與堆體滲透性的關(guān)系;沈?qū)毺玫萚6]基于G準(zhǔn)則提出了F準(zhǔn)則。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,有限元法、邊界元法、有限差分法等數(shù)值模擬技術(shù)不斷地深入工程應(yīng)用分析中[7]。

上述對(duì)含節(jié)理裂隙的巖體的研究過于單一,實(shí)際的礦區(qū)開采中現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜多變,應(yīng)采用多數(shù)據(jù)、多對(duì)比的方式對(duì)其進(jìn)行分析[8]。因此,本文基于土屋銅礦露天采場(chǎng)復(fù)雜的工程地質(zhì)背景,使用數(shù)學(xué)公式與現(xiàn)場(chǎng)聲波監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法(正態(tài)擬合分級(jí))對(duì)礦區(qū)邊坡破碎度進(jìn)行研究,再利用測(cè)線法和節(jié)理張開度對(duì)礦區(qū)節(jié)理裂隙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查(輔助赤平極射投影的生成),佐證正態(tài)擬合分級(jí)的可行性,最后再利用離散元數(shù)值模擬的方法進(jìn)一步驗(yàn)證上述現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查3種方法的正確性,并利用離散元數(shù)值模擬的方法證明NPR錨索的超常力學(xué)特性,為其他破碎巖體的支護(hù)提供依據(jù)。

1 礦區(qū)工程地質(zhì)概述

土屋銅礦露天采場(chǎng)位于新疆哈密市,位于塔里木板塊與準(zhǔn)格爾板塊對(duì)接帶北側(cè),南距板塊邊緣斷裂——康古爾塔格深大斷裂僅3 km,斷裂及其以南即為兩大板塊縫合帶——秋格明塔什——黃山韌性剪切帶。由于礦區(qū)附近存在多個(gè)斷裂帶,故礦區(qū)巖體的穩(wěn)定性受斷裂帶的影響較大,內(nèi)部巖體存在多條節(jié)理裂隙。本次調(diào)查主要研究616、628、640、652和664 m臺(tái)階邊坡,如圖1所示。

圖1 露天采場(chǎng)示意Fig.1 Schematic of the open pit

由于礦區(qū)位于板塊交界處,板塊運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈,因此礦區(qū)內(nèi)部主要以侵入巖和火山巖為主,巖性主要表現(xiàn)為玄武巖、安山玢巖和次閃長玢巖等,如表1所示。根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn),三軸壓縮試驗(yàn)得出邊坡巖性參數(shù)如表2所示。

表1 巖組劃分及巖性特征Table 1 Division and lithologic characteristics of rock groups

表2 邊坡巖性參數(shù)Table 2 Slope lithology parameters

2 正態(tài)擬合分級(jí)下的聲波測(cè)井試驗(yàn)研究

全波列聲波測(cè)井主要是利用沿井壁傳播的聲波—滑行波,來探測(cè)井壁巖體的裂隙損傷結(jié)構(gòu)[9]。應(yīng)用射線聲學(xué)理論分析,當(dāng)發(fā)射聲源(發(fā)射換能器)的幾何尺寸小于聲波的波長時(shí),發(fā)射聲波的指向性較差,在井孔中激發(fā)的聲波則以不同的角度輻射到井壁上,并在井液與井壁的界面上發(fā)生反射及折射,而折射使部分聲波能量進(jìn)入巖體[10]。同理,滑行波在傳播過程中亦可以90°入射角,不斷折射回井液,并被接收換能器拾取。

2.1 正態(tài)擬合分布分級(jí)法

采用最小二乘法的正態(tài)擬合分布模型分析縱波波速數(shù)據(jù),在工程應(yīng)用上經(jīng)過實(shí)踐已經(jīng)能夠很好地對(duì)縱波波速進(jìn)行分段,從而更有針對(duì)性地對(duì)工程上的巖體進(jìn)行質(zhì)量分級(jí),可以真實(shí)地反映巖體的實(shí)際狀況,其推導(dǎo)公式如下[11]。

將縱波波速轉(zhuǎn)換成概率密度曲線:

式中,Vpi為第i巖體的聲速值;Ni為第i個(gè)巖體的聲速值個(gè)數(shù);S為聲波數(shù)據(jù)曲線與坐標(biāo)橫軸之間的面積;Di為概率歸一化后的第i個(gè)巖體指標(biāo)。

正態(tài)分布的概率密度函數(shù):

式中,μ為正態(tài)分布的期望值;σ為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。

隨后利用正態(tài)分布概率密度函數(shù)推導(dǎo)出函數(shù):

即

式中,n為正態(tài)分布概率密度函數(shù)數(shù)量;λi為第i個(gè)正態(tài)分布概率密度函數(shù)權(quán)重;μi為第i個(gè)正態(tài)分布概率密度函數(shù)中期望值;σi為第i個(gè)正態(tài)分布概率密度函數(shù)中標(biāo)準(zhǔn)差。

由圖2所示,擬合后的曲線根據(jù)縱波波速將巖體質(zhì)量分成4個(gè)等級(jí),且與縱波波速測(cè)得的巖體完整性系數(shù)分級(jí)法相近,因此具有較強(qiáng)的科學(xué)性。具體分級(jí)如下:

圖2 正態(tài)分布擬合曲線示意Fig.2 Schematic of the normal distribution fitting curves

(1)將縱波波速大于5 100 m/s的區(qū)域劃分為Ⅰ級(jí)。

(2)將縱波波速為4 400～5 100 m/s的區(qū)域劃分為Ⅱ級(jí)。

(3)將縱波波速為3 500～4 400 m/s的區(qū)域劃分為Ⅲ級(jí)。其中3 500～3 900 m/s劃分為Ⅲ2級(jí),3 900～4 400 m/s劃分為Ⅲ1級(jí)。

(4)將縱波波速小于3 500 m/s的區(qū)域劃分為Ⅳ級(jí)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)聲波鉆孔分析

由于橫波在穿過相同地層時(shí)比縱波的傳播速度慢,因此在地球物理勘探中橫波波速Vs的分辨率要比縱波波速Vp高[12]。本次采用全波列聲波測(cè)井儀器對(duì)礦區(qū)不同區(qū)域的5個(gè)鉆孔(A、B、C、D、F)進(jìn)行橫波波速監(jiān)測(cè),利用縱波波速約為橫波波速的1.6～1.7倍計(jì)算出縱波波速[13],再參考縱波波速正態(tài)擬合巖體分級(jí)曲線(如圖2所示),進(jìn)而得到礦區(qū)的巖體質(zhì)量等級(jí)。

由圖3可知,A孔區(qū)域的縱波波速范圍約為1.4～2.6 km/s;B孔區(qū)域的縱波波速范圍約為1.6～2.2 km/s;C孔區(qū)域的縱波波速范圍約為1.5～2.6 km/s;D孔區(qū)域的縱波波速范圍約為1.6～2.7 km/s;F孔區(qū)域的縱波波速范圍約為1.5～2.5 km/s。對(duì)比圖2的正態(tài)分布擬合曲線示意圖可知,鉆孔區(qū)域的巖體質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為Ⅳ級(jí),巖體完整性較差,因此內(nèi)部巖體的節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巖體較為破碎。

圖3 礦區(qū)波速監(jiān)測(cè)曲線Fig.3 Mine wave velocity monitoring curves

3 現(xiàn)場(chǎng)邊坡節(jié)理裂隙地質(zhì)調(diào)查分析研究

3.1 測(cè)線法分析礦區(qū)邊坡節(jié)理裂隙

節(jié)理裂隙是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一,通常可以從以下幾個(gè)幾何參數(shù)來加以描述:節(jié)理產(chǎn)狀、節(jié)理組數(shù)、節(jié)理間距、粗糙度和節(jié)理裂隙寬度等[14]。因此,從以上幾何參數(shù)入手,采用測(cè)線法對(duì)露天采場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理調(diào)查分析,邊坡部分參數(shù)如表3所示。

表3 邊坡參數(shù)Table 3 Slope parameters

采用測(cè)線法選擇臺(tái)階上露頭良好、地面平整、具有永久標(biāo)識(shí)的地段布置詳細(xì)測(cè)線。每條測(cè)線上根據(jù)臺(tái)階長度設(shè)置若干個(gè)測(cè)站,測(cè)站沿著邊坡走向設(shè)置,長度不等,約10～50 m一個(gè)。測(cè)線沿著邊坡傾向間距12 m,每個(gè)測(cè)站輻射范圍600 m2。

(1)604 m臺(tái)階邊坡。604 m臺(tái)階邊坡共設(shè)置9個(gè)測(cè)點(diǎn),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,604 m臺(tái)階邊坡累計(jì)測(cè)量節(jié)理19條,軟弱夾層7條。節(jié)理和裂隙分布密度f=1～15條/m。邊坡東部南北走向邊坡坡面節(jié)理最為發(fā)育,巖體完整性分類屬于破碎和較破碎,由于604 m臺(tái)階范圍較小,因此沒有發(fā)現(xiàn)明顯的滑坡、崩塌等災(zāi)害,底部未見積水。

(2)616 m臺(tái)階邊坡。616 m臺(tái)階共設(shè)置30個(gè)測(cè)點(diǎn),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,616 m臺(tái)階邊坡節(jié)理裂隙、弱層極其發(fā)育,其中累計(jì)調(diào)查21組節(jié)理,20組軟弱夾層;具體表現(xiàn)為局部滑坡體2處、楔形破壞1處、小斷層1處、危巖體2處。節(jié)理和裂隙分布密度f=3～23條/m。

(3)628 m臺(tái)階邊坡。628 m臺(tái)階共設(shè)置48個(gè)測(cè)點(diǎn),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,整個(gè)臺(tái)階東北角邊坡和西南角邊坡受F16斷層控制,巖體極其破碎;南側(cè)和東側(cè)邊坡巖體較破碎,北側(cè)和南側(cè)邊坡中部巖體較完整。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查,628 m臺(tái)階上發(fā)現(xiàn):節(jié)理裂隙和弱層極其發(fā)育,其中累計(jì)調(diào)查28組節(jié)理,50組軟弱夾層;局部滑坡體2處、楔形破壞1處、F16斷層1處、危巖體1處。節(jié)理和裂隙分布密度f=1～25條/m。

(4)640 m臺(tái)階邊坡。640 m臺(tái)階邊坡共設(shè)置33個(gè)測(cè)點(diǎn),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,640 m臺(tái)階邊坡上發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙、弱層極其發(fā)育,其中累計(jì)調(diào)查25組節(jié)理,38組軟弱夾層;F16斷層1處、危巖體3處。節(jié)理和裂隙分布密度f=1～25條/m。

(5)652 m臺(tái)階邊坡。652 m臺(tái)階邊坡共設(shè)置10個(gè)測(cè)點(diǎn),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,整個(gè)邊坡中部巖體較完整,東西端幫邊坡碎石、礫石及砂土堆積。652 m臺(tái)階上發(fā)現(xiàn)節(jié)理裂隙、弱層極其發(fā)育,其中累計(jì)調(diào)查21組節(jié)理,10組軟弱夾層,危巖體1處。節(jié)理和裂隙分布密度f=2～22條/m。

(6)664 m臺(tái)階邊坡。664 m臺(tái)階邊坡共設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn),經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,整個(gè)邊坡中部巖體較完整,東西端幫邊坡碎石、礫石及砂土堆積。節(jié)理裂隙、弱層極其發(fā)育,其中累計(jì)調(diào)查1組節(jié)理、16組軟弱夾層、危巖體1處。節(jié)理和裂隙分布密度f=5～8條/m。

綜上所述,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查,礦區(qū)內(nèi)的節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巖體完整性較差,部分區(qū)域存在滑坡、危巖失穩(wěn)等問題,如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查工況Fig.4 On-site investigation working diagram

3.2 根據(jù)節(jié)理寬度分析礦區(qū)邊坡巖體質(zhì)量

節(jié)理裂隙的寬度是評(píng)價(jià)一個(gè)礦區(qū)巖體穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一,一定程度上可以直觀地反映出礦區(qū)的巖體破碎程度。節(jié)理裂隙的寬度代表巖體的張開度,張開度越大代表結(jié)構(gòu)面失穩(wěn)越嚴(yán)重,根據(jù)鐵道工程地質(zhì)技術(shù)規(guī)范(TBJ 12-85)可以把節(jié)理裂隙的張開度分成4個(gè)等級(jí)[15],如表4所示。

表4 節(jié)理裂隙張開度劃分Table 4 Division of joint crack opening degree

根據(jù)露天采場(chǎng)對(duì)節(jié)理裂隙和軟弱夾層的現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查得出604 m臺(tái)階邊坡、616 m臺(tái)階邊坡、628 m臺(tái)階邊坡、640 m臺(tái)階邊坡、652 m臺(tái)階邊坡和664 m臺(tái)階邊坡的節(jié)理裂隙寬度值如圖5所示,再對(duì)比表4的節(jié)理裂隙張開度劃分,對(duì)礦區(qū)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

圖5 礦區(qū)邊坡節(jié)理寬度統(tǒng)計(jì)柱狀圖Fig.5 Statistical bar chart of joint width in mining area

由圖5可知,604 m臺(tái)階邊坡節(jié)理裂隙最小寬度為5 mm,616 m臺(tái)階邊坡節(jié)理裂隙最小寬度為9 mm,628 m臺(tái)階邊坡節(jié)理裂隙最小寬度為17 mm,640m臺(tái)階邊坡節(jié)理裂隙最小寬度為5 mm,652 m臺(tái)階邊坡節(jié)理裂隙最小寬度為5 mm,664 m臺(tái)階邊坡節(jié)理裂隙最小寬度為8 mm。經(jīng)對(duì)比可知,礦區(qū)邊坡的節(jié)理裂隙張開度均大于5 mm,屬于寬開程度,節(jié)理裂隙較為發(fā)育,巖體完整性較差,容易發(fā)生邊坡滑移、失穩(wěn)等問題。

綜上所述,可以將整個(gè)礦區(qū)劃分為4個(gè)分區(qū)(如圖6所示)。運(yùn)用節(jié)理分析軟件DIPS程序,統(tǒng)計(jì)分析4個(gè)分區(qū)調(diào)查結(jié)果,得到土屋銅礦采場(chǎng)總體境界內(nèi)節(jié)理裂隙構(gòu)造赤平極射投影統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7 節(jié)理裂隙構(gòu)造統(tǒng)計(jì)分析(整個(gè)礦區(qū))Fig.7 Statistical analysis of joint and fracture structure(whole mining area)

由節(jié)理調(diào)查資料結(jié)合赤平極射投影圖可知,礦區(qū)節(jié)理走向主要沿NE向和EW向。通過對(duì)巖體節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析可以看出,從不同分區(qū)的礦巖節(jié)理密度來看,Ⅰ區(qū)巖體平均節(jié)理密度較小,為4.8條/m,Ⅱ區(qū)巖體平均節(jié)理密度較大,為7.2條/m,Ⅲ區(qū)巖體平均節(jié)理密度較小,為3.1條/m,Ⅳ區(qū)巖體平均節(jié)理密度較大,為6.7條/m。因此可將礦區(qū)內(nèi)Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)邊坡巖石劃分為4級(jí)圍巖,Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)邊坡巖體劃分為5級(jí)圍巖。從整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看,平均節(jié)理密度為5.45條/m,礦區(qū)的節(jié)理裂隙發(fā)育程度為較發(fā)育程度,礦區(qū)邊坡巖體存在失穩(wěn)問題。

4 節(jié)理裂隙對(duì)邊坡影響的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究

根據(jù)上述調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),不同節(jié)理傾向和不同節(jié)理密度的邊坡穩(wěn)定性各不相同[16]。因此,基于表3的現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查背景,以616 m臺(tái)階邊坡(順層傾向邊坡)、628 m臺(tái)階邊坡(破碎巖體邊坡)、652 m臺(tái)階邊坡(反傾向密集節(jié)理邊坡)和664 m臺(tái)階邊坡(反傾向稀疏節(jié)理邊坡)部分區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象(如圖8所示),利用3DEC離散元數(shù)值模擬技術(shù)分別模擬4個(gè)邊坡的失穩(wěn)情況,佐證調(diào)查結(jié)果,為邊坡失穩(wěn)的防治提供科學(xué)依據(jù)。

圖8 不同邊坡模型示意Fig.8 Schematic of different slope models

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)邊坡調(diào)查研究,建立長×寬×高為45 m×10 m×17 m的數(shù)值模擬模型,節(jié)理走向的選取方式主要根據(jù)實(shí)際節(jié)理調(diào)查中破碎較為嚴(yán)重區(qū)域,選取較多走向的節(jié)理為建模依據(jù),忽略其他影響較小的節(jié)理,因此主要把礦區(qū)露天采場(chǎng)的邊坡類型分成三類:

(1)不同節(jié)理密度的邊坡破壞數(shù)值模擬對(duì)比研究,以652 m臺(tái)階邊坡與664 m臺(tái)階邊坡為例。

(2)順層節(jié)理邊坡與反傾向節(jié)理邊坡的數(shù)值模擬對(duì)比研究,以616 m臺(tái)階邊坡與652 m臺(tái)階邊坡為例。

(3)層狀節(jié)理結(jié)構(gòu)邊坡與塊體節(jié)理結(jié)構(gòu)邊坡的數(shù)值模擬對(duì)比研究,以616 m臺(tái)階邊坡與628 m臺(tái)階邊坡為例。

由圖9對(duì)比可知(由于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖較多,因此只用628 m臺(tái)階邊坡的數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比628 m臺(tái)階邊坡的實(shí)際情況):

不同節(jié)理密度的邊坡穩(wěn)定性對(duì)比研究:由圖9(a)和圖9(b)對(duì)比可知,反傾向邊坡中652 m臺(tái)階邊坡的節(jié)理數(shù)量大于664 m臺(tái)階邊坡的節(jié)理數(shù)量。在邊坡角度與節(jié)理傾向相同的情況下,664 m臺(tái)階邊坡的最大位移約為0.18 m,652 m臺(tái)階邊坡的最大位移約為0.25 m。說明節(jié)理的數(shù)量與邊坡的位移呈正相關(guān)關(guān)系。

順層節(jié)理邊坡與反傾向節(jié)理邊坡穩(wěn)定性對(duì)比研究:由圖9(b)和圖9(d)對(duì)比可知,在邊坡角度與節(jié)理數(shù)量相同的情況下,順層節(jié)理邊坡(616 m臺(tái)階邊坡)的最大位移約為0.20 m,反傾向邊坡(652 m臺(tái)階邊坡)的最大位移約為0.25 m。說明節(jié)理的走向也是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一,相比之下反傾邊坡更容易發(fā)生滑移,邊坡失穩(wěn)更為嚴(yán)重。

層狀結(jié)構(gòu)邊坡與塊狀結(jié)構(gòu)邊坡穩(wěn)定性對(duì)比研究:由圖9(c)和圖9(d)對(duì)比可知,在邊坡角度與節(jié)理走向相同的情況下,層狀結(jié)構(gòu)邊坡(616 m臺(tái)階邊坡)的最大位移約為0.20 m,塊狀結(jié)構(gòu)邊坡(628 m臺(tái)階邊坡)的最大位移約為0.79 m。塊狀結(jié)構(gòu)的邊坡巖體破碎程度較為嚴(yán)重,巖體強(qiáng)度更低,因此邊坡失穩(wěn)更加嚴(yán)重,更容易造成邊坡失穩(wěn),再與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圖9(e)對(duì)比得知現(xiàn)場(chǎng)滑落的塊體較多,與實(shí)際情況符合。

由邊坡放大云圖可以看出:圖9(a)和圖9(b)屬于反傾向邊坡,容易出現(xiàn)張拉破壞,致使節(jié)理發(fā)生錯(cuò)斷滑移,在邊坡處形成疊瓦狀傾倒。圖9(c)的邊坡塊體較為破碎,在邊坡滑移中出現(xiàn)碎塊滑動(dòng)的現(xiàn)象。圖9(d)屬于順傾向邊坡,受剪切破壞較為明顯,因此邊坡的位移沿節(jié)理發(fā)育方向滑動(dòng)。

綜上所述,由圖9可以看出,邊坡的滑移與節(jié)理數(shù)量、節(jié)理傾向和節(jié)理的結(jié)構(gòu)狀態(tài)等參數(shù)密切相關(guān),隨著參數(shù)的增大,邊坡失穩(wěn)越來越嚴(yán)重。

5 NPR錨索超常力學(xué)支護(hù)效果研究

傳統(tǒng)錨索多為正泊松比材料,強(qiáng)度較低導(dǎo)致其支護(hù)條件有限,在大變形區(qū)和高地應(yīng)力區(qū)往往會(huì)發(fā)生斷裂現(xiàn)象,不能滿足工程需求。隨著我國工程建設(shè)需求的不斷增大,具有負(fù)泊松比效應(yīng)的NPR錨索由此誕生,NPR錨索可以對(duì)破碎圍巖進(jìn)行補(bǔ)償力學(xué)做功,從而使圍巖變形減小。

NPR錨索主要由套筒、恒阻體和鋼絞線組合的普通錨索構(gòu)成(如圖10所示),實(shí)現(xiàn)恒阻特性的主要部件為可以在套筒內(nèi)部進(jìn)行滑移的恒阻體,恒阻體的滑移會(huì)使巖體與錨索處于平衡狀態(tài),具體表現(xiàn)[17-18]為:當(dāng)外力強(qiáng)度超過錨索屈服強(qiáng)度的90%時(shí),錨索內(nèi)部的恒阻體會(huì)在恒阻體內(nèi)發(fā)生滑移抵抗外部載荷,使承載能力繼續(xù)增加。即:當(dāng)外加荷載由巖體對(duì)NPR錨索小于變形所需的最大載荷時(shí),此時(shí)NPR錨索處于彈性變形階段,圍巖體是穩(wěn)定的;當(dāng)巖體對(duì)NPR錨索施加的外部載荷大于變形所需的最大載荷時(shí),NPR錨索將發(fā)揮其恒阻特性,抵消圍巖中的荷載,此時(shí)巷道圍巖再次處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[19]。

工程應(yīng)用中為了對(duì)巖體失穩(wěn)區(qū)域進(jìn)行加固,通常使用錨索進(jìn)行圍巖支護(hù)操作。高恒阻能量吸收錨索(NPR錨索)與傳統(tǒng)錨索(PR錨索)的區(qū)別在于利用負(fù)泊松比效應(yīng)抵御外力,具有更強(qiáng)的吸能效果,如圖11、圖12所示。NPR錨索的參數(shù)具體表現(xiàn)為:鋼絞線長度一般為40 m,密度為7.85 g/cm3,泊松比為0.269,彈性模量為210 GPa,抗拉強(qiáng)度為800 MPa,屈服強(qiáng)度為355 MPa。套筒的長度為1 m,密度為7.80 g/cm3,泊松比為0.3,彈性模量為206 GPa,經(jīng)過靜力拉伸試驗(yàn)得出NPR錨索的恒阻值可達(dá)350 kN。

圖11 NPR錨索與PR錨索的變形示意Fig.11 Deformation diagram of NPR anchor cable and PR anchor cable

圖12 NPR錨索支護(hù)原理Fig.12 Support principle of NPR anchor cable

研究表明,NPR錨索相比于其他大變形錨桿具有更強(qiáng)的吸能效果[20]。為了證明NPR錨索比PR錨索具有更強(qiáng)的支護(hù)效果,本節(jié)以616 m臺(tái)階邊坡為例,分別對(duì)邊坡進(jìn)行PR支護(hù)和NPR支護(hù)的數(shù)值模擬試驗(yàn)研究,并在邊坡表面設(shè)置A、B、C 3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),進(jìn)一步驗(yàn)證NPR良好的抵御外力的能力,錨索支護(hù)位置如圖13所示。

圖13 錨索支護(hù)示意Fig.13 Schematic of anchor ride support

由圖14宏觀位移分析可知:錨索的支護(hù)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有很強(qiáng)的約束效果,NPR錨索支護(hù)后的位移量整體小于PR錨索支護(hù)后的位移。當(dāng)對(duì)邊坡進(jìn)行PR錨索支護(hù)時(shí),邊坡的最大位移約為0.09 m,其支護(hù)位置的位移由原來的0.20 m下降到0.05～0.07 m,位移約束效果較為明顯。當(dāng)對(duì)邊坡進(jìn)行NPR錨索支護(hù)時(shí),邊坡的最大位移約為0.009 7 m,其支護(hù)位置的位移由原來的0.20 m下降到0.004 8～0.007 2 m,位移約束效果極其明顯(由放大后的邊坡云圖可以看出)。

圖14 錨索支護(hù)效果對(duì)比Fig.14 Comparison of anchor cable support effect

6 結(jié) 論

(1)由礦區(qū)內(nèi)聲波波速對(duì)比正態(tài)擬合試驗(yàn)研究可知:露天礦區(qū)內(nèi)縱波波速介于1.4～2.6 km/s之間,巖體質(zhì)量等級(jí)表現(xiàn)為Ⅳ級(jí),巖體完整性較差,因此內(nèi)部巖體的節(jié)理裂隙較為發(fā)育。

(2)由測(cè)線法和節(jié)理寬度分析法對(duì)礦區(qū)邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)可知:礦區(qū)內(nèi)邊坡的節(jié)理裂隙較為發(fā)育,張開度均大于5 mm,屬于寬開程度,容易發(fā)生滑坡等邊坡失穩(wěn)問題。結(jié)合赤平極射投影法可將礦區(qū)分成4個(gè)區(qū)域,其中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)邊坡巖體為4級(jí)圍巖,Ⅱ區(qū)和Ⅳ區(qū)邊坡巖體為5級(jí)圍巖,礦區(qū)整體巖性較差,存在邊坡失穩(wěn)問題。

(3)通過離散元數(shù)值模擬的方法從節(jié)理密度、節(jié)理走向等方面對(duì)邊坡進(jìn)行分析研究,得出628 m臺(tái)階邊坡的巖體穩(wěn)定性最低,坡面產(chǎn)生的最大位移為0.79 m,通過對(duì)比得出與現(xiàn)場(chǎng)工程監(jiān)測(cè)到的位移結(jié)果相近,驗(yàn)證了現(xiàn)場(chǎng)節(jié)理發(fā)育的調(diào)查結(jié)果。

(4)以616 m臺(tái)階邊坡為例,利用數(shù)值模擬的方法對(duì)坡面進(jìn)行PR和NPR錨索支護(hù),得出PR錨索支護(hù)時(shí)邊坡的最大位移約為0.09 m,NPR錨索支護(hù)時(shí)邊坡的最大位移為0.009 7 m,從數(shù)值模擬的角度驗(yàn)證了NPR錨索的超常力學(xué)特性。綜上所述,基于土屋露天銅礦復(fù)雜的工程背景,利用數(shù)學(xué)與工程監(jiān)測(cè)相結(jié)合、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相互佐證的研究方法,得出礦區(qū)內(nèi)巖體較為破碎、節(jié)理較為發(fā)育的試驗(yàn)結(jié)果,并提出可用NPR錨索進(jìn)行支護(hù)的加固方式,為其他破碎邊坡及軟弱圍巖的地下工程提供科學(xué)依據(jù)。