李海洲

(山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 礦山工程技術(shù)研究所，山東 淄博 255049)

基于含水泥質(zhì)砂巖長期強度的邊坡穩(wěn)定性評價

李海洲

(山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院 礦山工程技術(shù)研究所，山東 淄博 255049)

長期強度是巖石工程穩(wěn)定性評判的重要指標(biāo).基于新疆華宏礦業(yè)露天礦山含水泥質(zhì)砂巖試樣常規(guī)單軸壓縮試驗和單軸壓縮蠕變試驗結(jié)果，利用高精度的蠕變曲線擬合公式，解算不同含水率下巖石的長期強度參數(shù);結(jié)合現(xiàn)場選取典型邊坡剖面，應(yīng)用GEO-slope數(shù)值軟件進行穩(wěn)定性分析.結(jié)果表明：飽水邊坡安全系數(shù)為1.047，采用疏干排水措施后，邊坡的安全系數(shù)提高到1.233，符合安全要求，可為含水邊坡的長期穩(wěn)定性評價及治理提供一定的理論依據(jù).

含水泥質(zhì)砂巖；長期強度；邊坡穩(wěn)定性；疏干排水

在各種巖體工程中，巖體的應(yīng)力狀態(tài)、變形和失穩(wěn)都具有明顯的時間效應(yīng)，其根本原因是巖石具有流變性[1]. 尤其采礦和水利工程中的高邊坡，巖石蠕變變形往往引起災(zāi)害性破壞，因而巖石的長期強度成為評判巖石工程長期穩(wěn)定性的重要指標(biāo). 由于巖石介質(zhì)的復(fù)雜特殊性，不同巖石的力學(xué)特性仍存在較大的差異性[2]. 隨著我國西部大開發(fā)的逐步推進，各類巖石工程問題隨之而來，因而針對我國新疆地區(qū)泥質(zhì)砂巖的蠕變特性及其長期強度的預(yù)測對合理評價巖體的長期穩(wěn)定性是必不可少的.

近十年來，由于長期強度在巖石工程長期穩(wěn)定性研究中的重要作用，有大量學(xué)者展開了巖石長期強度的研究工作，并取得了豐碩的成果[3-12]. 但鑒于巖石類型及賦存環(huán)境的復(fù)雜性，得出來的結(jié)論也不盡相同.

本文以我國新疆華宏礦業(yè)露天礦山的含水泥質(zhì)砂巖為研究對象，通過室內(nèi)單軸壓縮蠕變試驗，利用蠕變曲線擬合公式，從巖石長期強度的定義出發(fā)，解算巖石長期蠕變速率ε′=0，來確定不同含水狀態(tài)下巖石長期強度，并選取典型剖面分析邊坡飽水、疏干狀態(tài)下的穩(wěn)定性，為含此類巖石工程的設(shè)計及長期穩(wěn)定性評價提供依據(jù).

1 單軸壓縮及蠕變試驗

泥質(zhì)砂巖采自新疆華宏礦業(yè)露天煤礦，在實驗室內(nèi)進行試樣制備并編號，見圖1.

圖1 泥質(zhì)砂巖試驗試樣

首先進行單軸壓縮試驗, 將4組泥質(zhì)砂巖試塊，分別在水中浸泡1d、2d、4d、7d，分別測得其含水率，部分試塊蠟封之后進行單軸抗壓實驗，得到不同含水率條件下泥質(zhì)砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖2，整理實驗數(shù)據(jù)(表2)并分析其隨含水率的變化規(guī)律，見圖3.

圖2 不同含水率試件應(yīng)力-位移全過程曲線

表1 不同含水狀態(tài)下泥質(zhì)砂巖力學(xué)特性指標(biāo)

圖3 泥質(zhì)砂巖單軸抗壓強度與含水率之間關(guān)系的回歸分析

由圖3可知隨著含水率的增加，泥質(zhì)砂巖單軸抗壓強度逐漸變小，且這一過程可通過最小二乘法用指數(shù)函數(shù)進行擬合，相關(guān)系數(shù)達0.9968.

泥質(zhì)砂巖單軸壓縮蠕變試驗采用電液伺服巖石三軸試驗機和計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)進行試驗，實驗設(shè)備見圖4. 試驗采用φ50mm×100mm的圓柱體試件，采用陳氏加載法施加荷載.

泥質(zhì)砂巖屬于較軟巖石，蠕變曲線獲得較為容易，且在低應(yīng)力水平下經(jīng)過較短時間變形就基本趨于穩(wěn)定，故每級荷載加載時間在7h左右，荷載級差控制在0.8MPa.

圖4 電液伺服巖石三軸試驗設(shè)備

2 蠕變試驗及結(jié)果分析

對4種含水率條件下泥質(zhì)砂巖試樣進行了單軸壓縮蠕變試驗，獲得的比較理想的蠕變曲線(圖5).

圖5 不同含水率試塊典型蠕變曲線

分析4種含水狀態(tài)試驗結(jié)果，4種含水狀態(tài)的巖石試樣加速蠕變階段，隨著含水率的增加，其應(yīng)力閾值明顯降低. 含水率為4.45%時，應(yīng)力水平為16.72MPa時，出現(xiàn)了明顯的加速蠕變階段；含水率為6.17%時，應(yīng)力水平為15.12MPa時，出現(xiàn)了明顯的加速蠕變階段；含水率為8.28%時，應(yīng)力水平為12.72MPa時，出現(xiàn)了明顯的加速蠕變階段；含水率為10.17%時，應(yīng)力水平為10.32MPa時，出現(xiàn)了明顯的加速蠕變階段.

3 含水泥質(zhì)砂巖長期強度的確定

由于受試驗荷載級差的影響，以試驗應(yīng)力閾值判斷含水泥質(zhì)砂巖的長期強度誤差較大，本次試驗中含水泥質(zhì)砂巖的長期強度確定從蠕變曲線擬合公式出發(fā)，根據(jù)巖石蠕變曲線的變化特征，將瞬態(tài)蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變分別用公式u=A+B(1-e-ct)、u=Dt進行擬合. 因此，整個蠕變曲線擬合表達式為

u=A+B(1-e-ct)+Dt

(1)

其中系數(shù)A與瞬時應(yīng)變相對應(yīng)，系數(shù)B、C由衰減蠕變的特征所決定的參數(shù)，D為穩(wěn)態(tài)蠕變速率.

為節(jié)省篇幅，含水泥質(zhì)砂巖長期強度的求解以試樣1-4(含水率4.45%)為例，其全程蠕變曲線見圖6.

圖6 w=4.45%時試塊全程蠕變曲線

在11.92～15.92MPa各級應(yīng)力水平下蠕變曲線的擬合結(jié)果見表2.

若將各級應(yīng)力代入表3求出系數(shù)A、B、C、D，再代入式(1)求導(dǎo)后，在t→∞時，求出各級應(yīng)力下的應(yīng)變速率(即為D值).

表2 蠕變擬合公式

將A、B、C、D擬合見表3.

表3 系數(shù)擬合公式

將12.72～15.92MPa各級應(yīng)力t→∞時的應(yīng)變速率及蠕變初始條件t=0時，ε′=0進行二次函數(shù)擬合，將得到應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系如下：

ε′=5.89×10-7σ2-6.97×10-6σ+3×10-9

(2)

圖7 t→∞時應(yīng)變速率擬合曲線

相關(guān)系數(shù)R= 0.9965，從式(2)可知，在ε′=0時，求解出應(yīng)力值σ=0或11.83MPa(見圖7)，在σ=11.83MPa時，對應(yīng)的是蠕變試驗中試樣未出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)蠕變所對應(yīng)的最大荷載，即為該巖石試樣的長期強度.

應(yīng)用同樣方法，得到不同含水率狀態(tài)下泥質(zhì)砂巖的長期強度結(jié)果列于表4，變化曲線如圖8所示.

表4 不同含水率狀態(tài)下泥質(zhì)砂巖的長期強度

圖8 不同含水狀態(tài)下泥質(zhì)砂巖長期強度的回歸分析

4 含水條件下邊坡動態(tài)穩(wěn)定性分析

以新疆華宏礦業(yè)露天煤礦西幫邊坡為研究對象，選取典型剖面，邊坡高度為103m，邊坡角為36°，共含3層煤，屬工作幫，利用geo-slope計算邊坡在飽水狀態(tài)下的穩(wěn)定性，計算模型如圖9所示.

圖9 飽水邊坡分析模型

根據(jù)泥質(zhì)砂巖抗壓強度試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用經(jīng)驗公式法折算巖體強度參數(shù)，同時結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)資料，數(shù)值模型各巖層力學(xué)性能見表5.

表5 新疆某露天礦飽水邊坡巖體物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)《露天煤礦工程設(shè)計規(guī)范》(GB50197-2005)要求，對有條件內(nèi)排壓腳的邊坡，其穩(wěn)定性系數(shù)選取不小于1.2.

圖10 飽水邊坡計算結(jié)果

圖11 疏干狀態(tài)時邊坡計算結(jié)果

通過計算分析飽水邊坡所得的危險滑動面如圖所示，此剖面巖層數(shù)量較多，安全系數(shù)為1.047，處于極限穩(wěn)定狀態(tài)，在疏干排水狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)提高到1.233，可以滿足安全要求.

5 結(jié)論

(1)以我國新疆華宏礦業(yè)某露天礦含水泥質(zhì)砂巖為研究對象，通過不同含水率泥質(zhì)砂巖進行室內(nèi)單軸壓縮及蠕變試驗，分析了不同含水率條件下泥質(zhì)砂巖的加速蠕變特性：試驗應(yīng)力閾值隨著含水率的增加明顯降低，且以該應(yīng)力閾值作為長期強度存在較大誤差.

(2)根據(jù)式u=A+B(1-e-ct)+Dt對蠕變曲線進行擬合，從長期強度概念出發(fā)，對長期強度進行分析，相對準(zhǔn)確地計算出不同含水狀態(tài)下泥質(zhì)砂巖長期強度并分析其隨含水率的變化規(guī)律.

(3)選取典型飽水邊坡為研究對象，分別計算分析了飽水、疏干狀態(tài)下的邊坡安全系數(shù)，結(jié)果表明：飽水狀態(tài)下，邊坡安全系數(shù)為1.047，處于臨界狀態(tài)；疏干排水后，邊坡安全系數(shù)提高到1.233，符合安全要求.

[1]楊圣奇. 巖石流變力學(xué)特性的研究及其工程應(yīng)用[D]. 南京:河海大學(xué), 2006.

[2]孫鈞. 巖石蠕變力學(xué)及其工程應(yīng)用研究的若干進展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 26(6): 1081-1106.

[3]蔡美峰, 何滿潮, 劉東燕. 巖石力學(xué)與工程[M]. 北京: 科學(xué)出版 社, 2002.

[4]蔣昱州, 張明鳴, 李良權(quán). 巖石非線性黏彈塑性蠕變模型研究及其參數(shù)識別[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2008, 27(4):832-839.

[5]陳沅江,潘長良,曹平,等.一種軟巖流變模型[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,34(l): 16-20.

[6]崔希海, 付志亮. 巖石流變特性及長期強度的試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2006, 25(5): 1021-1024.

[7]楊天鴻, 芮勇勤, 朱萬成,等. 炭質(zhì)泥巖泥化夾層的流變特性及長期強度[J].實驗力學(xué), 2008, 23(5): 396-402.

[8]張向東, 傅強. 泥巖三軸蠕變實驗研究[J]. 力學(xué)學(xué)報,2012, 29(2)：154-158.

[9]李良權(quán), 徐衛(wèi)亞, 王偉,等. 基于流變試驗的向家壩砂巖長期強度評價[J]. 工程力學(xué), 2010, 27(11):127-136.

[10]張清照, 沈明榮, 丁文其. 錦屏綠片巖力學(xué)特性及長期強度特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(8):1642-1649.

[11]顧成壯, 胡卸文, 張茂淳.強降雨下飽和平滑型滑坡坡體水流運動及其邊坡穩(wěn)定效應(yīng)分析[J].巖土力學(xué), 2013, 34(4):1075-1081.

[12]王寧, 杜學(xué)領(lǐng), 萬保華.不同降雨條件下露天礦邊坡穩(wěn)定性分析[J].煤礦安全, 2015, 46(5):223-226.

(編輯：姚佳良)

Slope stability analysis based on long-term strength of water-bearing muddy sandstone

LI Hai-zhou

(Mining Engineering Technology Research Institute,School of Resources and Environmental Engineering, Shandong University of Technology,Zibo 255049, China)

Long-term strength is an important indicator of the stability of rock engineering judgment. Based on the conventional uniaxial compression test and single axis rheological test of water-bearing muddy sandstone in Xinjiang Hua Hong mining industry, the precision creep curve fitting formulas are given to study the variability of rock creep rate, and the equation is solved to get the long-term strength of rock accurately. Then, eo-slope is used to analyze the slope stability. The results show that the safety factor of saturated slope is 1.047 and the safety factor of drainage condition is 1.233, which meet the safety requirements and provide a theoretical basis for long term stability evaluation of water slope.

muddy sandstone; long-term strength; slope stability; water drainage

2016-07-06

山東省自然科學(xué)基金項目(ZR2015EL016)；山東理工大學(xué)博士基金項目(4041413046)

李海洲，男，huaienf@126.com

1672-6197(2017)04-0061-04

TD313+.3

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