弱化后粗粒巖土力學(xué)特性及其對邊坡穩(wěn)定性的影響研究

費曉歐，繆海賓，王慶花，馬明康，趙 賀

（1.遼寧石油化工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，遼寧 撫順113001；2.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室, 遼寧 撫順113122）

某露天礦于1975 年開始露天采礦，1992 年停產(chǎn)，后根據(jù)需求恢復(fù)生產(chǎn)，恢復(fù)生產(chǎn)前采坑內(nèi)全部積水，水位標高1 398 m。經(jīng)過將近1 億m3的積水抽排后，礦坑邊坡大面積出露，南幫邊坡整體高度達到140 m，西幫邊坡高度達到150 m。該礦區(qū)原始地層巖性較復(fù)雜，產(chǎn)狀變化大，巖石風(fēng)化作用、巖溶作用強烈，松散軟弱層厚度大。露天礦邊坡在經(jīng)過水的長期浸泡作用后，其巖土體強度已遭受一定程度上的損傷；經(jīng)過積水抽排及后期風(fēng)化作用，其巖土體強度進一步弱化。受水的軟化及長期風(fēng)化影響，在抽水后礦區(qū)邊坡出現(xiàn)較為明顯的局部失穩(wěn)破壞，發(fā)生局部片幫和塊石滾落現(xiàn)象。為防止露天礦邊坡發(fā)生大面積滑坡現(xiàn)象，需探清水及風(fēng)化對礦區(qū)邊坡巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響作用。為此采用SZ30-4D 型三軸剪切試驗機對風(fēng)化松散層進行剪切試驗，結(jié)合已滑坡區(qū)域滑坡反分析結(jié)果，綜合確定研究區(qū)域巖土體物理力學(xué)性質(zhì)指標，為露天礦邊坡穩(wěn)定評價及參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)[1-4]。

1 松散體大三軸剪切試驗及結(jié)果

1.1 試驗方法

由于礦區(qū)邊坡巖土長期受水及風(fēng)化影響，采用傳統(tǒng)的四聯(lián)剪切及單軸抗壓等試驗已無法充分體現(xiàn)邊坡巖土的實際力學(xué)特性，為此，采用松散體大三軸直剪試驗對對廣泛分布于礦區(qū)邊坡的砂礫土、松散泥巖及二者混合物進行試驗[5-6]。大三軸剪切試驗是測定松散巖土抗剪強度的一種方法，它通常用3～4 個圓柱形試樣，分別在不同的恒定周圍壓力下，施加軸向壓力，對試樣進行剪切直至破壞；而后根據(jù)莫爾-庫倫破壞準則，求得巖土體抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等相關(guān)力學(xué)參數(shù)。為得到更加真實的試驗指標，本次試驗采用的是固結(jié)不排水剪（CU）[7-8]。

大三軸直剪試驗采用SZ30-4D 型三軸剪切試驗機，其適用于測定軸向應(yīng)力不大于17 MPa、周圍壓力不大于3.0 MPa 的粗粒土巖抗剪強度及其變形特性。該儀器能進行軸向應(yīng)力、應(yīng)變、周圍壓力、孔隙壓力、試樣體積變化和固結(jié)排水量等參數(shù)的測試。設(shè)備采用油壓方式完成軸向應(yīng)力加載，對試樣的周圍壓力采用液壓比例閥施加，反壓力采用氣壓平衡施加。儀器另配有水頭壓力、真空抽氣、反壓力等3 種不同的方式對試樣進行飽和。試樣尺寸為φ×h=300 mm×600 mm，每3 個樣為1 組。

1.2 試驗結(jié)果

結(jié)合礦區(qū)巖土體的松散特性，本次試驗分別就砂礫土、松散泥巖及二者混合樣進行了大三軸剪切試驗。砂礫土大三軸剪切試驗結(jié)果如圖1，泥巖大三軸剪切試驗結(jié)果如圖2，砂礫土-泥巖混合樣大三軸剪切試驗結(jié)果如圖3。

圖1（a）、圖2（a）、圖3（a）分別為3 組試樣主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變之間關(guān)系曲線，相關(guān)系數(shù)R 分別為0.98、0.97、0.92，相關(guān)性較高，說明試驗結(jié)果可靠。圖1（b）、圖2（b）、圖3（b）分別為3 組試樣摩爾圓強度包絡(luò)線，受水浸泡及風(fēng)化前后礦區(qū)巖土體力學(xué)特性對比結(jié)果見表1。

圖1 砂礫土大三軸剪切試驗結(jié)果Fig.1 Triaxial shear test results of gravel soil

圖2 泥巖大三軸剪切試驗結(jié)果Fig.2 Triaxial shear test results of mudstone

圖3 砂礫土-泥巖混合樣大三軸剪切試驗結(jié)果Fig.3 Triaxial shear test results of gravel soil and mudstone mix sample

表1 抗剪強度對比結(jié)果Table 1 Comparison results of Shear Strength

從對比結(jié)果可知，該礦砂礫土及泥巖層組抗剪強度急劇弱化，在受長期受水浸泡及風(fēng)化后，邊坡砂礫土的抗剪強度和內(nèi)摩擦角由8 kPa 和23.2°降低為7.4 kPa 和18.8°，泥巖的抗剪強度和內(nèi)摩擦角由136 kPa 和27.3°降低為7.8 kPa 和20.7°，砂礫土黏聚力降低80.5%、內(nèi)摩擦角降低19.0%，泥巖黏聚力降低94.3%、內(nèi)摩擦角降低24.1%，結(jié)果表明水及風(fēng)化對邊坡整體穩(wěn)定性構(gòu)成極其不利的影響，且對黏聚力的影響要大于對內(nèi)摩擦角的影響。

2 滑坡反分析

滑坡的產(chǎn)生相當(dāng)于一次大型巖體的剪切原位試驗，它是采礦和地質(zhì)綜合作用的結(jié)果。因此，利用滑坡反分析得到的巖體抗剪強度往往更具代表性[9-11]。根據(jù)地質(zhì)資料分析及調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，礦區(qū)風(fēng)化層厚度一般為60～100 m，最大可達120～130 m，礦區(qū)曾發(fā)生過較大的滑坡現(xiàn)象，滑坡剖面設(shè)為FS-1 剖面和FS-2 剖面，滑坡層位均發(fā)生在風(fēng)化層中。FS-1 剖面滑坡前后對比圖如圖4，F(xiàn)S-2 剖面滑坡前后對比圖如圖5。在進行滑坡反分析時，邊坡處于極限平衡狀態(tài)，此時邊坡穩(wěn)定系數(shù)取為1.0。

圖4 FS-1 剖面滑坡前后對比圖Fig.4 Comparison of section FS-1 before and after landslide

FS-1 及FS-2 2 個剖面滑坡反分析結(jié)果顯示砂礫土抗剪強度和內(nèi)摩擦角為7.2 kPa 和19.0°，泥巖抗剪強度抗剪強度和內(nèi)摩擦角為8.1 kPa 和21.1°，與弱化后砂礫土及泥巖試驗結(jié)果相近，證明試驗及滑坡反分析結(jié)果是可靠的，可作為該礦研究區(qū)域邊坡穩(wěn)定性評價依據(jù)。

圖5 FS-2 剖面滑坡前后對比圖Fig.5 Comparison of section FS-2 before and after landslide

3 邊坡穩(wěn)定性影響

露天礦的邊坡工程實踐表明，露天礦邊坡具有以下特點：①工程的時效性:邊坡大多屬于臨時性邊坡，服務(wù)年限長短不一，只要能保證相應(yīng)期間的生產(chǎn)與安全即可，邊坡工程的時效性決定了其穩(wěn)定性也具有時效性;②邊坡的可變形性:可以允許產(chǎn)生一定的破壞，只要這種變形及破壞不致影響露天礦的安全生產(chǎn)即可，確保露天采礦能取得最大技術(shù)經(jīng)濟效益的;③邊坡工程的動態(tài)穩(wěn)定性:露天礦自始至終處于復(fù)雜的動態(tài)開挖、回填過程之中，邊坡穩(wěn)定是一個動態(tài)穩(wěn)定的過程;④邊坡穩(wěn)定性認識的階段性:隨著露天礦開采，對礦山工程地質(zhì)條件的認識不斷的深化，邊坡穩(wěn)定性評價的認知也具有階段性，是與露天礦生產(chǎn)不同階段相適應(yīng)。

根據(jù)GB 50197—2015 煤炭工業(yè)露天礦設(shè)計規(guī)范之有關(guān)規(guī)定[12]，結(jié)合研究區(qū)邊坡工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件的勘察程度、巖土體力學(xué)性質(zhì)的掌握情況、采礦活動影響、邊坡的服務(wù)年限和邊坡類型等綜合分析，永久邊坡的安全儲備系數(shù)Fs=1.3。同時，為了考慮到全部平衡條件與邊界條件，消除計算方法上的誤差，本次邊坡穩(wěn)定計算采用摩根斯坦-普瑞斯（Morgenstern-Price）法來確定礦坑現(xiàn)狀邊坡的安全系數(shù)，礦坑現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果見表2。

露天礦的現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果顯示：①DW-1 剖面及DS-1 剖面穩(wěn)定系數(shù)大于1.3，作為永久邊坡，其穩(wěn)定系數(shù)滿足安全儲備要求；②DW-2 剖面和MS-3 剖面，穩(wěn)定系數(shù)分別為1.203 和1.205，均不滿足安全儲備要求, 根據(jù)地質(zhì)資料分析，DW-2剖面2 處相距150 m 的鉆孔資料顯示均存在1 層厚約2 m 的泥巖弱層，長期受水浸泡及后期風(fēng)化后，可認為該剖面弱層已貫通，易形成沿該弱層滑動的整體滑坡；MS-3 剖面所在區(qū)域風(fēng)化強度大、裂隙發(fā)育、風(fēng)化厚度深（約150 m），是穩(wěn)定系數(shù)不足的主要原因。

表2 礦坑現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Table 2 Slope stability results in current pit condition

4 結(jié) 語

長期停產(chǎn)后復(fù)采的露天礦邊坡受水浸泡、風(fēng)化等因素影響，極易出現(xiàn)局部邊坡失穩(wěn)破壞；采用大三軸剪切儀分別對砂礫土、泥巖及兩者混合樣進行了試驗，試驗結(jié)果顯示砂礫土黏聚力降低80.5%、內(nèi)摩擦角降低19.0%，泥巖黏聚力降低94.3%、內(nèi)摩擦角降低24.1%，不利于邊坡的穩(wěn)定；對露天礦滑坡區(qū)域進行了滑坡反分析，反分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，認為試驗結(jié)果是可靠的；對露天礦現(xiàn)狀邊坡進行了穩(wěn)定分析，由于長期受水及風(fēng)化影響，邊坡內(nèi)部弱層貫通，極易形成沿弱層滑動的整體滑坡，穩(wěn)定性不足。