排土場(chǎng)物料抗剪強(qiáng)度參數(shù)反演分析應(yīng)用研究

王新巖，周漢民，崔 旋，蘇 軍

（北京礦冶研究總院，北京102600）

目前全國(guó)有5萬(wàn)多座露天礦［1］，而排土場(chǎng)對(duì)一個(gè)大型礦山可達(dá)數(shù)億立方米，堆置高度可達(dá)200多米。一旦發(fā)生滑坡、泥石流等災(zāi)害將給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成重大損失。排土場(chǎng)是露天礦山開(kāi)采時(shí)表層剝離廢石堆積而成的人工邊坡，因此其具備了區(qū)別于一般土質(zhì)邊坡的特征：采用自上而下的排廢過(guò)程使堆積物料粒度具明顯的分選性。其總體規(guī)律表現(xiàn)為：其粒徑塊度由上而下逐漸增大，總的趨向是小塊集中在上部，大塊在下部，中間部分各種塊度參差不齊，但以中等塊度居多在排土場(chǎng)穩(wěn)定性分析過(guò)程中，排土場(chǎng)堆積體的強(qiáng)度參數(shù)是邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析中一個(gè)至關(guān)重要的因素，而不同的粒徑組成是散體材料強(qiáng)度參數(shù)的主要影響因素。正是由于排土場(chǎng)的這一特性使得排土場(chǎng)散體強(qiáng)度參數(shù)的合理取值成為了困擾巖土工程界的難題。

為合理確定排土場(chǎng)物料參數(shù)，廣大科技工作者、工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究［2－4］。翁厚洋等對(duì)粗粒料縮尺效應(yīng)研究后指出［5］：由于縮尺后試料級(jí)配與原級(jí)配不同，導(dǎo)致不同縮尺方法縮尺后的試料級(jí)配和密度也不同。所以，即使試驗(yàn)條件相同，也會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大差異。王永博等［6－7］研究了某排土場(chǎng)大規(guī)模滑坡的原因和破壞模式，對(duì)滑帶土的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了反演分析并進(jìn)行了有限元計(jì)算，結(jié)果表明：該排土場(chǎng)處于暫時(shí)穩(wěn)定階段。反演計(jì)算以排土場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)信息為基礎(chǔ)，反算排土場(chǎng)物料物理力學(xué)參數(shù)，為計(jì)算排土場(chǎng)物料物理力學(xué)參數(shù)提供了有效手段。基于以往研究的基礎(chǔ)上，本文以某礦山排土場(chǎng)所存在的一個(gè)現(xiàn)狀臨界滑坡體為依托，采用參數(shù)反演方法驗(yàn)算該礦山排土場(chǎng)物料綜合抗剪強(qiáng)度，從而為其邊坡穩(wěn)定性提供準(zhǔn)確的計(jì)算參數(shù)。

1 工程背景

某礦山排土場(chǎng)位于廣東省境內(nèi)，地形屬嶺南中低山地，海拔標(biāo)高300.00～1020.41m，山系呈南北走向，北高南低。排土采用汽車運(yùn)輸，推土機(jī)排棄，單臺(tái)階排棄，排土高度約257m，屬于典型的山坡型高臺(tái)階排土場(chǎng)。其中，人工填土由采礦區(qū)廢石夾礫質(zhì)粉土和含礫粉質(zhì)粘土組成，結(jié)構(gòu)松散，滲透系數(shù)高。場(chǎng)區(qū)屬潮濕多雨亞熱帶氣候，地表水系發(fā)育，具山間溪河特點(diǎn)，水量變化幅度大。在降雨因素誘發(fā)下頂端前緣出現(xiàn)沿縱線基本貫通的裂縫，裂縫帶寬在幾厘米至十幾厘米不等，如圖1，該邊坡處于臨界狀態(tài)，亟待開(kāi)展相關(guān)研究及治理措施。本文以此臨界失穩(wěn)狀態(tài)滑坡體為依托，反演分析計(jì)算排土物料綜合參數(shù)，為后續(xù)展開(kāi)治理工作提供依據(jù)。物料分區(qū)自上而下依次為：排土物料、沖積層和基巖，物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算基本參數(shù)

圖1 排土場(chǎng)裂縫

2 參數(shù)反演分析方法

2.1 反演狀態(tài)的確定

反演狀態(tài)的確定［9］與形成該狀態(tài)的荷載條件、計(jì)算邊界及穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)等有關(guān)。滑坡周邊無(wú)地表水系，滑坡內(nèi)地下水主要由后緣基巖裂隙水及降水補(bǔ)給。由于土體內(nèi)裂隙極其發(fā)育，結(jié)構(gòu)破碎程度很高，透水性很強(qiáng)，大氣降雨相當(dāng)一部分將直接滲入第四系松散層，滑體內(nèi)地下水位的升高將增大滑體的下滑力、降低土體的抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而誘發(fā)滑坡，因此，可以認(rèn)為，如滑坡區(qū)遭遇長(zhǎng)久降雨過(guò)程，會(huì)使滑坡體內(nèi)地下水位升高，使滑坡處于復(fù)活狀態(tài)。本文以此狀態(tài)作為反演分析的計(jì)算狀態(tài)，選取臨界狀態(tài)剖面建立計(jì)算模型如圖2。

圖2 計(jì)算基本模型

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果：該礦山排土場(chǎng)邊坡后部有明顯的沿橫向貫通的裂縫，且裂縫寬度較寬，但邊坡尚未出現(xiàn)較大規(guī)模的位移變化；參照專著《滑坡分析與防治》中各類型滑坡在不同發(fā)育階段的安全系數(shù)推薦值（見(jiàn)表2），可得：該排土場(chǎng)正處于蠕動(dòng)擠壓狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定系數(shù)約為1.01～1.05，為偏于安全考慮，反演分析計(jì)算過(guò)程中的安全系數(shù)取為1.00。

表2 滑坡不同發(fā)育階段的穩(wěn)定系數(shù)

2.2 反演的基本路線

邊坡反演就是先根據(jù)確定的邊界條件和特定工況狀態(tài)下的穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)建立數(shù)學(xué)模型，然后利用此模型反演邊坡土體的計(jì)算參數(shù)c，φ值。本文基于剛體極限平衡法的排土場(chǎng)邊坡抗剪參數(shù)反演分析步驟可概括如下。①通過(guò)對(duì)某礦山排土場(chǎng)邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)判，確定該邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.00，從而建立了反分析的基本模型。②基于SEEP軟件確定該礦山排土場(chǎng)的飽和非飽和滲流場(chǎng)。③在飽和非飽和滲流場(chǎng)的基礎(chǔ)上，利用基本模型，基于SLOPE軟件并對(duì)邊坡潛在滑動(dòng)面值不斷變化條件下的安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。假定為邊坡潛在滑動(dòng)面勘察資料推薦粘聚力最小值，為邊坡潛在滑動(dòng)面勘察資料推薦最大值，則潛在滑動(dòng)面凝聚力值在C＝（10，40）kPa之間取值。與之相似，潛在滑動(dòng)面內(nèi)摩擦角值則在φ＝（20°，40°）之間取值。④求出在二維空間中的每一個(gè)所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)，并作出曲線。將分析邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)所確定的安全系數(shù)作為縱坐標(biāo)畫水平線，水平線與曲線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的即為該剖面滑帶上抗剪強(qiáng)度參數(shù)可能值。

3 參數(shù)反演計(jì)算分析

本文中參數(shù)反演工作主要借助GEOSTUDIO軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先，基于SEEP軟件計(jì)算該排土場(chǎng)因降雨導(dǎo)致地下水位抬升的邊坡滲流場(chǎng)，并在此基礎(chǔ)上利用SLOPE軟件中多次重復(fù)計(jì)算現(xiàn)狀排土場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)，從中選取邊坡安全系數(shù)為1.00的算例并結(jié)合工程實(shí)際狀況進(jìn)行對(duì)比分析，從中選出反演參數(shù)最優(yōu)解。排土物料參數(shù)反演范圍為：C值范圍為（10，40）kPa，φ值范圍為（20°，40°）。

依照確定的反演路線，計(jì)算各個(gè)內(nèi)摩擦角及粘聚力組合所對(duì)應(yīng)的的邊坡安全系數(shù)，匯總?cè)鐖D3～圖5所示。

圖3 安全系數(shù)小于1.0的參數(shù)組合

圖4 安全系數(shù)大于1.0的參數(shù)組合

圖5 不同內(nèi)摩擦角與粘聚力變化時(shí)的安全系數(shù)（φ＝30～35°）

從圖3、圖4中可以看出：當(dāng)φ≤29°時(shí)，在給定范圍內(nèi)的粘聚力變動(dòng)，排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)均遠(yuǎn)小于1.0；當(dāng)φ≥36°時(shí)，給定范圍內(nèi)的粘聚力變動(dòng)，排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)則遠(yuǎn)大于1.0，均不滿足邊坡現(xiàn)狀工況；在某礦山排土場(chǎng)現(xiàn)狀堆積情況下（坡度、堆載高度），原先確定的內(nèi)摩擦角反演范圍（20°，40°）較大，可進(jìn)一步確定縮小至［30°，35°］之間。

圖5為內(nèi)摩擦角縮小區(qū)間內(nèi)［30°，35°］，單個(gè)內(nèi)摩擦角下對(duì)應(yīng)于不同粘聚力變化情況下時(shí)的邊坡安全系數(shù)變化曲線。結(jié)合圖分析可得：①隨著粘聚力的增大，邊坡安全系數(shù)呈緩慢增大的趨勢(shì)；②由Morgenstern－price、Ordinary、Bishop等多種方法所計(jì)算出的邊坡安全系數(shù)變化規(guī)律一致，且數(shù)值相差不大；③同Morgenstern－price相比，由Janbu法計(jì)算出的邊坡安全系數(shù)偏小，其原因在于力的平衡條件對(duì)條間剪力敏感，而簡(jiǎn)化Janbu法忽略了土條間的剪力；由Bishop法計(jì)算出的邊坡安全系數(shù)相比Morgenstern－price法來(lái)言則略微偏大，其原因則在于Bishop法僅考慮了力矩的平衡，而力矩安全系數(shù)對(duì)條間力則并不敏感。

4 參數(shù)反演計(jì)算結(jié)果

該排土場(chǎng)臨界失穩(wěn)狀態(tài)邊坡安全系數(shù)約為1.0，將對(duì)應(yīng)內(nèi)摩擦角區(qū)間內(nèi)［30°，35°］Morgensternprice反演出安全系數(shù)結(jié)果依次提取，從中選取安全系數(shù)為1.0的c，φ值組合，匯總?cè)绫?所示。

表3 安全系數(shù)約為1.0的抗剪參數(shù)組合

將各c，φ組合描點(diǎn)連線如圖6所示。從圖6中可以看出：對(duì)應(yīng)于安全系數(shù)為1.0的抗剪參數(shù)組合近似呈線性變化，內(nèi)摩擦角變動(dòng)較粘聚力來(lái)言對(duì)安全系數(shù)結(jié)果影響較大；該擬合直線的公式見(jiàn)下式。

y＝－3.59x＋145.84（30≤x≤35）

圖6 粘聚力與內(nèi)摩擦角對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線

基于以上反演結(jié)果，該礦山排土場(chǎng)物料綜合抗剪參數(shù)綜合值可能為該擬合直線上一點(diǎn)；考慮到排土物料為松散堆積體，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)反演計(jì)算結(jié)果分析推測(cè)：該礦山排土物料粘聚力c＝20kPa，內(nèi)摩擦角φ＝35°。

5 結(jié)論

1）本文以某礦山排土場(chǎng)所出現(xiàn)的臨界滑坡體為依托，確定反演路線，計(jì)算多參數(shù)組合下排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)，從中選取綜合抗剪參數(shù)最優(yōu)解，確定出該排土物料抗剪參數(shù)為粘聚力c＝20kPa，內(nèi)摩擦角φ＝35°。

2）由反演分析確定的抗剪強(qiáng)度為排土物料整體的綜合抗剪強(qiáng)度，該方法忽略了物料不均勻性的影響，所得參數(shù)具有良好的工程適用性。

3）反分析得到的滑帶土c，φ值與臨界狀態(tài)的滑坡體賦存條件相對(duì)應(yīng)，在其他工況分析設(shè)計(jì)時(shí)，反演分析的臨界狀態(tài)會(huì)有所不同，因此參數(shù)值應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及工程類比結(jié)果進(jìn)行折減。

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