滲水邊坡巖體時(shí)變強(qiáng)度參數(shù)修正與穩(wěn)定性分析*

李海洲　張　璐　馬偉偉

(1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院；3.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院)

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滲水邊坡巖體時(shí)變強(qiáng)度參數(shù)修正與穩(wěn)定性分析*

李海洲1張璐2馬偉偉3

(1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院；2.山東理工大學(xué)建筑工程學(xué)院；3.中鋼集團(tuán)工程設(shè)計(jì)研究院)

以某露天礦滲水邊坡黑云片麻巖為研究對(duì)象，進(jìn)行了不同浸水時(shí)間條件下黑云母片麻巖的常規(guī)試驗(yàn)，并結(jié)合Hoek-Blown準(zhǔn)則估算了浸水黑云片麻巖巖體的時(shí)變強(qiáng)度參數(shù)(巖體等效黏聚力、巖體等效摩擦角)，結(jié)果表明：估算的巖體等效摩擦角偏高，與《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)要求不符。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行了黑云片麻巖巖體的假三軸模擬試驗(yàn)，計(jì)算修正了浸水黑云片麻巖巖體等效摩擦角，選取了露天滲水邊坡典型區(qū)段建立了三維數(shù)值分析模型，計(jì)算分析了滲水邊坡不同時(shí)期的穩(wěn)定性，為礦山邊坡動(dòng)態(tài)安全預(yù)警提供了理論依據(jù)。

滲水邊坡時(shí)變強(qiáng)度穩(wěn)定性分析黑云片麻巖Hoek-Blown準(zhǔn)則邊坡動(dòng)態(tài)安全預(yù)警

巖體的水-巖作用一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入研究，成果豐碩[1-8]。該類成果大多集中于分析含水率及含水狀態(tài)對(duì)巖石物理力學(xué)參數(shù)的影響，而對(duì)浸水巖體的強(qiáng)度參數(shù)尚未進(jìn)行準(zhǔn)確的估算。巖體強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律對(duì)于巖石的工程穩(wěn)定性評(píng)價(jià)具有重要作用，目前，有關(guān)巖體的強(qiáng)度參數(shù)隨含水率、浸水時(shí)間變化規(guī)律的研究成果鮮有報(bào)道[9-12]。故本研究以某露天礦滲水邊坡黑云片麻巖為例進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)，分析巖石強(qiáng)度隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律，并結(jié)合Hoek-brown準(zhǔn)則，估算浸水巖體時(shí)變強(qiáng)度。應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行巖石試塊的假三軸模擬試驗(yàn)，對(duì)浸水黑云片麻巖巖體等效摩擦角進(jìn)行修正，并對(duì)滲水邊坡不同時(shí)期的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1　巖體時(shí)變強(qiáng)度參數(shù)估算

1.1黑云片麻巖抗壓、抗拉試驗(yàn)

試驗(yàn)所用巖石取自某露天礦山現(xiàn)場(chǎng)的黑云片麻巖，制作了尺寸為φ50mm×100mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試件(圖1)，分析浸水時(shí)間對(duì)飽水巖石強(qiáng)度及變形特征等物理力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律。巖石的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用TAW-3000微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)，同時(shí)配備應(yīng)力傳感器和UCOM-60A靜態(tài)采集儀對(duì)巖石所加荷載及橫縱向變形進(jìn)行量測(cè)。巖石的抗拉強(qiáng)度采用YAW-300微機(jī)控制電液伺服直剪試驗(yàn)機(jī)的軸力加載系統(tǒng)配合巴西劈裂加載裝置(圖2)進(jìn)行測(cè)定。分別對(duì)浸水時(shí)間為1，7，15，30，60d的黑云片麻巖進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4，巖石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1　黑云片麻巖部分巖石試件

圖2　TAW-3000及YAW-300電液伺服試驗(yàn)機(jī)

圖3　巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2巖體時(shí)變強(qiáng)度估算結(jié)果

根據(jù)邊坡地質(zhì)資料并結(jié)合Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則計(jì)算了黑云片麻巖巖體強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

圖4　巖石拉壓比隨時(shí)間的變化曲線表1　不同浸水時(shí)間條件下的巖石力學(xué)參數(shù)

浸水時(shí)間/d單軸抗壓強(qiáng)度/MPa單軸抗拉強(qiáng)度/MPa巖石拉壓比17610.4880.1387679.7150.14515649.5360.14930578.8920.15660487.7280.161

表2　巖體時(shí)變強(qiáng)度參數(shù)

2　巖體時(shí)變強(qiáng)度參數(shù)修正

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB50218-94)，Ⅲ～Ⅳ級(jí)巖體的內(nèi)摩擦角為27°～50°，本研究根據(jù)Hoek-Brown準(zhǔn)則計(jì)算的巖體摩擦角數(shù)值偏高，故采用FLAC3D軟件，通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)對(duì)巖體時(shí)變強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行修正。

2.1數(shù)值模型構(gòu)建

假三軸抗壓強(qiáng)度樣尺寸為φ50mm×100mm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖5。

圖5　假三軸抗壓強(qiáng)度數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

該模型參數(shù)以黑云片麻巖時(shí)變抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度為基礎(chǔ)，通過(guò)施加不同圍壓，得到不同浸水時(shí)間下巖體模型的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線。浸水1d模型試塊的應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線見(jiàn)圖6，不同浸水時(shí)間下試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌瑖鷫合碌姆逯祻?qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表3。

圖6　浸水1 d試塊應(yīng)力-應(yīng)變特性曲線

表3　試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌瑖鷫合碌姆逯祻?qiáng)度MPa

2.2浸水巖體等效摩擦角修正

應(yīng)用σ1-σ3法求解巖體等效摩擦角，用最小二乘法確定了回歸方程：

式中，σ1為巖體峰值強(qiáng)度，MPa；σ3為巖體圍壓，MPa；φ為巖體等效摩擦角，(°)；a、b為計(jì)算系數(shù)。

根據(jù)上式，可求得不同浸水時(shí)間下巖體的等效摩擦角，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同浸水時(shí)間對(duì)應(yīng)的巖體等效摩擦角

綜合上述分析，修正后滲水邊坡不同浸水時(shí)間對(duì)應(yīng)的黑云片麻巖巖體的等效強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表5，變化曲線見(jiàn)圖7。

表5　不同浸水時(shí)間對(duì)應(yīng)的巖體等效強(qiáng)度參數(shù)

圖7　浸水黑云片麻巖巖體強(qiáng)度參數(shù)變化曲線●—原始曲線；……—擬合曲線

3　滲水邊坡穩(wěn)定性分析

選取該露天滲水邊坡典型區(qū)段建立了如圖8所示的三維數(shù)值模型，該模型長(zhǎng)200m，寬210m，高102m。由于露天邊坡滲水主要發(fā)生在片麻巖巖層，滲水對(duì)其強(qiáng)度影響較大，根據(jù)浸水片麻巖巖體強(qiáng)度參數(shù)變化曲線，計(jì)算了較長(zhǎng)浸水時(shí)間對(duì)應(yīng)的(1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月)片麻巖巖體的強(qiáng)度參數(shù)， 其他各層巖體強(qiáng)度參數(shù)不發(fā)生變化，計(jì)算所用的各層巖體強(qiáng)度參數(shù)見(jiàn)表6。滲水邊坡的安全系數(shù)隨巖體浸水時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖9。

圖8　滲水邊坡數(shù)值計(jì)算模型表6　滲水邊坡穩(wěn)定性計(jì)算巖體強(qiáng)度參數(shù)

巖土名稱容重/(kN/m3)黏聚力/kPa摩擦角/(°)第四系18.04620.0片麻巖25.0473(初始值)24.4(初始值)磁鐵石英巖28.048732.0混合花崗巖25.656234.0

圖9　滲水邊坡安全系數(shù)變化曲線●—原始曲線；……—擬合曲線

4　結(jié)　語(yǔ)

以某露天礦滲水邊坡黑云片麻巖為例，通過(guò)常規(guī)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，分析了不同浸水時(shí)間下巖石的強(qiáng)度弱化規(guī)律，結(jié)合Hoek-blown準(zhǔn)則估算了黑云片麻巖巖體的時(shí)變力學(xué)參數(shù)。采用FLAC3D軟件，通過(guò)黑云片麻巖巖體假三軸模擬試驗(yàn)，修正了浸水黑云片麻巖巖體等效摩擦角。選取該邊坡的典型滲水邊坡區(qū)段構(gòu)建了數(shù)值計(jì)算模型，詳細(xì)分析了滲水邊坡在不同時(shí)期的穩(wěn)定性，對(duì)于礦山邊坡的有效治理有一定的參考價(jià)值。

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StabilityAnalysisandTime-varyingStrengthCorrectionofRockMassofSeepageSlope

LiHaizhou1ZhangLu2MaWeiwei3

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,ShangdongUniversityofTechnology;2.CollegeofArchitectureEngineering,ShangdongUniversityofTechnology;3.SinosteelEngineeringDesignandResearchInstitute)

Takingthebiotitegneissoftheseepageslopeofaopen-pitmineastheresearchexample,theroutinetestofbiotitegneissundertheconditionsofdifferentimmersiontimeisconducted,thetime-varyingstrengthparameters(equivalentcohesiveforceofrockmassandequivalentfrictionangleofrockmass)oftherockmassofinundatebiotitegneissarecalculatedbyadoptingtheHoek-Blowncriterion,theresultsshowthattheequivalentfrictionangleofrockmassislargerthanthecalculationresultsofHoek-Blowncriterion,itisnotaccordwiththerequirementsof"engineeringrockmassclassificationstandard" (GB50218-94).Basedontheaboveanalysisresults,thefalsetriaxialsimulationtestoftherockmassofbiotitegneissisdonebyadoptingtheFLAC3Dsoftware,thetheequivalentfrictionangleofrockmassofinundatebiotitegneissiscorrected,besidesthat,thetypicalsectionofopen-pitseepageslopeisselectedtoestablishthethree-dimensionalnumericalanalysismodeltoanalyzethestabilityofseepageslopeindifferenttime.Theaboveresearchresultsinthispapercanprovidethetheoreticalfoundationformineslopedynamicsafetywarning.

Seepageslope,Time-varyingstrength,Stabilityanalysis,Biotitegneiss,Hoek-Blowncriterion,Slopedynamicsafetywarning

2016-05-30)

*山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào)：ZR2015EL016)；山東理工大學(xué)博士基金項(xiàng)目(編號(hào)：4041413046；4041414025)。

李海洲(1982—)，男，講師，博士，255049 山東省淄博市張周路12號(hào)。