類土質邊坡的穩定性研究

吳朝義 魏昶帆 吳勇

摘要： 近年來礦區類出現了越來越多的類土質邊坡，了解這種邊坡的定義、破壞模式越發重要，并制定出相應的治理措施，才能給礦山帶來良好的收益。本文針對牟定縣安益鉑鈀貧鐵礦的類土質邊坡進行了穩定性分析計算，結果表明，現狀條件下露天采場邊坡處于穩定狀態，終了狀態東幫和南幫邊坡穩定性安全系數偏低，基本處于極限平衡狀態；在考慮地震作用時，東南幫邊坡安全系數偏低，存在失穩可能性較大，為礦區類土質邊坡的開挖和防護提供一些必要的理論依據。

Abstract： Nowadays， there are more and more kinds of soil slopes in the mining area. the corresponding treatment measures are made， which can bring good benefits to the mine. In this paper， it analyzes the stability of the status quo slope and the final slope slope for the class of slope of apricot platinum-poor iron ore mine in Mouding County. which is basically in the state of limit equilibrium. When considering the earthquake action， the safety factor of the southeast slope is low and the instability is likely， It provides some necessary theoretical basis for excavation and protection of soil-like soil slope.

關鍵詞：類土質邊坡；破壞模式；巖體力學參數；穩定性分析

Key words： soil-like slope；failure mode；mechanical parameters of rock mass；stability analysis

中圖分類號：P642.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0135-04

0 引言

近些年來類土質邊坡這個名詞出現在了人們的眼球，尤其是邊坡工程領域，它是全新的學科領域[1]。類土質邊坡是在我國的東南地區分布比較廣泛，例如湖南省、江西省、廣東省等地區。人們對類土質邊坡的了解甚少，國內外的學者研究這類邊坡最早出現在20世紀60年代，到目前為止，對這類邊坡所做的野外調查、理論分析還不夠特別完善，國內也僅有少量類似專業的學者做過初步研究學習，了解類土質邊坡對礦山邊坡的發展是很有必要。

1 類土質邊坡的定義

這類邊坡這介質構成的表面上看起來像是砂性土或者是粘性土，但是卻跟這兩類土有著明顯的區別[2]，類土質邊坡構成的介質是通過原巖風化作用過后在原來位置所形成的殘積物，這種邊坡的巖土中保留著一點兒原始結構，原有的物理特性只是殘留了部分或保存得不是很完整但是卻還能保持一些原來的性質，比如原有的抗滑力、抗拉強度等特性。于是這種類型邊坡的基本表達方式略有不同，主要包含隱形的結構軟弱面和宏觀的結構面，擁有這種特征的邊坡便是我們所不了解的類土質邊坡。因此，擁有或者保留著原有巖石力學特性的，必須結合其他理論與方法來研究這類特殊的邊坡類型，這種邊坡便是類土質邊坡。

2 常見類土質邊坡的破壞模式

2.1 平面破壞

平面破壞主要包括平面滑動和溜滑等[3]。這種破壞主要受制于風化后存留在坡體中的節理面或者隱藏的結構面。當地表水或地下水活動比較頻繁的時候，在水的沖刷和滲透作用下，邊坡巖土會逐漸變得松散破碎，原有的物理性質會發生改變，大大降低了其力學強度。當因為開采的需要而挖邊坡的時候，由于巖土固有的自身重力，巖土的力學強度不能夠支撐時，被水所沖刷或滲透的上層覆蓋的巖土便會產生滑動，如圖1所示。

2.2 崩塌破壞

當邊坡的侵入角和大構造定向接近垂直時，巖土的滑動力抗滑強度不足以支撐上覆邊坡的剪切結構面，隨著坡面的開發造成原有結構面產生位移，在坡體自身重力的作用下，很容易引起邊坡的垮塌，我們將這種破壞模式稱之為崩塌破壞如圖2。降雨時，坡體上部的張拉裂縫會出現充水的現象，由于動靜水壓力作用使軟弱結構面前的土體會發生臨空面傾覆，從而產生坡體發生崩塌破壞。這種破壞模式一般出現在經常降雨或者地表水活動活躍并且邊坡巖土性質容易受影響的邊坡中，每次單塊破壞體厚度一般不大于2m，往往形成疊瓦式破壞。

2.3 圓弧破壞

風化作用對類土質邊坡的影響很大，從而導致了失去了結構面或者擁有一部分，但是對類土質邊坡的破壞沒有起主導作用[4]。在巖體內部的介質比較均勻，沒有明顯結構面的影響或者是內部結構與破面反傾。在這種圓弧破壞模式中，水是個極其重要的影響因素，水所帶來的負面影響便是降低巖土的力學強度，因此在研究這類破壞模式時，必須實時采用各種措施來監測的地表水、地下水的活動情況。

2.4 坡面沖刷破壞

在降雨過程或地表水流動中，在水的作用下坡面巖土的重力勢能轉變成動能，造成坡面土體的滑動及流失，徑流不斷沖刷坡面，這種破壞便視為坡面沖刷破壞。有些巖土非常容易受到水的影響，在水的侵蝕作用下，便會造成很多巖土松散、軟化，部分巖土會伴隨水的流動而流動。因此在這種條件下，便會產生沖刷破壞。在破角比較緩的坡面中，降雨所形成的沖刷影響程度比較小，主要以片蝕為主，形成細小的溝壑，隨著水的沖刷，在坡度變大時，因為水沖刷的累積所形成的溝壑會越來越大，在自身重力是能下就自然而然地發生沖刷破壞。表1便是根據先輩們所研究的相關情況而總結出的分類[5]。

3 工程實例

牟定縣安益鉑鈀貧鐵礦礦區長1645m，寬1370m，面積2.31km2，地理坐標為：東經102°19′38″，北緯25°29′11″。礦區植被覆蓋少，多為荒山，低凹處可見雜木林出現。主要賦存于前震旦系會理群河口組中部火山變質巖段上亞旋回（Pt1h43）的中下部。 礦區礦體的直接頂底板圍巖和夾石（或包裹體）主要為石英鈉長巖，次為黑云（二云）石英片巖及少量的石榴黑云（二云）片巖、白云石英片巖，局部地段頂板為輝長巖以及少數煌斑巖。自然坡較高陡，為類土質邊坡，上部土層為坡積亞粘土，土質疏松，其下為粉砂巖殘積粘性土、砂土狀強風化粉砂巖，下伏碎塊狀強風化～弱風化白云質灰巖。

3.1 體積節理估算RQD值

當結構面呈不規則分布時，需要由一維變成三維，則Jv 每米結構面數乘以系數K，K=1.65～3.0，一般K=2.0。因此就將一維或者二維的轉變成三維，因此得到體積節理數Jv。

體積節理計數Jv 與RQD 之間在理論上的關系為：

而且，當Jv<4.5 時，RQD =100；當Jv>35 時，RQD =0。計算結果列于表2。

3.2 巖體力學參數的確定

3.2.1 巖體抗剪強度

莫爾強度曲線可用下式確定[8]：破裂面上的正應力和剪應力為：

將相應的？滓1和？滓3代入上式就能在？子-？滓平面上得到莫爾包絡線上？滓與？子的關系點坐標。即可得出n 個參數點（？子i，？滓i）。然后對這些參數點（？子i，？滓i）數據進行回歸處理確定出巖體抗剪強度參數。在運Hoek-Brown 法原理計算巖體抗剪強度參數時，關鍵是？滓3選擇的范圍，其最好范圍：0<？滓3<0.5？滓c。在本次計算中選取？滓3從0，1，2，3，……逐漸增大到0.25c。

3.2.2 巖體單軸抗壓和抗拉強度

根據莫爾-庫強度曲線所示的幾何關系綜合考慮現場直剪試驗參數和采用Hoek-Brown 對室內力學試驗折減后的參數表最終推薦的計算用巖體力學參數見表3 所示。

3.3 穩定性分析

根據礦山現狀所做的剖面結合所得出的巖體力學參數計算結果，采用Slide和理正兩種極限平衡法[8]進行計算。

3.3.1 現狀條件下：

①自然狀態不考慮地震時，兩種計算方法所得的安全系數均大于1.15，最小值為1.218，邊坡均處于穩定狀態；

②在按8°設防情況下，采用Slide方法計算的I -1、II-3、II-4、II-5、III-2、III-3、III-4和III-5剖面安全系數小于1.10，但采用理正方法計算的安全系數卻均大于1.10，最小值為1.128，綜合分析判斷，認為現狀開采條件下，邊坡的穩定性較好。

3.3.2 終了狀態時：

①自然狀態不考慮地震時，采用Slide方法計算的II-3、II-4、III-3、III-4和III-5剖面安全系數小于1.20，采用理正方法計算的II-3、III-3、III-4和III-5剖面安全系數小于1.20，并且兩種計算方法所得的III-3、III-4和III-5剖面安全系數還小于1.15，最小值為1.109，因此，認為上述剖面安全性不足，邊坡有失穩可能，需密切關注；

②在按8°設防情況下，兩種計算方法的計算結果均出現了大量剖面安全系數小于1.15甚至小于1.10的現象。因此，綜合判斷后認為終了狀態在考慮地震影響時，該露天礦邊坡存在失穩的可能性較大。

4 結論

本文采用Hoek-Brown準則對牟定縣安益鉑鈀貧鐵礦的典型的類土質邊坡巖體參數進行了求解，并結合現場直剪試驗結果，給出了邊坡兩種巖體的力學參數值。采用兩種極限平衡方法對現狀邊坡以及終了邊坡進行了穩定性分析計算，在考慮地震作用時，東南幫邊坡安全系數偏低，存在失穩可能性較大。

綜合分析邊坡穩定性計算結果，邊坡東幫和南幫安全隱患較大，在實際生產過程中，應密切觀察該區域邊坡的變形等情況。邊坡監測是防止邊坡事故的重要手段，要時刻關注邊坡監測數據的變化規律，尤其是在爆破前后、降雨期間等特殊時間節點，做好數據的分析與邊坡的實際觀測，防止事故發生對人員傷亡的影響，做到安全生產。

參考文獻：

[1]潘健，朱姣利，陳紅兵.基于環保理念的粘質土坡治理方法[J].科學技術與工程，2007，7（23）：6248-6251.

[2]楊明.路塹類土質邊坡錨固技術研究[D].成都：西南交通大學，2002.

[3]靳莎莎.類土質邊坡z_soil失穩判據及加固穩定性分析[D].天津：河北工業大學，2012.

[4]潘健，蔡紅超.類土質邊坡的穩定性分析[J].汕頭大學學報，2009，24（3）：73-79.

[5]李滿意，周洪燕，魏燕珍，史玲.類土質邊坡失穩機理分析與穩定性研究[J].長江科學院院報，2016，33（5）：111-115.

[6]吳能森.花崗巖殘積土開挖邊坡的工程特性[J].山地學報，2006，24（4）：431-436.

[7]潘健，朱姣利，陳紅兵.基于環保理念的粘質土坡治理方法[J].科學技術與工程，2007，7（23）：6248-6251.

[8]潘健，朱姣利，陳紅兵.廣東省韶關某粘質土坡滑坡治理方法[J].巖石力學，2007，28（增）：591-594.