某磷礦邊坡軟弱夾層抗剪強度指標的確定

路洪斌 劉加冬

【摘 要】 軟弱夾層的力學強度指標對邊坡穩定性至關重要。本文選取已滑動邊坡的2個典型剖面，采用試驗和反算法綜合確定合理的軟弱夾層抗剪強度指標，為邊坡穩定性分析提供恰當的計算參數。研究表明：反算法確定的邊坡軟弱夾層黏聚力c為28.8kPa，內摩擦角φ為16.6°，其值比試驗確定的指標更符合實際情況，可見，只要弄清楚具體的滑面位置、滑動時的工況，明確安全系數，采用反算法確定的滑體抗剪強度指標是比較準確的。

【關鍵詞】 邊坡;抗剪強度指標;穩定性分析;軟弱夾層;安全系數

【中圖分類號】 TD73 【文獻標識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2020）02-0094-03

滑坡給交通、水利、建筑、礦山等行業帶來了巨大的損失。及時進行邊坡穩定分析是滑坡防治和安全生產的重要性工作，而分析結果是否合理不僅取決于科學的邊坡穩定性分析方法，而且還取決于恰當的計算參數。巖土體的參數研究仍然是國際上的前沿課題，巫德斌、周火明等對巖石力學參數取值問題進行了研究。抗剪強度指標就是巖土體的重要參數之一，它關系著工程的穩定，可見，確定恰當的抗剪強度指標對于分析邊坡穩定性是十分必要。

目前，確定巖土體的抗剪強度方法有很多，主要有試驗、極限平衡狀態下的反算法和工程類比經驗法等，每種方法都有各自的優缺點。本文對一露天磷礦進行了詳細的地質勘察，采用極限平衡法中的Morgenstern-Price法和試驗綜合確定該磷礦邊坡軟弱夾層的抗剪強度參數，為科學地評價該磷礦邊坡的穩定性奠定基礎。

1工程概況

某露天磷礦地質構造以南北（早期）構造為主，北西—南西—南東（晚期）構造次之，還存在著多種形態和不同方向的構造形跡，它們互相干擾，互相交叉。礦區資源豐富，共五個采區，其中東采區在開采過程中形成了一個長約1900m、高約200m的下盤順層邊坡，坡體主要地層為∈1m2磷塊巖地層，局部出露∈1m1及Zbdn上段白云巖夾砂頁巖地層，邊坡頂部坡度較陡，可達35°～40°，基巖出露，往下采用放坡的方式分級分臺，坡度一般22°～30°，局部可達36°，坡體表面多堆積采剝分離后的黏性土、碎石土，部分地段出露基巖，地形變化大，發育有大小不一的滑坡多處。

2軟弱夾層抗剪強度指標的試驗

巖土體的抗剪強度是指巖體和土體在受到荷載作用時抵抗剪切破壞的極限能力。當巖土體受到荷載作用后，將產生剪應力。當某點的剪應力達到其抗剪強度，在剪切面兩側的巖土體將產生相對位移而產生破壞。因此，確定巖土體的抗剪強度對于分析邊坡穩定性是十分重要的。

為了節約研究成本和縮短研究周期，對軟弱夾層原位直接剪切試驗改為現場取樣，室內試驗臺試驗。根據試驗的特點與要求，自制現場取樣設施和室內試驗設備。

2.1軟弱夾層取樣

室內試驗設備主要參考直剪試驗原理研制，根據實驗設備對軟弱夾層進行不擾動取樣，取8個試樣（兩組試驗）。取樣盒由上下罩盒、中間可拆卸環和連接螺栓組成。現場制樣，采用外罩盒封罩，中間預留剪切縫（軟弱面正對剪切縫），然后用水泥澆筑，待養護完成用螺栓固定，避免試樣運輸過程中受到擾動。試驗時將可拆卸環拆除，保留外罩，防止破壞試體。

2.2試驗及結果

室內試驗設備主要參考直剪試驗原理研制。先將試樣放置在水箱中，全部淹沒在水中靜置72h以上，將其飽和，然后測其飽和密度。把試樣安放在試驗臺座上，并安裝加載設備與監測儀器。然后進行直剪試驗，以剪切位移為橫坐標，剪應力為縱坐標，用兩個坐標分別繪制每一組4個試樣剪切試驗的剪應力與剪切位移關系曲線，而后從曲線上選取剪應力的峰值和殘余值。利用每一試樣的法向應力及其對應剪應力的峰值、殘余值，繪制法向應力與抗剪斷峰值及殘余值的關系曲線，按庫侖表達式確定相應的抗剪強度指標。第一組試樣獲得的黏聚力c=31.20kPa，內摩擦角φ=16.72°，第二組試樣獲得的黏聚力c=33.00kPa，內摩擦角φ=16.66°。

3極限平衡狀態下的反算法

由于該礦山已經出現滑坡，根據滑坡調查情況可知，滑坡主要出現在軟弱層。因此，應采用極限平衡狀態下的反算法對軟弱夾層的抗剪強度進行反算。

根據規范以及采場邊坡破壞特征，采用極限平衡法中的Morgenstern-Price法對該礦山邊坡進行反分析。Morgenstern-Price法是對任意曲線形狀的滑裂面進行分析，建立滿足力的平衡及力矩平衡條件的微分方程式，假定兩相鄰條塊法向條間力和切向條間力之間存在對水平方向坐標的函數關系，根據整個滑動邊坡體塊的邊界條件來解答。

3.1反分析剖面及其破壞模式

根據滑坡調查情況，選擇位于H4滑坡的典型剖面B-B和位于H5滑坡的典型剖面D-D。H4滑坡前緣位于坑底，前緣長約450m，高程約2220m，后緣接近山頂，后緣長約200m，高程約2425.12m，前后緣垂直高差約205m。受降雨軟化影響，使得上部巖土體沿其下軟弱面產生順坡滑動，為中～深層大型牽引式滑坡。H5滑坡前緣位于邊坡底部附近一分級開挖形成的平臺上，前緣寬約400m，高程約2270m，滑坡后緣可達修理廠附近山頂，高程約2428m，后緣寬約200m，滑坡前后緣垂直高差約158m。受降雨軟化影響，使得坡體后部巖土體主動順坡推移，沿其下軟弱面產生滑動。

3.2水文地質條件分析

勘察鉆孔均未揭露穩定地下水位，多為降雨后的暫時地下水位，并于降雨停止后迅速消退，其中BK7鉆孔受連續降雨影響，有地下水順鉆孔溢出。因此滑坡反分析按坡體內全部飽和的情況考慮。

3.3邊坡其他巖土體物理力學指標

要對軟弱夾層的抗剪強度進行反分析，首先要獲得邊坡其他巖土體的物理力學指標。本次邊坡穩定性反分析中所選用的巖土體物理力學指標見表1。

3.4臨界安全系數的取值

在邊坡極限平衡分析中，安全系數F=1時，邊坡處于極限平衡狀態。邊坡已經滑動，其安全系數取值應考慮0.95

3.5穩定性計算結果與分析

滑床主要位于∈1m2含磷凝灰質黏土巖中，因此反分析的抗剪強度指標也即∈1m2含磷凝灰質粘土巖的指標。根據B-B剖面和D-D剖面選擇比滑動區域大5倍的范圍還原斷面，并繪制出滑動面，根據斷面情況建立模型，如圖1、圖2所示。

模型設置邊界條件后，按地質情況將已確定的巖層物理力學參數輸入后，假定軟弱夾層的黏聚力c分別為20kPa、25kPa、30kPa、35kPa、40kPa，輸入一定的φ值進行試算，計算相應的安全系數，將安全系數接近0.95的φ值記錄下來，見表2。

根據以上結果，分別繪制B-B剖面和D-D剖面的兩條c-φ關系線，兩直線交點即為∈1m2含磷凝灰質黏土巖的抗剪強度指標，滑坡反分析c-φ關系線結果圖見圖3，從圖中可知黏聚力c為28.8kPa，內摩擦角φ為16.6°。

4邊坡巖層軟弱夾層強度對比分析

通過對邊坡軟弱夾層∈1m2含磷凝灰質黏土巖進行試驗和穩定性計算反分析，得出三組抗剪強度指標，可以看出上述抗剪強度大小接近，并將上述指標用于B-B、D-D兩剖面的穩定性分析，得出其穩定性計算結果如表3。

從表3中可知，采用反分析所得抗剪強度計算的安全系數小于采用試驗所得抗剪強度計算的安全系數，從實際情況來看，滑坡已經發生，其計算的安全系數應小于1，因此采用反分析所得的抗剪強度指標更符合實際。

5結束語

通過對某露天磷礦地質構造的勘查、水文地質條件分析、土體抗剪強度指標的反算和試驗，得到以下幾點認識：

（1）進行抗剪強度反分析，必須知道坡體的穩定系數值，滑面的確切位置，滑動前的降雨情況、水位升降、斜坡棄土等外力因素，選取適當的分析方法，才能通過反分析確定恰當的抗剪強度指標。

（2）采用反分析確定的巖土體抗剪強度指標應與試驗確定的巖土體抗剪強度指標進行對比，力求反分析計算結果合理，避免反分析因計算的條件不夠清晰和準確而影響反分析計算結果的可信度。

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