基于相似材料試驗的節理邊坡穩定性分析

李長城

(中鐵十九局集團礦業投資有限公司，北京 100161)

0 引 言

邊坡工程的穩定性是露天礦安全生產的前提和重要保障，國內外有許多因露天礦邊坡失穩導致生產事故的案例，如我國山西省平朔東露天礦發生了大規模滑坡，嚴重影響礦山生產；美國鹽湖城賓漢峽谷銅礦發生滑坡，導致該銅礦生產規模減半。因此，邊坡穩定性分析已成為近些年巖土工程研究的熱點，通過諸多學者多年的研究，邊坡穩定性分析取得了大量研究成果。蘇杭等[1]使用相似材料試驗研究了多級邊坡施工效應，提出了影響重疊效應，并驗證了錨索預應力能夠有效地控制開挖卸荷作用對邊坡變形的影響；陳從新等[2]使用相似材料試驗，研究了不同巖體傾角對邊坡穩定性的影響，得出了順層邊坡的主要破壞方式為滑動破壞；李聰等[3]對順層節理邊坡開挖進行的相似模型試驗，研究了順層邊坡的錨固規律；楊樂等[4]對邊坡相似材料的強度及彈性恢復特性進行了研究，得出了巖質邊坡、碎屑堆積邊坡及松散碎石土邊坡相似材料強度的數值；詹志發等[5]對邊坡相似材料配比及物理特性進行了研究，總結了國內外大量的相似材料配比方法，設計了多因素正交試驗，分析了物理量與材料配比的敏感性，對邊坡相似材料試驗具有一定的指導意義；王樂華等[6]利用相似材料試驗對卸荷的尺寸效應進行了研究，得出了巖體力學參數隨巖體尺寸的變化關系；王瑞紅等[7]通過室內試驗研究了節理巖體變形的卸荷損傷作用，分析了不同卸荷水平狀態對不同傾角節理的影響；王文明等[8]使用ABAQUS軟件研究了有節理的巖質邊坡在開挖卸荷條件下的穩定性；趙川等[9]利用數值分析軟件對巖質邊坡開挖卸荷深度進行了研究；劉磊等[10]在FLAC3D軟件中開發了裂隙巖體卸荷損傷模型，并證明了考慮卸荷損傷更能反映坡體內部的真實情況；黃宜勝等[11]對巖質邊坡的開挖卸荷進行了雙曲線型非線性本構模型的研究，與試驗擬合程度效果較好，并在三峽工程中成功應用。

袁家村露天礦節理裂隙高度發育，隨著開采深度的逐步增加，節理滑移問題日益突出，邊坡穩定性已經成為袁家村鐵礦重點關注的問題。因此，深入研究由節理誘發的邊坡破壞模式與機理，對礦山安全開采具有重要意義。

1 工程地質特征

袁家村礦區位于山西省嵐縣梁家莊鄉袁家村，礦區南北長4.2 km，東西寬1.5～2.6 km。礦區共有礦體21個，其中10號礦體規模最大，為開采主礦體，其形態為巨大扁豆體。礦體全長2 600 m，平均厚度154.6 m，平均延深612.1 m，走向NNE，傾向SEE，傾角70°～80°。根據袁家村鐵礦的賦存環境條件，該鐵礦屬于大型露天鐵礦，埋藏深度深，后續開采將由山坡露天開采轉為深凹開采。開采深度達到地表以下300～400 m，邊坡垂直高度將達到600～700 m。袁家村鐵礦西幫發育一組傾角為63°的節理，該節理面與臺階坡面近似平行，目前在開采過程中西幫區域已經出現大范圍的順傾向節理滑移現象，邊坡穩定性較差。為了掌握開采過程中節理邊坡的穩定性，本文開展了大型相似材料的物理模擬試驗研究。

2 物理模型試驗

2.1 相似材料試驗介紹

利用與袁家村鐵礦原型力學性質相似的材料，按一定比例縮制成模型，把實際工程縮小到一個模型試驗中，然后進行試驗測試，觀測模型的應力、應變、位移和破壞等情況，以試驗情況來分析推測實際情況，通過模型試驗對實際工程生產進行指導。

相似三定律是指：1) 相似現象指具有相同的方程式與相同的相似判據的現象群，包括兩個條件：①相似現象對應物理量之比是相似常數(幾何相似常數、運動相似常數、動力相似常數)，②如果兩個現象屬于相似現象，那么這兩個現象都必須可以通過同一個基本方程式來描述；2) 相似材料模型試驗要求所有無量綱的物理量(如內摩擦角、泊松比、應變、摩擦系數等)的相似常數等于1，相同量綱的物理量的相似常數相等；3) 相似現象必須具有相同的單值條件和相同的主導相似判據，其單值條件有：①模型與原型的幾何相似，②研究對象中重要的物理常數成比例，③兩個對象的初始狀態相似，④兩個對象的邊界條件相似。 主導相似判據是指在所研究的對象中起重要作用的幾何性質、物理性質所組成的相似判據。

模型試驗之所以能夠相似替代原型工程，是因為有嚴密的相似理論作為基礎，在試驗前確定出合理的幾何相似比CL，容重相似比Cγ，摩系數相似比Cf，內摩擦角相似比Cφ，泊松比相似比Cξ，應變相似比Cμ，彈性模量相似比CE，應力相似比Cσ，黏聚力相似比Cc。 其中，Cσ=CE=CL×Cγ，Cξ=Cμ=Cφ=Cf=1。

2.2 相似材料試驗

本次試驗以南1.1剖面為原型，模擬底部標高為1 425 m的露天坑到地表共9個臺階，模擬高度280 m，長600 m的現場區域(圖1)，節理傾角平行于臺階坡面角，與水平夾角為63°，試驗采用設備為DGS-4通道微機控制電液伺服相似材料試驗臺，試驗臺長2.4 m，高1.2 m，厚0.3 m，試驗幾何相似比為250。

圖1 試驗原型

試驗選用河沙為粗骨料、重晶石粉為細骨料、石蠟為膠結料，經過多組配比標準試件的測試，最終選取河沙∶重晶石粉∶石蠟=10∶2∶1的配比作為邊坡的相似材料，其應力-應變曲線如圖2所示，在單軸抗壓強度達到峰值0.61 MPa后快速跌落，說明脆性材料的破壞特性與模擬的巖質邊坡巖性相似，進一步證明相似材料能夠模擬出原型巖質邊坡的性質。由于相似材料試驗很難完全與原型匹配，只能盡量與影響試驗結果的主要參數進行匹配，模型與原型的參數關系見表1，無量綱比值為1，容重相似比近似為1，相同量綱相似比為325。由表1可知，主要參數匹配程度較高，只有內聚力誤差超過35%，這可能會導致試驗破壞略低于工程實際破壞情況，但能夠定性反映工程的實際破壞特征。

實際工程現場節理面分層明顯，巖石破碎，節理傾角與臺階坡面角平行，在模型堆建時需要構建出平行于臺階坡面的節理，如圖3(a)所示；現場勘察節理層較破碎，模型中使用加入碎云母片的相似材料堆建節理層，以達到與實際工程現場相似的破碎狀態，如圖3(b)所示；使用鋼片寬度為40 mm的定制不銹鋼架控制節理層間距，制作方式如圖3(c)所示，完成節理層制作后將鋼架斜向上拉出，鋼片拉出后相似材料的不完全接觸同時能制作出垂直于坡面的節理裂隙。

將模型分為9步開挖，每次開挖一個臺階高度，真實模擬開采的時間效應，相鄰臺階開挖時間間隔為3 h。由圖4(a)可知，開挖前在模型上確定出邊坡輪廓線，在輪廓線下方沿邊坡粘貼非編碼點，在試驗臺的上部和左右立柱上粘貼編碼點，以試驗臺上的編碼點為基點，使用TXDP攝影測量系統對邊坡開挖過程進行變形監測記錄， 每開挖一次之后使用相機記錄邊坡處非編碼點位置，分析開挖過程中邊坡的變形情況，所有邊坡開挖結束后的情況如圖4(b)和圖4(c)所示。

圖2 應力-應變曲線

表1 原型與模型相似關系

圖3 模型節理制作過程

圖4 試驗開挖前后

2.3 試驗數據分析

模型的9個臺階分9次開挖，選取第三次、第六次和第九次開挖完成后的邊坡臺階監測結果進行變形分析，監測結果見圖5。

圖5 XTDP攝影測量變形分析

1#臺階～3#臺階邊坡在覆巖開挖后產生卸荷回彈現象，處于淺部地表位置的邊坡沒有上部覆巖壓力，主要是開挖巖體的水平擠壓力，邊坡開挖后出現的是近水平方向的卸荷回彈；4#臺階～6#臺階邊坡上部有1#臺階～3#臺階90 m高的覆巖，當邊坡覆巖揭露至6#臺階，坡面釋放的覆巖壓力與水平擠壓應力持恒，因此，覆巖開挖后邊坡卸荷回彈方向與水平成45°夾角；7#臺階～9#臺階邊坡上部有1#臺階～6#臺階180 m高的覆巖，當邊坡揭露至9#臺階，坡面釋放的覆巖壓力遠大于水平擠壓應力，覆巖開挖后邊坡卸荷回彈角度與逐步趨近豎直方向。各階段邊坡開挖的坡頂坡底位移、最大位移和坡頂坡底卸荷回彈方向見表2，卸荷位移和卸荷角度范圍見圖5。

表2 邊坡變形指標統計表

從圖4(b)可以看出，在3#臺階底部和6#臺階底部出現了圓弧滑移面，是典型的滑移破壞，且3#臺階比6#臺階的滑移裂縫更為明顯；圖4(c)為節理面滑移后節理層間破壞情況，邊坡在節理區域產生淺部的滑移變形破壞，各臺階試驗可視水平破壞的深度見表3。從圖5還可以看出1#臺階～7#臺階淺部區域位移變化的不連續現象，位于邊坡淺部監測點的位移大于深部監測點的位移，由于節理層的滑移，邊坡淺部滑移帶監測點位移不再卸荷回彈，而是表現出與滑移方向一致的斜向下方向位移。

圖6為邊坡最終破壞情況，可以發現上部臺階卸荷破壞情況較為嚴重，節理張開十分明顯，3#臺階和6#臺階出現了圓弧形滑移破壞面，但是隨著深度增加，邊坡節理破壞情況逐漸減弱，用刻度尺對每個臺階破壞的水平深度進行測量。圖7為不同開挖階段邊坡破壞深度圖，根據表3和圖7可以發現，隨著早期開采深度增加，各臺階的破壞深度也隨之增加，當開采至4#臺階后，破壞深度趨于穩定，基本在14～16 cm區間；根據幾何相似比推算，當7#臺階形成后，該節理邊坡的開裂深度大致在37～40 m之間。

表3 各臺階試驗水平破壞深度

圖6 邊坡最終破壞情況

圖7 不同開挖階段邊坡破壞深度

3 結 語

針對袁家村鐵礦西幫邊坡中復雜的節理條件，本文設計了相似材料試驗，并借助XTDP攝影測量系統對開挖邊坡進行位移監測，獲得了順層節理邊坡開挖過程中變形、破壞以及最終滑移的全過程。試驗結果表明順層節理嚴重影響邊坡的穩定性，在邊坡上部臺階形成過程中，坡體表層節理滑移破壞現象較為嚴重，隨著邊坡高度增加，表層節理滑移破壞逐漸減弱，但是節理開裂的深度也逐漸增加，當第7#臺階形成后，節理開裂深度達到了37～40 m。為了保證邊坡的整體穩定性，需要對該邊坡提前進行支護，保證后續開采工作的安全。