準東露天煤礦煤層底板軟弱夾層抗剪強度參數分析

殷秀文，劉尚各，梁全青

（1.山東和安地礦勘測有限公司，山東 濰坊2 640412；2.中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056；3.重慶菲莫科技有限公司，重慶 400039）

合理確定邊坡巖土體的物理力學參數，特別是抗剪強度參數，是露天礦邊坡穩定性分析與評價的一項重要基礎工作，直接關系到評價結果的合理性與準確性[1]。由于巖土體是天然地質體，其組成成分、結構、構造復雜多變，使巖土體的力學性質具有顯著的非均勻性和非連續性特征，巖體的強度和變形在某些最不利的方位上完全受結構面特性控制[2]，同時巖土體還受到地下水及降雨入滲等因素的弱化侵蝕作用，導致巖土體在不同賦存環境下的力學性質也表現出很大差異。如何相對合理地確定邊坡巖土體及其在水作用下的綜合物理力學特性指標，對于計算和評價邊坡在天然及降雨等工況下的變形及穩定性都十分重要。

準東露天煤礦位于新疆吉木薩爾縣，處于區域性褶曲構造-帳篷溝背斜的西翼。礦區采掘場揭露地層主要為泥巖、炭質泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖、粗砂巖、煤層等[3]。采掘場巖層為緩傾斜的單斜構造，傾向270°～295°，傾角4°～31°，沿走向和傾向產狀變化不大[4]。采掘場南北長約2 300 m，東西寬約1 600 m，深度約300 m，其中東幫邊坡穩定性相對較差，主要原因是東幫邊坡為順層邊坡，而且煤層底板存在軟弱夾層，在降雨條件下，軟弱夾層力學性質進一步弱化，對邊坡的整體穩定性產生重要影響，易通過煤層底板軟弱夾層產生滑移[5-6]。

為了對東幫邊坡整體穩定性進行準確評價，進而為邊坡的處治提供依據，有必要對煤層底板軟弱夾層的物理力學參數進行研究，獲得合理的抗剪強度參數。因此，對準東煤礦東幫煤層底板軟弱夾層進行了現場取樣，通過試樣重塑，分別開展天然和飽和條件下的直接剪切與三軸剪切試驗，通過對比分析與參數反演，提出軟弱夾層抗剪強度參數的優化建議值。

1 試驗方案

1.1 直接剪切試驗

采用“DJY”型應變式四聯直剪儀進行軟弱夾層試樣的直接剪切試驗。該儀器可進行快剪（Q）、慢剪（CQ）、反復剪（S）。每組試驗選用4 個試樣，分別施加不同的垂直壓力，然后在上、下剪切盒之間施加水平剪切力進行剪切，測出試樣破壞時的剪應力。本次試驗采用的垂直荷載分別為100、200、300、400 kPa。

由于從現場采集的煤層底板軟弱夾層樣品為擾動土，在實驗室通過預定的干密度和含水量分別制備天然試樣和飽和試樣，其中天然試樣的含水率為18.0%，密度為1.89 g/cm3；飽和試樣的含水率為26.5%，密度為2.02 g/cm3。試樣直徑為61.8 mm，高度為20 mm。對制備好的土樣分別進行編號，準東煤礦軟弱夾層試樣制備方案見表1。

依據GB/T 50123—2019 土工試驗方法，根據庫侖定律確定試樣的抗剪強度指標內摩擦角與黏聚力。通過如下方式對試驗數據進行處理。

按式（1）計算剪應力值：

表1 準東煤礦軟弱夾層試樣制備方案

式中：τ 為試樣所受剪應力，kPa；C 為測力計率定系數；R 為測力計測量值，mm；A0為試樣初始面積，cm2。

根據單個試樣的數據繪制剪應力-剪切位移關系曲線，其中橫坐標為剪切位移，縱坐標為對應的剪應力。取曲線上剪應力對應的峰值點或穩定點或剪切位移4 mm 所對應的剪應力值作為該試樣的抗剪強度。

根據同組試樣抗剪強度值繪制抗剪強度-垂直壓力關系圖，其中橫坐標為垂直壓力，縱坐標為對應的抗剪強度，并對其進行了線性擬合。取直線在縱坐標上的截距為黏聚力，取直線的傾角為內摩擦角。

1.2 三軸剪切試驗

采用“SJ-1A.G”型三軸剪力儀進行軟弱夾層的三軸剪切試驗，該儀器可進行不同排水條件、不同圍壓條件下的三軸剪切試驗。每組試驗選用4 個圓柱形試樣，分別在不同的周圍壓力下測得土的抗剪強度，獲得試樣的應力-應變的關系和抗剪強度參數。本次試驗采用固結排水剪，采用的圍壓水平分別為100、200、400、600 kPa，剪切速率采用每分鐘應變0.003%。

依據GB/T5 0123—2019 土工試驗方法，采用如下方式處理試驗數據。

按式（2）、式（3）計算試樣固結后的面積：

式中：A0為試樣初始面積，cm2；Aa為試樣剪切時的面積，cm2；V0為試樣體積，cm3；△V 為固結排水量，cm3；△Vi為剪切時的試樣體積變化，cm3；hc為固結下沉量，cm；△hi為試樣剪切時高度變化，cm。

按式（4）計算主應力差：

式中：σ1為大主應力，kPa；σ3為小主應力，kPa；C 為測力計率定系數；R 為測力計讀數，mm。

根據單個試樣數據繪制主應力差-軸向應變關系曲線，其中橫坐標為軸向應變，縱坐標為主應力差。取曲線上主應力差峰值或15%軸向應變對應主應力差值作為破壞點。

以剪應力為縱坐標，法向應力為橫坐標，在橫坐標軸以破壞時的為圓心，以為半徑，在τ-σ 應力平面上繪制破壞應力圓，并繪制不同圍壓下的破壞應力圓包線，根據包線的傾角和在縱軸上的截距求取其抗剪強度參數黏聚力與內摩擦角。

2 試驗結果與分析

2.1 直接剪切試驗結果與分析

通過直接剪切試驗，得到準東煤礦煤層底板軟弱夾層2 組試樣在天然與飽和條件下的峰值強度，直接剪切試驗峰值強度統計見表2。

表2 直接剪切試驗峰值強度統計

由表2 可以看出：對于同一組試樣，隨著法向壓力的增加，其剪切強度也隨之增大。對于第1 組試樣，法向應力分別為100、200、300、400 kPa 時，天然試樣對應的剪切強度分別為68.1、96.5、145.1、185.6 kPa，飽和試樣對應的剪切強度分別是54.4、85.5、124.0、163.8 kPa。相比天然試樣，分別降低了21.8、21.1、11.0、13.7 kPa。同樣，第2 組試樣分別降低了25.1、18.9、16.1、15.7 kPa。可見，相同法相壓力條件下，軟弱夾層飽和試樣的直接剪切強度要明顯低于天然試樣。

基于庫倫理論，根據表2 中統計的數據繪制最大剪切應力與法向應力關系圖，并采用最小二乘法回歸分析得出擬合直線及其方程表達式。第1 組試樣法向應力-剪切應力關系曲線如圖1，第2 組試樣法向應力-剪切應力關系曲線如圖2。

圖1 第1 組試樣法向應力-剪切應力關系曲線

圖2 第2 組試樣法向應力-剪切應力關系曲線

由圖1、圖2 可以看出:無論是天然試樣還是飽和試樣，其剪切強度都是隨著法向應力的增加呈線性增長趨勢，并且天然試樣的斜率大于飽和試樣。

根據擬合直線的傾角與截距得出煤層底板軟弱夾層試樣在干燥及飽和狀態下的抗剪強度參數黏聚力和內摩擦角，直接剪切試驗抗剪強度參數對比見表3，直接剪切試驗抗剪強度參數平均值見表4。

表3 直接剪切試驗抗剪強度參數對比

表4 直接剪切試驗抗剪強度參數平均值

由表3、表4 可以看出：第1 組干燥試樣的黏聚力為23.6 kPa，內摩擦角為21.9°，飽和試樣的黏聚力為15.3 kPa，內摩擦角為20.1°，分別降低了35.2%和8.2%；第2 組干燥試樣的黏聚力為25.7 kPa，內摩擦角為22.4°，飽和試樣的黏聚力為17.0 kPa，內摩擦角為20.6°，分別降低了33.9%和8.0%。干燥式樣黏聚力、內摩擦角平均值分別為24.7 kPa、22.2°，飽和試樣平均值分別為16.2 kPa、20.4°，分別降低了34.5%與8.1%。可以看出，直接剪切條件下，飽和試樣的黏聚力和內摩擦角明顯小于天然試樣。

2.2 三軸剪切試驗結果與分析

通過三軸剪切試驗，對準東煤礦煤層底板軟弱夾層試樣天然與飽和試樣偏應力峰值強度的結果進行統計，三軸剪切試驗偏應力峰值強度統計見表5。

表5 三軸剪切試驗偏應力峰值強度統計

由表5 可知：對于第1 組試樣，圍壓分別為100、200、400、600 kPa 時，天然試樣發生剪切破壞的偏應力峰值強度分別是233、362、611、908 kPa，飽和試樣則分別為216、259、522、757 kPa，分別降低了17、103、89、151 kPa。第2 組試樣與第一組具有相似的規律。可以看出，隨著圍壓的增加，試樣發生剪切破壞時的偏應力峰值強度逐漸增大；相同圍壓條件下，飽和試樣的破壞荷載明顯低于天然試樣。

基于表5 中統計的試驗數據，繪制不同圍壓下的剪切破壞應力圓包線，通過包絡線的傾角及其在縱軸上的截距分別求取試樣的抗剪強度參數內摩擦角與黏聚力，三軸剪切試驗抗剪強度參數對比見表6，三軸剪切試驗抗剪強度參數平均值見表7。

表6 三軸剪切試驗抗剪強度參數對比

表7 三軸剪切試驗抗剪強度參數平均值

由表6 和表7 可知：第1 組天然試樣的黏聚力與內摩擦角分別為30.1 kPa、23.7°，飽和試樣分別為24.0 kPa、21.2°，分別降低了20.3%、10.5%。第2 組天然試樣的黏聚力與內摩擦角分別為28.3 kPa、24.4°，飽和試樣分別為20.8 kPa、21.3°，分別降低了26.5%、12.7%。可以看出，三軸剪切條件下，飽和試樣的黏聚力和內摩擦角明顯小于天然試樣。可以推測，煤層底板軟弱夾層的抗剪強度參數隨著含水量的增加呈降低的趨勢。

3 軟弱夾層抗剪強度參數反演分析

根據軟弱夾層室內試驗數據并且參考其它類似邊坡工程經驗，對軟弱夾層抗剪強度參數進行反演分析[7]。

參數反演根據GB/T 32864—2016 滑坡防治工程勘察規范中相關方法進行計算。根據表4，給定黏聚力或內摩擦角，反求另一值。黏聚力c 與內摩擦角φ 的反演計算公式分別見式（5）、式（6）：

式中：Fs為滑坡穩定系數；L 為滑帶長度，m；c為滑帶土黏聚力，kPa；φ 為滑帶土內摩擦角，（°）；αi為第i 條塊滑動面傾角，（°）；Wi為第i 條塊的單位重力，kN/m。

根據準東煤礦東幫邊坡典型斷面的剖面圖，以及邊坡整體變形穩定情況，Fs取1.05。通過計算，得到的軟弱夾層抗剪強度參數反演值見表8。

表8 軟弱夾層抗剪強度參數反演值

對比軟弱夾層的參數反演計算結果與室內試驗數據可知，反演結果與試驗結果較為接近。對于存在明顯潛在滑動面的邊坡，其滑帶土抗剪強度參數的取值即要依據試驗成果，也需要依據邊坡的變形與穩定情況[8]。考慮到準東煤礦東幫邊坡沿軟弱夾層具有明顯錯動變形，但整體處于穩定狀態。邊坡穩定性可基于直接剪切試驗的抗剪強度參數反演值進行計算分析。即天然條件下黏聚力與內摩擦角取值分別為27.4 kPa、23.3°，降雨條件下取值分別為18.3 kPa、21.1°。但是邊坡實際工程地質情況具有很強的非均質性與不確定性，邊坡穩定性會受到多種因素的影響。上述軟弱夾層的抗剪強度參數取值僅是為了符合邊坡當前狀況情況下進行穩定評價的期望值，而并非真實值，實際應用中可根據邊坡不同穩定狀態進行參數反演進行取值[9]。

4 結論

1）直接剪切與三軸剪切條件下，飽和試樣的黏聚力和內摩擦角明顯小于天然試樣。可以推測，煤層底板軟弱夾層的抗剪強度參數隨著含水量的增加呈降低的趨勢。

2）直接剪切條件下，干燥試樣的黏聚力與內摩擦角分別為24.7 kPa、22.2°，飽和試樣分別為16.2 kPa、20.4°，分別降低了34.5%與8.1%。

3）三軸剪切條件下，黏聚力與內摩擦角分別為29.2 kPa、24.1°，飽和試樣分別為20.8 kPa、21.3°，分別降低了23.3%與11.6%。

4）基于試驗數據與準東煤礦北幫邊坡當前穩定狀況，通過參數反演分析，天然條件下黏聚力與內摩擦角取值分別為27.4 kPa、23.3°，降雨條件下取值分別為18.3 kPa、21.1°。