非線性強度指標下排土場穩定分析研究

滿海忠 任建民 崔 旋 張 宇

(1.蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070； 2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160)

1 概述

礦產資源的開發為國家經濟發展、人民生活水平的提高做出了重要貢獻，同時也會產生不可避免的排棄物——排土料。作為露天礦山最主要的剝離物堆置地——排土場，是一種特殊的人工建造形成的高、大散體介質堆積體，用于集中堆存礦山采礦排棄物。為實現資源開發與環境效益雙豐收，建設超高臺階排土場已成為土場建設的主要方向[1]。

目前，排土場穩定性分析在工程中廣泛采用線性強度指標或分層對其進行穩定性分析[2-7]。在大型超高排土場中由于散體巖石分布具有明顯的粒徑分級[8]。顆粒的不均勻性導致堆棄物料力學性能呈現分層性，對高排土場穩定分析影響較大。在大型邊坡中，由于散體巖石的粒徑分級導致底部堆積料的力學性能參數會弱化，并非遵循線性原則[8-11]。在排土場堆排過程中，底部堆石料受到圍壓作用使得顆粒相互滑移、充填、粗大顆粒棱角破碎和重排，即顆粒破碎效應。顆粒破碎效應引起粒間應力重新分布，粒間粘結力變弱，導致堆石料力學特性呈現分層性，且表現出明顯非線性性質。

本文結合某鐵礦排土場開展排土場邊坡安全穩定性的模擬分析。從抗剪強度模型、非線性參數選取以及采用非線性強度參數對邊坡進行穩定性分析等進行了探討，以期對排土場邊坡穩定性分析提出合理建議。

2 堆石料的抗剪強度

2.1 堆石料抗剪強度指標的非線性

Duncan[12,15]在1984年提出的雙曲線應力—應變模式時，對無黏聚性土彎曲的強度包線提出了以下對數關系式：

φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)

(1)

其中，φ為土體滑動面的摩擦角；φ0為圍壓為一個大氣壓力下的摩擦角；Δφ為摩擦角增量；σ3為小主應力；pa為大氣壓力。

由于鄧肯的雙曲線應力應變本構關系在我國得到了廣泛使用，因此，新的DL/T 5395—2007碾壓式土石壩設計規范中規定粗粒料抗剪強度參數應采用對數形式的非線性抗剪強度指標，其計算公式如式(1)所示。

2.2 非線性強度參數的確定

為了研究排土棄料的抗剪強度參數，采用室內三軸試驗方法進行實驗，研究排土棄料應力應變關系及強度特性。試驗為飽和固結排水剪(CD)。

破壞點的確定:當應力—應變關系曲線有峰值時，取峰值點為破壞點。當應力—應變關系曲線無峰值時，則取應變15%所對應的點為破壞點[13]。

試樣在不同圍壓下的(σ1-σ3)—ε1和εv—ε1關系曲線如圖1,圖2所示。

當軸向位移達到15%時取值計算的抗剪強度指標見表1。

表1 強度指標

在飽和固結排水剪(CD)條件下，砂卵料的摩擦角為33.4°，粘聚力(咬合力)為0.078 MPa。根據實驗結果整理的E-B鄧肯-張模型參數：砂卵料的K為500，Kb為180。

3 非線性強度指標下的邊坡穩定分析方法

采用剛體極限平衡法計算邊坡穩定，考慮式(1)所代表的非線性強度參數時，主要問題是確定小主應力σ3的大小。首先考慮到的是如何得到土條底部法向應力σn與土體第三主應力σ3之間的轉換關系式。

剛體極限平衡分析中土條底面法向應力σn=Ni/li，其中,Ni為土條i底部法向力;li為土條i底部滑動面的長度。同時，根據摩爾—庫侖破壞準則，如圖3所示，可得到：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，φe為各土條發生極限平衡狀態時的內摩擦角，可以通過安全系數來確定，如式(6)所示：

tanφe=tanφ/FS

(6)

其中，φ為采用非線性參數得到的內摩擦角；FS為安全數。

從式(5)和式(6)可以看出，內摩擦角φ和安全系數FS存在迭代關系，所以在計算中需要不斷迭代計算，才可使得上述各式得到滿足。將邊坡土體計算土條劃分越細時，得到的抗剪強度指標越接近邊坡的真實特性。對于抗剪強度參數中的另一重要參數粘聚力c，考慮到其本身對散體邊坡穩定性的影響較小，因此忽略粘聚力帶來的非線性影響。

4 排土場邊坡穩定性分析

4.1 模型建立及邊界條件

排土場完成設計標高堆排時，總堆置高度為265 m，為探明堆置過程中顆粒破碎效應引起的排土料強度改變對排土場邊坡穩定性的影響，本文選取典型排土場設計剖面，采用考慮排土料顆粒破碎效應的非線性強度指標，對自然工況下設計標高排土場的穩定性進行了論證，并對降雨工況和地震工況下的排土場穩定性進行了校核。

滲流計算邊界約束條件：垂直邊界面為固定水頭邊界，底面為不透水邊界；上表面穩定計算中為自由面，降雨計算中為入滲流量邊界，降雨流量為4.3×10-6m/s。

應力計算約束條件：截面底部為X，Y雙向固定約束邊界，兩側垂直邊界為X向固定約束邊界。計算模型及單元劃分見圖4，排土料及地基土層滲透系數見表2。

表2 排土料及地基土層滲透系數

4.2 應力變形分析

剖面豎向應力和大、小主應力云圖分別見圖5，圖6。沿豎直方向從上至下，排土場內大主應力隨著深度的增加逐漸增大，最大值約為4 000 kPa，小主應力呈現出類似的趨勢，排土場底部小主應力最大值約為1 200 kPa。需要注意的是，隨著排土場內部壓應力的增加，排土碎石料的內摩擦角存在一定程度的減小，表現為碎石料抗剪強度在一定范圍內的弱化。且圍壓(小主應力)越大，這種碎石料抗剪強度弱化的效果越大，因此對于高壓條件下的排土場進行穩定性分析，應充分考慮高圍壓作用對碎石料抗剪強度的弱化，以免高估排土場的邊坡抗滑穩定性。

4.3 穩定性分析

采用堆石料的非線性強度指標反映碎石料內摩擦角隨著圍壓的變化程度，評價了自然工況下排土場典型設計剖面的邊坡整體抗滑穩定性，并對降雨工況和地震工況進行了校核，以期充分考慮高圍壓作用對碎石料抗剪強度的弱化，準確評估高應力條件下排土場的邊坡抗滑穩定性。

圖7為計算剖面內摩擦角φ′的分布情況。計算剖面基于瑞典圓弧法(Ordinary)及簡化Bishop法的邊坡穩定安全系數見表3；基于簡化Bishop法的最危險滑動面見圖8～圖10。

表3 偏崖子區域E—E剖面邊坡穩定安全系數

可以看出，越遠離邊坡，φ′值越小。設計排土至最終斷面時，自然工況、降雨工況、地震工況下最小安全系數分別為1.412，1.306，1.187，滿足《有色金屬礦山排土場設計規范》要求。

計算剖面最危險滑動面形式在不同計算工況下差別不大，滑入點位于坡頂內側35 m左右，滑動面以穿過排土體為主，從坡腳滑出。相對于自然工況，降雨工況下排土場安全系數略有降低，滑塊體積略有增加。這是因為降雨影響岸坡附近排土場的孔隙水壓力分布，孔壓的增加導致該區域排土料有效應力的降低，降低了該區域土體的抗滑能力。地震工況下，兩個剖面的安全系數均為三個工況里面最低。這是因為當水平向慣性力方向指向坡外和豎直向地震慣性力方向數值向上的時候，均會降低土體的抗滑力，降低排土場的安全系數。

5 結語

1)通過大型三軸試驗研究了高應力對排土棄料強度特性的影響，提出了一種強度準則來反映排土棄料的強度變化特性，并根據該強度模型對排土場邊坡進行了穩定性分析。

2)通過軟件模擬實現排土棄料內摩擦角的折減，進行邊坡穩定性分析，分析結果表明，采用本文提到的強度準則計算的邊坡安全系數均滿足要求。

3)建議對于大型超高排土場采用文中提到的強度準則做穩定性分析，以期達到消除安全隱患的目標。