某露天礦局部邊坡巖體參數(shù)取值研究*

陳岳會(huì)，劉 銀，楊郜輝，李紹斌，肖 歡，馬沁春

（鶴慶北衙礦業(yè)有限公司，云南 大理 671507）

某露天礦山采場(chǎng)南北長(zhǎng)約1 550 m，東西寬約1 400 m，臺(tái)階標(biāo)高（1 924～1 564）m，垂高360 m，臺(tái)階高10 m，清掃平臺(tái)寬13 m，安全平臺(tái)寬6 m，臺(tái)階坡面角60°，道路采用螺旋式運(yùn)輸，布設(shè)在巖石條件較好，且相對(duì)壓礦較少部位，道路寬12 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑15 m。

由于近年來(lái)礦山資源的探獲，具有改擴(kuò)建的前景，擴(kuò)幫采礦可充分利用礦石資源，增加服務(wù)年限，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。目前礦山邊坡相對(duì)較為穩(wěn)定，由于雨水的沖刷局部出現(xiàn)小面積垮塌，為保證后期擴(kuò)幫采礦的安全及合理的工程設(shè)計(jì)，決定對(duì)現(xiàn)有邊坡的巖體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，以取得巖體的抗壓、抗剪強(qiáng)度參數(shù)值。現(xiàn)巖體力學(xué)參數(shù)選取方法研究較多[1-7]，也取得了一些成果，但邊坡巖體力學(xué)參數(shù)的選取問(wèn)題仍是巖石力學(xué)領(lǐng)域的重要研究?jī)?nèi)容。現(xiàn)代科技的發(fā)展、各種計(jì)算方法和技術(shù)手段的不斷進(jìn)步，已經(jīng)能夠采用數(shù)值分析方法解決復(fù)雜巖質(zhì)邊坡工程穩(wěn)定問(wèn)題。考慮到數(shù)值分析計(jì)算的準(zhǔn)確性和巖體力學(xué)參數(shù)取值選取的可靠性，結(jié)合各方法的應(yīng)用分析確定，試驗(yàn)是確定巖體力學(xué)參數(shù)取值研究最基本的手段和方法，通過(guò)室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)[8-9]和原位巖體力學(xué)試驗(yàn)[15-18]獲取。

1 研究區(qū)域邊坡概況

研究區(qū)域主要為露天采場(chǎng)的西南部邊幫，該區(qū)域邊坡垂高約320 m，巖體走向近南北，總體傾向西，北高南低，向南西側(cè)伏，呈巖株產(chǎn)出，上盤接觸帶產(chǎn)狀較規(guī)整，下盤接觸帶產(chǎn)狀較復(fù)雜，總體傾角43°～85°，巖性主要為褐紅色含砂礫粘土、灰質(zhì)角礫巖及灰?guī)r。其中有三組發(fā)育陡傾節(jié)理，兩組傾向西北；一組傾向北東，且與坡面斜交，貫通長(zhǎng)度幾米到十幾米為主，受F6、F30斷層影響，巖體較為破碎完整性較差，普遍有鈣質(zhì)膠結(jié)，整體破壞是順傾節(jié)理和斜切灰?guī)r為主，淺層潛在破壞以楔形破壞為主，灰?guī)r有少量涌水點(diǎn)。從節(jié)理分布上來(lái)看，主要為一組傾向 80°、傾角80°和一組傾向 280°、傾角 60°的陡傾節(jié)理，與坡面正交為主。

2 邊坡巖體力學(xué)試驗(yàn)

2.1 室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)

為了更好的反應(yīng)巖石條件情況，選取合理巖體力學(xué)參數(shù)，室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)采用單軸壓縮[10-11]和結(jié)構(gòu)面剪切兩種形式進(jìn)行[12-13]。

2.1.1 單軸壓縮試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選取有代表性的巖石，依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GBT 50266-2013）[14]制樣，采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)加載，對(duì)巖石的自然狀態(tài)和飽和狀態(tài)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，如圖1和圖2。

圖1 試驗(yàn)制樣Fig.1 Sample preparation test

圖2 試樣抗壓試驗(yàn)Fig.2 Compression test for samples

通過(guò)試樣加載抗壓試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用單軸抗壓強(qiáng)度公式計(jì)算各試樣的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表1。

表1 各試樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)及單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算表Tab.1 Results statistics of each samples and calculation list for uniaxial compressive strength

式中：R：巖石抗壓強(qiáng)度，MPa；

P：最大破壞荷載，N；

A：垂直于加荷方向的試樣面積，m2。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)巖體巖性分布的不均勻性和復(fù)雜性、以及取樣過(guò)程可能對(duì)巖樣造成的損傷，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，取所有試樣干燥和飽和狀態(tài)下抗壓強(qiáng)度的平均值作為該區(qū)的抗壓強(qiáng)度，見(jiàn)表2。

表2 巖石抗壓強(qiáng)度平均值表Tab.2 The average list for rock compressive strength MPa

2.1.2 巖石結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，選取有代表性的巖石，依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50266-2013）[14]和《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）、《非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB51016-2014）等進(jìn)行制樣，采用法向千斤頂對(duì)制樣后的巖石施壓，做剪切試驗(yàn)，如圖3和圖4。

圖3 試驗(yàn)制樣Fig.3 Sample preparation test

圖4 試樣剪切試驗(yàn)Fig.4 Sample shear test

各法向荷載下，作用于剪切面上的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力分別按如下公式計(jì)算：

式中：б：作用于剪切面上的法向應(yīng)力，MPa；

τ：作用于剪切面上的應(yīng)力，MPa；

P：作用于剪切面上的法向荷載，N；

Q：作用于剪切面上的荷載，N；

A：有效剪切面積，m2。

將試驗(yàn)各階段法向應(yīng)力結(jié)果，按庫(kù)倫表達(dá)式繪制各法向應(yīng)力下的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖5；確定試樣的抗剪強(qiáng)度值，見(jiàn)表3。

圖5 試樣結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度曲線圖Fig.5 Shear strength curve chart of test sample surface

表3 巖石抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表Tab.3 Results of rock shear strength test

2.2 巖體原位力學(xué)試驗(yàn)

為使所選取的巖體力學(xué)參數(shù)更貼切實(shí)際，且更好的服務(wù)礦山，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選取具有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)（7個(gè)），對(duì)飽和狀態(tài)下巖體進(jìn)行原位力學(xué)試驗(yàn)[15-18]，試驗(yàn)形式如圖6。

圖6 原位力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig.6 Design drawing of in-situ mechanical test

通過(guò)原位試驗(yàn)各階段情況，繪制剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的關(guān)系曲線圖，見(jiàn)圖7；變形模量圖，見(jiàn)圖8。

圖7 巖體剪切強(qiáng)度曲線圖Fig.7 Curve chart of rock shear strength

圖8 巖體變形模量圖Fig.8 Modulus chart of rock mass deformation

采用庫(kù)侖定律計(jì)算巖體的抗剪強(qiáng)度，見(jiàn)表4；采用變形模量和彈性模量公式計(jì)算變形模量和彈性模量值，見(jiàn)表5。

表4 巖體抗剪強(qiáng)度結(jié)果表Tab.4 Results of rock mass shear strength

表5 巖體變形模量和彈性模量表Tab.5 Rock mass deformation modulus and elastic modulus list

式中，τf：剪切破壞面上的剪應(yīng)力，kPa；即巖土體的抗剪強(qiáng)度；

σ：破壞面上的法向應(yīng)力，kPa；

c：巖土體的粘聚力，kPa；

φ：巖土體的摩擦角，°；

依據(jù)所測(cè)得的τf可推求出相應(yīng)的C、φ值。

式中：σ：法向應(yīng)力，kPa；

τ：切向應(yīng)力，kPa；

變形模量和彈性模量公式：

式中：E：巖體彈性模量，MPa；當(dāng)以總變形W0代入計(jì)算為變形模量E0；當(dāng)以彈性變形We代入計(jì)算為彈性模量Ee；

μ：泊松比；

D：承壓板直徑或邊長(zhǎng)，m；

p：按承壓板面積計(jì)算的壓力，MPa；

W：巖體變形，cm。

3 巖體力學(xué)參數(shù)綜合取值

3.1 巖體力學(xué)參數(shù)取值方法

根據(jù)前述試驗(yàn)選點(diǎn)基本原則，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)選點(diǎn)后進(jìn)行的巖體試樣觀察，整體均符合選擇相對(duì)較弱且具有代表性巖層的預(yù)定目標(biāo)。

結(jié)合《巖土工程勘察規(guī)范》，巖土參數(shù)應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件選用，并按下列內(nèi)容評(píng)價(jià)可靠性和適用性：①取樣方法和其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；②采用的試驗(yàn)方法和取值標(biāo)準(zhǔn)；③不同測(cè)試方法所得結(jié)果的分析比較；④測(cè)試結(jié)果的離散程度；⑤測(cè)試方法與計(jì)算模型的配套性。

巖土參數(shù)按如下公式計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)：

式中：φm：巖土參數(shù)平均值

σf：巖土參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值

δ：巖土參數(shù)變異系數(shù)

3.2 巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)的試驗(yàn)參數(shù)分析

根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》 GB/T50218-2014，巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的確定，分級(jí)因素的定量指標(biāo)Rc的兆帕數(shù)值和Kv，按下式計(jì)算：

式中：Rc：巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；

Kv：巖體完整性指數(shù)。

體積密度Jv在10～20條之間，對(duì)應(yīng)的Kv平均為0.45。此外，現(xiàn)場(chǎng)巖體波速經(jīng)驗(yàn)值2 800 m/s左右，巖塊波速經(jīng)驗(yàn)值4 200 m/s左右，Kv=巖體波速/巖塊波速的平方，其值為0.44。根據(jù)室內(nèi)單軸試驗(yàn)結(jié)果，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC取65 MPa，計(jì)算BQ為405。

3.3 巖體力學(xué)參數(shù)建議值

3.3.1 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度建議值

根據(jù)結(jié)構(gòu)面剪切試驗(yàn)結(jié)果，巖石結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度建議取值，見(jiàn)表6。

表6 巖石結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度建議取值表Tab.6 Recommended value list for shear strength of rock structure surface

3.3.2 巖石抗壓強(qiáng)度建議值

根據(jù)巖石單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，給出巖石抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)建議值，見(jiàn)表7。

表7 巖石抗壓強(qiáng)度和軟化系數(shù)建議值表Tab.7 Recommended value list for rock compressive strength and softening coefficient

3.3.3 巖體抗剪強(qiáng)度建議值

將前述各原位試驗(yàn)點(diǎn)剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總，根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法，計(jì)算不同測(cè)點(diǎn)的巖體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，見(jiàn)表8。

表8 飽和狀態(tài)下巖體抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值表Tab.8 Standard value of rock mass shear strength under saturated state

由于1號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)有F6和F30斷層帶通過(guò)且局部崩塌滑坡，部分區(qū)域巖體相對(duì)破碎，而現(xiàn)場(chǎng)不允許也不能在巖體性質(zhì)最差的區(qū)域開(kāi)展試驗(yàn)。試驗(yàn)點(diǎn)選擇是巖體完整性相對(duì)較好的部位，因此得到的巖體抗剪強(qiáng)度值較高。

結(jié)合邊坡工程地質(zhì)分區(qū)反分析計(jì)算結(jié)果，說(shuō)明崩塌段整體穩(wěn)定性處在臨界狀態(tài)之上，雖然有相當(dāng)比例的完整性較好的巖層，但取較破碎的巖層抗剪強(qiáng)度作為此區(qū)域的抗剪強(qiáng)度建議值，具有一定安全儲(chǔ)備。建議按下表取值，見(jiàn)表9。

表9 巖體抗剪強(qiáng)度建議取值表Tab.9 Recommended value list for shear strength of rock mass

3.3.4 巖體抗拉強(qiáng)度建議值

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的巖體抗拉強(qiáng)度估算方法，可由巖體抗剪強(qiáng)度比較可靠地估算巖體的抗拉強(qiáng)度，估算公式如下：

式中：бmt：巖體抗拉強(qiáng)度，kPa

c和φ為巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

計(jì)算巖體抗拉強(qiáng)度建議值，見(jiàn)表10。

表10 巖體抗拉強(qiáng)度建議值表Tab.10 Recommended value list for rock mass tensile strength

3.3.5 巖體變形參數(shù)建議值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體變形試驗(yàn)結(jié)果，為確保安全，取各試驗(yàn)點(diǎn)中變形模量和彈性模量的較小值，作為各分區(qū)巖體變形參數(shù)建議值，見(jiàn)表11。

表11 變形參數(shù)建議值表Tab.11 Recommended value list for deformation parameters

4 結(jié)語(yǔ)

從試驗(yàn)角研究度看，整體試驗(yàn)過(guò)程及分析符合室內(nèi)和原位試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定及要求，試驗(yàn)結(jié)果清晰透徹，所得巖體參數(shù)值具有較強(qiáng)的代表性，可靠度高，可滿足礦山擴(kuò)幫設(shè)計(jì)需求，可直接應(yīng)用于擴(kuò)幫設(shè)計(jì)中，同時(shí)可作為礦山擴(kuò)幫生產(chǎn)的安全評(píng)估依據(jù)。