北衙露天金礦邊坡巖體力學參數直剪試驗研究

余其品，龔明輝，肖 雨，袁從華

(1.云南黃金礦業集團股份有限公司，云南 昆明 650200；2.鶴慶北衙礦業有限公司，云南 大理 671507；3.湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；4.中國科學院武漢巖土力學研究所，湖北 武漢 430071)

0 引言

獲取工程地質巖體基本力學參數黏聚力c和內摩擦角φ最常見且最直觀的方法為現場原位試驗。以往的原位直剪試驗均采用GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》(2009年版)[1]所規定的多點法進行,但大量的工程實踐表明，多點法常受試驗場地條件的制約而無法進行大量的原位試驗，且由于巖體結構等因素不同導致加工的試件存在差異性，直接影響試驗數據，出現較大誤差，同時多點法試件制作耗時較長，經濟效益差[2-6]。張景德等[7-10]提出抗剪強度的單點試驗法，即只需一個試件就能完成原位直剪試驗，從而獲得巖體的黏聚力c和內摩擦角φ。開展單點法和多點法的對比研究可知，單點法試驗結果與剪切峰值的誤差可控制在5%～15%，結果略偏保守，完全滿足工程實際需要[11]。

基于上述分析，在云南北衙露天金礦進行單點法直剪試驗，結合此次單點法在工程實踐中的應用，為今后類似礦山邊坡開展巖體力學參數研究提供參考和依據。

1 工程地質概況

鶴慶北衙萬硐山礦段露天金礦位于云南省北衙縣城南部，礦區面積13.64km2。礦區位于近南北向鶴慶—松桂復式向斜南段，構造與區域構造線方向一致，均呈近南北向展布，區域內構造活動強烈，次級褶皺、斷層發育。露天礦北側主要地層有人工填土、灰巖、斑巖和斷層破碎帶，由于受F6斷層和F6-1斷層破碎帶影響，北區灰巖較破碎，節理發育多、方向各異，巖體完整性差。露天礦北區巖層概況及西北區各巖層如圖1,2所示。

圖1 露天礦西北區巖層概況

圖2 露天礦西北區各巖層

露天礦北側上部人工填土結構松散，顆粒粗細差別大，且以碎石為主，滲流性較好，內部不易積水，已堆積多年，穩定性較好。F6斷層破碎帶是礦區內的主要斷層破碎帶，從露天礦西北側一直延伸到正南側，主要在露天礦西部出露。西北側斷層破碎帶厚度較大，約60m，南側厚度約30m。斷面破碎帶傾向西南，傾角約70°，在西側和西南側，多有正長斑巖侵入，破碎帶內巖體更破碎，不利于境界邊坡穩定。F6-1斷層破碎帶處在露天礦西北側，斑巖侵入，風化程度較高，整體穩定性弱于F6斷層破碎帶。北側中部的復合破碎帶受地質構造應力的強烈作用出現南北向斷裂，其附近的圍巖及巖性轉換面、層理面、巖石脆韌性差異部位、褶皺等薄弱部位形成系列層間破碎帶。

2 原位單點法直剪試驗

通過現場調查，決定在露天礦西北側選取巖體完整性相對較差、強風化的且具有代表性的部位進行原位試驗，綜合考慮巖層巖性、結構面走向、風化程度、現場施工條件等因素，確定試驗地點在1734平臺。該試驗點位于強風化灰巖破碎帶，上覆人工填土層，位于露天礦西北側F6-1斷層破碎帶下，此區域巖層節理裂隙極其發育，破碎、強風化、薄層，為采場局部較差巖層。

北衙露天礦邊坡潛在整體模式的破裂面角度為18°～40°，優勢破裂方向和水平面夾角約為30°，為獲取潛在破裂方向上的巖體抗剪強度，直剪試驗采用斜推方式，剪切面和水平面角度為30°，試驗點位于強風化灰巖破碎帶，為獲取最不利情況下的巖體強度參數，在進行直剪試驗前，對試坑內部進行48h泡水處理，直至試樣均為飽水狀態。

2.1 放樣及試樣制備

清理試驗點地表，直至原巖出露，根據圖1進行試驗點施工放樣，如圖3所示。

圖3 試驗點施工放樣(單位：m)

采用切割機在對應部位進行切槽施工，對臺階邊坡進行反切施工，確保巖體試樣尺寸(50cm×50cm×50cm)，試樣施工如圖4所示，施工過程不能擾動巖體試樣。試驗點布置如圖5所示。

圖4 試樣施工(單位：cm)

圖5 試驗點布置

2.2 試驗方法

本次單點法剪切試驗按GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》[12]的規定進行。剪切試驗中，在第1級法向應力恒荷載下，當施加剪應力的比例達到極限時，降低剪切位移速率，當施加剪應力達到峰值時，可觀察到τ-μ變形曲線出現明顯拐點，說明此時已十分接近峰值或認為已達到峰值，停止施加剪應力，并卸載進入第2級法向應力下的剪切試驗，直至在第4級或第5級法向荷載下完成剪斷試驗，一個試塊的單點法直剪試驗全部完成。

3 試驗成果

3.1 試驗結果分析

在露天礦北區1734平臺進行直剪試驗的5個巖體試樣分別編號為1～5，由于巖體較完整，均采用斜向剪切加載。直剪試驗完成后，各試樣剪切破壞如圖6所示。

圖6 1734平臺試驗點各試樣剪切破壞

由圖6可知，位于試坑邊緣的巖體試樣1較破碎，其在分級垂直壓力下，巖體試樣側面局部有豎向劈裂縫隙產生，當斜推反力分級加載至極限后，巖體試樣基本按預定的30°斜向延伸發生整體剪切破壞。位于中間的巖體試樣3剪切前相對其他試樣較完整，由于巖體試樣所在巖層向東傾，而剪切破壞面南傾，該巖體試樣發生剪切破壞后，破壞面出現魚鱗狀順剪切方向破裂，屬于典型的切層破壞。除此之外，巖體試樣2，4，5發生剪切破壞時，均以剪切方向和垂向破裂為主，試樣完整性均較差。

直剪試驗數據及結果如表1，2所示，τ-σ曲線如圖7所示。

表1 直剪試驗荷載數據

圖7 τ-σ曲線

表2 直剪試驗c,φ結果

由圖7和表2可知，試樣3為中厚層灰巖，試樣完整性較好，其黏聚力c值明顯高于其他試樣，內摩擦角44.4°也為最大值；試樣5黏聚力為167 kPa，為最小值。說明1734平臺試驗點處巖體性質具有不均勻性，若采用多點法進行原位直剪試驗，會使各試樣直剪試驗的結果離散性高，導致無法取得合理的巖體抗剪強度參數，因此采用單點法進行原位直剪試驗是必要的。

3.2 巖體力學參數取值

根據《巖土工程勘察規范》，計算巖土參數平均值φm、標準差σf和變異系數δ。

(1)

(2)

(3)

巖土參數的標準值φk可按下列方法確定，式中正負號按不利組合考慮，如抗剪強度指標的修正系數應取負值。

φk=γsφm

(4)

根據《巖土工程勘察規范》中的標準值計算方法，計算出各試樣參數的平均值、標準差、變異系數及巖體抗剪強度標準值，如表3所示。

表3 1734平臺試驗點巖體原位直剪試驗結果

在露天礦西北區對1734平臺試驗點進行原位直剪試驗，1734平臺試驗點處于北側強風化灰巖破碎帶，試坑位于臺階邊坡地表，巖體試樣處于飽和狀態，巖體以中薄層為主，強風化、節理發育，局部為中～中厚層，坡體由邊緣向內風化程度逐步減弱，因此用此試驗點的試驗結果代表整個露天礦西北區是可靠的。根據表3按建議取標準值，即黏聚力c為160kPa，內摩擦角φ為42°。

4 單點法直剪試驗誤差

除了文獻中提到的直剪試驗常見誤差外[13]，本文通過回顧本次單點法直剪試驗各過程及對試驗后進行數據整理，發現以下幾方面誤差。

1)偏軸壓應力的影響 隨著直剪試驗的進行，剛開始安裝試驗設備所對準的剪切中心會產生一定的偏移，導致作用在巖體試樣剪切面上的正應力隨著試驗的進行而發生變化。本次單點法直剪試驗為更符合巖體試樣的實際剪切情況，獲取潛在破裂方向上的巖體抗剪強度，采用斜向剪切方式，剪切面和水平面角度為30°，使得偏軸壓應力作用更復雜。

2)人為操作造成的誤差 由于現場試驗條件的限制，無法通過伺服機器進行直剪試驗加載，人工加載操作無法達到機器的精確度，這也會造成試驗結果的不準確性。

5 結語

1)在露天礦西北區內1734平臺試驗點進行單點法直剪試驗，得到了西北區的巖體抗剪強度建議參數，即黏聚力c為160kPa，內摩擦角φ為42°。

2)通過分析1734平臺原位試驗結果可知，同一試驗點試坑內的不同巖體試樣通過原位直剪試驗得到的力學參數也存在較大的差異性，說明礦區內巖體性質存在高度的不均勻性，想得到較準確的巖體力學參數，除了要結合實際情況選取合適的試驗方法，還要通過綜合考慮分析，才能獲取有效的巖體力學參數。

3)對于多點法而言，試驗點巖體性質越不均勻，通過多點法得到的試驗結果越分散，直接影響結果的精度。相較于多點法，單點法的優勢明顯，能客觀反映巖體的抗剪強度。