不同傾角順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制的相似模型試驗(yàn)

陳 沖，侯克鵬，肖 慧，楊志全，者亞雷

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

不同傾角順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制的相似模型試驗(yàn)

陳 沖，侯克鵬，肖 慧，楊志全，者亞雷

（昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093）

露天礦山采場邊坡的穩(wěn)定性決定礦山的安全生產(chǎn)，邊坡開挖引起的變形及應(yīng)力調(diào)整規(guī)律是邊坡穩(wěn)定性的重要依據(jù)。應(yīng)用相似模型試驗(yàn)的方法研究傾角對順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制的影響，模型的物理力學(xué)參數(shù)參考云南某露天礦采場的巖體參數(shù)，進(jìn)行配比試驗(yàn)并選出最優(yōu)配比，按照30°，35°，45°，50°傾角分別進(jìn)行試驗(yàn)，對每組試驗(yàn)進(jìn)行觀測，作位移變形圖和位移矢量圖，對每組的試驗(yàn)的變形情況進(jìn)行分析，最后對比各試驗(yàn)的變形情況，發(fā)現(xiàn)模型出現(xiàn)順層巖質(zhì)邊坡典型的上部“下陷”、下部“鼓脹”的變形特征，并得到30°和35°傾角邊坡表現(xiàn)為拉裂破壞，45°和50°傾角邊坡表現(xiàn)為滑移-壓裂破壞。

順層巖質(zhì)邊坡；相似理論；配比試驗(yàn)；模型試驗(yàn)

層狀巖質(zhì)邊坡變形失穩(wěn)破壞機(jī)制的研究是邊坡工程領(lǐng)域重要的研究方向之一，目前應(yīng)用較為廣泛的研究手段有理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬[1-3]。理論分析研究歷時(shí)最長，從力學(xué)方面分析成果較多，如孫廣忠等[4]將巖板等效簡化為壓桿，應(yīng)用能量守恒的原理對其穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并得到了層狀巖質(zhì)邊坡發(fā)生潰曲失穩(wěn)的臨界坡長，在此基礎(chǔ)之上，劉小麗[5]、馮君[6]等將層狀巖體視為二維受壓板進(jìn)行研究，朱晗迓等[7]則分析了不同層數(shù)時(shí)邊坡的失穩(wěn)情況，建立了層狀巖質(zhì)邊坡屈曲破壞的力學(xué)機(jī)制，雖然研究成果在不斷的提升，但是理論研究始終要進(jìn)行大量的假設(shè)和簡化，地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性致使理論研究成果很難有效的應(yīng)用到實(shí)踐中。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)值模擬相繼而產(chǎn)生，黃潤秋等[8]應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬手段對層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行研究，并得到了其變形機(jī)制及提出了相應(yīng)的治理措施，在構(gòu)建復(fù)雜模型時(shí)也要進(jìn)行大量的假設(shè)和簡化。隨著相似理論的發(fā)展，國內(nèi)學(xué)者開始應(yīng)用相似模型試驗(yàn)對層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行研究，如唐紅梅[2]、盧增木[9]等應(yīng)用相似模型試驗(yàn)對層狀巖質(zhì)邊坡進(jìn)行研究，得到了傾角、層間摩擦力等因素對邊坡穩(wěn)定性的影響。但是唐紅梅等的模型試驗(yàn)存在觀測點(diǎn)較少的問題，不能精確的反映邊坡巖體內(nèi)部的變化過程，盧增木所采取的模型是應(yīng)用磚塊式堆砌方法，其所用磚塊的尺寸沒有給出充分的理論依據(jù)，且所布設(shè)的變形觀測點(diǎn)較少。本文以云南某露天礦采場邊坡為研究背景，應(yīng)用相似模型試驗(yàn)的方法對不同傾角順層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)機(jī)制進(jìn)行研究，在相似理論的基礎(chǔ)上對巖體的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行換算，選取密度控制人工分層填筑夯實(shí)的方法進(jìn)行模型堆砌，每組試驗(yàn)觀測點(diǎn)布置300～500個(gè)，通過對觀測點(diǎn)位移變化的觀測，得到邊坡在開挖過程中的變形規(guī)律，總結(jié)出層狀邊坡失穩(wěn)機(jī)制，為礦山進(jìn)一步開采時(shí)邊坡穩(wěn)定性情況提供預(yù)測和預(yù)報(bào)作用。

1 工程概況

模型試驗(yàn)以云南某露天礦山為原型，該礦山采用“一面坡”形式進(jìn)行開采。試驗(yàn)物理力學(xué)參數(shù)參考采場巖體參數(shù)，該礦山有黑頁巖、礦體、白云巖3種巖體，其巖石力學(xué)參數(shù)如表1所示，選取幾何相似常數(shù)Cl=200，重度相似常數(shù)Cγ=1.8，應(yīng)用相似理論得到相似材料的應(yīng)變、泊松比、摩擦角相似常數(shù)：Cμ=Cε= Cφ=1；應(yīng)力、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力相似常數(shù)：Cσ=CR=CE=CC=360。在相似配比試驗(yàn)中，相似材料與原材料之間不能滿足全部相似，本試驗(yàn)選取容重、抗壓強(qiáng)度、變形模量和泊松比作為主要相似常數(shù)，其他物理參數(shù)忽略，結(jié)合配比試驗(yàn)，選用模糊綜合評判法得到本次模型試驗(yàn)的相似材料配比，見表2。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rock mass

表2 配比的選擇Tab.2 Choice of the ratio

2 相似模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)裝置為二維結(jié)構(gòu)，長2 m，寬0.2 m，高2 m，在正面觀看，裝置上部兩側(cè)為高度1.5 m的槽鋼，下部為0.5 m的桁架結(jié)構(gòu)，下部兩端布置斜支撐結(jié)構(gòu)，其材料均為槽鋼，采用的連接形式為螺釘鉸接而成。

2.2 模型開挖試驗(yàn)

在模型的填筑方面，選取密度控制人工分層填筑夯實(shí)的方法，分30°，35°，45°，50°傾角分別進(jìn)行，為了更好地對比分析，模型均堆砌1 m高，具體模型示意如圖1所示，圖中深色部分為礦體，礦體上盤為黑頁巖，下盤是白云巖。模型中礦體按2層填筑，總厚為2 cm（對應(yīng)現(xiàn)場4 m），黑頁巖層厚為2 cm（對應(yīng)現(xiàn)場4 m），白云巖層厚為1 cm（對應(yīng)現(xiàn)場2 m），在模型中右下角及左上角處，由于影響范圍較小，以整體的模式填筑。觀測方法采用經(jīng)緯儀觀測，在模型前2 m左右安置經(jīng)緯儀并固定，直至試驗(yàn)結(jié)束，觀測并記錄試驗(yàn)過程中觀測點(diǎn)的水平角和豎直角，每開挖一次，記錄一次，經(jīng)緯儀精度為水平角3″，豎直角5″，在模型試驗(yàn)進(jìn)行開挖之前先在模型上布置觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)由圖釘和黏性紙組成，由于傾角的不同，每個(gè)模型中的觀測點(diǎn)也不同。通過相關(guān)計(jì)算方法將觀測點(diǎn)的水平角和豎直角轉(zhuǎn)變?yōu)橛^測點(diǎn)的相對坐標(biāo)，通過開挖前后觀測點(diǎn)的位置變化即可反應(yīng)邊坡巖體的變形情況。

圖135 °模型示意圖Fig.1 Schematic model of 35°

各模型按開挖至90 cm時(shí)，為了避免出現(xiàn)挖坡腳的現(xiàn)象，則不再進(jìn)行開挖。試驗(yàn)開挖前，先用經(jīng)緯儀對觀測點(diǎn)進(jìn)行測量，記錄其原始數(shù)據(jù)，最終開挖模型如圖2所示。開挖后再次對觀測點(diǎn)依次進(jìn)行測量，對于發(fā)生位移變形的點(diǎn)，將處于同一層巖體上的點(diǎn)用多段線進(jìn)行連接，作開挖后巖層的變形曲線圖，如圖3所示。以觀測點(diǎn)的原始坐標(biāo)為起始點(diǎn)，開挖變形后點(diǎn)的坐標(biāo)為末點(diǎn)作箭頭，以表示位移矢量，具體如圖4所示。

圖235 °模型開挖示意圖Fig.2 Model excavation of 35°

圖3 模型變形圖Fig.3 Deformation of model excavation（a）—30°傾角；（b）—35°傾角；（c）—45°傾角；（d）—50°傾角

圖4 模型位移矢量圖Fig.4 Displacement vector of model excavation（a）—30°傾角；（b）—35°傾角；（c）—45°傾角；（d）—50°傾角

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從模型開挖后的巖層變形圖和觀測點(diǎn)的位移矢量圖分析，可見邊坡巖層傾角對其穩(wěn)定性影響很大。層狀巖體傾角越大，在開挖時(shí)邊坡的變形量則越大，上、下部大，中部??；影響深度逐漸加深；潰曲段所占比例逐漸變大，結(jié)果如圖5所示。

從觀測點(diǎn)的位移變化矢量圖4中能夠看出，4組試驗(yàn)中巖層的變形均最先是頂部向后傾斜移動(dòng)，當(dāng)開采掘進(jìn)一定深度時(shí)下部巖層開始出現(xiàn)鼓出現(xiàn)象，隨著向下開采的繼續(xù)，下部巖層均會(huì)發(fā)生鼓出現(xiàn)象，鼓出的長度與深度也隨之增加。從邊坡的空間位置上，接近臨空面的巖層位移變形大，越往深部巖層變形量越小。對于同一巖層，頂部的下沉量和底部的鼓出量均較大，中部變形量小。

圖5 模型開挖的影響Fig.5 Conseqence of model excavation（a）—最大變形量；（b）—影響深度及潰曲比例

2.4 破壞機(jī)理分析

通過相似模型試驗(yàn)中的位移變形圖和位移矢量圖進(jìn)行分析，得到30°和35°傾角邊坡表現(xiàn)為拉裂破壞，其表現(xiàn)形式為上部巖體在重力的作用下向下運(yùn)動(dòng)（即下沉），中部某個(gè)部位的巖體基本保持不動(dòng)（在杠桿中充當(dāng)支點(diǎn)作用），下部巖體向上翹起，表現(xiàn)為鼓出，鼓出部分是受上部巖層拉拽作用，其受力為受拉形式；45°和50°傾角邊坡表現(xiàn)為滑移-壓裂破壞，其表現(xiàn)形式為上部巖體在重力的作用下向下運(yùn)動(dòng)（即下沉），由于上部巖體重力在沿層面上的分力較大，中部某個(gè)部位的巖體運(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)為沿層面滑動(dòng)，下部巖體向上翹起，表現(xiàn)為鼓出，鼓出部分則是由上部巖層壓擠作用，其受力為受壓形式，以35°和50°傾角邊坡為例，模型受力分析如圖6所示。

圖6 模型受力分析Fig.6 Stress analysis of slope model（a）—35°傾角；（b）—50°傾角

層狀巖質(zhì)邊坡的力學(xué)機(jī)制研究，經(jīng)歷了從起初的彈性壓桿力學(xué)模型到后面的二維壓板力學(xué)模型，雖然理論水平不斷提高，分析時(shí)所考慮的影響因素也不斷全面，但是在建立模型時(shí)，還是應(yīng)用了大量的假設(shè)條件，以致跟現(xiàn)場層狀邊坡復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)不相符，通過相似模型試驗(yàn)，得到以下幾個(gè)方面與傳統(tǒng)的力學(xué)模型不相同：

（1）在試驗(yàn)中，無論坡面傾角大小，上部巖體均表現(xiàn)為沿層下沉，在傳統(tǒng)的力學(xué)模型中，只有彈性地基懸臂梁力學(xué)模型相符，其余力學(xué)模型上部巖體均表現(xiàn)為沿層面下滑。

（2）在傳統(tǒng)的力學(xué)模型中，雖然有人研究過多層巖層同時(shí)發(fā)生潰曲，但所建立力學(xué)模型時(shí)，均未按不同傾角分別建立模型，而在試驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)30°和35°傾角邊坡表現(xiàn)為拉裂破壞，45°和50°傾角邊坡表現(xiàn)為滑移-壓裂破壞，兩者受力形式完全不同。因此，在建立力學(xué)分析模型時(shí)，應(yīng)將兩種不同受力模式分類計(jì)算。

3 結(jié)論

（1）順層巖質(zhì)邊坡在其變形失穩(wěn)破壞規(guī)律上有其自身特點(diǎn)，表現(xiàn)為：巖層變形最先是上部巖體向后傾斜移動(dòng)，當(dāng)開采掘進(jìn)一定深度時(shí)下部巖層開始出現(xiàn)鼓出現(xiàn)象，隨著向下開采的繼續(xù)，下部巖層發(fā)生鼓出現(xiàn)象，且開采深度越大，鼓出現(xiàn)象則越明顯。

（2）在其他影響順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性因素相同的情況下，邊坡巖層傾角對其穩(wěn)定性影響很大，隨著傾角的增大，在開挖時(shí)邊坡的變形量及影響范圍越大。

（3）在4組試驗(yàn)中，雖然邊坡變形模式相同，均表現(xiàn)為“滑移-彎曲”型，但其力學(xué)作用機(jī)理卻不一致，30°和35°傾角邊坡下部巖體在上部巖體自重荷載的拉力作用下表現(xiàn)為鼓出現(xiàn)象，其破壞形式為下部拉裂破壞；45°和50°傾角邊坡下部巖體在上部彎曲產(chǎn)生的壓力作用下也而表現(xiàn)為鼓出現(xiàn)象，其破壞形式為下部壓裂破壞。因此，在應(yīng)用理論分析建立力學(xué)模型時(shí)以及邊坡失穩(wěn)處置措施時(shí)，應(yīng)按不同傾角分別考慮。

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Similar Model Test of Slope Instability Mechanism on Different-angled Bedding Rock

CHEN Chong,HOU Ke-peng,XIAO Hui,YANG Zhi-quan,ZHE Ya-lei
（Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,Yunnan,China)

Stability of open pit mine stope decide the safe production of the mine,adjustment Law of deformation and stress caused by the slope excavation is an important basis for slope stability.Appling the method of similar model test on research the influence of angle to the instability mechanism of bedding rock slope,the physical and mechanical parameters of mode reference to rock mass parameters of a surface mine in Yunnan,performed ratio test and select the optimal ratio，the model slope of 30°,35°,45°,50°inclination were tested,for each set of test observations，the method of displacement deformation and displacement vector diagram of the deflection of the test for each group were analyzed,and contrast to the deformation of each test,discovery the top of the bedding rock slope in model is a typical"subsidence",the lower the deformation characteristics of"ballooning",and the slope of 35° and 30°dip characterized by cracking destruction,50°and 45°dip of slope sliding-fracturing damage.

bedding rock slope;similarity theory;ratio test;model test

TU458+.4

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2015.05.003

2015-06-11

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41402272）；云南省教育廳科學(xué)研究基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2014Z031）

陳 沖（1989-），男，河北保定人，碩士，主要從事邊坡工程研究。

侯克鵬（1966-），男，河南淅川人，教授，主要從事巖土工程和采礦工程科研和教學(xué)工作。