矿山边坡软弱夹层赋存状态及蠕变特性对边坡稳定性影响研究

2022-01-07尤耿明王光进刘文连孔祥云刘俊新朱宝龙樊晓一5

金属矿山 2021年12期

尤耿明王光进，刘文连孔祥云胡航刘俊新朱宝龙樊晓一5

（1.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南昆明 650093；2.昆明理工大学国土资源工程学院，云南昆明 650093；3.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司，云南昆明 650051；4.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010；5.西南石油大学土木工程与测绘学院，四川成都 610500）

0 引言

软弱夹层是岩体中力学强度低、流变效应显著的软弱带或软弱结构面。软弱夹层的存在直接或间接地威胁到边坡稳定性，边坡易发生沿软弱夹层的滑动破坏。如2009年6月5日，重庆武隆鸡尾山发生层状基岩滑坡，总体积约500万m3的厚层灰岩整体沿斜倾的软弱夹层发生滑动，事故造成74人死亡、8人受伤[1-3]。根据大量学者的研究成果和工程实际经验表明，含软弱夹层边坡的稳定性往往与夹层的赋存状态密切相关。目前，学者针对软弱夹层赋存状态对边坡稳定性的影响研究已经取得了一定的进展。皮晓清等[4]引入考虑强度折减法的有限元极限分析上限法，研究了软弱夹层的厚度、倾角、强度、埋藏深度对边坡稳定性以及破坏模式的影响。殷博等[5]将数值模拟与数理统计正交试验结合，对软弱夹层倾角、厚度、黏聚力及内摩擦角进行单因素敏感性分析。张社荣等[6]揭示了多层软弱夹层不同倾角条件下边坡岩体失稳机制和破坏面位置。王哲等[7]基于拉张破坏原理，研究了软弱夹层埋藏深度、倾角及厚度对坡体内裂纹扩展和应力演变过程的影响。在含软弱夹层边坡的长期稳定性分析中，考虑软弱夹层蠕变特性更贴近工程实际[8]。在软弱夹层蠕变特性研究中，王志俭等[9]采用Singh-Mitchell模型描述了软弱夹层的蠕变特性；巨能攀等[10]通过改进Burgers模型研究了软弱夹层的长期强度；朱赛楠等[11]开展了软弱夹层不同演化阶段的剪切蠕变力学特性分析。

基于此，本项目以某典型的含缓倾软弱夹层露天矿山边坡为研究对象，探讨软弱夹层赋存状态黏聚力、内摩擦角、倾角及埋藏深度对边坡稳定性的影响规律；又选取Burgers本构模型，考虑软弱夹层蠕变特性来分析边坡的长期稳定性。

1 工程概况及模型建立

1.1 工程概况

某典型的含缓倾软弱夹层露天矿山采场边坡整体地势较高，呈EW走向。采场边坡大部分岩体以青灰色中厚层状石灰岩为主，该组石灰岩含有一层软弱夹层。此类软弱夹层为二叠系炭质泥页岩，其主要矿物成分为方解石、石英、蒙脱石等，物理力学性质较差。岩石常规物理力学参数如表1所示。

1.2 模型建立

根据矿山原始地形图与现场勘查结果，在采场临空坡面选取了代表性剖面做为研究对象，图1为采场边坡三维模型及剖面线位置。

剖面模型如图2所示，模型长240.7 m，高83.2 m，软弱夹层在临空面高程1 733.2～1 736.1 m位置处出露，夹层倾角为10°，厚度为2.43 m。采用ansys软件进行建模与网格剖分，其中对软弱夹层分组网格进行加密，将边坡模型导入FLAC3D中，得到FLAC3D计算模型如图3所示（共剖分33 947个网格与8 648个节点），Z轴方向长度为10 m。约束条件为对左右两侧水平约束及底面固定约束。

2 夹层赋存状态对边坡稳定性的影响

为了研究软弱夹层赋存状态对边坡稳定性的影响，设计4组模拟方案分别针对软弱夹层黏聚力、内摩擦角、倾角及埋藏深度进行数值分析。基于图3 FLAC3D模型，对上述4个参数采用单一变量进行模拟，夹层厚度保持不变。其余物理力学参数如表1所示，模拟方案设计如表2所示。图4为软弱夹层不同倾角示意图，图5为软弱夹层不同埋藏深度示意图。

2.1 传统强度折减法

传统强度折减法是基于摩尔—库伦模型的稳定性分析方法。通过不断折减岩土体的抗剪强度，直至边坡达到临界破坏状态，此时的折减系数Fs即为边坡安全系数。分析方程式如下：

式中，C、ϕ分别为黏聚力与内摩擦角；C′、ϕ′分别为折减后的黏聚力与内摩擦角；Fs为折减系数。

2.2 黏聚力、内摩擦角影响分析

基于传统强度折减法分析软弱夹层不同黏聚力、内摩擦角工况下对采场边坡稳定性影响。软弱夹层不同黏聚力工况下边坡水平方向位移结果云图如图6所示。由图6可看出，采场边坡临空面滑出口位于软弱夹层出露位置，从滑出口到坡顶，位移量沿着软弱夹层呈现纵向分层递减分布，距滑出口位置越近，其水平位移变形越大；在临界破坏时，从滑出口位置沿着软弱夹层形成完整的贯通滑面，从而出现整个滑坡体显著的水平滑移；随着软弱夹层黏聚力的增大，整个滑坡体的水平位移减小。图6（a）为工程实际采场边坡模拟结果。随着软弱夹层内摩擦角的增大，边坡位移量分布规律先与上述软弱夹层黏聚力影响分析的边坡位移量分布规律一致，直至软弱夹层内摩擦角达到55°时（如图7所示），位移量沿着坡角方向出现倾斜分层现象，边坡位移量分布不再受软弱夹层控制。图8为软弱夹层不同黏聚力、内摩擦角工况下边坡安全系数及水平位移最大值变化趋势。由图8可知，当软弱夹层黏聚力在300～1 000 kPa的范围变化时，边坡安全系数先逐渐升高，水平位移最大值先逐渐降低，直至黏聚力增加到800 kPa时，继续增加黏聚力，边坡安全系数与水平位移最大值均开始变化很小；当软弱夹层内摩擦角在25～55°的范围变化时，边坡安全系数先逐渐升高，水平位移最大值先逐渐降低，直至内摩擦角增加到45°时，继续增加内摩擦角，边坡安全系数与水平位移最大值均开始变化很小。结果说明当软弱夹层黏聚力达到800 kPa、内摩擦角达到45°时，软弱夹层强度基本不再影响边坡稳定性。

2.3 倾角、埋藏深度影响分析

基于传统强度折减法分析软弱夹层不同倾角、埋藏深度工况下对采场边坡稳定性影响，观察计算不收敛时最大剪应变增量形成的剪切带，可认为此剪切带即为滑裂带。得到软弱夹层不同倾角、埋藏深度工况下采场边坡的滑裂带，如图9、图10所示，以及边坡安全系数、水平位移最大值变化趋势，如图11所示。由图9可看出，随着软弱夹层倾角的增大，边坡滑裂带逐渐变浅，从软弱夹层出露位置沿软弱夹层向坡顶前缘收缩，滑出口位于软弱夹层出露位置。由图10可看出，随着软弱夹层埋藏深度的增大，边坡滑裂带沿着软弱夹层逐渐变深，逐渐向坡顶后缘扩展；当软弱夹层在临空面出露，即埋藏深度h在（0.1～0.3）H的范围变化时，滑出口位于软弱夹层出露位置；当软弱夹层不在临空面出露，即h=0.4H时，滑出口位于坡址。由图11可知，随着软弱夹层倾角的增大，边坡安全系数逐渐降低，水平位移最大值逐渐升高；随着软弱夹层埋藏深度的增大，边坡安全系数逐渐升高，水平位移最大值逐渐降低。

3 长期稳定性分析

3.1 Burgers本构模型介绍

对含软弱夹层边坡进行长期稳定性分析，选取能反映软岩蠕变特性的Burgers模型对软弱夹层进行分析。Burgers体由Kelvin体和Maxwell体串联组成，其力学模型如图12所示。

Burgers体的本构方程为

式中，σ为应力；̇、分别为σ对t的一阶、二阶求导；ε为应变̇、̈分别为ε对t的一阶、二阶求导；k1、k2分别为Kelvin体和Maxwell体的弹性系数；η1、η2分别为Kelvin体和Maxwell体的黏性系数。

Burgers体的蠕变方程为

在恒定载荷σ的条件下σ̇=0，此时σ用σ0表示。

3.2 监测点设置及流变参数

在软弱夹层前缘设置4个位移监测点，监测点位置示意如图13、位置坐标如表3所示。通过对软弱夹层试样的环剪流变试验，得到Burgers模型流变参数，如表4所示。

3.3 考虑软弱夹层蠕变特性的强度折减法

基于图3 FLAC3D模型，通过自编的强度折减法进行数值模拟。软弱夹层选用Burgers本构模型，采用表4的流变参数；石灰岩的流变特性微小，则选用摩尔—库伦本构模型，采用表1的力学参数。强度折减系数由1.1增加到1.2，记录不同折减系数下4个监测点-X水平方向位移随时间的变化情况，计算时间为300 d。

由图14不同强度折减系数下4个监测点的蠕变曲线可知，当折减系数取1.1和1.14时，经过前20 d的弹性变形后，监测点开始发生衰减蠕变，在40 d后蠕变曲线趋于平缓。当折减系数取1.18时，监测点在120 d后才进入等速稳定蠕变，说明边坡变形的收敛速度变慢。当折减系数取1.2时，监测点的水平位移在经历300 d之后仍未收敛，蠕变仍未达到稳定，边坡持续变形。由图15不同强度折减系数下4个监测点的最终水平位移值可看出，强度折减系数在1.1至1.18时，监测点的水平位移值增加速率缓慢，当折减系数为1.2时，监测点水平位移值发生突增，继续增大折减系数，监测点位移将会无限增加。由此可知，考虑软弱夹层蠕变特性，在强度折减系数为1.2时边坡将会发生破坏，所以边坡的长期稳定系数为1.2；与采用传统强度折减法计算出的安全系数1.36相比较，下降了11.76%。