王建明,陳忠輝,周子涵,張凌凡,張雪冬
(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院 ,北京 100083)
邊坡穩(wěn)定性問題是巖土工程經(jīng)典的研究問題之一,備受學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注,其普遍存在于我國礦山、水電和交通等工程領(lǐng)域。邊坡失穩(wěn)機(jī)制和控制方法的研究已經(jīng)成為亟待解決的重大科研和工程問題。
大量工程實(shí)踐表明,邊坡失穩(wěn)是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果,而并非單一因素所造成的。對于礦山邊坡而言,造成其失穩(wěn)主要有降雨和爆破2個(gè)主要因素。劉才華、胡其志、夏開宗等[1-3]通過對水力作用分析,導(dǎo)出了邊坡安全系數(shù)和決定邊坡穩(wěn)定性的后緣裂隙臨界充水高度和降雨強(qiáng)度的表達(dá)式;吳永等[4]利用斷裂力學(xué)理論和極限上限分析定理分析了震后暴雨作用下巖質(zhì)邊坡的啟動(dòng)機(jī)理;張寶才等[5]用數(shù)值分析軟件Geoslope對邊坡靠幫爆破過程中巖體損傷范圍進(jìn)行了研究;宋小林等[6]建立了爆破過程作用邊坡的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)模型并將其應(yīng)用于2個(gè)典型順傾巖質(zhì)邊坡的爆破動(dòng)力穩(wěn)定分析中;陳少輝等[7]研究表明:高程放大效應(yīng)受爆破振動(dòng)荷載特性及邊坡形狀等因素影響;明鋒等[8]通過數(shù)值模擬分析了爆破荷載作用下邊坡固有頻率下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律;趙奎等[9]考慮爆破荷載和降雨的共同作用,采用極限平衡法計(jì)算了邊坡安全系數(shù),計(jì)算精度與純自重應(yīng)力場作用下相比大大提高;陳明[10]等應(yīng)用斷裂力學(xué),分析了爆炸應(yīng)力波和地應(yīng)力卸荷對邊坡紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子及其裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展模式的影響。目前關(guān)于此類邊坡的理論研究一般只考慮單一因素的作用,多因素共同作用下的研究較少。理論研究方法主要是采用擬靜力作用下的極限平衡法,更多研究是通過數(shù)值模擬和大型仿真模擬實(shí)驗(yàn)來揭示邊坡失穩(wěn)的模式和機(jī)理。
在長期的復(fù)雜外界因素作用下,邊坡表面會形成大量的節(jié)理和裂縫。在頻繁爆破和降雨作用下裂縫不斷擴(kuò)展,最終與坡體下部滑面貫通,水會隨之滲入滑面,進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。對于此類邊坡,本文基于斷裂力學(xué),給出裂縫擴(kuò)展的條件,得出鎖固段長度為控制邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素,從能量角度解釋邊坡滑體劇動(dòng)失穩(wěn)過程。
在具體分析之前,作如下假設(shè):邊坡后緣裂縫為Ⅰ型裂紋擴(kuò)展;坡體表面及內(nèi)部存在許多裂縫,降雨入滲只是增加坡體重量和影響后緣裂縫擴(kuò)展,并沒有入滲到坡體內(nèi)部;邊坡在外力作用下后緣裂縫與滑動(dòng)面的導(dǎo)通和邊坡滑體沿滑面的劇動(dòng)失穩(wěn)是相互獨(dú)立且統(tǒng)一。
斷裂力學(xué)中的裂縫開裂方式有3種,分別為張開型、滑開型和撕開型。圖1為邊坡裂縫擴(kuò)展模型圖,其后緣裂縫可簡化為張開型。
圖1 邊坡裂縫擴(kuò)展力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of slope crackpropagation
D.Broke[11]給出了此類邊坡的尖端應(yīng)力場和位移場的公式:
(1)
式中:σx,σy,τxy分別為裂紋尖端拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,MPa;u,ν分別為裂紋尖端沿坐標(biāo)軸的位移,m;γ為極徑,m;θ為極角,(°);k=3-4μ,μ為泊松比;G為剪切模量,MPa;π為圓周率,取3.14;KⅠ為張裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子,MPa·m1/2。
KⅠ的大小決定了裂縫頂端附近的應(yīng)力應(yīng)變的大小,其強(qiáng)度因子的計(jì)算公式可簡化為[12]:
(2)
式中:h為裂縫深度,m;σ為坡體受到的水平拉應(yīng)力,MPa。本文中的拉應(yīng)力由水平爆破拉應(yīng)力和拉裂縫內(nèi)靜水壓力共同產(chǎn)生,由于拉應(yīng)力的作用使裂縫尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到或超過邊坡巖體的斷裂韌度時(shí),裂縫開始擴(kuò)展,直到與滑動(dòng)面貫通,繼而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。由于受水平拉應(yīng)力的作用,裂縫均沿豎直方向擴(kuò)展,此時(shí)θ=0°,則式(1)變?yōu)椋?/p>
(3)
爆破荷載的計(jì)算采用擬靜力法,其在張拉裂縫附近任一點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力可表示為[12]:
(4)
式中:ρ為邊坡巖體密度,kg/m3;v為縱波速度,m/s;Q為爆破最大單項(xiàng)炸藥量,kg;R為爆破位置到裂縫的距離,m;K和b為與爆破場和地質(zhì)條件有關(guān)的參數(shù)。
(5)
據(jù)斷裂力學(xué)知,當(dāng)邊坡裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到其巖體斷裂韌度時(shí),裂縫開始擴(kuò)展,則:
KⅠs=KⅠC
(6)
式中:KⅠC為巖體斷裂韌性指標(biāo),MPa·m1/2。
邊坡裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子在爆破開挖過程中是處于不斷變化的。裂縫開始擴(kuò)展的條件為其尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到邊坡巖體斷裂韌度KⅠC。在裂縫深度一定時(shí),根據(jù)式(5)和(6)可得:
(7)
式中:QC為導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展的單項(xiàng)臨界爆破藥量,kg。
根據(jù)上述分析可得,在單項(xiàng)臨界爆破藥量達(dá)到QC時(shí),裂縫才會擴(kuò)展,即深為h的邊坡裂縫起裂擴(kuò)展的條件為爆破藥量Q滿足:
Q≥QC
(8)
式中:Q為實(shí)際爆破藥量,kg。對于具體的現(xiàn)場爆破條件而言,每次爆破藥量是可控和確定的,此時(shí)裂縫能否擴(kuò)展便取決于裂縫深度h,則根據(jù)式(7)可得在爆破藥量確定時(shí),能擴(kuò)展裂縫的深度h滿足:
h≥hc
(9)
式中:h為實(shí)際裂縫深度,m;hc為爆破作用下裂縫能起裂的極限深度,m。從上式可知,當(dāng)爆破藥量確定時(shí),可以直觀判斷哪些裂縫可以擴(kuò)展,這為爆破作用下定量判別邊坡危險(xiǎn)性和超前預(yù)警提供了理論依據(jù)。
含后緣裂縫的巖質(zhì)邊坡,遇到強(qiáng)降雨或者長期降雨時(shí)就會聚積大量裂縫水,若不能及時(shí)排出,會致裂縫在裂隙水壓作用下發(fā)生擴(kuò)展,當(dāng)遇到巖體中軟弱夾層或其他結(jié)構(gòu)面而貫通,繼而影響邊坡穩(wěn)定性。對與巖層層面導(dǎo)通的裂縫而言,降雨作用主要體現(xiàn)在靜水壓力和層面潤滑2種作用;對未與層面導(dǎo)通的裂縫而言,則只有靜水壓力的作用。本文只針對后者進(jìn)行討論,作用于裂縫內(nèi)的靜水壓力可等效為集中載荷P,如式(10)和圖2所示:
P=1/2h2γw
(10)
式中:h為裂縫深度(充滿水狀態(tài)),m;γw為水的容重,kN/m3。
圖2 裂縫擴(kuò)展示意Fig.2 The diagram of crack extension
據(jù)斷裂力學(xué)知,后緣裂縫擴(kuò)展貫通可概化為無限平面上分布的Ⅰ型裂紋。距裂紋尖端l處作用有集中載荷P,其應(yīng)力強(qiáng)度因子可表示為[13]:
(11)
(12)
式中:KⅠt為裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子,MPa·m1/2;l為裂縫尖端到作用力P處的距離,m;h為裂縫深度,m;γw=10 kN/m3。
由式(10)和(11)可得后緣裂縫在不同深度且充滿水時(shí)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為:
(13)
由式(13)可知,裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的大小取決于其初始深度。當(dāng)裂縫充滿水時(shí),開始擴(kuò)展的充要條件為KⅠt≥KⅠC,KⅠC為巖體斷裂韌度,MPa·m1/2。則可得能擴(kuò)展裂縫的極限深度hm:
(14)
邊坡裂縫起裂擴(kuò)展的判據(jù)為在滿水狀態(tài)下的深度h滿足:
h≥hm
(15)
式中:h為實(shí)際裂縫深度,m;hm為降雨作用下裂縫能起裂的極限深度,m。綜上,并非所有邊坡表面裂縫都能在裂縫水壓作用下起裂擴(kuò)展,只有初始深度足夠且充滿水時(shí),裂縫才會起裂擴(kuò)展,繼而影響邊坡穩(wěn)定性。
假設(shè)裂縫足夠深,當(dāng)裂縫導(dǎo)通后,由于后緣裂縫和潛在滑動(dòng)面形成一個(gè)完整的截排水系統(tǒng),且裂縫充水高度和降雨強(qiáng)度有著直接關(guān)系,根據(jù)劉才華等[1]的研究成果,可以導(dǎo)出臨界降雨強(qiáng)度qcr的表達(dá)式為:
(16)
式中:b0為層面開度;k為層面滲透系數(shù);ψ為徑流系數(shù);l為滑面長度,m;A為匯水面積,m2。
至此,可以根據(jù)臨界降水強(qiáng)度qcr或臨界充水高度hm的表達(dá)式來作為邊坡失穩(wěn)破壞的判據(jù)。
降雨和爆破是導(dǎo)致邊坡后緣裂縫擴(kuò)展的2種主要因素,又因?yàn)檫吰率Х€(wěn)經(jīng)常發(fā)生在雨季,可認(rèn)為是在裂縫滿水狀態(tài)下的靜水壓力與爆破荷載的共同作用,圖3為降雨和爆破共同作用下的裂縫擴(kuò)展示意圖。根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度疊加原理[13]可知,在降雨和爆破共同作用下的邊坡后緣裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為:
KⅠ=KⅠs+KⅠt
(17)
圖3 降雨和爆破2種工況下裂縫擴(kuò)展示意Fig.3 The sketch of crack propagation under two working conditions of rainfall and blasting
對充滿水的裂縫在已知深度為h時(shí),在其尖端所形成的應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅠt是確定的。若此時(shí)能夠滿足KⅠt≥KⅠC,則裂縫開始擴(kuò)展,否則裂縫的擴(kuò)展由爆破荷載的大小決定。據(jù)式(5)、(14)和(17)可求得邊坡裂縫在爆破和降雨共同作用下的最小臨界爆破藥量Qmc:
(18)
同理,對具體的實(shí)際現(xiàn)場爆破條件而言,每次爆破藥量是可控和確定的,則可得在降雨和爆破共同作用下裂縫的極限深度hmc。當(dāng)滿足h≥hmc時(shí),可定量判別爆破和降雨共同作用下邊坡的危險(xiǎn)性,實(shí)現(xiàn)超前預(yù)警。
格里菲斯(Griffith)能量準(zhǔn)則認(rèn)為[14-15]:當(dāng)材料內(nèi)部裂縫在外界條件作用下集聚的彈性能大于裂縫擴(kuò)展所要做的阻力功時(shí),裂縫便開始擴(kuò)展。用G表示裂縫擴(kuò)展單位長度能量釋放率,GC表示裂縫擴(kuò)展單位面積所消耗的能量:
(19)
(20)
式中:Δa為裂縫擴(kuò)展長度,m;σt為邊坡巖體抗拉強(qiáng)度,MPa;ν為裂紋尖端位移,m。將式(3)帶入上式,此時(shí)令r=x;將裂縫尖端作為坐標(biāo)原點(diǎn)來計(jì)算相應(yīng)點(diǎn)的空間位移,此時(shí)令r=Δa-x,θ=π。將得到的σy和v的表達(dá)式代入上式得:
(21)
(22)
式中:μ為泊松比;σy為裂紋尖端應(yīng)力,MPa;E為彈性模量,MPa。
裂縫擴(kuò)展鎖固段長度所釋放的能量,一部分用于裂縫擴(kuò)展所要做的阻力功時(shí);另一部分給邊坡滑體ABCD一個(gè)初始動(dòng)能,使其產(chǎn)生一個(gè)初始位移。雨水通過裂縫滲入滑面DC,弱化相關(guān)參數(shù),在反復(fù)爆破作用下,最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。
圖4為邊坡裂縫斷裂后沿滑動(dòng)面滑動(dòng)示意圖,據(jù)前述分析和能量守恒定律可得:
W+Mdsinα=FSd
(23)
式中:W表示裂縫克服鎖固端長度a擴(kuò)展后所釋放的多余能量,J;d為邊坡滑動(dòng)塊ABCD沿滑面滑動(dòng)距離,m;M為滑塊重力,kN;FS為滑動(dòng)面上的滑動(dòng)阻力,kN。
(24)
FS=cL+Mcosαtanφ
(25)
圖4 邊坡斷裂塊體受力分析Fig.4 The dig of stress analysis on slope fracture block
根據(jù)圖4中的幾何關(guān)系可得滑坡體總重量為:
(26)
式(25)和(26)中:M為滑塊重力,kN;c為滑動(dòng)面上的黏聚力,MPa;φ為滑動(dòng)面上內(nèi)摩擦角,(°);α為滑面傾角,(°);β為邊坡傾角,(°);γ為巖體容重,kN/m3;H為邊坡高度,m。
結(jié)合式(23)和(25)求得坡體滑動(dòng)距離d:
(27)
綜上,邊坡穩(wěn)定與否主要在于中部鎖固段長度。當(dāng)爆破藥量較小時(shí),裂縫不能開裂,邊坡穩(wěn)定。在滿水狀態(tài),隨著爆破藥量的增加,鎖固段擴(kuò)展長度在增加,當(dāng)裂縫與弱層和面導(dǎo)通后,雨水沿貫通裂縫滲入滑面,使其抗滑能力大大降低。裂縫擴(kuò)展釋放多余的彈性能會給滑體一個(gè)初始動(dòng)能,隨著爆破次數(shù)的累積,最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。
為驗(yàn)證本文理論計(jì)算的合理性,以弓長嶺露天鐵礦獨(dú)木采區(qū)采場北幫一處巖質(zhì)斜坡為例進(jìn)行分析。獨(dú)木采區(qū)北幫是礦體的上盤,北幫中西部有幾處與采場邊坡近似平行的東西斷層所形成的滑體,頻繁爆破開挖直接誘發(fā)了邊坡的滑坡,邊坡的前緣為車道,下方還有繼續(xù)作業(yè)區(qū)域,滑坡對其下方作業(yè)人員造成了巨大生命威脅,影響了正常生產(chǎn),帶來了重大的經(jīng)濟(jì)損失。以其中一處滑坡點(diǎn)為算例,揭示導(dǎo)致其失穩(wěn)的爆破和降雨條件。通過現(xiàn)場勘察,邊坡后緣在爆破作用下,在坡體后緣萌生一條深度h=5 m的裂縫,現(xiàn)計(jì)算邊坡在降雨和爆破荷載作用下裂縫的擴(kuò)展情況及其裂縫邊坡失穩(wěn)的臨界深度判據(jù)。
據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),取巖體斷裂韌性指標(biāo)為KⅠC=0.442 MPa·m1/2。圖5是根據(jù)式(10)以及相關(guān)參數(shù)所畫的后緣裂縫初始水深與裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系曲線圖,裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著后緣裂縫所集聚水深度的增加而增大。在h=16 m時(shí),裂縫起裂擴(kuò)展。當(dāng)巖體后緣裂縫深度h=5 m時(shí),遠(yuǎn)小于降雨作用下裂縫擴(kuò)展的極限深度,故降雨作用下的坡體是穩(wěn)定的。
圖5 后緣裂縫水深度與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系Fig.5 The relationship between water depth of crack and stress intensity factor at crack tip
取相關(guān)參數(shù):邊坡巖體密度ρ=2.4 g/cm3;縱波速度v=2 400 m/s;爆破位置到裂縫的距離R=150 m;K=250 MPa·m1/2;b=1.5。裂縫深度h=5 m時(shí),裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨單次爆破藥量的變化關(guān)系曲線如圖6所示,裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨單次爆破藥量的增加而增大。在Q=162 kg時(shí),裂縫起裂擴(kuò)展。
圖6 爆破藥量與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系Fig.6 The relationship between blasting charge and stress intensity factor at crack tip
圖7為裂縫開始擴(kuò)展失穩(wěn)的臨界深度與單次最大爆破藥量之間的關(guān)系曲線圖。顯然,單次爆破藥量越少,裂縫擴(kuò)展所需的臨界深度就越大。因此,在爆破藥量足夠多時(shí)可誘發(fā)大量一般深度的裂縫擴(kuò)展貫通,當(dāng)單次爆破藥量達(dá)到800 kg時(shí),則可誘發(fā)1 m左右的裂縫擴(kuò)展,所以可以通過控制爆破藥量來預(yù)防滑坡的發(fā)生。
圖7 裂縫擴(kuò)展的臨界深度與爆破藥量關(guān)系Fig.7 The relationship between critical depth of crack propagation and blasting charge
圖8為爆破藥量與降雨和爆破共同作用下的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系曲線。從圖8可知,降雨作用下裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子為0.08 MPa·m1/2,并不能使裂縫開裂,即邊坡穩(wěn)定。但是,隨著爆破藥量的增加,裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子增大,在Q=109 kg時(shí),裂縫起裂擴(kuò)展。
圖8 爆破藥量與降雨和爆破共同作用下的裂紋尖端 應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系Fig.8 The relationship between blasting charge and Stress intensity factor of crack tip under coupling of rainfall and blasting
圖9為在降雨充足條件下,裂縫在滿水時(shí)擴(kuò)展所需要的單次最小爆破藥量關(guān)系曲線圖。顯然,充滿水的裂縫深度越小,爆破作用下越難擴(kuò)展。換而言之,對于任一裂縫擴(kuò)展而言,爆破和降雨共同作用下存在一個(gè)極小的臨界爆破藥量Qmc。相反,對于確定的爆破藥量而言,在降雨作用下裂縫擴(kuò)展存在一個(gè)極小的臨界深度hmc,當(dāng)裂縫深度小于此值時(shí),裂縫在確定的爆破藥量作用下不會擴(kuò)展,邊坡是穩(wěn)定的。
圖9 爆破藥量與降雨和爆破共同作用下的裂縫擴(kuò)展 臨界深度的關(guān)系Fig.9 The relationship between blasting charge and critical depth of crack propagation under coupling of rainfall and blasting
根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查取邊坡相關(guān)參數(shù):裂縫初始深度h=5 m;坡高H=70 m;L=67 m,滑體質(zhì)量M=15 MN;巖層與坡面夾角α=45°;坡角β=60°;滑面黏聚力c=0.8 MPa;內(nèi)摩擦角φ=40°;彈性模量E為3.1 GPa,泊松比μ為0.26;單軸極限抗拉強(qiáng)度為3.2 MPa。
在爆破開挖過程中,考慮爆破和降雨共同作用,此時(shí)裂縫處于滿水狀態(tài),若用Q=100 kg爆破開挖時(shí),裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為K1=0.428 MPa·m1/2,小于坡體巖石斷裂韌性指標(biāo),邊坡穩(wěn)定。若用Q=150 kg時(shí)爆破時(shí),裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為K1=0.506 MPa·m1/2,此時(shí)裂縫會起裂擴(kuò)展。由于反復(fù)爆破作用,裂縫擴(kuò)展長度超過鎖固段長度a=3 m時(shí),克服裂縫擴(kuò)展多余的能量就會對滑體產(chǎn)生劇動(dòng)。將相關(guān)參數(shù)代入式(24),可得滑體的滑動(dòng)距離d為0.003 1 m。在降雨充足時(shí),雨水沿貫通裂縫灌入滑面,使其抗滑能力大大降低。邊坡滑體就會沿巖層滑面向臨空方向產(chǎn)生滑動(dòng)。
圖10為爆破藥量Q與鎖固段長度和爆破點(diǎn)到裂縫距離R關(guān)系曲線圖,從圖10可看出,隨著爆破點(diǎn)到裂縫距離的增加,相同爆破藥量對鎖固段起裂長度減?。划?dāng)爆破點(diǎn)到裂縫距離相同時(shí),單次爆破藥量越大,鎖固段的起裂長度越大。為了能在降雨充足時(shí)保持邊坡的穩(wěn)定,應(yīng)該采取減小開挖量和增加開挖次數(shù)的方法。
圖10 爆破藥量與鎖固段長度和爆破點(diǎn)到裂縫距離關(guān)系Fig.10 The relationship between blasting charge and length of locking section and distance from blasting point to crack
綜上,鎖固段長度是控制邊坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素,可通過減少開挖量和增加開挖次數(shù)來控制裂縫的起裂和擴(kuò)展長度,降低雨季中爆破開挖對邊坡穩(wěn)定性的影響。
1)在降雨和爆破共同作用下,坡體后緣張拉裂縫尖端所集聚的彈性勢能大于裂縫擴(kuò)展所做的阻力功而導(dǎo)致其擴(kuò)展貫通是邊坡失穩(wěn)的根本機(jī)制。
2)單一降雨作用并不能使裂縫開裂,但超爆的發(fā)生會使裂縫開裂,頻繁超爆現(xiàn)象會使裂縫擴(kuò)展超過鎖固段長度而與滑面貫通,雨水沿貫通裂縫滲入滑面,繼而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。
3)不同深度裂縫開裂所需的爆破藥量不同,裂縫越深,其擴(kuò)展失穩(wěn)所需的臨界爆破藥量越小。當(dāng)可控爆破藥量時(shí),可對極限深度下的裂縫治理。
4)爆破和降雨共同作用下的裂縫擴(kuò)展需要的裂縫初始深度比單一因素作用時(shí)小很多。