王繼虎

(濟(jì)寧市水利工程施工公司，山東 濟(jì)寧 272000)

0 引 言

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)邊坡的穩(wěn)定性及邊坡的滑動(dòng)、垮塌等危險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)行大量的研究，然后對(duì)于高陡巖質(zhì)邊坡的應(yīng)力變形規(guī)律卻研究的較少。例如：黃小桂[1]等研究了軟巖陡傾邊坡傾倒變形過(guò)程特征，并提出了相應(yīng)的處置方案，為邊坡的穩(wěn)定性及道路的安全性做出了巨大的貢獻(xiàn)；羅健平[2]采用強(qiáng)度折減法和飽和非飽和流固耦合理論研究了降雨條件下邊坡的穩(wěn)定性及不同降雨時(shí)長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，并提出了相應(yīng)的治理措施；付釗龍[3]采用離散元分析軟件PFC，研究了軟硬互層順向巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)變形規(guī)律，為工程的安全施工提供了科學(xué)依據(jù)；黨力[4]等通過(guò)構(gòu)建三維有限元模型，分析研究了東莊水庫(kù)水墊塘高陡邊坡施工期變形特性，發(fā)現(xiàn)邊坡在施工期間存在大量的的變形現(xiàn)象，并為其提供了良好的治理措施，為工程的正常施工提供了安全保證。曾錦繡[5]研究了邊坡在受破壞時(shí)，邊坡的有效治理措施，文中基于上限法的科學(xué)理論，研究了抗滑樁的設(shè)計(jì)，并提出了雙排抗滑樁的治理措施。范新宇[6]等研究了某水電站溢洪道邊坡在受爆破擾動(dòng)下的邊坡穩(wěn)定性，并研究了對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的主要因素，研究結(jié)果顯示，爆破振動(dòng)作用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有著舉足輕重的作用。

1 工程概況

某礦山為石灰?guī)r礦山，且該礦山屬中高山地區(qū)，地形較陡，開(kāi)采過(guò)程中形成了約90m高的高陡巖質(zhì)邊坡，且石灰?guī)r屬于沉積巖，礦區(qū)內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體局部較為破碎，且隨著開(kāi)采的進(jìn)行，在爆破擾動(dòng)的沖擊下，邊坡時(shí)常有浮石冒落現(xiàn)象，且該區(qū)域內(nèi)降雨量豐富，每年5-10月降水集中，且最大降雨量為900mm，由于石灰?guī)r具有較強(qiáng)的水力性質(zhì)，因此降雨對(duì)邊坡具有一定的不良影響，為保證礦山的安全生產(chǎn)，需對(duì)該礦山高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

高陡巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析的步驟主要分為：①對(duì)該高陡巖質(zhì)邊坡的巖石進(jìn)行取樣，并進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)，確定巖石的基本物理力學(xué)性質(zhì)；②通過(guò)所得到的巖石的物理力學(xué)性質(zhì)通過(guò)Hoek-Brown[7]強(qiáng)度準(zhǔn)則，將巖石的物理力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為巖體的物理力學(xué)性質(zhì)；③采用極限平衡法或強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，跟根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析邊坡的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律及特征(極限平衡法適用于完整巖體的穩(wěn)定性分析，強(qiáng)度折減法適用于巖體存在大量節(jié)理裂隙及巖體局部破碎的邊坡穩(wěn)定性分析，文章工程地質(zhì)條件中，高陡巖質(zhì)邊坡局部破碎且?guī)r體的節(jié)理裂隙極度發(fā)育，因此采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算)；④提出有效的邊坡治理措施。

2 力學(xué)試驗(yàn)

由于現(xiàn)場(chǎng)條件有限，無(wú)法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)巖體測(cè)試，因此采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔的方式，取具有代表性的巖芯，進(jìn)行室內(nèi)巖石力學(xué)性質(zhì)測(cè)定。試驗(yàn)前準(zhǔn)備的樣本，見(jiàn)圖1；單軸抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(部分圖件)，見(jiàn)圖2；劈裂抗拉試驗(yàn)曲線(部分圖件)，見(jiàn)圖3。

圖1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備的樣本

圖2 單軸抗壓試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(部分圖件)

圖3 劈裂抗拉試驗(yàn)曲線(部分圖件)

圖2和圖3基本反映了巖樣應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程曲線變形的一般規(guī)律，巖塊在外荷載作用下，產(chǎn)生變形，并伴隨著荷載的不斷增加，變形也不斷增加，當(dāng)荷載達(dá)到或超過(guò)某一定限度時(shí)，將導(dǎo)致巖塊的破壞。同時(shí)根據(jù)圖2可知該巖石的單軸抗壓強(qiáng)度為40.46MPa，彈性模量為11.40GPa，單軸抗拉強(qiáng)度為4.21MPa。

3 巖體的質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則及非煤露天礦邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 51016-2014)并結(jié)合下列公式可以得出可將巖石的物理力學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)化為巖體的物理力學(xué)性質(zhì)：

σcm=σc·

(1)

式中：Ei為完整巖石的彈性模量；Erm為巖體彈性模量；σcm為巖體抗壓強(qiáng)度；σt為巖體的抗拉強(qiáng)度。

將計(jì)算得出，巖體的物理力學(xué)參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 巖體的物理力學(xué)參數(shù)

4 高陡巖質(zhì)邊坡的變形規(guī)律

文章采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件對(duì)高陡巖質(zhì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，由于石灰?guī)r的物理力學(xué)性質(zhì)近似于摩爾-庫(kù)倫彈塑性物理本構(gòu)模型，因此文章采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性本構(gòu)模型建立高陡巖質(zhì)邊坡，并采用強(qiáng)度折減法對(duì)其邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征進(jìn)行分析研究。

4.1 邊坡的水平位移分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間工程地質(zhì)條件，采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件建立三維地質(zhì)邊坡計(jì)算模型，并對(duì)邊坡的水平位移和邊坡的最大主應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，研究在自然狀態(tài)和暴雨兩種條件下的邊坡的應(yīng)力應(yīng)變特征。

1)自然狀態(tài)的邊坡的位移分析：自然狀態(tài)下邊坡水平形變量，見(jiàn)圖4。

圖4 自然狀態(tài)下邊坡水平形變量

從圖4可以看出，露天臺(tái)階邊坡水平位移方向指向臨空面，單位為正，最大水平位移約為1.10mm，主要集中在臺(tái)階坡面處，邊坡整體未出現(xiàn)大的位移。

2)暴雨條件下邊坡的位移分析：暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡水平形變量，見(jiàn)圖5。

圖5 暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡水平形變量

從圖5可以看出，邊坡開(kāi)挖結(jié)束后，在暴雨工況下，巖體受降雨和滲流作用的影響，力學(xué)強(qiáng)度降低，出現(xiàn)水平方向的最大位移量約為1.44mm，方向指向坡外，單位為正，與自然工況相比在暴雨作用下臺(tái)階坡面水平位移增加了0.34mm，主要集中在臺(tái)階坡面處，邊坡整體未出現(xiàn)大的位移。

4.2 邊坡的最大主應(yīng)力分析

根據(jù)上述分析可知，暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡水平形變量高于自然狀態(tài)下的邊坡的水平形變量。由此可暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡更不穩(wěn)定。因此，為更接近實(shí)際的描述邊坡的應(yīng)力分布狀態(tài)，確保邊坡的穩(wěn)定性。此次將暴雨?duì)顟B(tài)下的邊坡的最大主應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并根據(jù)邊坡的高度，由上至下每個(gè)平臺(tái)均設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。暴雨?duì)顟B(tài)下最大主應(yīng)力分布圖，見(jiàn)圖6。

圖6 暴雨?duì)顟B(tài)下最大主應(yīng)力分布圖

圖6可以得知暴雨過(guò)后邊坡最大主應(yīng)力為0.18MPa未超過(guò)巖體的極限抗拉強(qiáng)度；結(jié)合最大主應(yīng)力歷史記錄圖發(fā)現(xiàn)，5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中應(yīng)力最大為0.21MPa，最小為0.20MPa。監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷史記錄最大主應(yīng)力十分接近巖體的極限抗拉強(qiáng)度但均沒(méi)有超過(guò)，因此綜上可以得出，該邊坡在暴雨的作用下邊坡表面在不同位置產(chǎn)生了不同程度的巖石裂縫，并沒(méi)有產(chǎn)生滑坡，但是邊坡局部會(huì)有浮石冒落，邊坡產(chǎn)生的明顯位移為邊坡局部巖體開(kāi)裂所致。

5 結(jié) 論

文章以某礦山高陡巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，分別研究了邊坡在自然狀態(tài)及暴雨?duì)顟B(tài)兩種不同工況下，邊坡的水平位移及最大主應(yīng)力分布情況。主要研究結(jié)果為：

1)自然狀態(tài)下邊坡的水平最大位移為1.10mm，暴雨?duì)顟B(tài)下邊坡的水平最大位移為1.44mm，且最大主應(yīng)力為0.21MPa，最小為0.20MPa。

2)巖體的最大主應(yīng)力并未超過(guò)巖體的極限抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明該高陡巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。說(shuō)明該邊坡在暴雨的作用下邊坡表面在不同位置產(chǎn)生了不同程度的巖石裂縫，并沒(méi)有產(chǎn)生滑坡，但是邊坡局部會(huì)有浮石冒落，邊坡產(chǎn)生的明顯位移為邊坡局部巖體開(kāi)裂所致。