弱化后粗粒岩土力学特性及其对边坡稳定性的影响研究_费晓欧.pdf

第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 弱化后粗粒岩土力学特性及其对边坡稳定性的 影响研究 费晓欧 1， 缪海宾2， 3， 王庆花2， 3， 马明康2， 3， 赵 贺 2， 3 （1.辽宁石油化工大学 矿业工程学院， 辽宁 抚顺 113001； 2.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3.煤矿安全技术国家重点实验室, 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为探清某露天露天矿边坡长期积水后岩土体抗剪指标弱化情况， 分别对砂砾土、 泥岩及 两者混合样采取了固结不排水剪法进行了松散土岩大三轴剪切试验。 试验结果显示砂砾土剪切 强度和内摩擦角由 38 kPa 和 23.2降低为 7.4 kPa 和 18.8；泥岩的抗剪强度和内摩擦角由 136 kPa 和 27.3降低为 7.8 kPa 和 20.7。采用滑坡反分析验证了试验结果的可靠性， 并对现状边坡 进行了稳定性计算;结果表明， 边坡长期受水浸泡及风化影响， 其抗剪强度弱化明显， 不利于边坡 的安全， 该结果可为边坡稳定评价及参数优化提供科学依据。 关键词 边坡稳定性； 大三轴实验； 固结不排水剪法； 强度弱化； 滑坡 中图分类号 TD824.8文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 07-0066-04 Study on Mechanical Properties of Coarse Grained Rock and Soil After Weakening and Its Effect on Slope Stability FEI Xiaoou1, MIAO Haibin2,3, WANG Qinghua2,3, MA Mingkang2,3, ZHAO He2,3 （1.School of Mining Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun 113001, China;2.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;3.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To investigate the weakening situation of shear resistance index of rock and soil mass after long -term water accumulation in the slope of an open-pit mine, large triaxial shear tests of loose soil and rock are carried out by the consolidated undrained shear for gravel soil, mudstone and their mixture. The results show that the shear strength and internal friction angle of sand-gravel soil decreases from 38 kPa and 23.2 to 7.4 kPa and 18.8, respectively; meanwhile, the shear strength and internal friction angle of mudstone decreases from 136 kPa and 27.3 to 7.8 kPa and 20.7, respectively. The reliability of the test results is verified by back analysis of landslide, and the stability of the existing slope is calculated. The results show that the shear strength of the slope is obviously weakened due to long-term water immersion and weathering, which is not conducive to the safety of the slope. The results can provide a scientific basis for the slope stability uation and parameter optimization. Key words slope stability; large triaxial experiment; consolidated undrained shear ; strength weakening; landslide 某露天矿于 1975 年开始露天采矿， 1992 年停 产，后根据需求恢复生产，恢复生产前采坑内全部 积水， 水位标高 1 398 m。经过将近 1 亿 m3的积水 抽排后，矿坑边坡大面积出露，南帮边坡整体高度 达到 140 m， 西帮边坡高度达到 150 m。该矿区原始 地层岩性较复杂， 产状变化大， 岩石风化作用、 岩溶 作用强烈，松散软弱层厚度大。露天矿边坡在经过 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.07.013 费晓欧， 缪海宾， 王庆花， 等.弱化后粗粒岩土力学特性及其对边坡稳定性的影响研究 ［J］ . 煤矿安全， 2020， 51 （7） 66-69. FEI Xiaoou, MIAO Haibin, WANG Qinghua, et al. Study on Mechanical Properties of Coarse Grained Rock and Soil After Weakening and Its Effect on Slope Stability ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （7） 66-69. 基金项目中国煤炭科工集团有限公司科技创新创业资金专项资 助 项 目 （2019- QN002） ； 国 家 重 点 研 发 计 划 资 助 项 目 （2017YFC1503101） 移动扫码阅读 66 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 水的长期浸泡作用后，其岩土体强度已遭受一定程 度上的损伤；经过积水抽排及后期风化作用，其岩 土体强度进一步弱化。受水的软化及长期风化影 响，在抽水后矿区边坡出现较为明显的局部失稳破 坏，发生局部片帮和块石滚落现象。为防止露天矿 边坡发生大面积滑坡现象，需探清水及风化对矿区 边坡岩土体物理力学性质的影响作用。为此采用 SZ30-4D 型三轴剪切试验机对风化松散层进行剪切 试验，结合已滑坡区域滑坡反分析结果，综合确定 研究区域岩土体物理力学性质指标，为露天矿边坡 稳定评价及参数优化提供科学依据[1-4]。 1松散体大三轴剪切试验及结果 1.1试验方法 由于矿区边坡岩土长期受水及风化影响，采用 传统的四联剪切及单轴抗压等试验已无法充分体现 边坡岩土的实际力学特性，为此，采用松散体大三 轴直剪试验对对广泛分布于矿区边坡的砂砾土、 松 散泥岩及二者混合物进行试验[5-6]。大三轴剪切试验 是测定松散岩土抗剪强度的一种方法， 它通常用 3～ 4 个圆柱形试样， 分别在不同的恒定周围压力下， 施 加轴向压力，对试样进行剪切直至破坏；而后根据 莫尔-库伦破坏准则， 求得岩土体抗剪强度、 黏聚力 和内摩擦角等相关力学参数。为得到更加真实的试 验指标， 本次试验采用的是固结不排水剪 （CU） [7-8]。 大三轴直剪试验采用 SZ30-4D 型三轴剪切试 验机， 其适用于测定轴向应力不大于 17 MPa、 周围 压力不大于 3.0 MPa 的粗粒土岩抗剪强度及其变形 特性。该仪器能进行轴向应力、 应变、 周围压力、 孔 隙压力、试样体积变化和固结排水量等参数的测 试。设备采用油压方式完成轴向应力加载，对试样 的周围压力采用液压比例阀施加，反压力采用气压 平衡施加。仪器另配有水头压力、 真空抽气、 反压力 等 3 种不同的方式对试样进行饱和。 试样尺寸为 φ h300 mm600 mm， 每 3 个样为 1 组。 1.2试验结果 结合矿区岩土体的松散特性，本次试验分别就 砂砾土、松散泥岩及二者混合样进行了大三轴剪切 试验。砂砾土大三轴剪切试验结果如图 1，泥岩大 三轴剪切试验结果如图 2，砂砾土-泥岩混合样大 三轴剪切试验结果如图 3。 图 1 （a） 、 图 2 （a） 、 图 3 （a） 分别为 3 组试样主应 力差与轴向应变之间关系曲线， 相关系数 R 分别为 0.98、 0.97、 0.92， 相关性较高， 说明试验结果可靠。 图 1 （b） 、 图 2 （b） 、 图 3 （b） 分别为 3 组试样摩尔圆强度 包络线，受水浸泡及风化前后矿区岩土体力学特性 对比结果见表 1。 图 3砂砾土-泥岩混合样大三轴剪切试验结果 Fig.3Triaxial shear test results of gravel soil and mudstone mix sample 图 1砂砾土大三轴剪切试验结果 Fig.1Triaxial shear test results of gravel soil 图 2泥岩大三轴剪切试验结果 Fig.2Triaxial shear test results of mudstone 67 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 从对比结果可知，该矿砂砾土及泥岩层组抗剪 强度急剧弱化，在受长期受水浸泡及风化后，边坡 砂砾土的抗剪强度和内摩擦角由 8 kPa 和 23.2降 低为 7.4 kPa 和 18.8，泥岩的抗剪强度和内摩擦角 由 136 kPa 和 27.3降低为 7.8 kPa 和 20.7， 砂砾土 黏聚力降低 80.5、 内摩擦角降低 19.0， 泥岩黏聚 力降低 94.3、 内摩擦角降低 24.1， 结果表明水及 风化对边坡整体稳定性构成极其不利的影响，且对 黏聚力的影响要大于对内摩擦角的影响。 2滑坡反分析 滑坡的产生相当于一次大型岩体的剪切原位试 验， 它是采矿和地质综合作用的结果。因此， 利用滑 坡反分析得到的岩体抗剪强度往往更具代表性[9-11]。 根据地质资料分析及调查结果发现，矿区风化层厚 度一般为 60～100 m， 最大可达 120～130 m， 矿区曾 发生过较大的滑坡现象，滑坡剖面设为 FS-1 剖面 和 FS-2 剖面， 滑坡层位均发生在风化层中。 FS-1 剖 面滑坡前后对比图如图 4， FS-2 剖面滑坡前后对比 图如图 5。 在进行滑坡反分析时， 边坡处于极限平衡 状态， 此时边坡稳定系数取为 1.0。 FS-1 及 FS-2 2 个剖面滑坡反分析结果显示砂 砾土抗剪强度和内摩擦角为 7.2 kPa 和 19.0，泥岩 抗剪强度抗剪强度和内摩擦角为 8.1 kPa 和 21.1， 与弱化后砂砾土及泥岩试验结果相近，证明试验及 滑坡反分析结果是可靠的，可作为该矿研究区域边 坡稳定性评价依据。 3边坡稳定性影响 露天矿的边坡工程实践表明，露天矿边坡具有 以下特点 ①工程的时效性边坡大多属于临时性边 坡，服务年限长短不一，只要能保证相应期间的生 产与安全即可，边坡工程的时效性决定了其稳定性 也具有时效性;②边坡的可变形性可以允许产生一 定的破坏，只要这种变形及破坏不致影响露天矿的 安全生产即可，确保露天采矿能取得最大技术经济 效益的;③边坡工程的动态稳定性露天矿自始至终 处于复杂的动态开挖、 回填过程之中， 边坡稳定是一 个动态稳定的过程;④边坡稳定性认识的阶段性随 着露天矿开采，对矿山工程地质条件的认识不断的 深化，边坡稳定性评价的认知也具有阶段性，是与 露天矿生产不同阶段相适应。 根据 GB 501972015 煤炭工业露天矿设计规 范之有关规定[12]， 结合研究区边坡工程地质水文地 质条件的勘察程度、岩土体力学性质的掌握情况、 采矿活动影响、边坡的服务年限和边坡类型等综合 分析， 永久边坡的安全储备系数 Fs1.3。同时， 为了 考虑到全部平衡条件与边界条件，消除计算方法上 的误差，本次边坡稳定计算采用摩根斯坦-普瑞斯 （Morgenstern-Price） 法来确定矿坑现状边坡的安全 系数， 矿坑现状边坡稳定性计算结果见表 2。 露天矿的现状边坡稳定性计算结果显示 ① DW-1 剖面及 DS-1 剖面稳定系数大于 1.3， 作为永 久边坡， 其稳定系数满足安全储备要求； ②DW-2 剖 面和 MS-3 剖面，稳定系数分别为 1.203 和 1.205， 均不满足安全储备要求, 根据地质资料分析， DW-2 剖面 2 处相距 150 m 的钻孔资料显示均存在 1 层厚 图 4FS-1 剖面滑坡前后对比图 Fig.4Comparison of section FS-1 before and after landslide 砂砾土 泥岩 混合样 38 136 - 23.2 27.3 - 18.8 20.7 15.9 岩土样 名称 剪切强度 （弱化前） 黏聚力 /kPa 内摩擦 角/ （） 内摩擦 角/ （） 7.4 7.8 21.3 剪切强度 （弱化后） 黏聚力 /kPa 表 1抗剪强度对比结果 Table 1Comparison results of Shear Strength 图 5FS-2 剖面滑坡前后对比图 Fig.5Comparison of section FS-2 before and after landslide 68 ChaoXing 第 51 卷第 7 期 2020 年 7 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.7 Jul. 2020 作者简介 费晓欧 （1983） ， 女， 辽宁抚顺人， 讲师， 硕 士， 2009 年毕业于辽宁工业大学，从事矿业工程方面的教 学和科研工作。 （收稿日期 2019-11-07； 责任编辑 李力欣） 约 2 m 的泥岩弱层，长期受水浸泡及后期风化后， 可认为该剖面弱层已贯通，易形成沿该弱层滑动的 整体滑坡； MS-3 剖面所在区域风化强度大、 裂隙发 育、 风化厚度深 （约 150 m） ， 是稳定系数不足的主要 原因。 4结语 长期停产后复采的露天矿边坡受水浸泡、风化 等因素影响，极易出现局部边坡失稳破坏；采用大 三轴剪切仪分别对砂砾土、泥岩及两者混合样进行 了试验， 试验结果显示砂砾土黏聚力降低 80.5、 内 摩擦角降低 19.0， 泥岩黏聚力降低 94.3、 内摩擦 角降低 24.1， 不利于边坡的稳定； 对露天矿滑坡区 域进行了滑坡反分析，反分析结果与试验结果吻 合，认为试验结果是可靠的；对露天矿现状边坡进 行了稳定分析，由于长期受水及风化影响，边坡内 部弱层贯通，极易形成沿弱层滑动的整体滑坡， 稳 定性不足。 参考文献 ［1］ 杨天鸿， 芮勇勤， 李连崇， 等.顺层蠕动边坡变形破坏 机理及稳定性动态分析 ［J］ .工程地质学报， 2003， 11 （2） 155-161. ［2］ 缪海宾， 王建国， 王来贵.安太堡露天矿排土场基底黄 土过载现象数值模拟 ［J］ .辽宁工程技术大学学报 （自 然科学版） ， 2011， 30 （4） 489-492. ［3］ 王振伟， 王来贵， 王建国， 等.弱面控制蠕动边坡变形 机制及滑坡控制技术 ［J］ .辽宁工程技术大学学报 （自 然科学版） ， 2010， 29 （2） 197-200. ［4］ 肖平， 李惠发.露天矿高陡边坡变形破坏机理及稳定 性研究 ［J］ .露天采矿技术， 2016， 31（9） 25-29. ［5］ 罗智， 蔡国军， 卢远航， 等.粗粒土的大型三轴试验及 其变形与强度特性研究综述 ［J］ .四川建筑， 2013 （3） 91-93. ［6］ 吴月旭， 林彤， 杨闯.不同条件下巴东三中滑坡滑带土 大型三轴试验分析 ［J］ .地质科技情报， 2017 （3） 225. ［7］ 邹剑峰， 台德伟， 李振.高边坡黄土抗剪强度参数试验 研究 ［J］ .人民黄河， 2009 （11） 128-129. ［8］ 赵彦旭.压实黄土增湿变形的非饱和土力学研究 ［D］ . 兰州 兰州大学， 2011. ［9］ Luis-Fernando Contreras, Edwin T Brown. 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