渗水边坡岩体时变强度参数修正与稳定性分析*

李海洲　张　璐　马伟伟

(1.山东理工大学资源与环境工程学院；2.山东理工大学建筑工程学院；3.中钢集团工程设计研究院)



渗水边坡岩体时变强度参数修正与稳定性分析*

李海洲1张璐2马伟伟3

(1.山东理工大学资源与环境工程学院；2.山东理工大学建筑工程学院；3.中钢集团工程设计研究院)

以某露天矿渗水边坡黑云片麻岩为研究对象，进行了不同浸水时间条件下黑云母片麻岩的常规试验，并结合Hoek-Blown准则估算了浸水黑云片麻岩岩体的时变强度参数(岩体等效黏聚力、岩体等效摩擦角)，结果表明：估算的岩体等效摩擦角偏高，与《工程岩体分级标准》(GB50218-94)要求不符。在此基础上，应用FLAC3D软件进行了黑云片麻岩岩体的假三轴模拟试验，计算修正了浸水黑云片麻岩岩体等效摩擦角，选取了露天渗水边坡典型区段建立了三维数值分析模型，计算分析了渗水边坡不同时期的稳定性，为矿山边坡动态安全预警提供了理论依据。

渗水边坡时变强度稳定性分析黑云片麻岩Hoek-Blown准则边坡动态安全预警

岩体的水-岩作用一直是近年来的研究热点，国内外学者对此进行了深入研究，成果丰硕[1-8]。该类成果大多集中于分析含水率及含水状态对岩石物理力学参数的影响，而对浸水岩体的强度参数尚未进行准确的估算。岩体强度参数的变化规律对于岩石的工程稳定性评价具有重要作用，目前，有关岩体的强度参数随含水率、浸水时间变化规律的研究成果鲜有报道[9-12]。故本研究以某露天矿渗水边坡黑云片麻岩为例进行室内常规试验，分析岩石强度随浸水时间的变化规律，并结合Hoek-brown准则，估算浸水岩体时变强度。应用FLAC3D软件进行岩石试块的假三轴模拟试验，对浸水黑云片麻岩岩体等效摩擦角进行修正，并对渗水边坡不同时期的稳定性进行分析。

1　岩体时变强度参数估算

1.1黑云片麻岩抗压、抗拉试验

试验所用岩石取自某露天矿山现场的黑云片麻岩，制作了尺寸为φ50mm×100mm的圆柱体标准试件(图1)，分析浸水时间对饱水岩石强度及变形特征等物理力学参数的影响规律。岩石的单轴抗压强度试验采用TAW-3000微机控制电液伺服试验机，同时配备应力传感器和UCOM-60A静态采集仪对岩石所加荷载及横纵向变形进行量测。岩石的抗拉强度采用YAW-300微机控制电液伺服直剪试验机的轴力加载系统配合巴西劈裂加载装置(图2)进行测定。分别对浸水时间为1，7，15，30，60d的黑云片麻岩进行了试验，结果见图3、图4，岩石力学参数见表1。

图1　黑云片麻岩部分岩石试件

图2　TAW-3000及YAW-300电液伺服试验机

图3　岩石应力-应变曲线

1.2岩体时变强度估算结果

根据边坡地质资料并结合Hoek-Brown强度准则计算了黑云片麻岩岩体强度参数，结果见表2。

图4　岩石拉压比随时间的变化曲线表1　不同浸水时间条件下的岩石力学参数

浸水时间/d单轴抗压强度/MPa单轴抗拉强度/MPa岩石拉压比17610.4880.1387679.7150.14515649.5360.14930578.8920.15660487.7280.161

表2　岩体时变强度参数

2　岩体时变强度参数修正

根据《工程岩体分级标准》(GB50218-94)，Ⅲ～Ⅳ级岩体的内摩擦角为27°～50°，本研究根据Hoek-Brown准则计算的岩体摩擦角数值偏高，故采用FLAC3D软件，通过数值模拟试验对岩体时变强度参数进行修正。

2.1数值模型构建

假三轴抗压强度样尺寸为φ50mm×100mm，试验模型见图5。

图5　假三轴抗压强度数值试验模型

该模型参数以黑云片麻岩时变抗压强度、抗拉强度为基础，通过施加不同围压，得到不同浸水时间下岩体模型的应力-应变特性曲线。浸水1d模型试块的应力-应变特性曲线见图6，不同浸水时间下试验模型在不同围压下的峰值强度参数见表3。

图6　浸水1 d试块应力-应变特性曲线

表3　试验模型在不同围压下的峰值强度MPa

2.2浸水岩体等效摩擦角修正

应用σ1-σ3法求解岩体等效摩擦角，用最小二乘法确定了回归方程：

式中，σ1为岩体峰值强度，MPa；σ3为岩体围压，MPa；φ为岩体等效摩擦角，(°)；a、b为计算系数。

根据上式，可求得不同浸水时间下岩体的等效摩擦角，结果见表4。

表4　不同浸水时间对应的岩体等效摩擦角

综合上述分析，修正后渗水边坡不同浸水时间对应的黑云片麻岩岩体的等效强度参数见表5，变化曲线见图7。

表5　不同浸水时间对应的岩体等效强度参数

图7　浸水黑云片麻岩岩体强度参数变化曲线●—原始曲线；……—拟合曲线

3　渗水边坡稳定性分析

选取该露天渗水边坡典型区段建立了如图8所示的三维数值模型，该模型长200m，宽210m，高102m。由于露天边坡渗水主要发生在片麻岩岩层，渗水对其强度影响较大，根据浸水片麻岩岩体强度参数变化曲线，计算了较长浸水时间对应的(1个月、3个月、6个月、9个月、12个月)片麻岩岩体的强度参数， 其他各层岩体强度参数不发生变化，计算所用的各层岩体强度参数见表6。渗水边坡的安全系数随岩体浸水时间的变化曲线见图9。

图8　渗水边坡数值计算模型表6　渗水边坡稳定性计算岩体强度参数

岩土名称容重/(kN/m3)黏聚力/kPa摩擦角/(°)第四系18.04620.0片麻岩25.0473(初始值)24.4(初始值)磁铁石英岩28.048732.0混合花岗岩25.656234.0

图9　渗水边坡安全系数变化曲线●—原始曲线；……—拟合曲线

4　结　语

以某露天矿渗水边坡黑云片麻岩为例，通过常规室内实验，分析了不同浸水时间下岩石的强度弱化规律，结合Hoek-blown准则估算了黑云片麻岩岩体的时变力学参数。采用FLAC3D软件，通过黑云片麻岩岩体假三轴模拟试验，修正了浸水黑云片麻岩岩体等效摩擦角。选取该边坡的典型渗水边坡区段构建了数值计算模型，详细分析了渗水边坡在不同时期的稳定性，对于矿山边坡的有效治理有一定的参考价值。

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StabilityAnalysisandTime-varyingStrengthCorrectionofRockMassofSeepageSlope

LiHaizhou1ZhangLu2MaWeiwei3

(1.CollegeofResourcesandEnvironmentEngineering,ShangdongUniversityofTechnology;2.CollegeofArchitectureEngineering,ShangdongUniversityofTechnology;3.SinosteelEngineeringDesignandResearchInstitute)

Takingthebiotitegneissoftheseepageslopeofaopen-pitmineastheresearchexample,theroutinetestofbiotitegneissundertheconditionsofdifferentimmersiontimeisconducted,thetime-varyingstrengthparameters(equivalentcohesiveforceofrockmassandequivalentfrictionangleofrockmass)oftherockmassofinundatebiotitegneissarecalculatedbyadoptingtheHoek-Blowncriterion,theresultsshowthattheequivalentfrictionangleofrockmassislargerthanthecalculationresultsofHoek-Blowncriterion,itisnotaccordwiththerequirementsof"engineeringrockmassclassificationstandard" (GB50218-94).Basedontheaboveanalysisresults,thefalsetriaxialsimulationtestoftherockmassofbiotitegneissisdonebyadoptingtheFLAC3Dsoftware,thetheequivalentfrictionangleofrockmassofinundatebiotitegneissiscorrected,besidesthat,thetypicalsectionofopen-pitseepageslopeisselectedtoestablishthethree-dimensionalnumericalanalysismodeltoanalyzethestabilityofseepageslopeindifferenttime.Theaboveresearchresultsinthispapercanprovidethetheoreticalfoundationformineslopedynamicsafetywarning.

Seepageslope,Time-varyingstrength,Stabilityanalysis,Biotitegneiss,Hoek-Blowncriterion,Slopedynamicsafetywarning

2016-05-30)

*山东省自然科学基金项目(编号：ZR2015EL016)；山东理工大学博士基金项目(编号：4041413046；4041414025)。

李海洲(1982—)，男，讲师，博士，255049 山东省淄博市张周路12号。