顺层岩质边坡滑坡机理分析及工程治理*

熊齐欢 田 路 刁 虎

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司;4.首钢矿业公司水厂铁矿)

顺层岩质边坡滑坡机理分析及工程治理*

熊齐欢1,2,3田 路4刁 虎1,2,3

(1.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司;2.金属矿山安全与健康国家重点实验室;3.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司;4.首钢矿业公司水厂铁矿)

为了应对顺层岩质边坡的潜在威胁，从力学角度分析，得出顺层岩质边坡的3种平面破坏类型及各破坏类型的发生条件和影响因素，在此基础上，研究了预应力锚杆(索)加固机理。随着预应力的施加，滑面上下岩体之间的相互挤压提高，同时潜在滑体的破坏模式也由第一向第二、第三类型发展，提高了滑坡条件，有利于边坡的稳定与安全。以水厂铁矿K2路基顺层岩质边坡为例，分析了该边坡的破坏类型，计算了加固方案中的相关参数，得到了良好的加固效果。

顺层岩质边坡 破坏机理 治理

顺层岩质边坡与坡面的走向、倾向基本相同，主要由沉积岩、变质沉积岩经风化或者开挖卸载后回弹所形成，具有节理裂隙发育、结构面贯通性好等特点，因此其结构面强度低，潜在滑面多，加固困难。

在岩土工程的理论研究与实践中，对于滑坡边坡诱发机理的研究一直是一个难题[1-2]。唐建新等根据高速公路边坡的演化过程，分析了不同产状边坡在人工开挖作用下的滑坡机理[3]；张明等研究了降雨作用下边坡失稳机理[4]；邹宗兴等根据滑坡滑面的发展状态，研究了滑坡过程中滑坡力学参数的弱化规律并提出了破坏地质力学模型[5]；吴坤等通过对渝湘高速黔江段地质勘查分析以及试验结果，深入研究了滑动破坏的机理并提供了相应的治理措施[6]。但对矿山顺层边坡在动力作用下的破坏机理研究相对较少，本文针对水厂铁矿露天矿山K2路基边坡滑坡机理进行分析，并提出相应的治理措施。

1 顺层岩质边坡力学破坏分析

根据坡面角α、岩层倾角β和结构面的内摩擦角φ之间的关系，将顺层岩质坡面分为六类。在静力作用下，当φ<β<α时，顺层岩质边坡不稳[7],在地震、爆破作业、人工开挖或雨水冲刷等外界诱导下，其他几类边坡都可能发生失稳与破坏。

图1 滑体受力示意

在y方向合力为：

(1)

在x方向的合力为：

(2)

式中，fix、fiy分别为各力Fi沿坡面方向和垂直坡面方向的合力。

在动力作用下，滑体除了可能沿滑面发生滑动破坏外，还可能向凌空面发生抛掷破坏。

1.1 第一破坏模式

当Fy大于岩桥的极限抗拉荷载时，滑体在垂直滑面方向失去平衡，在y方向外力作用下，滑体产生垂直于滑面方向的加速度，并飞离基岩，呈现抛掷破坏。此时的破坏条件可表示为：

Fy>klσc,

(3)

式中，k为岩体结构面连续性系数；l为潜在滑面长度；σc为岩桥抗拉强度。

另外，工作坊虽然可以为学生提供自主学习、探索创新的平台，其不仅需要从教学方法上进行探讨，还要从硬件环境上予以保证[12]：学校要为工作坊提供充足的工作空间、设备、材料和制度支持等，如：建立完善的校内专业实训室并坚持对学生开放，选聘优秀的实训教师，鼓励学生申报科研项目、实践训练项目和创新项目，做好管理工作等，保证工作坊的健康、可持续发展。

1.2 第二破坏模式

当Fy沿y轴负向，但x方向抗滑力不足以抵消该方向的下滑力时，滑体呈现平面滑动破坏。此时的破坏条件可表示为：

(4)

式中，τ0为岩桥的抗剪强度;Fn为滑体与滑床之间的挤压弹力。

1.3 第三破坏模式

当Fy沿y轴正向，但是Fy不足以抵抗岩桥的抗拉力，x方向的抗滑力不足以抵消下滑力时，滑体同样呈现平面滑动破坏。其破坏条件为：

(5)

岩石抗压不抗拉，在第一破坏模式下岩桥极易发生破坏，然而只有在强震作用下，垂直坡面方向动力才可能克服滑体重力在垂直坡面方向的分力，使得Fy>klσc>0，导致滑体抛掷破坏。由于岩石的抗拉强度很小，对其抗剪强度试验结果反推，拉剪强度应小于其压剪强度。比较式(4)、式(5)也很容易发现，第三破坏模式比第二破坏模式中岩体的破坏强度要小很多。如果岩体呈现第三破坏形式时，同样要克服岩体重力沿坡面方向的分力，所以该破坏形式与第一破坏形式条件类似，即高陡边坡在强震作用下发生；第二种破坏形式最常见，很多滑坡机理的研究都是基于这种破坏形式展开的，然而在该滑坡形式下，滑体的强度较第一、第三要大很多。

2 加固机理

在滑体力学破坏机理的分析中，当Δx、Δy中有一个不等于0时，边坡便呈现失稳状态，因此加固方案的基本出发点是通过改变滑体的应力状态，避免x方向或y方向受力的不平衡。

在预应力锚索+框架梁联合加固体系中，预应力的施加可以减小Fy的大小，甚至可以改变动力作用下Fy方向，使其由第一破坏模式向第三、第二模式发展。在前面的力学分析中可知，岩体破坏强度的大小顺序依次是第二、第三、第一，因此预应力的施加在改变破坏形式的同时也改变了滑体的应力状态，提升了滑体的稳定性。

随着动力荷载的增加，潜在滑体也可能由原来的第二破坏模式转向第三、第一类型，那么岩体的强度也会相应减小，由原来的压剪强度转向抗拉强度，因此在强震过程中，除了要考虑强大的动力作用外，还应考虑此时强度的损失值。所以预先对动力荷载予以考虑，分析该区域在最大动荷载作用下岩体可能发生的破坏模式，然后根据对应模式的边坡强度关系进行合理的框锚布置。

在最优加固角下加固时，锚索的预应力除了在-y方向存在分量外，在-x方向存在一定的分力，所以在第二破坏模式中，预应力既增加了滑体与滑床之间的挤压力Fn，又减小了Fx的大小，使得破坏条件(式4)变得更加难以实现，即滑体的稳定性得到了加强。

3 工程加固实例

水厂铁矿为大型火山沉积变质岩型磁铁矿床，矿区内节理裂隙发育，大小断层40余条，矿区南帮岩体节理裂隙的倾向与台阶边坡基本相同，倾角为20°～80°，并且结构面贯通系数较高，非常不利于边坡的安全与稳定，再加上周边长期的爆破动力作用，以及北方冬天雨雪的冻融、胀裂作用，在靠帮开采过程中，该区域多次发生局部滑坡坍塌。为了保证该区域的运输皮带安全，必须进行工程加固。

根据现场勘察与分析，该滑体主要滑面与水平方向呈30°，如图2所示。

图2 滑体示意

计算滑体重力：G=2.2×107N，水平、竖直动力：D1=D2=kcG=1.1×106N.

(6)

(7)

式中，kc为动力影响系数,取0.05。

由于Fy<0，因此该边坡的破坏为第二种类型。为使岩体处于平衡状态，下滑力与抗滑力基本相等，因此需要通过加固给滑体，即ΔF=0.15Fx=1.8×106N.

根据最优加固角与滑面之间的关系得到：γ=φ-(α-β)=15°.边坡所需要施加的预应力满足：

ΔF=Psin(γ+β)+Pcos(γ+β)tanφ ,

(8)

加固力：

(9)

单位面积加固力：

(10)

锚杆之间的行间距为3.6 m×3.6 m，单个锚杆至少提供212 kN的预应力，才能保证边坡体的安全储备满足规范要求。框锚布置见图3，施工效果见图4。

4 结 论

(1)顺层岩质边坡的滑坡存在3种破坏模式，其中第一种破坏模式下边坡自身强度最小，第二种破坏模式下最大，通常情况下顺层岩质边坡都处于第二种破坏模式。当高陡边坡在强动力作用下(强地震或近距离爆破)，可能出现第一、第三破坏模式。

图3 框锚布置

图4 加固效果

(2)预应力锚索的加固不仅可以直接提高滑坡体的抗滑力，而且可以改变动力作用下边坡破坏模式，间接增强了滑体的安全性能。

(3)水厂铁矿K2路基边坡在滑动前存在第二类破坏模式的趋势，采用预应力锚杆—框架梁结构对其进行加固处理后，位移监测效果显示，加固效果良好。

[1] 吴树人,石菊松，张永双，等.滑坡宏观机理研究—以长江三峡库区为列[J].地质通报，2006(7):874-879.

[2] 王凤娟.山体滑坡机理及监测技术比较[J].矿业工程，2011(6):21-22.

[3] 唐建新，蔡世明，魏作安，等.万梁高速公路J合同段3#边坡滑坡机理探讨[J].岩土力学，2002(12):825-830.

[4] 张 明，胡瑞林，谭儒蛟，等.降雨型滑坡研究的发展现状与展望[J].工程勘察，2009(3):11-17.

[5] 邹宗兴，唐辉明，熊承仁，等.大型顺层岩质滑坡渐进破坏地质力学模型与稳定性分析[J].岩石力学与工程学报，2012(11):2222-2231.

[6] 吴 坤，郑立宁，王文远，等.渝湘高速公路黔江长大顺层滑坡破坏机理与整治[J].路基工程，2011(6):174-176.

[7] 赵 文，曹 平，章 光.岩石力学[M].长沙：中南大学出版社，2010.

Analysis of the Mechanism of the Landslide and Its Engineering Management of the Bedding Rock Slope

Xiong Qihuan1,2,3Tian Lu4Diao Hu1,2,3

(1. Sinosteel Maanshan Institute of Mining Research Co.,Ltd.; 2. State Key Laboratory of Safety and Health for Metal Mine; 3. Huawei National Engineering Research Center of High Efficient Cyclic and Utilization of Metallic Mineral Resources Co.,Ltd.; 4. Shuichang Iron Mine,Shougang Mining Company)

In order to deal with the potential threats brought from the bedding rock slope, three surface damage types and the occurred conditions and influence factors of them are analyzed from the perspective of mechanics. Based on the above analysis results, reinforcement mechanism prestressed anchor rod (rope) is researched. With the increasing of prestress, the rock mass extrusion of the sliding surface is increased, at the same time, damage modes of the potential sliding surface are developing from the first damage type to the second and third damage type, therefore, the conditions of the landslide are improved, it is do good to the stability and safe of the slope. Taking the bedding rock slope of the K2 subgrade of Shuichang iron mine as an example, the damage types of the slope are analyzed, some related parameters of the reinforcement scheme are calculated. The research results show that the reinforcement effect is good.

Bedding rock slope, Damage mechanism, Management

*马鞍山市产学研科技计划项目(编号：2014-6)。

2015-04-24)

熊齐欢(1988—)，男，硕士，243000 安徽省马鞍山市经济开发区西塘路666号。