基于相似材料试验的节理边坡稳定性分析

李长城

(中铁十九局集团矿业投资有限公司，北京 100161)

0 引 言

边坡工程的稳定性是露天矿安全生产的前提和重要保障，国内外有许多因露天矿边坡失稳导致生产事故的案例，如我国山西省平朔东露天矿发生了大规模滑坡，严重影响矿山生产；美国盐湖城宾汉峡谷铜矿发生滑坡，导致该铜矿生产规模减半。因此，边坡稳定性分析已成为近些年岩土工程研究的热点，通过诸多学者多年的研究，边坡稳定性分析取得了大量研究成果。苏杭等[1]使用相似材料试验研究了多级边坡施工效应，提出了影响重叠效应，并验证了锚索预应力能够有效地控制开挖卸荷作用对边坡变形的影响；陈从新等[2]使用相似材料试验，研究了不同岩体倾角对边坡稳定性的影响，得出了顺层边坡的主要破坏方式为滑动破坏；李聪等[3]对顺层节理边坡开挖进行的相似模型试验，研究了顺层边坡的锚固规律；杨乐等[4]对边坡相似材料的强度及弹性恢复特性进行了研究，得出了岩质边坡、碎屑堆积边坡及松散碎石土边坡相似材料强度的数值；詹志发等[5]对边坡相似材料配比及物理特性进行了研究，总结了国内外大量的相似材料配比方法，设计了多因素正交试验，分析了物理量与材料配比的敏感性，对边坡相似材料试验具有一定的指导意义；王乐华等[6]利用相似材料试验对卸荷的尺寸效应进行了研究，得出了岩体力学参数随岩体尺寸的变化关系；王瑞红等[7]通过室内试验研究了节理岩体变形的卸荷损伤作用，分析了不同卸荷水平状态对不同倾角节理的影响；王文明等[8]使用ABAQUS软件研究了有节理的岩质边坡在开挖卸荷条件下的稳定性；赵川等[9]利用数值分析软件对岩质边坡开挖卸荷深度进行了研究；刘磊等[10]在FLAC3D软件中开发了裂隙岩体卸荷损伤模型，并证明了考虑卸荷损伤更能反映坡体内部的真实情况；黄宜胜等[11]对岩质边坡的开挖卸荷进行了双曲线型非线性本构模型的研究，与试验拟合程度效果较好，并在三峡工程中成功应用。

袁家村露天矿节理裂隙高度发育，随着开采深度的逐步增加，节理滑移问题日益突出，边坡稳定性已经成为袁家村铁矿重点关注的问题。因此，深入研究由节理诱发的边坡破坏模式与机理，对矿山安全开采具有重要意义。

1 工程地质特征

袁家村矿区位于山西省岚县梁家庄乡袁家村，矿区南北长4.2 km，东西宽1.5～2.6 km。矿区共有矿体21个，其中10号矿体规模最大，为开采主矿体，其形态为巨大扁豆体。矿体全长2 600 m，平均厚度154.6 m，平均延深612.1 m，走向NNE，倾向SEE，倾角70°～80°。根据袁家村铁矿的赋存环境条件，该铁矿属于大型露天铁矿，埋藏深度深，后续开采将由山坡露天开采转为深凹开采。开采深度达到地表以下300～400 m，边坡垂直高度将达到600～700 m。袁家村铁矿西帮发育一组倾角为63°的节理，该节理面与台阶坡面近似平行，目前在开采过程中西帮区域已经出现大范围的顺倾向节理滑移现象，边坡稳定性较差。为了掌握开采过程中节理边坡的稳定性，本文开展了大型相似材料的物理模拟试验研究。

2 物理模型试验

2.1 相似材料试验介绍

利用与袁家村铁矿原型力学性质相似的材料，按一定比例缩制成模型，把实际工程缩小到一个模型试验中，然后进行试验测试，观测模型的应力、应变、位移和破坏等情况，以试验情况来分析推测实际情况，通过模型试验对实际工程生产进行指导。

相似三定律是指：1) 相似现象指具有相同的方程式与相同的相似判据的现象群，包括两个条件：①相似现象对应物理量之比是相似常数(几何相似常数、运动相似常数、动力相似常数)，②如果两个现象属于相似现象，那么这两个现象都必须可以通过同一个基本方程式来描述；2) 相似材料模型试验要求所有无量纲的物理量(如内摩擦角、泊松比、应变、摩擦系数等)的相似常数等于1，相同量纲的物理量的相似常数相等；3) 相似现象必须具有相同的单值条件和相同的主导相似判据，其单值条件有：①模型与原型的几何相似，②研究对象中重要的物理常数成比例，③两个对象的初始状态相似，④两个对象的边界条件相似。 主导相似判据是指在所研究的对象中起重要作用的几何性质、物理性质所组成的相似判据。

模型试验之所以能够相似替代原型工程，是因为有严密的相似理论作为基础，在试验前确定出合理的几何相似比CL，容重相似比Cγ，摩系数相似比Cf，内摩擦角相似比Cφ，泊松比相似比Cξ，应变相似比Cμ，弹性模量相似比CE，应力相似比Cσ，黏聚力相似比Cc。 其中，Cσ=CE=CL×Cγ，Cξ=Cμ=Cφ=Cf=1。

2.2 相似材料试验

本次试验以南1.1剖面为原型，模拟底部标高为1 425 m的露天坑到地表共9个台阶，模拟高度280 m，长600 m的现场区域(图1)，节理倾角平行于台阶坡面角，与水平夹角为63°，试验采用设备为DGS-4通道微机控制电液伺服相似材料试验台，试验台长2.4 m，高1.2 m，厚0.3 m，试验几何相似比为250。

图1 试验原型

试验选用河沙为粗骨料、重晶石粉为细骨料、石蜡为胶结料，经过多组配比标准试件的测试，最终选取河沙∶重晶石粉∶石蜡=10∶2∶1的配比作为边坡的相似材料，其应力-应变曲线如图2所示，在单轴抗压强度达到峰值0.61 MPa后快速跌落，说明脆性材料的破坏特性与模拟的岩质边坡岩性相似，进一步证明相似材料能够模拟出原型岩质边坡的性质。由于相似材料试验很难完全与原型匹配，只能尽量与影响试验结果的主要参数进行匹配，模型与原型的参数关系见表1，无量纲比值为1，容重相似比近似为1，相同量纲相似比为325。由表1可知，主要参数匹配程度较高，只有内聚力误差超过35%，这可能会导致试验破坏略低于工程实际破坏情况，但能够定性反映工程的实际破坏特征。

实际工程现场节理面分层明显，岩石破碎，节理倾角与台阶坡面角平行，在模型堆建时需要构建出平行于台阶坡面的节理，如图3(a)所示；现场勘察节理层较破碎，模型中使用加入碎云母片的相似材料堆建节理层，以达到与实际工程现场相似的破碎状态，如图3(b)所示；使用钢片宽度为40 mm的定制不锈钢架控制节理层间距，制作方式如图3(c)所示，完成节理层制作后将钢架斜向上拉出，钢片拉出后相似材料的不完全接触同时能制作出垂直于坡面的节理裂隙。

将模型分为9步开挖，每次开挖一个台阶高度，真实模拟开采的时间效应，相邻台阶开挖时间间隔为3 h。由图4(a)可知，开挖前在模型上确定出边坡轮廓线，在轮廓线下方沿边坡粘贴非编码点，在试验台的上部和左右立柱上粘贴编码点，以试验台上的编码点为基点，使用TXDP摄影测量系统对边坡开挖过程进行变形监测记录， 每开挖一次之后使用相机记录边坡处非编码点位置，分析开挖过程中边坡的变形情况，所有边坡开挖结束后的情况如图4(b)和图4(c)所示。

图2 应力-应变曲线

表1 原型与模型相似关系

图3 模型节理制作过程

图4 试验开挖前后

2.3 试验数据分析

模型的9个台阶分9次开挖，选取第三次、第六次和第九次开挖完成后的边坡台阶监测结果进行变形分析，监测结果见图5。

图5 XTDP摄影测量变形分析

1#台阶～3#台阶边坡在覆岩开挖后产生卸荷回弹现象，处于浅部地表位置的边坡没有上部覆岩压力，主要是开挖岩体的水平挤压力，边坡开挖后出现的是近水平方向的卸荷回弹；4#台阶～6#台阶边坡上部有1#台阶～3#台阶90 m高的覆岩，当边坡覆岩揭露至6#台阶，坡面释放的覆岩压力与水平挤压应力持恒，因此，覆岩开挖后边坡卸荷回弹方向与水平成45°夹角；7#台阶～9#台阶边坡上部有1#台阶～6#台阶180 m高的覆岩，当边坡揭露至9#台阶，坡面释放的覆岩压力远大于水平挤压应力，覆岩开挖后边坡卸荷回弹角度与逐步趋近竖直方向。各阶段边坡开挖的坡顶坡底位移、最大位移和坡顶坡底卸荷回弹方向见表2，卸荷位移和卸荷角度范围见图5。

表2 边坡变形指标统计表

从图4(b)可以看出，在3#台阶底部和6#台阶底部出现了圆弧滑移面，是典型的滑移破坏，且3#台阶比6#台阶的滑移裂缝更为明显；图4(c)为节理面滑移后节理层间破坏情况，边坡在节理区域产生浅部的滑移变形破坏，各台阶试验可视水平破坏的深度见表3。从图5还可以看出1#台阶～7#台阶浅部区域位移变化的不连续现象，位于边坡浅部监测点的位移大于深部监测点的位移，由于节理层的滑移，边坡浅部滑移带监测点位移不再卸荷回弹，而是表现出与滑移方向一致的斜向下方向位移。

图6为边坡最终破坏情况，可以发现上部台阶卸荷破坏情况较为严重，节理张开十分明显，3#台阶和6#台阶出现了圆弧形滑移破坏面，但是随着深度增加，边坡节理破坏情况逐渐减弱，用刻度尺对每个台阶破坏的水平深度进行测量。图7为不同开挖阶段边坡破坏深度图，根据表3和图7可以发现，随着早期开采深度增加，各台阶的破坏深度也随之增加，当开采至4#台阶后，破坏深度趋于稳定，基本在14～16 cm区间；根据几何相似比推算，当7#台阶形成后，该节理边坡的开裂深度大致在37～40 m之间。

表3 各台阶试验水平破坏深度

图6 边坡最终破坏情况

图7 不同开挖阶段边坡破坏深度

3 结 语

针对袁家村铁矿西帮边坡中复杂的节理条件，本文设计了相似材料试验，并借助XTDP摄影测量系统对开挖边坡进行位移监测，获得了顺层节理边坡开挖过程中变形、破坏以及最终滑移的全过程。试验结果表明顺层节理严重影响边坡的稳定性，在边坡上部台阶形成过程中，坡体表层节理滑移破坏现象较为严重，随着边坡高度增加，表层节理滑移破坏逐渐减弱，但是节理开裂的深度也逐渐增加，当第7#台阶形成后，节理开裂深度达到了37～40 m。为了保证边坡的整体稳定性，需要对该边坡提前进行支护，保证后续开采工作的安全。