准东露天煤矿煤层底板软弱夹层抗剪强度参数分析

殷秀文，刘尚各，梁全青

（1.山东和安地矿勘测有限公司，山东 潍坊2 640412；2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056；3.重庆菲莫科技有限公司，重庆 400039）

合理确定边坡岩土体的物理力学参数，特别是抗剪强度参数，是露天矿边坡稳定性分析与评价的一项重要基础工作，直接关系到评价结果的合理性与准确性[1]。由于岩土体是天然地质体，其组成成分、结构、构造复杂多变，使岩土体的力学性质具有显著的非均匀性和非连续性特征，岩体的强度和变形在某些最不利的方位上完全受结构面特性控制[2]，同时岩土体还受到地下水及降雨入渗等因素的弱化侵蚀作用，导致岩土体在不同赋存环境下的力学性质也表现出很大差异。如何相对合理地确定边坡岩土体及其在水作用下的综合物理力学特性指标，对于计算和评价边坡在天然及降雨等工况下的变形及稳定性都十分重要。

准东露天煤矿位于新疆吉木萨尔县，处于区域性褶曲构造-帐篷沟背斜的西翼。矿区采掘场揭露地层主要为泥岩、炭质泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、细砂岩、粗砂岩、煤层等[3]。采掘场岩层为缓倾斜的单斜构造，倾向270°～295°，倾角4°～31°，沿走向和倾向产状变化不大[4]。采掘场南北长约2 300 m，东西宽约1 600 m，深度约300 m，其中东帮边坡稳定性相对较差，主要原因是东帮边坡为顺层边坡，而且煤层底板存在软弱夹层，在降雨条件下，软弱夹层力学性质进一步弱化，对边坡的整体稳定性产生重要影响，易通过煤层底板软弱夹层产生滑移[5-6]。

为了对东帮边坡整体稳定性进行准确评价，进而为边坡的处治提供依据，有必要对煤层底板软弱夹层的物理力学参数进行研究，获得合理的抗剪强度参数。因此，对准东煤矿东帮煤层底板软弱夹层进行了现场取样，通过试样重塑，分别开展天然和饱和条件下的直接剪切与三轴剪切试验，通过对比分析与参数反演，提出软弱夹层抗剪强度参数的优化建议值。

1 试验方案

1.1 直接剪切试验

采用“DJY”型应变式四联直剪仪进行软弱夹层试样的直接剪切试验。该仪器可进行快剪（Q）、慢剪（CQ）、反复剪（S）。每组试验选用4 个试样，分别施加不同的垂直压力，然后在上、下剪切盒之间施加水平剪切力进行剪切，测出试样破坏时的剪应力。本次试验采用的垂直荷载分别为100、200、300、400 kPa。

由于从现场采集的煤层底板软弱夹层样品为扰动土，在实验室通过预定的干密度和含水量分别制备天然试样和饱和试样，其中天然试样的含水率为18.0%，密度为1.89 g/cm3；饱和试样的含水率为26.5%，密度为2.02 g/cm3。试样直径为61.8 mm，高度为20 mm。对制备好的土样分别进行编号，准东煤矿软弱夹层试样制备方案见表1。

依据GB/T 50123—2019 土工试验方法，根据库仑定律确定试样的抗剪强度指标内摩擦角与黏聚力。通过如下方式对试验数据进行处理。

按式（1）计算剪应力值：

表1 准东煤矿软弱夹层试样制备方案

式中：τ 为试样所受剪应力，kPa；C 为测力计率定系数；R 为测力计测量值，mm；A0为试样初始面积，cm2。

根据单个试样的数据绘制剪应力-剪切位移关系曲线，其中横坐标为剪切位移，纵坐标为对应的剪应力。取曲线上剪应力对应的峰值点或稳定点或剪切位移4 mm 所对应的剪应力值作为该试样的抗剪强度。

根据同组试样抗剪强度值绘制抗剪强度-垂直压力关系图，其中横坐标为垂直压力，纵坐标为对应的抗剪强度，并对其进行了线性拟合。取直线在纵坐标上的截距为黏聚力，取直线的倾角为内摩擦角。

1.2 三轴剪切试验

采用“SJ-1A.G”型三轴剪力仪进行软弱夹层的三轴剪切试验，该仪器可进行不同排水条件、不同围压条件下的三轴剪切试验。每组试验选用4 个圆柱形试样，分别在不同的周围压力下测得土的抗剪强度，获得试样的应力-应变的关系和抗剪强度参数。本次试验采用固结排水剪，采用的围压水平分别为100、200、400、600 kPa，剪切速率采用每分钟应变0.003%。

依据GB/T5 0123—2019 土工试验方法，采用如下方式处理试验数据。

按式（2）、式（3）计算试样固结后的面积：

式中：A0为试样初始面积，cm2；Aa为试样剪切时的面积，cm2；V0为试样体积，cm3；△V 为固结排水量，cm3；△Vi为剪切时的试样体积变化，cm3；hc为固结下沉量，cm；△hi为试样剪切时高度变化，cm。

按式（4）计算主应力差：

式中：σ1为大主应力，kPa；σ3为小主应力，kPa；C 为测力计率定系数；R 为测力计读数，mm。

根据单个试样数据绘制主应力差-轴向应变关系曲线，其中横坐标为轴向应变，纵坐标为主应力差。取曲线上主应力差峰值或15%轴向应变对应主应力差值作为破坏点。

以剪应力为纵坐标，法向应力为横坐标，在横坐标轴以破坏时的为圆心，以为半径，在τ-σ 应力平面上绘制破坏应力圆，并绘制不同围压下的破坏应力圆包线，根据包线的倾角和在纵轴上的截距求取其抗剪强度参数黏聚力与内摩擦角。

2 试验结果与分析

2.1 直接剪切试验结果与分析

通过直接剪切试验，得到准东煤矿煤层底板软弱夹层2 组试样在天然与饱和条件下的峰值强度，直接剪切试验峰值强度统计见表2。

表2 直接剪切试验峰值强度统计

由表2 可以看出：对于同一组试样，随着法向压力的增加，其剪切强度也随之增大。对于第1 组试样，法向应力分别为100、200、300、400 kPa 时，天然试样对应的剪切强度分别为68.1、96.5、145.1、185.6 kPa，饱和试样对应的剪切强度分别是54.4、85.5、124.0、163.8 kPa。相比天然试样，分别降低了21.8、21.1、11.0、13.7 kPa。同样，第2 组试样分别降低了25.1、18.9、16.1、15.7 kPa。可见，相同法相压力条件下，软弱夹层饱和试样的直接剪切强度要明显低于天然试样。

基于库伦理论，根据表2 中统计的数据绘制最大剪切应力与法向应力关系图，并采用最小二乘法回归分析得出拟合直线及其方程表达式。第1 组试样法向应力-剪切应力关系曲线如图1，第2 组试样法向应力-剪切应力关系曲线如图2。

图1 第1 组试样法向应力-剪切应力关系曲线

图2 第2 组试样法向应力-剪切应力关系曲线

由图1、图2 可以看出:无论是天然试样还是饱和试样，其剪切强度都是随着法向应力的增加呈线性增长趋势，并且天然试样的斜率大于饱和试样。

根据拟合直线的倾角与截距得出煤层底板软弱夹层试样在干燥及饱和状态下的抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角，直接剪切试验抗剪强度参数对比见表3，直接剪切试验抗剪强度参数平均值见表4。

表3 直接剪切试验抗剪强度参数对比

表4 直接剪切试验抗剪强度参数平均值

由表3、表4 可以看出：第1 组干燥试样的黏聚力为23.6 kPa，内摩擦角为21.9°，饱和试样的黏聚力为15.3 kPa，内摩擦角为20.1°，分别降低了35.2%和8.2%；第2 组干燥试样的黏聚力为25.7 kPa，内摩擦角为22.4°，饱和试样的黏聚力为17.0 kPa，内摩擦角为20.6°，分别降低了33.9%和8.0%。干燥式样黏聚力、内摩擦角平均值分别为24.7 kPa、22.2°，饱和试样平均值分别为16.2 kPa、20.4°，分别降低了34.5%与8.1%。可以看出，直接剪切条件下，饱和试样的黏聚力和内摩擦角明显小于天然试样。

2.2 三轴剪切试验结果与分析

通过三轴剪切试验，对准东煤矿煤层底板软弱夹层试样天然与饱和试样偏应力峰值强度的结果进行统计，三轴剪切试验偏应力峰值强度统计见表5。

表5 三轴剪切试验偏应力峰值强度统计

由表5 可知：对于第1 组试样，围压分别为100、200、400、600 kPa 时，天然试样发生剪切破坏的偏应力峰值强度分别是233、362、611、908 kPa，饱和试样则分别为216、259、522、757 kPa，分别降低了17、103、89、151 kPa。第2 组试样与第一组具有相似的规律。可以看出，随着围压的增加，试样发生剪切破坏时的偏应力峰值强度逐渐增大；相同围压条件下，饱和试样的破坏荷载明显低于天然试样。

基于表5 中统计的试验数据，绘制不同围压下的剪切破坏应力圆包线，通过包络线的倾角及其在纵轴上的截距分别求取试样的抗剪强度参数内摩擦角与黏聚力，三轴剪切试验抗剪强度参数对比见表6，三轴剪切试验抗剪强度参数平均值见表7。

表6 三轴剪切试验抗剪强度参数对比

表7 三轴剪切试验抗剪强度参数平均值

由表6 和表7 可知：第1 组天然试样的黏聚力与内摩擦角分别为30.1 kPa、23.7°，饱和试样分别为24.0 kPa、21.2°，分别降低了20.3%、10.5%。第2 组天然试样的黏聚力与内摩擦角分别为28.3 kPa、24.4°，饱和试样分别为20.8 kPa、21.3°，分别降低了26.5%、12.7%。可以看出，三轴剪切条件下，饱和试样的黏聚力和内摩擦角明显小于天然试样。可以推测，煤层底板软弱夹层的抗剪强度参数随着含水量的增加呈降低的趋势。

3 软弱夹层抗剪强度参数反演分析

根据软弱夹层室内试验数据并且参考其它类似边坡工程经验，对软弱夹层抗剪强度参数进行反演分析[7]。

参数反演根据GB/T 32864—2016 滑坡防治工程勘察规范中相关方法进行计算。根据表4，给定黏聚力或内摩擦角，反求另一值。黏聚力c 与内摩擦角φ 的反演计算公式分别见式（5）、式（6）：

式中：Fs为滑坡稳定系数；L 为滑带长度，m；c为滑带土黏聚力，kPa；φ 为滑带土内摩擦角，（°）；αi为第i 条块滑动面倾角，（°）；Wi为第i 条块的单位重力，kN/m。

根据准东煤矿东帮边坡典型断面的剖面图，以及边坡整体变形稳定情况，Fs取1.05。通过计算，得到的软弱夹层抗剪强度参数反演值见表8。

表8 软弱夹层抗剪强度参数反演值

对比软弱夹层的参数反演计算结果与室内试验数据可知，反演结果与试验结果较为接近。对于存在明显潜在滑动面的边坡，其滑带土抗剪强度参数的取值即要依据试验成果，也需要依据边坡的变形与稳定情况[8]。考虑到准东煤矿东帮边坡沿软弱夹层具有明显错动变形，但整体处于稳定状态。边坡稳定性可基于直接剪切试验的抗剪强度参数反演值进行计算分析。即天然条件下黏聚力与内摩擦角取值分别为27.4 kPa、23.3°，降雨条件下取值分别为18.3 kPa、21.1°。但是边坡实际工程地质情况具有很强的非均质性与不确定性，边坡稳定性会受到多种因素的影响。上述软弱夹层的抗剪强度参数取值仅是为了符合边坡当前状况情况下进行稳定评价的期望值，而并非真实值，实际应用中可根据边坡不同稳定状态进行参数反演进行取值[9]。

4 结论

1）直接剪切与三轴剪切条件下，饱和试样的黏聚力和内摩擦角明显小于天然试样。可以推测，煤层底板软弱夹层的抗剪强度参数随着含水量的增加呈降低的趋势。

2）直接剪切条件下，干燥试样的黏聚力与内摩擦角分别为24.7 kPa、22.2°，饱和试样分别为16.2 kPa、20.4°，分别降低了34.5%与8.1%。

3）三轴剪切条件下，黏聚力与内摩擦角分别为29.2 kPa、24.1°，饱和试样分别为20.8 kPa、21.3°，分别降低了23.3%与11.6%。

4）基于试验数据与准东煤矿北帮边坡当前稳定状况，通过参数反演分析，天然条件下黏聚力与内摩擦角取值分别为27.4 kPa、23.3°，降雨条件下取值分别为18.3 kPa、21.1°。