饱水黄土基底排土场地质力学模型试验研究

王 俊,孙书伟,陈 冲

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;2.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013)

饱水黄土基底排土场地质力学模型试验研究

王 俊1,2,孙书伟1,陈 冲1

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京 100083;2.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院,北京 100013)

为了揭示排土场边坡的变形机理和潜在病害的发展规律,采用地质力学模型试验方法,以黑岱沟露天矿黄土基底排土场作为研究背景,完成了分级填筑模拟排土边坡增高过程,并进行了地下水入渗基底软弱黄土层的模拟试验。介绍了饱水黄土基底排土场的相似物理模拟方法,采用底部注水的方式模拟地下水入渗基底软弱黄土层对边坡稳定性的影响,研究了分级填筑、软弱基底以及饱水条件下黄土基底排土场边坡裂缝开展和发育特征以及边坡破裂面的空间形态特点。研究表明,随着排土高度的增加,主要变形由淤泥质黄土上部坡体向临空方向的压剪变形为主,逐渐转变为天然黄土上方坡体竖向沉降为主,并且黄土基底含水量的持续增加会直接引起边坡的破坏失稳,变形模式为后缘依附淤泥质黄土与天然黄土(水坑边缘)分界面的整体滑动。

黄土基底;排土场;边坡;地质力学模型试验;稳定性

随着煤矿开采中露天开采比例的逐年增大,新兴的现代化大型露天煤矿主要集中在西部及西北部的黄土高原地区[1-3]。黄土基底之上进行露天矿排土堆积形成排土场的现象也越来越常见,然而由于某些特定的水文地质条件,形成的饱水黄土软弱基底,使得排土过程中边坡的力学性质和失稳变化情况更加的复杂[4-10]。许多学者对黄土基底排土场的变形特征、滑坡模式和形成机理进行了大量研究,并从黄土微结构的不同角度提出了黄土基底排土场边坡的滑坡模式,如祖国林1999年提出黄土承载后,出现低强度软塑带-“演化弱层”是黄土基底构筑物失稳的内在基础,其弱层的出现必然遵循介质内部作用机制[11];纪玉石,朱新平等通过对排土场形成后的基底黄土层以及不同载荷下原状土体的微结构特征的研究,提出了承载土体内黏土演化弱层的观点[12];杨洪海针对黄土基底排土场特殊的地质条件,论述了排土场的变形破坏机理及潜在的滑坡模式——“坐落滑移式”[13]。但是关于饱水软弱黄土基底排土场的破坏失稳模式尚未有较为成熟的研究和理论解释。

地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法,它可以较直观的模拟地基、边坡及地下硐室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。自20世纪60年代,以E.Fumagalli[14]为首的专家在意大利结构模型试验所(ISMES)开创了工程地质力学模型试验技术以来,取得了一大批试验研究成果[15-17]。本文通过地质力学模型试验,对饱水黄土基底排土场填筑过程和地下水入渗工况下排土场边坡的变形破坏和滑坡模式进行研究,对软弱饱水黄土基底排土场的破坏机理和失稳模式进行了探讨,并得出了初步的结论。

1 试验工点概况

阴湾排土场是黑岱沟露天矿的外排土场,位于黑岱沟露天矿坑西侧,设计占地面积1.958 km2,最终排弃高度1 300 m,整体地貌如图1所示,排土场边坡设计为八级边坡,坡顶设计标高1 300 m,边坡最大高度约152 m,每一级边坡高度设计高度均为20 m,坡率为1∶1.25。

阴湾排土场边坡地基条件较差,勘察资料表明,基底岩性从上到下依次为:第四系粉质黏土(层顶标高1 143.00～1 148.10 m,平均层厚6.65 m)、第四系上更新统黏土(层顶标高1 136.00～1 144.20 m,平均层厚6.72 m)、粗砂、黏土以及二叠纪的强风化泥岩。

整体而言,对边坡稳定性影响较大的地层为粉质黏土层和黏土层,两层均为隔水层,共计层厚16～20 m。下部粗砂为透水层,底部黏土和强风化泥岩埋深较大,对排土场边坡的稳定性影响不大。

图1 排土场整体地貌Fig.1 The whole landscape of dumping site

2 模型试验设计

2.1 原型选取

选取计算原型断面Z3-Z4如图2所示,工程边坡总高度约为120 m,共6级边坡,每级边坡均为20 m,坡率为1∶1.25。

图2 边坡原型断面Fig.2 Layout of the slope

将图 2进行概化,概化后的原型范围为长360 m,高113 m,纵向厚80 m,断面如图3所示,结合室内试验槽宽0.4 m、水平距离1.8 m、高1.2 m的实际情况,确定模拟试验的几何相似比Cl=200∶1,模拟范围包括了原型坡体的主要地层及相应边界条件,因此能满足本项试验要求。

图3 模型断面Fig.3 Layout of the model disenged

2.2 相似材料

本次试验几何相似系数Cl=200∶1,主要选用黄土沙、石灰、石膏来配置相似模型材料,具体配比见表1。坡体材料的物理力学参数见表2,其中γ,c,φ,E, ν分别表示容重、黏聚力、内摩擦角、弹性模量及泊松比。下标p代表原型,m代表模型。材料1为淤泥质黄土,材料2为天然黄土,材料3为排弃土。

表1 相似模型材料配置比例Table 1 Model material allocation ratio %

3种制备好的相似材料如图4所示。

2.3 地下水入渗的模拟-底部持续注水技术

由于阴湾排土场基底积水坑的存在,在地表积水的长期作用下,岩土体性质发生变化,随着天然含水率的增大,土粒之间的连结减弱,强度降低,势必影响着基底的承载力,试验中对积水坑所在位置的饱水黄土软基区域进行了相应的注水模拟试验,主要考虑在地下水入渗作用下,黄土基底逐渐达到饱水状态过程中对边坡稳定性的影响。因此在分级填筑完成后,采用底部持续注水技术模拟地下水入渗对模型黄土基底的影响。该技术的要点是在模型箱体底部设定范围内相隔一定距离预留若干直径15 mm的注水小孔,逐级填筑时将小孔封住;填筑工况结束后,将孔从模型箱底部打开,外接注水管向预定黄土基底区域注水。试验中通过调整每管的注水量来控制黄土基底的含水率以及是否达饱水状态。该技术不仅可以模拟黄土基底不同部位具有不同含水量的情形,而且可以模拟地下水入渗到黄土基底的全过程。

表2 原型坡体材料与模型材料的力学参数Table 2 Mechanical parameters of in-situ rock mass and model materials

图4 3种相似材料Fig.4 Three different model materials

2.4 试验方法及量测系统

2.4.1 试验方法

试验采用中国矿业大学(北京)采矿实验室三维模型箱,该模型箱长2 m,高1 m,沿坡体纵向厚0.4 m,模型箱底部设计注水孔和排水孔,可以实现对模型材料含水量的控制,模型如图5所示。

试验分2个阶段:第1阶段试验(试验1)为天然状态下排土场边坡填筑试验,在保持基底黄土天然含水量下进行分层排土(共5次);第2阶段试验(试验2)为破坏性试验,在排土场边坡成形后,持续增加基底黄土含水量。两阶段试验采用相同的位移观测系统。

图5 边坡模型及尺寸示意Fig.5 Layout and size of model slope

2.4.2 量测系统

试验量测内容以位移为主,采用高精度电子经纬仪观察测点位移随各阶段填筑的位置的变化情况,位移基点采用10×10的网格式布置,共布置测点57个,分布如图6所示。

图6 坡体模型测点布置示意Fig.6 Layout of measuring points in model slope

图7 模型观测示意Fig.7 Schematic diagram of observation in model slope

模型观测如图7所示,其中H0为模型架的高度, H1为模型台的高度,H2为模型架距地面的高度,点1,2,3,4设在模型架的左右两侧的固定架上,相当于固定点。任意点B距1-2边的距离为lx,距离1-4边的垂直距离为hx。在地面的A点安设电子经纬仪,C点为电子经纬仪的中心位置,以C点垂直于模型的平面为基中平面,来观测点1,2,3,4的水平角和垂直角,并且精密测量出1,2,3,4点之间的距离,这些数据作为观测任意点的起算数据。然后用电子经纬仪将每个测点的水平角度和垂直角度测出,并做好记录。

为了便于成果分析与应用,本文把原始测量数据利用推导出的水平位移和垂直位移的计算公式按相似系数换算至原型。

3 试验成果及分析

3.1 填筑过程中位移场的分析

图8是5次填筑之后各排测点的水平位移和竖直位移的变化曲线。其中,第1排测点位于黄土基底与第1层排土之间,第5排测点位于第4层排土与第5层排土之间。

3.1.1 水平位移特征

由图8(a)可知:①排土场水平位移沿X方向的变化可以分为 3部分:Ⅰ区(0～900 mm)、Ⅱ区(900～1 400 mm)和Ⅲ区(1 400～2 000 mm)。其中Ⅰ区产生变形和位移的主导因素为排土底部的饱水黄土软基;Ⅱ区的主导因素为饱水黄土基底与天然黄土基底交界所引发的不均衡受力;Ⅲ区的主导因素则为上部排土重力。② 排土场左侧(图8(a)中Ⅰ区)是模型中发生水平位移最小的区域,表明该区域受排土场排土重力的影响不大,变形和位移的主导因素为排土底部的饱水黄土软基。③各排位移较大的测点

图8 填筑完成后测点位移Fig.8 The displacement of measuring points after the dumping

主要集中在排土场中部的700～1 300 mm,如图8(a)中Ⅱ区所示,即位于饱水黄土与天然黄土交界处上方及其两侧,由于基底黄土的含水量在此处发生了较大的变化,故容易引起上部排土受力的不均衡,从而导致各排测点的水平位移的峰值集中在该区域。④ 排土场右侧(图8(a)中Ⅲ区)的水平位移虽小于Ⅱ区,但是整体大于左侧(图8(a)中Ⅰ区),该现象是由于排土的逐层堆积,导致排土场形态呈现出左低右高的情况,第3,4,5级排土的重力主要作用于排土场右侧,故受非均匀重力的影响,排土场右侧的水平位移大于左侧。

3.1.2 竖直位移特征

由图8(b)可知:①排土场竖直位移沿X方向的变化也可分为 3部分:Ⅰ区(0～900 mm)、Ⅱ区(900～1 400 mm)和Ⅲ区(1 400～2 000 mm)。②排土场竖直位移的峰值区(Ⅱ区)较水平位移向右侧偏移了200 mm,表明排土场竖直位移受排土自重的影响较大。③ 各测点水平位移的变化在0～300 mm,竖直位移的变化在-500～-1 400 mm,水平位移普遍小于竖直位移,说明排土场边坡的变形破坏主要受竖直位移的影响。

综合水平位移和竖直位移的分析,可知排土场因排土逐级堆积而产生的位移主要集中在排土场中部(700～1 500 mm),虽然填筑完成后并未出现明显的破坏迹象,但是可以预测破坏应当最先出现在该区域内。

3.2 基底注水软化过程中位移场分析

填筑完成后,通过持续注水使黄土的含水量增加,随着注水量的继续增加至基底黄土达到饱和含水量的60%,在该过程中,第4级边坡坡顶开始出现裂缝,裂纹位于第4级填筑土的顶部,共2条:第1条裂纹在靠近第5级填筑土的坡脚处,基本平行于第5级坡脚,长约300 mm,宽1～3 mm,平均2 mm;第2条裂纹起始于距第5级坡脚后缘大约100 mm处,长度25 mm,宽1～2 mm,平均约1.5 mm,如图9所示。

图9 坡顶裂缝Fig.9 Layout of fissure on the top

随着注水量的继续增加至基底黄土达到饱和,此过程中裂纹继续发展,长度变长,宽度变宽,并且在模型的正面也出现了较为明显的裂缝,如图10所示。

图10 正面裂缝Fig.10 Layout of fissure in the front

观察地下水入渗对边坡稳定性的影响。图11是注水试验后孔各排测点的水平位移和竖直位移的变化曲线。其中,第1排测点位于黄土基底与第1层排土之间,第6排测点位于第5层排土顶部。

图11 注水完成后测点位移Fig.11 The displacement of measuring points after water injection

注水后,随着黄土含水量的增加,水平位移和竖直位移进一步增大,且峰值区(Ⅱ区)的位移增加显著,说明黄土基底含水量的增加对此处的影响最大,之后在此该区域内出现的裂缝也正是基于此。

3.3 变形机理与破坏模式分析

为了更好地将模型的位移变化展现出来,绘制竖直和水平位移的堆栈图如图12所示,其中X为到坡脚的水平距离,Y为到坡脚的垂直距离,Δu为测点的位移变化量。

图12显示了排土场不同高度的位移变化,从图12(a)和(b)可以看出,各排测点水平位移的峰值从下往上基本呈现出向左侧偏移的情形,而图12(c)和(d)则显示了相反的偏移,即竖直位移峰值向右偏移,说明饱水黄土软弱基底对水平位移的影响大于竖直位移。

图12(a)与(c)比较可知:在持续注水的过程中,不同高度的测点位移值均发生了较大的增加,这种情形在图12(b)与(d)的比较中也有非常明显的体现。特别是第5排左端的测点,在注水的影响下,水平位移增加66 mm,竖直位移增加55 mm,直接导致在此处出现张拉裂缝,对照模型,可将破坏区域软弱滑动面大致描绘如图13所示。

结合位移分析图和模型的破坏区域形态,可以得出,填筑过程以竖向位移为主,基本稳定;随着基底饱水,模型前部饱水基底处上方变形逐渐增加,变形趋势向模型后方发展;由于失稳区范围有限,以局部破坏为主,具有渐进性破坏的特点。

图12 不同高度各排测点的位移Fig.12 Displacement of difference the horizontal lines in the model

图13 模型破坏区域滑动面形态Fig.13 Model undermine regional sliding surface morphology

4 结 论

(1)淤泥质黏土在自然状态下(含水量约为23.8%),边坡原设计排土方案能够保证边坡的整体稳定性。模型试验结果表明,开始排土阶段,边坡变形以淤泥质黄土的压缩变形为主;随着排土高度的增加,淤泥质黄土上部坡体产生了向临空方向的压剪变形,水平位移量最大值换算成原型边坡约为28.4 cm。

(2)第4层排土以后,排弃土基本不在淤泥质黄土上部区域,坡体自重应力的增加对淤泥质黄土区域影响不大,随着边坡排土高度的增加,坡体变形以天然黄土上方坡体竖向沉降为主,最大沉降量换算成原型约为1.35 m,沉降最大值位于第5层排土的底部靠近右侧模型边界部位。

(3)黄土基底含水量的持续增加会直接引起边坡的破坏失稳,变形模式为后缘依附淤泥质黄土与天然黄土(水坑边缘)分界面的整体滑动。建议实际工程中,在排弃之前采用排石挤淤等方法对软弱基底进行处理,另外还应做好阴湾露天矿排土场边坡附近的截排水工作,严防出现积水坑再次积水引起黄土含水量增加的情形。

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Geo-mechanical model experiment research of dumping site?on loess basement

WANG Jun1,2,SUN Shu-wei1,CHEN Chong1
(1.Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.Institute of Mine Safety Technology,China Coal Research Institute,Beijing 100013,China)

To reveal the deformation mechanism and evolution of potential diseases of the dumping site slope,a series of geo-mechanical model tests was conducted on the background of Yinwan Dumping site slope,Heidaigou open-pit mine.The process of dump slope elevating and groundwater infiltrating into loess basement was simulated.A method to simulate dumping site above the water-saturated loess basement was introduced.During the tests,the influence of water in loess basement was simulated by water injection from the holes on the bottom of the model.The variety of displacement of dumping site above the loess basement under filling,weak base,as well as water-saturated conditions was studied.It shows that,as dump height increased,the main deformation transformed from the shear deformation above the water-saturated loess basement to the vertical settlement above the natural loess basement,and the destruction of the model was caused directly by the continually increasing of moisture content of the loess basement.The destruction mode trailing edge attachment the silty loess and the loess(puddles edge)overall sliding interface.

loess basement;dumping site;slope;geo-mechanical model experiment;stability

TD824

A

0253-9993(2014)05-0861-07

王 俊,孙书伟,陈 冲.饱水黄土基底排土场地质力学模型试验研究[J].煤炭学报,2014,39(5):861-867.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0599

?

Wang Jun,Sun Shuwei,Chen Chong.Geo-mechanical model experiment research of dumping site on loess basement[J].Journal of China Coal Society,2014,39(5):861-867.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0599

2013-05-06 责任编辑:王婉洁

国家自然科学基金资助项目(51034005,41002090);煤炭科学研究总院技术创新基金资助项目(2011CX04)

王 俊(1981—),男,辽宁抚顺人,博士研究生。Tel:010-84261837,E-mail:wangjunlngd@163.com