软弱夹层特性对露天矿边坡稳定性影响的应用研究

杨宫印，崔鹏艳，陈玉明

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.昆明理工大学 国土资源与工程学院，，云南 昆明 650000)

0 引言

边坡内部软弱夹层往往会成为导致其失稳的重要因素[1]。软弱夹层的存在破坏了岩体的整体性，其结构组成具有成分不统一、颗粒不稳定、充填物物理性质差异大等特点，它的存在对边坡变形及强度指标有很大影响，是边坡工程重点监测与控制对象[2-3]，新时代对国民经济的发展提出了新要求，矿业产生安全备受各界关注，露天矿边坡稳定性也成为企业、科研院所重点研究的范畴。国内外最具代表的研究有Grgiggs[4]的流变理论、费先科[5]静力学作用论、许保田[6]等人则是通过塑性实验方法进行了系统研究。随着计算机应用技术的发展，唐春安[7]、肖正学[8]、张际春[9]等先后利用RFPA、ANSYS、Nastran等数值模拟软件进行分析，也取得了许多可喜成果，为确保边坡稳、提高安全系数作出了巨大贡献。本文采用FLAC3D数值分析软件，通过“混合离散法”对边坡的塑性破坏和塑性流动进行动态模拟研究，结合实际边坡工程，针对影响含软弱夹层边坡稳定性的4个重要因素，建立4组16个数值分析模型，系统研究了软弱夹层各影响因素对露天矿边坡物理特性及塑性流动特征的变化规律，为该矿进行边坡综合治理提供可靠的理论依据。

1 工程概况

某石英石露天矿位于甘肃省金昌市境内。目前，矿山已进入露天深部开采阶段，主要剥采作业位于1768 m水平，作业水平以上已形成了5个平台，分别为1826 m、1816 m、1792 m、1780 m、1768 m平台。矿床内含有砂质泥岩软弱夹层，走向为NW，倾向SW，倾角15°～20°，平均厚0.8～2.2 m，其天然单轴抗压强度为27.6 MPa，抗拉强度为1.89 MPa；矿区围岩黏聚力C=21.3 kPa，内摩擦角φ=24.8°。露天境界内废石剥离总量约1024.7万吨。露天边坡最终边坡为45°，坡面角65°，清扫平台宽度为8～12 m，安全平台宽度为5 m，本次剥离长度约350 m，从1826 m水平开始，平均剥离宽度为35 m，总剥离量约为500 000 m3。随着开采深度及剥采规模的持续增大，局部区段边坡产生了变形破坏，出现了裂缝及坍塌现象。软弱夹层的存在是影响该岩体稳定性的主要因素之一，研究含软弱夹层边坡的变形规律和失稳破坏机理，是矿山的当务之急，也是保障矿山持续高效的开采的前提条件，研究具有重要的现实意义[10]。

2 数据模拟实验研究

利用有限元强度折减法判定边坡稳定性的标准有三种：① 根据边坡内部某一部分的安全系数与位移之间的变化特征确定失稳状态；② 根据计算结果中的物理量变化和分布为标准进行判断；③ 利用有限元数值模拟软件中的收敛性确定失稳状态[11]。本次研究基于前两种判定标准，利用FLAC3D软件中的SRM法进行研究分析，建立了RFPA-SRM数值计算模式。本次研究在保证模拟实验物理相似、几何相似的基础上，建了相对简化的边坡模型(表1)。

模拟实验过程分别选取了软弱夹层厚度D、倾角θ、黏聚力C、摩擦角φ为控制变量，探求了不同物理参数条件下软弱夹层对露天矿边稳定性的破坏规律。表2为软弱夹层各影响因素取值[12]。

表1 边坡模型几何参数

表2 软弱夹层各影响因素取值

2.1 软弱夹层厚度对边坡变形及安全系数的影响

夹层厚度是影响露天矿边坡稳定性的重要因素之一。本组实验按表2参数进行，其他变量与实际工程保持一致，即θ=15°、C=5.0 kPa、φ=24.8°。数值模型及边坡变形总位移见图1。图1中红色为位移较大的区域，蓝色为位移较小的区域。图2为变形总位移随夹层厚度的变化规律。

利用软件进行模拟计算，得出不同夹层厚度条件下边坡安全系数(图3)，其中D=1 m时，安全系数略小于1.3，说明矿区初始状态下，边坡已存在不安全隐患，矿山应高度重视[13]。

2.2 软弱夹层倾角对边坡变形及安全系数的影响

根据现场勘测，发现软弱夹层倾角的大小及位置对岩体发生裂缝、滑动、崩塌现象有着密切联系，为研究软弱夹层倾角与岩体强度及边坡的安全系数，进行本组实验。实验按表2参数进行，其他变量与实际工程保持一致，即D=1.0 m、C=5.0 kPa、φ=24.8°。数值模型及边坡变形总位移见图4。在不同夹层倾角条件下，图4中红色为位移较大的区域，蓝色为位移较小的区域。图5为变形总位移随夹层倾角的变化规律。

利用软件进行模拟计算，得出不同夹层倾角条件下边坡安全系数(图6)，当θ=15°时，安全系数同样略小于1.3，说明矿区初始状态下，边坡稳定性已破坏，矿山应高度重视；当θ≥19°时，安全系数降幅较大，说明在该山地质条件下，边坡已完全失稳。

2.3 软弱夹层黏聚力对边坡变形及安全系数的影响

软弱夹层的黏聚力是反映夹层受力及抗破坏能力，是岩体力学性能力高低的重要指标。本组实验按表2参数进行，其他变量与实际工程保持一致，即D=1.0m、θ=15°、φ=24.8°。数值模型见图1，边坡变形总位移见图7。在不同夹层黏聚力条件下，图7中红色为位移较大的区域，蓝色为位移较小的区域。根据变化情况来看，位移变化受黏聚力影响较大，两者成反比线性变化，变形总位移随夹层黏聚力的变化规律见图8。

利用软件进行模拟计算，得出不同夹层黏聚力条件下边坡安全系数(图9)，其中C=5.0 kPa时，计算其安全系数为1.31，略大于1.3，说明矿区初始状态下，边坡稳定性一般，矿山应加强日常管理维护。由于其变化对边坡安全系数影响较大，因此，在矿山地质勘测、实验中应高度重视，应保证数据的可靠性。

2.4 软弱夹层内摩擦角对边坡变形及安全系数的影响

内摩擦角是岩体的抗剪强度重要指标，软弱夹层内摩擦角大小也是影响露天矿边坡稳定性的重要因素。本组实验按表2参数进行，其他变量与实际工程保持一致，即D=1.0 m、θ=15°、C=5.0 kPa。数值模型见图1，边坡变形总位移见图10。在不同夹层内摩擦角条件下，图10中红色为位移较大的区域，蓝色为位移较小的区域。

变形总位移随夹层黏聚力的变化规律见图11。当φ>25°时(大于围岩内摩擦角φ=24.8)，边坡变形总位移与内摩擦角成反比关系；当15°<φ<25°时，边坡变形总位移与内摩擦角成正比关系。由此推断，当夹层与围岩内摩擦角相近时，其位移变形最小；其次，从位移变幅来看，当夹层内摩擦角小于围岩内摩擦角时，其变化对位移变形影响较大；当夹层内摩擦角大于围岩内摩擦角时，其变化对位移变形影响较小。

图1 不同软弱夹层厚度数值模型与变形总位移图

Fig.1 Numerical model of different thicknesses of weak interlayer and total deformation displacement

(a)夹层厚度D=1.0 m (b)夹层厚度D=1.5 m (c)夹层厚度D=2.0 m (d)夹层厚度D=2.5 m

图2 变形总位移随夹层厚度的变化规律

图3 夹层厚度对边坡安全系统的影响规律

图4 不同软弱夹层倾角数值模型与变形总位移图

Fig.4 Numerical model of different dip angles of weak intercalation and total deformation displacement

(a)夹层倾角θ=15° (b)夹层倾角θ=17° (c)夹层倾角θ=19° (d)夹层倾角θ=21°

图5 变形总位移随夹层倾角的变化规律

图6 夹层倾角对边坡安全系统的影响规律

图7 不同黏聚力软弱夹层变形总位移图

Fig.7 Total deformation displacement diagram of weak interlayer with different cohesive forces

(a)黏聚力C=10 kPa (b)黏聚力C=15 kPa (c)黏聚力C=20 kPa (d)黏聚力C=25 kPa

图8 变形总位移随夹层黏聚力的变化规律 图9 夹层黏聚力对边坡安全系统的影响规律

Fig.8 Variation regularity of total deformation displacement with interlayer cohesion forces Fig.9 Influence regularity of interlayer cohesion force on slope safety system

利用软件进行模拟计算，得出不同夹层内摩擦角条件下边坡安全系数(图12)。当夹层内摩擦角小于围岩内摩擦角φ围=24.8°时，安全系数变幅较大，之后变幅较小，说明当夹层内摩擦角大于围岩内摩擦角时，其对边坡整体位移变形及稳定性影响微弱。当φ=24.8°时，计算其安全系数为1.33，大于1.3，说明矿区初始状态下，边坡稳定。

3 结论

1)软弱夹层厚度D、倾角θ与露天边坡的变形位移量成正比关系，与边坡安全系数成反比，且而随着两者的变化其位移量和安全系数变幅较大，说明这两个因素对边坡稳定性影响较大，应该是矿山工程重点关注因素。特别是当θ>19°时，应加强监测，作重点防护。

2)软弱夹层黏聚力C与露天边坡的变形位移量成反比关系，与边坡安全系数成正比。当软弱夹层黏聚力接近围岩黏聚力C=21.3 kPa时，其安全系数显著提高。根据其变化规律来看，该因素对边坡稳定性影响也较大，是矿山勘测、实验的重点。

图10 不同内摩擦角软弱夹层变形总位移图

Fig.10 Total deformation displacement diagram of weak interlayer with different internal friction angles

(a)内摩擦角φ=15° (b)内摩擦角φ=20° (b)内摩擦角φ=25° (d)内摩擦角φ=30°

图11变形总位移随夹层内摩擦角的变化规律 图12夹层内摩擦角对边坡安全系统的影响规律

Fig.11 Variation of total deformation displacement with interlayer friction angle Fig.12 Influence of interlayer friction angle on slope safety system

3)软弱夹层内摩擦角φ与露天边坡的变形位移量、安全系数不成线性变化。当夹层内摩擦角小于围岩内摩擦角φ围=24.8°时，夹层内摩擦角变化对露天边坡的变形位移量及安全系数影响较大；反之影响较小。因此，当夹层内摩擦角小于围岩内摩擦角时，应加强研究其变化对边坡稳定性产生的影响。

4)根据数值分析结果，该露天矿边坡在各类软弱夹层重要指标的影响下，安全系数均约为1.3，处于矿山工程安全系数的临界值，为保证矿山安全可持续发展，在今后的生产过程中应加强对该边坡的监测与防治工作。