非线性强度指标下排土场稳定分析研究

满海忠 任建民 崔 旋 张 宇

(1.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070； 2.矿冶科技集团有限公司，北京 100160)

1 概述

矿产资源的开发为国家经济发展、人民生活水平的提高做出了重要贡献，同时也会产生不可避免的排弃物——排土料。作为露天矿山最主要的剥离物堆置地——排土场，是一种特殊的人工建造形成的高、大散体介质堆积体，用于集中堆存矿山采矿排弃物。为实现资源开发与环境效益双丰收，建设超高台阶排土场已成为土场建设的主要方向[1]。

目前，排土场稳定性分析在工程中广泛采用线性强度指标或分层对其进行稳定性分析[2-7]。在大型超高排土场中由于散体岩石分布具有明显的粒径分级[8]。颗粒的不均匀性导致堆弃物料力学性能呈现分层性，对高排土场稳定分析影响较大。在大型边坡中，由于散体岩石的粒径分级导致底部堆积料的力学性能参数会弱化，并非遵循线性原则[8-11]。在排土场堆排过程中，底部堆石料受到围压作用使得颗粒相互滑移、充填、粗大颗粒棱角破碎和重排，即颗粒破碎效应。颗粒破碎效应引起粒间应力重新分布，粒间粘结力变弱，导致堆石料力学特性呈现分层性，且表现出明显非线性性质。

本文结合某铁矿排土场开展排土场边坡安全稳定性的模拟分析。从抗剪强度模型、非线性参数选取以及采用非线性强度参数对边坡进行稳定性分析等进行了探讨，以期对排土场边坡稳定性分析提出合理建议。

2 堆石料的抗剪强度

2.1 堆石料抗剪强度指标的非线性

Duncan[12,15]在1984年提出的双曲线应力—应变模式时，对无黏聚性土弯曲的强度包线提出了以下对数关系式：

φ=φ0-Δφlg(σ3/pa)

(1)

其中，φ为土体滑动面的摩擦角；φ0为围压为一个大气压力下的摩擦角；Δφ为摩擦角增量；σ3为小主应力；pa为大气压力。

由于邓肯的双曲线应力应变本构关系在我国得到了广泛使用，因此，新的DL/T 5395—2007碾压式土石坝设计规范中规定粗粒料抗剪强度参数应采用对数形式的非线性抗剪强度指标，其计算公式如式(1)所示。

2.2 非线性强度参数的确定

为了研究排土弃料的抗剪强度参数，采用室内三轴试验方法进行实验，研究排土弃料应力应变关系及强度特性。试验为饱和固结排水剪(CD)。

破坏点的确定:当应力—应变关系曲线有峰值时，取峰值点为破坏点。当应力—应变关系曲线无峰值时，则取应变15%所对应的点为破坏点[13]。

试样在不同围压下的(σ1-σ3)—ε1和εv—ε1关系曲线如图1,图2所示。

当轴向位移达到15%时取值计算的抗剪强度指标见表1。

表1 强度指标

在饱和固结排水剪(CD)条件下，砂卵料的摩擦角为33.4°，粘聚力(咬合力)为0.078 MPa。根据实验结果整理的E-B邓肯-张模型参数：砂卵料的K为500，Kb为180。

3 非线性强度指标下的边坡稳定分析方法

采用刚体极限平衡法计算边坡稳定，考虑式(1)所代表的非线性强度参数时，主要问题是确定小主应力σ3的大小。首先考虑到的是如何得到土条底部法向应力σn与土体第三主应力σ3之间的转换关系式。

刚体极限平衡分析中土条底面法向应力σn=Ni/li，其中,Ni为土条i底部法向力;li为土条i底部滑动面的长度。同时，根据摩尔—库仑破坏准则，如图3所示，可得到：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，φe为各土条发生极限平衡状态时的内摩擦角，可以通过安全系数来确定，如式(6)所示：

tanφe=tanφ/FS

(6)

其中，φ为采用非线性参数得到的内摩擦角；FS为安全数。

从式(5)和式(6)可以看出，内摩擦角φ和安全系数FS存在迭代关系，所以在计算中需要不断迭代计算，才可使得上述各式得到满足。将边坡土体计算土条划分越细时，得到的抗剪强度指标越接近边坡的真实特性。对于抗剪强度参数中的另一重要参数粘聚力c，考虑到其本身对散体边坡稳定性的影响较小，因此忽略粘聚力带来的非线性影响。

4 排土场边坡稳定性分析

4.1 模型建立及边界条件

排土场完成设计标高堆排时，总堆置高度为265 m，为探明堆置过程中颗粒破碎效应引起的排土料强度改变对排土场边坡稳定性的影响，本文选取典型排土场设计剖面，采用考虑排土料颗粒破碎效应的非线性强度指标，对自然工况下设计标高排土场的稳定性进行了论证，并对降雨工况和地震工况下的排土场稳定性进行了校核。

渗流计算边界约束条件：垂直边界面为固定水头边界，底面为不透水边界；上表面稳定计算中为自由面，降雨计算中为入渗流量边界，降雨流量为4.3×10-6m/s。

应力计算约束条件：截面底部为X，Y双向固定约束边界，两侧垂直边界为X向固定约束边界。计算模型及单元划分见图4，排土料及地基土层渗透系数见表2。

表2 排土料及地基土层渗透系数

4.2 应力变形分析

剖面竖向应力和大、小主应力云图分别见图5，图6。沿竖直方向从上至下，排土场内大主应力随着深度的增加逐渐增大，最大值约为4 000 kPa，小主应力呈现出类似的趋势，排土场底部小主应力最大值约为1 200 kPa。需要注意的是，随着排土场内部压应力的增加，排土碎石料的内摩擦角存在一定程度的减小，表现为碎石料抗剪强度在一定范围内的弱化。且围压(小主应力)越大，这种碎石料抗剪强度弱化的效果越大，因此对于高压条件下的排土场进行稳定性分析，应充分考虑高围压作用对碎石料抗剪强度的弱化，以免高估排土场的边坡抗滑稳定性。

4.3 稳定性分析

采用堆石料的非线性强度指标反映碎石料内摩擦角随着围压的变化程度，评价了自然工况下排土场典型设计剖面的边坡整体抗滑稳定性，并对降雨工况和地震工况进行了校核，以期充分考虑高围压作用对碎石料抗剪强度的弱化，准确评估高应力条件下排土场的边坡抗滑稳定性。

图7为计算剖面内摩擦角φ′的分布情况。计算剖面基于瑞典圆弧法(Ordinary)及简化Bishop法的边坡稳定安全系数见表3；基于简化Bishop法的最危险滑动面见图8～图10。

表3 偏崖子区域E—E剖面边坡稳定安全系数

可以看出，越远离边坡，φ′值越小。设计排土至最终断面时，自然工况、降雨工况、地震工况下最小安全系数分别为1.412，1.306，1.187，满足《有色金属矿山排土场设计规范》要求。

计算剖面最危险滑动面形式在不同计算工况下差别不大，滑入点位于坡顶内侧35 m左右，滑动面以穿过排土体为主，从坡脚滑出。相对于自然工况，降雨工况下排土场安全系数略有降低，滑块体积略有增加。这是因为降雨影响岸坡附近排土场的孔隙水压力分布，孔压的增加导致该区域排土料有效应力的降低，降低了该区域土体的抗滑能力。地震工况下，两个剖面的安全系数均为三个工况里面最低。这是因为当水平向惯性力方向指向坡外和竖直向地震惯性力方向数值向上的时候，均会降低土体的抗滑力，降低排土场的安全系数。

5 结语

1)通过大型三轴试验研究了高应力对排土弃料强度特性的影响，提出了一种强度准则来反映排土弃料的强度变化特性，并根据该强度模型对排土场边坡进行了稳定性分析。

2)通过软件模拟实现排土弃料内摩擦角的折减，进行边坡稳定性分析，分析结果表明，采用本文提到的强度准则计算的边坡安全系数均满足要求。

3)建议对于大型超高排土场采用文中提到的强度准则做稳定性分析，以期达到消除安全隐患的目标。