某露天矿局部边坡岩体参数取值研究*

陈岳会，刘 银，杨郜辉，李绍斌，肖 欢，马沁春

（鹤庆北衙矿业有限公司，云南 大理 671507）

某露天矿山采场南北长约1 550 m，东西宽约1 400 m，台阶标高（1 924～1 564）m，垂高360 m，台阶高10 m，清扫平台宽13 m，安全平台宽6 m，台阶坡面角60°，道路采用螺旋式运输，布设在岩石条件较好，且相对压矿较少部位，道路宽12 m，最小转弯半径15 m。

由于近年来矿山资源的探获，具有改扩建的前景，扩帮采矿可充分利用矿石资源，增加服务年限，创造经济效益。目前矿山边坡相对较为稳定，由于雨水的冲刷局部出现小面积垮塌，为保证后期扩帮采矿的安全及合理的工程设计，决定对现有边坡的岩体力学性质进行研究，以取得岩体的抗压、抗剪强度参数值。现岩体力学参数选取方法研究较多[1-7]，也取得了一些成果，但边坡岩体力学参数的选取问题仍是岩石力学领域的重要研究内容。现代科技的发展、各种计算方法和技术手段的不断进步，已经能够采用数值分析方法解决复杂岩质边坡工程稳定问题。考虑到数值分析计算的准确性和岩体力学参数取值选取的可靠性，结合各方法的应用分析确定，试验是确定岩体力学参数取值研究最基本的手段和方法，通过室内岩石力学试验[8-9]和原位岩体力学试验[15-18]获取。

1 研究区域边坡概况

研究区域主要为露天采场的西南部边帮，该区域边坡垂高约320 m，岩体走向近南北，总体倾向西，北高南低，向南西侧伏，呈岩株产出，上盘接触带产状较规整，下盘接触带产状较复杂，总体倾角43°～85°，岩性主要为褐红色含砂砾粘土、灰质角砾岩及灰岩。其中有三组发育陡倾节理，两组倾向西北；一组倾向北东，且与坡面斜交，贯通长度几米到十几米为主，受F6、F30断层影响，岩体较为破碎完整性较差，普遍有钙质胶结，整体破坏是顺倾节理和斜切灰岩为主，浅层潜在破坏以楔形破坏为主，灰岩有少量涌水点。从节理分布上来看，主要为一组倾向 80°、倾角80°和一组倾向 280°、倾角 60°的陡倾节理，与坡面正交为主。

2 边坡岩体力学试验

2.1 室内岩石力学试验

为了更好的反应岩石条件情况，选取合理岩体力学参数，室内岩石力学试验采用单轴压缩[10-11]和结构面剪切两种形式进行[12-13]。

2.1.1 单轴压缩试验

根据现场情况，选取有代表性的岩石，依据《工程岩体试验方法标准》（GBT 50266-2013）[14]制样，采用RMT-150C岩石力学试验系统加载，对岩石的自然状态和饱和状态进行压缩试验，如图1和图2。

图1 试验制样Fig.1 Sample preparation test

图2 试样抗压试验Fig.2 Compression test for samples

通过试样加载抗压试验统计结果，利用单轴抗压强度公式计算各试样的抗压强度，见表1。

表1 各试样结果统计及单轴抗压强度计算表Tab.1 Results statistics of each samples and calculation list for uniaxial compressive strength

式中：R：岩石抗压强度，MPa；

P：最大破坏荷载，N；

A：垂直于加荷方向的试样面积，m2。

考虑到现场岩体岩性分布的不均匀性和复杂性、以及取样过程可能对岩样造成的损伤，为保证试验数据的可靠性，取所有试样干燥和饱和状态下抗压强度的平均值作为该区的抗压强度，见表2。

表2 岩石抗压强度平均值表Tab.2 The average list for rock compressive strength MPa

2.1.2 岩石结构面剪切试验

根据现场情况，选取有代表性的岩石，依据《工程岩体试验方法标准》（GB/T50266-2013）[14]和《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）、《非煤露天矿边坡工程技术规范》（GB51016-2014）等进行制样，采用法向千斤顶对制样后的岩石施压，做剪切试验，如图3和图4。

图3 试验制样Fig.3 Sample preparation test

图4 试样剪切试验Fig.4 Sample shear test

各法向荷载下，作用于剪切面上的法向应力和剪应力分别按如下公式计算：

式中：б：作用于剪切面上的法向应力，MPa；

τ：作用于剪切面上的应力，MPa；

P：作用于剪切面上的法向荷载，N；

Q：作用于剪切面上的荷载，N；

A：有效剪切面积，m2。

将试验各阶段法向应力结果，按库伦表达式绘制各法向应力下的剪应力与剪切位移关系曲线图，见图5；确定试样的抗剪强度值，见表3。

图5 试样结构面抗剪强度曲线图Fig.5 Shear strength curve chart of test sample surface

表3 岩石抗剪强度试验结果表Tab.3 Results of rock shear strength test

2.2 岩体原位力学试验

为使所选取的岩体力学参数更贴切实际，且更好的服务矿山，根据现场情况选取具有代表性的试验点（7个），对饱和状态下岩体进行原位力学试验[15-18]，试验形式如图6。

图6 原位力学试验设计图Fig.6 Design drawing of in-situ mechanical test

通过原位试验各阶段情况，绘制剪应力与法向应力的关系曲线图，见图7；变形模量图，见图8。

图7 岩体剪切强度曲线图Fig.7 Curve chart of rock shear strength

图8 岩体变形模量图Fig.8 Modulus chart of rock mass deformation

采用库仑定律计算岩体的抗剪强度，见表4；采用变形模量和弹性模量公式计算变形模量和弹性模量值，见表5。

表4 岩体抗剪强度结果表Tab.4 Results of rock mass shear strength

表5 岩体变形模量和弹性模量表Tab.5 Rock mass deformation modulus and elastic modulus list

式中，τf：剪切破坏面上的剪应力，kPa；即岩土体的抗剪强度；

σ：破坏面上的法向应力，kPa；

c：岩土体的粘聚力，kPa；

φ：岩土体的摩擦角，°；

依据所测得的τf可推求出相应的C、φ值。

式中：σ：法向应力，kPa；

τ：切向应力，kPa；

变形模量和弹性模量公式：

式中：E：岩体弹性模量，MPa；当以总变形W0代入计算为变形模量E0；当以弹性变形We代入计算为弹性模量Ee；

μ：泊松比；

D：承压板直径或边长，m；

p：按承压板面积计算的压力，MPa；

W：岩体变形，cm。

3 岩体力学参数综合取值

3.1 岩体力学参数取值方法

根据前述试验选点基本原则，通过对试验选点后进行的岩体试样观察，整体均符合选择相对较弱且具有代表性岩层的预定目标。

结合《岩土工程勘察规范》，岩土参数应根据工程特点和地质条件选用，并按下列内容评价可靠性和适用性：①取样方法和其他因素对试验结果的影响；②采用的试验方法和取值标准；③不同测试方法所得结果的分析比较；④测试结果的离散程度；⑤测试方法与计算模型的配套性。

岩土参数按如下公式计算平均值、标准差和变异系数：

式中：φm：岩土参数平均值

σf：岩土参数标准值

δ：岩土参数变异系数

3.2 岩体质量评价的试验参数分析

根据《工程岩体分级标准》 GB/T50218-2014，岩体基本质量指标BQ的确定，分级因素的定量指标Rc的兆帕数值和Kv，按下式计算：

式中：Rc：岩石饱和单轴抗压强度，MPa；

Kv：岩体完整性指数。

体积密度Jv在10～20条之间，对应的Kv平均为0.45。此外，现场岩体波速经验值2 800 m/s左右，岩块波速经验值4 200 m/s左右，Kv=岩体波速/岩块波速的平方，其值为0.44。根据室内单轴试验结果，岩石饱和单轴抗压强度RC取65 MPa，计算BQ为405。

3.3 岩体力学参数建议值

3.3.1 结构面抗剪强度建议值

根据结构面剪切试验结果，岩石结构面抗剪强度建议取值，见表6。

表6 岩石结构面抗剪强度建议取值表Tab.6 Recommended value list for shear strength of rock structure surface

3.3.2 岩石抗压强度建议值

根据岩石单轴压缩试验结果，给出岩石抗压强度和软化系数建议值，见表7。

表7 岩石抗压强度和软化系数建议值表Tab.7 Recommended value list for rock compressive strength and softening coefficient

3.3.3 岩体抗剪强度建议值

将前述各原位试验点剪切试验数据汇总，根据岩土工程勘察规范中的标准值计算方法，计算不同测点的岩体抗剪强度标准值，见表8。

表8 饱和状态下岩体抗剪强度标准值表Tab.8 Standard value of rock mass shear strength under saturated state

由于1号试验点有F6和F30断层带通过且局部崩塌滑坡，部分区域岩体相对破碎，而现场不允许也不能在岩体性质最差的区域开展试验。试验点选择是岩体完整性相对较好的部位，因此得到的岩体抗剪强度值较高。

结合边坡工程地质分区反分析计算结果，说明崩塌段整体稳定性处在临界状态之上，虽然有相当比例的完整性较好的岩层，但取较破碎的岩层抗剪强度作为此区域的抗剪强度建议值，具有一定安全储备。建议按下表取值，见表9。

表9 岩体抗剪强度建议取值表Tab.9 Recommended value list for shear strength of rock mass

3.3.4 岩体抗拉强度建议值

根据国际岩石力学学会建议的岩体抗拉强度估算方法，可由岩体抗剪强度比较可靠地估算岩体的抗拉强度，估算公式如下：

式中：бmt：岩体抗拉强度，kPa

c和φ为岩体的抗剪强度参数。

计算岩体抗拉强度建议值，见表10。

表10 岩体抗拉强度建议值表Tab.10 Recommended value list for rock mass tensile strength

3.3.5 岩体变形参数建议值

根据现场岩体变形试验结果，为确保安全，取各试验点中变形模量和弹性模量的较小值，作为各分区岩体变形参数建议值，见表11。

表11 变形参数建议值表Tab.11 Recommended value list for deformation parameters

4 结语

从试验角研究度看，整体试验过程及分析符合室内和原位试验的相关规定及要求，试验结果清晰透彻，所得岩体参数值具有较强的代表性，可靠度高，可满足矿山扩帮设计需求，可直接应用于扩帮设计中，同时可作为矿山扩帮生产的安全评估依据。