某磷矿边坡软弱夹层抗剪强度指标的确定

路洪斌 刘加冬

【摘 要】 软弱夹层的力学强度指标对边坡稳定性至关重要。本文选取已滑动边坡的2个典型剖面，采用试验和反算法综合确定合理的软弱夹层抗剪强度指标，为边坡稳定性分析提供恰当的计算参数。研究表明：反算法确定的边坡软弱夹层黏聚力c为28.8kPa，内摩擦角φ为16.6°，其值比试验确定的指标更符合实际情况，可见，只要弄清楚具体的滑面位置、滑动时的工况，明确安全系数，采用反算法确定的滑体抗剪强度指标是比较准确的。

【关键词】 边坡;抗剪强度指标;稳定性分析;软弱夹层;安全系数

【中图分类号】 TD73 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）02-0094-03

滑坡给交通、水利、建筑、矿山等行业带来了巨大的损失。及时进行边坡稳定分析是滑坡防治和安全生产的重要性工作，而分析结果是否合理不仅取决于科学的边坡稳定性分析方法，而且还取决于恰当的计算参数。岩土体的参数研究仍然是国际上的前沿课题，巫德斌、周火明等对岩石力学参数取值问题进行了研究。抗剪强度指标就是岩土体的重要参数之一，它关系着工程的稳定，可见，确定恰当的抗剪强度指标对于分析边坡稳定性是十分必要。

目前，确定岩土体的抗剪强度方法有很多，主要有试验、极限平衡状态下的反算法和工程类比经验法等，每种方法都有各自的优缺点。本文对一露天磷矿进行了详细的地质勘察，采用极限平衡法中的Morgenstern-Price法和试验综合确定该磷矿边坡软弱夹层的抗剪强度参数，为科学地评价该磷矿边坡的稳定性奠定基础。

1工程概况

某露天磷矿地质构造以南北（早期）构造为主，北西—南西—南东（晚期）构造次之，还存在着多种形态和不同方向的构造形迹，它们互相干扰，互相交叉。矿区资源丰富，共五个采区，其中东采区在开采过程中形成了一个长约1900m、高约200m的下盘顺层边坡，坡体主要地层为∈1m2磷块岩地层，局部出露∈1m1及Zbdn上段白云岩夹砂页岩地层，边坡顶部坡度较陡，可达35°～40°，基岩出露，往下采用放坡的方式分级分台，坡度一般22°～30°，局部可达36°，坡体表面多堆积采剥分离后的黏性土、碎石土，部分地段出露基岩，地形变化大，发育有大小不一的滑坡多处。

2软弱夹层抗剪强度指标的试验

岩土体的抗剪强度是指岩体和土体在受到荷载作用时抵抗剪切破坏的极限能力。当岩土体受到荷载作用后，将产生剪应力。当某点的剪应力达到其抗剪强度，在剪切面两侧的岩土体将产生相对位移而产生破坏。因此，确定岩土体的抗剪强度对于分析边坡稳定性是十分重要的。

为了节约研究成本和缩短研究周期，对软弱夹层原位直接剪切试验改为现场取样，室内试验台试验。根据试验的特点与要求，自制现场取样设施和室内试验设备。

2.1软弱夹层取样

室内试验设备主要参考直剪试验原理研制，根据实验设备对软弱夹层进行不扰动取样，取8个试样（两组试验）。取样盒由上下罩盒、中间可拆卸环和连接螺栓组成。现场制样，采用外罩盒封罩，中间预留剪切缝（软弱面正对剪切缝），然后用水泥浇筑，待养护完成用螺栓固定，避免试样运输过程中受到扰动。试验时将可拆卸环拆除，保留外罩，防止破坏试体。

2.2试验及结果

室内试验设备主要参考直剪试验原理研制。先将试样放置在水箱中，全部淹没在水中静置72h以上，将其饱和，然后测其饱和密度。把试样安放在试验台座上，并安装加載设备与监测仪器。然后进行直剪试验，以剪切位移为横坐标，剪应力为纵坐标，用两个坐标分别绘制每一组4个试样剪切试验的剪应力与剪切位移关系曲线，而后从曲线上选取剪应力的峰值和残余值。利用每一试样的法向应力及其对应剪应力的峰值、残余值，绘制法向应力与抗剪断峰值及残余值的关系曲线，按库仑表达式确定相应的抗剪强度指标。第一组试样获得的黏聚力c=31.20kPa，内摩擦角φ=16.72°，第二组试样获得的黏聚力c=33.00kPa，内摩擦角φ=16.66°。

3极限平衡状态下的反算法

由于该矿山已经出现滑坡，根据滑坡调查情况可知，滑坡主要出现在软弱层。因此，应采用极限平衡状态下的反算法对软弱夹层的抗剪强度进行反算。

根据规范以及采场边坡破坏特征，采用极限平衡法中的Morgenstern-Price法对该矿山边坡进行反分析。Morgenstern-Price法是对任意曲线形状的滑裂面进行分析，建立满足力的平衡及力矩平衡条件的微分方程式，假定两相邻条块法向条间力和切向条间力之间存在对水平方向坐标的函数关系，根据整个滑动边坡体块的边界条件来解答。

3.1反分析剖面及其破坏模式

根据滑坡调查情况，选择位于H4滑坡的典型剖面B-B和位于H5滑坡的典型剖面D-D。H4滑坡前缘位于坑底，前缘长约450m，高程约2220m，后缘接近山顶，后缘长约200m，高程约2425.12m，前后缘垂直高差约205m。受降雨软化影响，使得上部岩土体沿其下软弱面产生顺坡滑动，为中～深层大型牵引式滑坡。H5滑坡前缘位于边坡底部附近一分级开挖形成的平台上，前缘宽约400m，高程约2270m，滑坡后缘可达修理厂附近山顶，高程约2428m，后缘宽约200m，滑坡前后缘垂直高差约158m。受降雨软化影响，使得坡体后部岩土体主动顺坡推移，沿其下软弱面产生滑动。

3.2水文地质条件分析

勘察钻孔均未揭露稳定地下水位，多为降雨后的暂时地下水位，并于降雨停止后迅速消退，其中BK7钻孔受连续降雨影响，有地下水顺钻孔溢出。因此滑坡反分析按坡体内全部饱和的情况考虑。

3.3边坡其他岩土体物理力学指标

要对软弱夹层的抗剪强度进行反分析，首先要获得边坡其他岩土体的物理力学指标。本次边坡稳定性反分析中所选用的岩土体物理力学指标见表1。

3.4临界安全系数的取值

在边坡极限平衡分析中，安全系数F=1时，边坡处于极限平衡状态。边坡已经滑动，其安全系数取值应考虑0.95

3.5稳定性计算结果与分析

滑床主要位于∈1m2含磷凝灰质黏土岩中，因此反分析的抗剪强度指标也即∈1m2含磷凝灰质粘土岩的指标。根据B-B剖面和D-D剖面选择比滑动区域大5倍的范围还原断面，并绘制出滑动面，根据断面情况建立模型，如图1、图2所示。

模型设置边界条件后，按地质情况将已确定的岩层物理力学参数输入后，假定软弱夹层的黏聚力c分别为20kPa、25kPa、30kPa、35kPa、40kPa，输入一定的φ值进行试算，计算相应的安全系数，将安全系数接近0.95的φ值记录下来，见表2。

根据以上结果，分别绘制B-B剖面和D-D剖面的两条c-φ关系线，两直线交点即为∈1m2含磷凝灰质黏土岩的抗剪强度指标，滑坡反分析c-φ关系线结果图见图3，从图中可知黏聚力c为28.8kPa，内摩擦角φ为16.6°。

4边坡岩层软弱夹层强度对比分析

通过对边坡软弱夹层∈1m2含磷凝灰质黏土岩进行试验和稳定性计算反分析，得出三组抗剪强度指标，可以看出上述抗剪强度大小接近，并将上述指标用于B-B、D-D两剖面的稳定性分析，得出其稳定性计算结果如表3。

从表3中可知，采用反分析所得抗剪强度计算的安全系数小于采用试验所得抗剪强度计算的安全系数，从实际情况来看，滑坡已经发生，其计算的安全系数应小于1，因此采用反分析所得的抗剪强度指标更符合实际。

5结束语

通过对某露天磷矿地质构造的勘查、水文地质条件分析、土体抗剪强度指标的反算和试验，得到以下几点认识：

（1）进行抗剪强度反分析，必须知道坡体的稳定系数值，滑面的确切位置，滑动前的降雨情况、水位升降、斜坡弃土等外力因素，选取适当的分析方法，才能通过反分析确定恰當的抗剪强度指标。

（2）采用反分析确定的岩土体抗剪强度指标应与试验确定的岩土体抗剪强度指标进行对比，力求反分析计算结果合理，避免反分析因计算的条件不够清晰和准确而影响反分析计算结果的可信度。

【参考文献】

[1]李金瑞.边坡稳定分析中土体抗剪强度指标的选取[J].吉林水利，2010，332（1）：44-45.

[2]胡卸文，吕小平，李廷强.四川某矿山边坡失稳机理及稳定性评价[J].山地学报，2004，22（2）：224-229.

[3]刘加冬，路洪斌，王雨波.蒙特卡在露天矿边坡可靠性分析中的应用[J].金属矿山，2013（8）：147-149.

[4]路洪斌，刘加冬，王雨波.露天矿边坡稳定性分析及边坡结构参数的优化[J].化工矿物与加工，2015，3（10）：32-34.

[5]巫德斌，徐卫亚.岩石边坡力学参数取值的GSMR法[J].岩土力学，2005，26（9）：1421-1426.

[6]周火明，孔祥辉.水利水电工程岩石力学参数取值问题与对策[J].长江科学学院院报，2006，23（4）：36-39.

[7]杨林德.岩土工程问题的反演理论与工程实践[M].北京：科学出版社，1996.

[8]柴波，殷坤龙，简文星.滑坡计算参数反演分析的优化算法[J].武汉理工大学学报，2007，29（11）：98-102.