采场残坡积土抗剪强度及边坡时效稳定性研究

张 默 熊金波 曹作忠 邱 宇

(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室,安徽 马鞍山 243000;2.中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司,安徽 马鞍山 243000;3.江西铜业股份有限公司永平铜矿,江西 上饶 334505;4.华唯金属矿产资源高效循环利用国家工程研究中心有限公司,安徽 马鞍山 243000)

露天矿采场边坡对于矿山开采、运营都将经历几十年甚至百年之久,采场边坡从原始山脊地貌演变为深凹采坑,岩体经过卸荷变形、长期自然风化、腐蚀、震动剥落,最终岩体将在采场边坡堆积形成残坡积土。残坡积土由原母岩不断在外力作用下,逐渐演变成碎石及土类的性质。堆积在边坡之上一定范围厚度的残坡积土起初为不稳定碎石土层,在小范围内不断稳定下来,当坡脚堆积一定厚度之后,将向边坡中上部堆积,最终形成较稳定的残坡积土堆积层。残坡积土历经几十年后,部分碎石不断风化成土,为植被生长提供了有利条件,但土料毕竟有限,未能为植被及时固定。从宏观时间尺度分析,残坡积土边坡属于新近期边坡,稳定性欠佳,在外界动力、雨水浸入作用下,较易在残坡积土内部或沿土、岩交界面变形失稳。残坡积土长期抗剪强度主要由土石料成分和胶结程度有关,新近期内的抗剪强度主要与含水率有关[1]。为研究露天采场残坡积土在矿山运营期内的稳定性,本研究从不同季节的残坡积土含水率对应的抗剪强度为切入点,研究边坡随时间变化的规律,即边坡时效稳定性。

1 残坡积土抗剪强度中型直剪试验方案

残坡积土为近期堆积土层,固结程度较低,为欠固结土层,力学抗剪强度没有峰值,按照土工直剪试验标准,剪切应变达到15%时,视为剪切破坏[2]。试样主要采集江西铜业股份有限公司永平铜矿露天采场东帮边坡残坡积土,根据气象和多年暴雨统计,一般来说,永平镇5—8月份为雨季,9—12月份为旱季,分别采集了2019年12月、2020年3月、6月、7月和10月的5次样品[3]。不同时间含水率直剪试验方案如表1所示。其中对5次试样进行颗粒筛分统计,粒径级配曲线如图1所示。

表1 残坡积土试验方案Table 1 Residual soil test program

图1 残坡积土粒径级配曲线Fig.1 Grain size grading curve of residual slope deposits

对残坡积土的颗粒级配进行分析[4],级配曲线中间分布较窄较陡。不均匀系数Cu=d60/d10=57.5,曲率系数Cc=d230/(d10·d60)=27.83,不均匀系数Cu大于5,就有足够的细粒土充填到粗粒土形成的孔隙中。但该残坡积土不均匀系数Cu远远大于5,并且曲率系数Cc∉[1,3],说明该残坡积土缺乏中间粒径的含量,粒径不连续,级配不良,进一步说明该露天采场边坡残坡积土短期几十年内碎石未完全风化。

2 残坡积土抗剪强度试验结果

不同含水率残坡积土不同轴向压力作用下的直剪试验结果如图2～图4所示。然后用一次线性函数拟合,拟合结果与试验结果较为吻合,从抗剪强度公式得出不同含水率的残坡积土抗剪强度公式,如图5所示。

图2 轴压压应力为100 kPa不同含水率剪切试验曲线Fig.2 The axial compressive stress is 100 kPa shear test curves with different water content

图3 轴压压应力为200 kPa不同含水率剪切试验曲线Fig.3 The axial compressive stress is 200 kPa shear test curves with different water content

图4 轴压压应力为300 kPa不同含水率剪切试验曲线Fig.4 The axial compressive stress is 300 kPa shear test curves with different water content

图5 不同含水率残坡积土剪切强度线性拟合方程Fig.5 The linear fitting equation of shear strength of residual slope deposits with different water content

3 残坡积土抗剪强度时效规律研究

从不同含水率残坡积土直剪试验结果分析,得出其物理力学性质如表2所示,抗剪强度黏聚力和摩擦角随含水率的变化规律如图6所示。

表2 不同含水率残坡积土试验结果Table 2 Test results of residual slope deposits with different water content

图6 不同含水率残坡积土剪切强度变化规律Fig.6 Variation rule of shear strength of residual slope deposits with different water content

从图6可以得出不同含水率的残坡积土抗剪强度随含水率的增加而降低,考虑到含水率对应的月份或季节,残坡积土的抗剪强度时效规律为雨季强度比旱季小得多。对残坡积土力学强度随所在季节含水率变化规律的时效强度研究,可以探究其本质原因为:含水率增加,将造成土料颗粒的吸附水膜增厚,颗粒间的作用力被削弱,自由水变多,基质吸力降低;同时含水率增加,土料结构间的胶结程度减弱,进而导致其学强度降低[5]。

4 残坡积土边坡时效稳定性研究

本研究以永平铜矿采场边坡为例,进一步探究露天采场残坡积土边坡的时效稳定性。永平铜矿东帮边坡曾出现过1#和2#滑坡体,破坏范围在1～3个台阶,通过地质调查与分析,东帮边坡主要因残坡积土在雨季时发生滑坡,通过锚喷加固治理后,边坡稳定性得到了较好的控制,具体残坡积土边坡如图7～图8所示。残坡积土边坡时效稳定性研究主要以其不同含水率对应的抗剪强度为主,力学强度参数取值如表2所示。残坡积土层边坡的破坏模式主要为圆弧形,稳定性计算方法采用简化毕肖普法[6]。从残坡积土边坡破坏发展状况得知,边坡以单台阶向多台阶渐进破坏,本次以单台阶到3个台阶的组合台阶边坡破坏方式研究其时效稳定性。具体到东帮边坡代表剖面的中上部边坡地质模型如图9所示,对1个台阶到3个台阶高度的边坡进行自然工况的时效稳定性研究结果如表3所示,边坡时效规律如图10所示。

表3 不同含水率残坡积土边坡安全系数Table 3 Safety factor of residual soil slope with different water content

图7 采场边坡残坡积土Fig.7 Residual soil of stope slope

图8 采场边坡残坡积土滑坡Fig.8 Residual soil of stope slope slides

图9 残坡积土边坡计算模型Fig.9 Residual soil slope calculation model

图10 不同季节组合台阶边坡的安全系数Fig.10 Safety factors of bench slope in different seasons

通过不同台阶的稳定性研究结果,可以得出以下规律:不同组合台阶的稳定性随残坡积土含水率的增加而降低,边坡的时效稳定性表现在旱季稳定性较雨季稳定性好;单台阶边坡安全稳定性低于多台阶边坡稳定性,说明当含水率增加时,边坡从单台阶向多台阶发生渐进性破坏。

5 结 论

本次以永平铜矿露天采场东帮残坡积土边坡为基础,采集了不同季节的残坡积土样,从不同季节的含水率对应不同的抗剪强度为试验数据,进而研究残坡积土边坡的时效稳定性。可以得出以下结论:

(1)残坡积土的黏聚力和摩擦角随含水率增加而降低,相同含水量变化率的情况下,黏聚力降低程度比摩擦角降低程度较大。

(2)残坡积土边坡稳定性受雨水影响较大,因其强度随季节变化,其边坡稳定性也表现出时效性,安全性系数在旱季较雨季大,其他时间介于之间。

(3)对于永平铜矿采场残坡积土边坡,单台阶安全稳定性系数较多台阶的小,边坡主要以单台阶向多台阶发生渐进破坏。