露天矿顺层蠕动边坡稳定性动态分析探讨

芮勇勤 徐小荷 杨天鸿

(东北大学#沈阳 110006) (中国矿业大学#徐州 221008)

*

张幼蒂 周昌寿

摘 要 进行了阜新海州露天矿北帮东部一号断层区顺层蠕动边坡变形、失稳机理分析讨论。根据AoRmm

),确定由等速蠕变向加速蠕变过渡A#C(1+H(1+D#t)

的临界应变量作为破坏时刻的破坏应变量Cs,从而建立长期抗剪强度与应力作用时间变化的关系S=老化理论提出了软弱夹层的一般流变方程S=

Ao#CAo#Css

#Rm=c+Rm#tgU,对于非稳定蠕动变形,等速蠕变阶段的应变速率与剪应力A+(1+D#t)H(1+D#tA)超过长期极限强度的程度有关,在此基础上探讨并建立顺层蠕动边坡的流变稳定性分析方法,评价蠕动边坡变形、失稳的动态演化。

关键词 露天煤矿 边坡稳定性 软弱夹层 蠕动变形特性

DYNAMICANALYSISOFSTABILITYOFBEDDING-CREETING

TYPESLOPEATANOPEN-PITCOALMINE

RuiYongqin XuXiaohe YangTianhong

(NortheasternUniversity)ZhangYoudi ZhouChangshou(ChinaUniversityofCoalandTechnology)

Abstract:Thenon-linearcreeppropertyoftheweaklayerisanalyzedandthechangepropertyofitsme-chanicsstrengthandthenon-linearpropertyofitsstress-strainrelationshipareindicated.OnthebasisoftheagedRmAom

)isposed.Subsequently,thedamagestrainA#C(1+H(1+D#t)

C-sisdefinedascriticalvaluefromthesteadystatecreepratetotheincreasingstatecreeprate,andtherelationtheory,acommoncreepequation-S=

shipbetweenthelong-termshearstrengthandthestresschangingratewithtime-S=

Ao#Cs

+

(1+D#tA)

Ao#Cs#Rm=c+Rm#tgUisconcluded.Astotheinstabilitydeformationofthecreepingslope,thestrain

H(1+D#tA)rateofthesteadystatecreepisassociatedwithitsshearstressleveltoexceeditsshearstrengthlimit.Theprop-ertystudiesshowthattheshearstrengthoftheweaklayerdecreaseswithtimesoprovideanimportantbasisforthetheoryanalysisofthedynamicstabilityonthewrigglingslope.

Keywords:Open-pitcoalmine,Slopestability,Weaklayer,Creepproperty

1 引 言

露天煤矿边坡岩体中普遍存在软弱夹层(相对较软的弱层),弱层蠕动变形(流变)常常引起蠕动边坡的变形、失稳。分析弱层力学强度的变化、本构关系的非线性和非连续性特征,可以揭示并控制蠕动边

11-3,132

坡稳定性问题,对控制蠕动边坡变形、失稳灾害具有实践和理论指导意义。

大量的软弱夹层(简称弱层)蠕动变形实验证明,弱层抗剪强度是随着剪应力作用时间的延长而降低。许多滑坡灾害发生之前,大多都经历一定时间后

X煤炭部重点项目资助(部重点项目97-15)

54中国矿业1999年第8卷第6期

发生失稳破坏,特别是受弱层强度蠕动过程降低控制的边坡失稳破坏更是如此。

弱层在瞬时(t=0)荷载作用下的抗剪应力称为瞬时强度S0,在长期荷载作用下的抗剪应力的临界强度称为长期强度极限S],在瞬时强度S0与长期强度极限S]之间一定时间内产生失稳破坏的抗剪应力称为长期强度。这样一来,弱层蠕变过程可分为稳定蠕变和非稳定蠕变,如图1所示。

由于东部1号断层为高倾角的张扭性断裂,蠕滑的剩余推力在断层处被分解为断层带的挤压力N和顺断层带的剪力Q,由于断层倾角较大,所以断层带所受挤压力较大如图3a所示。

图3 断层带所受挤压力及其岩体应力应变曲线

断层破碎带是由断层泥和角砾岩组成,从试验所

图1 弱层的蠕动变形特征曲线图

得应力应变曲线可以看出,断层破碎带岩体具有塑性变形特性,如图3b所示。当挤压应力超过其弹性极限时,则岩体具有流动特征,亦即应力不增加,但变形将不断增大,从而导致断层带边坡隆起变形。同时下盘岩体在蠕滑段推力作用下楔入上盘岩体,使得断层带附近的上盘岩体发生隆起变形。随着断层带岩体的固结压密隆起变形将逐渐减缓,蠕滑段的剩余推力将全部转移到上盘岩体,边坡变形破坏过程将进入一个新的阶段)))锁固段剪切破坏过程。

断层上盘锁固段岩体对此区段边坡起支撑和锁固作用,一旦下盘蠕滑段岩体的推力超过锁固段岩体的抗滑力,锁固单元岩体发生破坏,则整个边坡将发生滑坡。

在蠕滑段推力作用下,锁固段岩体将发生剪切破坏,其破坏过程首先由蠕滑段与锁固段接触的一端A点开始,因为由推力所造成的锁固段剪切面上的应力不是均匀分布的,而是A点最大,剪出点的应力最小,当某点的应力状态大于岩体的瞬时强度时,则某点发生剪切破坏。所以,锁固段的破坏是从A点开始逐渐向锁固面剪出点扩展,扩展到某点后,当该点的剪应力小于其峰值强度时,则破坏的扩展将终止,这就是锁固段的渐进式破坏过程,如图4所示。

弱层稳定蠕变经减速蠕变阶段后,变形将趋于常量。当作用的剪应力S[S]时,亦即剪应力小于或等于软弱岩层的长期极限强度时,出现稳定蠕变。

当作用的剪应力S>S]时,则发生非稳定蠕变,其变形过程为:经减速蠕变阶段后,将过渡到等速蠕变,当变形累积到一定程度后,即进入加速蠕变阶段,直至破坏。所以,非稳定蠕变具有产生破坏的潜在可能性,揭示其特性即可以进行蠕动边坡稳定性的动态评价。

2 蠕动边坡变形动态特征与失稳机制

自1983年以来,阜新海州露天矿北帮东部一号断层区断层上盘区段在逐年延深并段,E2400剖面1986年+36m水平以上已全部到界,E2300剖面+14m水平以上已全部到界,此区段边坡逐渐进入恒应力状态。

依据工程地质条件和岩体物理力学特征,东部1号断层区边坡可划分为三个物理力学单元(如图2所示):

图4 锁固段的渐进式破坏过程

随着蠕滑段变形时间的增加,弱层强度降低,则

图2 阜新海州露天矿北帮东部边坡变形破坏机理图

露天矿顺层蠕动边坡稳定性动态分析探讨作用于锁固段的剩余推力也将增加,所以锁固段剪切

55破坏的扩展,将随着边坡存在时间的延长而增大,直至最终失稳破坏。

3 弱层的蠕动变形特性分析

311 弱层的蠕动变形方程

软弱夹层的流变本构关系模型由流变产生的总变形分离成线性流变和非线性流变。非线性流变性态表现为某一正应力条件下在某一剪应力附近都有一个明显的转折点(屈服强度点),小于此剪应力属于粘弹性问题,大于此剪应力属于粘塑性问题。

通过目前普遍应用的流变线性模型、西原流变模型和非线性多项式模型回归统计分析,发现其中试验常数过多,且有些物理意义不明确,反映不出剪应力水平对蠕变的影响。试验拟合较好的流变统计模型理论,虽然比前述回归统计模型中试验常数物理意义明确,基本反映了剪应力不同水平对蠕变的影响,但是理论分析参数过多且应用繁琐14~

122

11~32

所以,一般都将第二种状态的临界应变参量称为

破坏变形。对于炭质泥岩软弱岩层,它的蠕变试验资料表明,进入加速蠕动阶段的临界破坏变形量及破坏应变量如表2所列。

表2 炭质泥岩软弱岩层的破坏应变量

正应力R(kPa)临界破坏变形量10

-2

50

(mm)13611

21126

1001601321500

1501791021797

200平均值

16216159152154021492

破坏应变(%)

将等速蠕变阶段向加速蠕变阶段过渡的过渡点作为弱层破坏的状态,此时变形量作为弱层流变破坏的标准。亦即认为弱层的破坏发生在蠕变变形达到或超出某一极限值时,即弱层破坏。

试验证明,蠕变变形极限值对同一种弱层近似为常数。所以,长期破坏准则可取变形达到某固定的蠕变变形值,建立长期强度条件。

313 长期抗剪强度

以弱层破坏应变量Cs作为蠕动变形破坏标准,就可以建立长期抗剪强度与应力作用时间的关系,由(2)式展开得到:

Ao#CAo#Css

+#Rm=c+Rm#tgU(2)

#tA)(1+D#tA)H(1+D

式中 c)))凝聚力,MPa;

U)))内摩擦角。S=

根据式(2)可以计算出炭质泥岩软弱岩层不同时间的(c,U),其长期强度对应的(c,U)变化如表3所列。

表3 9号弱层剪切强度与应力作用时间的关系

t(a)c(kPa)5(b)

01006

011

0143137

1102169

2102128

7101167

1010201011531127

161424184

。

根据老化理论112,依据逐级加载的蠕变试验数据分析,弱层的一般流动方程可以写成下式:

RmAom

#C(1+)S=

H(1+D#tA)

式中 S)))作用于弱层上的剪应力,MPa;

A0)))瞬时存剪切模量,MPa;

t)))剪切历时,d;C)))剪切应变,%;Rm)))法向应力,MPa;H)))抗拉强度,kPa;m)))应变强化因子;D、A)))实验常数。

对于炭质泥岩软弱岩层(阜新海州露天矿9号弱层)、根据弱层的蠕变试验数据分析可以求得式(1)中各参数,如表1所示。

表1 炭质泥岩软弱岩层和褐色页岩泥化夹层的蠕变参数

弱 层炭质泥岩软弱岩层

A0(MPa)9166

H(kPa)2510

m01385

D01417

A01184

(1)

1610012119121421212511199111921118211168

4 软弱夹层的流变特征与强度的时间效应1132

位移观测表明边坡变形具有流动特征,现处于稳态蠕变过程,边坡位移呈均速发展,这种变形特征主要受赋存于层状边坡内的9号弱层的流变特征所控制,亦即9号弱层的流变特性是影响断层带边坡变形动态的主要因素。

9号弱层的流变试验表明,它具有明显的流变特征,其剪切强度不仅与其矿物成分、含水量的大小有关,而且与剪应力作用的时间有关,具有明显的时间效应。

9号弱层的强度由t=0瞬时强度S0随剪应力作用时间延长而逐渐降至t=]时的长期极限强度S],在S0与S]之间任意时间的强度为长期强度St。

(1)蠕滑段剪应力状态St[S]

中国矿业1999年第8卷第6期

312 蠕变过程的破坏应变参量非稳定蠕变发展过程的临界状态有三种:(1)由减速蠕变向等速蠕变流动过渡;

(2)由等速蠕变向加速蠕变过渡,预示变形已将临近破坏;

(3)处于加速蠕变流动阶段,亦即破坏时刻。一般情况下,当弱层蠕变过程进入加速蠕变阶段,即认为其已经破坏。因为对于边坡工程来说,当变形进入加速蠕动变形后,距离剧滑的时间已为期不远。56当蠕滑段剪应力状态St[S]时,则边坡的变形将经历衰减蠕变过程,随着时间的延长变形将稳定在一个定值。只有对长期存在的边坡才按这种剪应力状态来设计边坡。

(2)蠕滑段剪应力状态S]当蠕滑段剪应力状态S](3)蠕滑段剪应力状态为St>S0

当蠕滑段剪应力状态为St>S0时,则边坡变形立即进入加速蠕变阶段,边坡很快破坏。通过分析,边坡属于稳定蠕变过程,正处于等速蠕变阶段。5 蠕动边坡的稳定性

边坡在其最终轮廓(1993年)确定后,随存在时间的延长,9号弱层强度逐渐衰减,边坡稳定系数随之下降,稳定分析结果如表4所示。

表4 蠕动边坡稳定性动态变化

t(a)

01006

011

014

110

210

710

10102010

疏干dr=0%1117111060110281101911006019920198801983

疏干dr=100%1136611172111371112211112110951109211087

1132

如预测的加速阶段来临或稳定系数下降至FS=110的时间比边坡设计年限短,则需要采取措施提高边坡的稳定系数,以降低边坡变形速度,推迟加速阶段来临的时间。

当加速蠕动变形阶段来临后或稳定系数下降至FS=110,则可运用蠕动边坡临滑时间预报的理论和预测模型进行剧滑发生时间预报。6 小 结

依据弱层的蠕动变形特性,可以对受弱层的蠕动变形控制的边坡等速变形阶段的变形速度进行预测,结合破坏应变量,可对边坡蠕动变形加速段起始时间进行预测,以达到中长期预测预报的目的,采取必要的措施控制边坡的变形速度,以满足边坡服务年限的要求。

作者深深地感谢煤炭科学研究总院抚顺分院马新民、霍启元、江智明、张生善几位先生对本论文及相关课题的多年帮助与关心。

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国矿业大学,博士学位论文,19981

5岩土工程学报6,5工程地质学报6,1996

蠕动边坡稳定性动态变化表明,在当前边坡不采

取任何疏干等措施的情况下,稳定性恶化显著,更为直观的分析方法是建立蠕动边坡稳定性分析方法模型FS=f(S,t),分析疏干减压前后边坡的稳定系数FS随着边坡存在时间的延长而降低的规律,如表4所示。

阜新海州露天矿北帮东部边坡不疏干减压情况,1993年蠕动边坡的稳定系数FS=11171,经过4年,即1997年蠕动边坡的稳定系数FS下降至FS=11000,表明边坡处于临滑极限平衡状态。若采取疏干减压相应控制技术措施,蠕动边坡的稳定系数FS可以得到控制,将由1993年的FS=11366下降至1997年的FS=111050,表明蠕动边坡的动态稳定性。1993年施工的岩石试验巷道起到了蠕动边坡局部地下水的疏干减压作用,护坡抗滑工程和调整开采程序实现内部排土也都延缓了蠕动边坡稳定系数FS的进一步恶化,随着相应控制技术措施的实施,蠕动边坡的动态稳定性将进一步得到改善。

可见,进一步监控蠕动边坡的变形速率变化,进行蠕动边坡稳定性的历时衰变分析,就可以采取相应技术措施控制蠕动边坡的动态稳定性。

露天矿顺层蠕动边坡稳定性动态分析探讨(收稿日期 1999年2月5日)

1作者简介2芮勇勤 东北大学博士后 高级工程师

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