巖體邊坡穩定性與錨固支護研究

2016-08-15 07:48:52熊其歡

現代礦業 2016年7期

張　春　刁　虎　熊其歡

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

巖體邊坡穩定性與錨固支護研究

張春1，2，3刁虎1，2，3熊其歡1，2，3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司;2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室;3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司)

摘要以首鋼水廠鐵礦為例,應用強度折減法模擬其邊坡在現狀條件下,削坡減載之后內部應力應變場的變化規律，以及采用預應力錨索對其加固時合理間距的確定。結果表明:在現狀條件下，邊坡安全系數低于規范值，邊坡處于不穩定狀態，其破壞模式以淺層滑動為主；采取削坡減載之后，穩定性增強，但安全儲備不足，破壞模式表現為深層次滑動。框架梁節點的應力應變圖顯示,隨著相鄰錨索間距的增大，框架梁受力，壓縮變形協調性逐漸減弱，應力、應變跌落現象越來越明顯，整體作用、加固效果降低，考慮其經濟性與合理性，錨索間距為4 m時，總體效果較好，邊坡處于穩定狀態。

關鍵詞安全系數間距穩定性邊坡支護

水廠鐵礦是一座大型火山沉積變質巖型磁鐵礦床，具有礦石儲量大、品位高、埋藏淺、便于露天開采特征。2015年10月20日，在-20 m水平按設計采裝到界的過程中，北采場上盤K2路基59#～89#皮帶架子外側邊坡發生順層滑坡，導致59#～89#架子的路基寬度由設計的8 m變窄為5～7 m，其中72#～89#皮帶架子西側水泥基礎、走臺呈懸空狀態；邊坡出現多處裂縫，局部地區裂縫長度達50 m，裂縫寬度約16 mm，深度10 mm，嚴重影響了該礦安全生產，需對其進行加固。

1　計算模型

選取首鋼水廠鐵礦邊坡某一實際剖面，巖體參數見表1。對其現狀以及削坡減載[1]后的穩定性進行數值模擬分析，見圖1、圖2。模型離散時，初始狀態下共劃分了1 508個節點，1 347個單元(zone)，單元類型為六面體(圖1)；削坡減載后共劃分了1 312 個節點，1 087個單元(zone)，單元類型為六面體(圖2)。

表1　巖體參數

2　計算結果分析

從計算結果可以看出，現狀邊坡(-65～90 m 區域)處于不穩定狀態，從圖3、圖5的剪切應變增量圖、速度場可以看出:邊坡破壞模式以淺層為主，其表層滑動勢能較大，滑動面的入口主要表現在65 m平臺，自此平臺至坡底容易發生塑性屈服。由表2可知，此時的邊坡安全系數為0.903，剩余滑動力5 923.1 t，邊坡安全系數較低，處于不穩定狀態，故需進行適當的削坡減載處理，考慮水廠邊坡地形等因素限制，對-20～60 m臺階進行削坡。從圖4、圖6的剪切應變增量圖、速度場可以看出:邊坡破壞模式以深層次為主，塑性屈服時主要表現為整體貫通，此時的邊坡安全系數為1.112，剩余滑動力為812.2 t，剩余下滑力明顯減小[2]，穩定性增強，但仍沒達到邊坡允許安全系數要求，邊坡安全儲備不足，故需要對邊坡進行錨固處理。

圖1　初始狀態下的邊坡模型

圖2　削坡減載后的邊坡模型

圖3　初始狀態下的剪切應變增量

圖4　削坡減載后的剪切應變增量

圖5　初始狀態下的速度場

圖6　削坡減載后的速度場

表2　邊坡穩定性分析結果

為確定錨固方案中預應力錨索的最佳間距，采取如下幾種方案進行研究分析：①預應力錨索間距為2 m;②預應力錨索間距為4 m;③預應力錨索間距為6。其中：錨索張拉力750 kN，E=50 MPa,梁400 mm×400 mm。

各錨固方案應力、應變見圖7～圖12，安全系數與預應力錨索的關系見圖13。

從圖7、圖8可以看出，框架梁的節點與其中點應力、應變變化比較協調，說明錨索和框架梁起同步作用，變形總體一致，框架梁之間不存在應力應變[3]跌落現象，此時邊坡安全系數為1.47，超出允許安全系數要求，邊坡穩定性強，說明預應力錨索在間距為2 m時對邊坡整體起著良好的抑制作用，加固效果顯著，因此理論上方案1最優；當邊坡間距為4 m時，從圖9、圖10可以看出，預應力錨索以及框架梁之間的應力、應變存在一定的跌落的現象，即在兩個預應力錨索中間部位力的作用減小，但跌落不是很明顯，此時安全系數為1.38，仍滿足邊坡允許安全系數要求，考慮加固的經濟性和合理性，方案2較好；當邊坡間距為6 m時，從圖11、圖12中可以看出，預應力錨索以及框架梁之間的應力、應變存在明顯的跌落現象，僅在預應力錨索處力的作用點上應力、應變作用明顯，梁端壓縮變形大,框格梁跨中壓縮變形較小，說明其間距對邊坡整體加固作用有限，此時邊坡安全系數為1.26，不滿足允許安全系數要求，因此方案3不能滿足加固要求。