CN109470581A - 露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法 - Google Patents

Abstract

一种露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法，包括以下步骤：(1)对露天矿山边坡进行现场调查；(2)确定形态函数；(3)确定振动加速度a；(4)计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡滑面的法向应力；(5)计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡对应滑面上不同位置处的法向应力值；(6)确定预测抗剪强度参数时所需法向应力值的试算值；(7)针对不同等级的边坡，将获得的试算参数带入JRC‑JCS模型进行试算；(8)以最小二乘法进行线性拟合求得总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡所对应的不同级别潜在滑移面的内摩擦角和粘聚力大小。本发明显著提高了露天矿山边坡潜在滑移面抗剪强度参数精细化取值的可靠性。

Description

露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法

技术领域

本发明涉及一种露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法，特别的是本发明在边坡稳定性分级分析的基础上，依据不同级别潜在滑移面上法向应力分布规律，提供了一种合理确定结构面粘聚力与内摩擦角的技术方案，显著提高了露天矿山边坡潜在滑移面精细化取值的可靠性，本发明属于工程技术领域。

背景技术

岩质边坡稳定性问题是岩石力学与工程地质学的一个重要研究课题，也是工程实践中迫切要求解决的问题。随着矿业的发展和露天开采深度的加大，露天矿山边坡的稳定性已成为直接关系到矿山安全生产与发展的重大问题。矿山边坡的稳定性受岩体结构面控制，岩体结构面的力学特性决定了矿山边坡发生潜在破坏的可能性，其中结构面抗剪强度研究是岩体稳定性分析的重要内容。许多学者认为结构面直剪试验是确定岩体结构面抗剪强度参数最直接有效的方法。特别是对于有一定重要性的岩土工程，在资金、技术条件允许的范围内，采用直剪试验方法确定结构面抗剪强度至关重要。目前，人们大量采用Mohr-Coulomb线性准则描述岩体的强度，但对于天然粗糙节理面，剪切强度的增长率随正应力的逐渐增加、凸起部分逐渐被剪切和扩张角的减小而减小，从而导致其剪切强度与正应力呈非线性关系。因此，Mohr-Coulomb准则对岩体强度的描述有一定局限性。Barton在仔细研究这些结构面的直剪特性和试验结果的基础上，提出了用于估算岩体结构面抗剪强度的非线性经验公式：

式中：为基本摩擦角，JRC为结构面粗糙度系数，JCS为结构面壁岩强度，σ_n为法向应力。

Hoek和Brown认为，JRC-JCS模型非常适用于岩质边坡工程中的结构面抗剪强度估算，该节理剪切强度准则具有较好的工程应用价值，并在工程实践中广泛使用。

目前，最小二乘回归拟合获得抗剪强度参数的方法(等效线性拟合法)是一种常用的通过JRC-JCS模型获取结构面抗剪强度参数的方法。由于不同法向荷载条件下，结构面的抗剪强度参数随之发生变化。因此，只有在对作用在潜在滑移面上的真实法向受荷状态准确分析的前提下，才能准确确定潜在滑移面上的抗剪强度参数。

截止目前，一些专家、学者已经陆续开展了滑面应力分布形式方面的研究。例如，Bell(1968)将滑面正应力分布假设为含两个参数的函数；Yang(2001)将滑面正应力分布用二次函数来逼近；Zhu(2002)用三次拉格朗日多项式来逼近滑动面的正应力分布；朱大勇(2004)将滑面正应力通过初始函数和修正函数来联合表示；杨明成(2004)假定条块底正应力函数为具有两个待定参数的函数；郑宏(2007)将滑面正应力划分为滑体体积力的贡献分量和条间作用力的贡献分量两个部分；卢坤林(2012)讨论了滑面应力的构成，并论证了两个正应力分量的贡献程度。这些有关滑面应力分布形式的研究丰富了人们对滑动面上受荷条件的认识，其主要目的是为了从滑面正应力的角度提出结构面安全系数的评价方法。

然而，截止目前，人们在使用最小二乘回归拟合获得抗剪强度参数的方法获取结构面抗剪强度参数时，并没有对结构面上真实作用的法向应力条件进行分析，获得的结构面抗剪强度参数可能与真实受力条件下结构面抗剪强度参数存在较大的差异。

此外，露天矿山边坡稳定性评价与公路、铁路、建筑、水利等工程边坡相比，具有鲜明的特色和复杂性。大型露天矿山按构成要素与规模大小可划分为总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡3个层次，需分别评价它们的整体稳定性和局部稳定性。若潜在滑移面是同一组结构面，人们往往采用相同的结构面抗剪强度参数来评价不同规模大小的边坡稳定性。然而，不同规模边坡所对应的滑动面(或潜在滑移面)上受到的法向应力分布特征也完全不同，即作用在结构面上的真实应力条件不同。依据非线性JRC-JCS模型，不同法向应力条件下获取的结构面抗剪强度参数也将完全不同。只有当结构面剪切强度与正应力呈线性关系时，人们用相同的抗剪强度参数来评价不同规模大小的边坡稳定性才是准确的。然而，当结构面剪切强度与正应力呈非线性关系时，常规方法将不再适用，否则边坡稳定性评价结果将产生较大误差。

发明内容

为了克服JRC-JCS模型获取结构面抗剪强度参数的不足，本发明将基于滑面法向应力分布规律，针对不同等级的露天矿山边坡提出一种露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法，在边坡稳定性分级分析的基础上，依据不同级别潜在滑移面上法向应力分布规律，合理确定结构面粘聚力与内摩擦角，显著提高了露天矿山边坡潜在滑移面精细化取值的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法，包括以下步骤：

(1)对露天矿山边坡进行现场调查，依据边坡的构成要素与规模大小，将露天矿山边坡划分为三个层次：总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡；在对边坡岩体结构特征进行精细化描述的基础上，按照位置匹配性原则和规模匹配性原则，采用赤平投影原理分层次分析露天矿山边坡稳定性、判断露天矿山边坡破坏模式、确定露天矿山边坡破坏模型；

(2)采用矿用三维激光扫描测量系统采集矿山边坡坡面几何形态数据，确定总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的典型剖面位置，并分别获得总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的坡面形态函数G₁(x)、G_2i(x)、G_3j(x)，其中i、j分别是组合台阶边坡和台阶边坡的个数；依据现场勘探与潜在滑移面粗糙度测量结果，分别建立总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的潜在滑移面形态函数S₁(x)、S_2i(x)、S_3j(x)。依据已知的滑体平均密度ρ，计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡单位宽度的重量w₁(x)、w_2i(x)、w_3j(x)：

(3)根据工程类比，结合露天矿山生产爆破现状和矿岩实际条件确定振动加速度a；对可能作用在总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的荷载进行调查，确定作用在总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡坡面上的水平荷载函数Qx₁(x)、Qx_2i(x)、Qx_3j(x)以及竖向荷载函数Qy₁(x)、Qy_2i(x)、Qy_3j(x)；

(4)通过如下公式分别计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡滑面的法向应力σ₁、σ_2i、σ_3j：

式中：λ₁、λ₂、λ₃是应力修正系数，取值区间为1.0～1.5；

(5)根据获得的总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡滑面正应力分布函数，分别计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡对应滑面上不同位置处的法向应力值；对不同位置处的法向应力值进行统计分析，计算平均法向应力值σ₁ ^*、σ_2i ^*、σ_3j ^*和法向应力值的标准差δ₁ ^*、δ_2i ^*、δ_3j ^*；

(6)根据不同位置处的法向应力值确定预测抗剪强度参数所需法向应力值的试算值，如下：

a.总体边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ₁ ^*-2δ₁ ^*；第二级σ₁ ^*-δ₁ ^*；第三级σ₁ ^*；第四级σ₁ ^*+δ₁ ^*；第五级σ₁ ^*+2δ₁ ^*；

b.组合台阶边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ_2i ^*-2δ_2i ^*；第二级σ_2i ^*-δ_2i ^*；第三级σ_2i ^*；第四级σ_2i ^*+δ_2i ^*；第五级σ_2i ^*+2δ_2i ^*；

c.台阶边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ_3j ^*-2δ_3j ^*；第二级σ_3j ^*-δ_3j ^*；第三级σ_3j ^*；第四级σ_3j ^*+δ_3j ^*；第五级σ_3j ^*+2δ_3j ^*；

(7)针对不同边坡等级，将获得的试算法向应力值、现场精细化测定得到的潜在滑移面粗糙度系数JRC_n、壁岩强度JCS_n以及岩体结构面基本摩擦角带入JRC-JCS模型进行试算：

式中τ是潜在滑移面沿潜在滑移方向的抗剪强度；JCS_n是潜在滑移面的壁岩强度；JRC_n是潜在滑移面上沿潜在滑移方向的粗糙度系数；是基本摩擦角，σ_n是步骤(6)中得到的试算法向应力大小；

(8)根据步骤(7)不同法向应力条件下分别获得的总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡潜在滑移面抗剪强度大小，以最小二乘法进行线性拟合，求得总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡所对应的不同级别潜在滑移面的内摩擦角和粘聚力大小。

本发明的有益效果主要表现在：在边坡稳定性分级分析的基础上，依据不同级别潜在滑移面上法向应力分布规律，合理确定结构面粘聚力与内摩擦角，显著提高了露天矿山边坡潜在滑移面精细化取值的可靠性。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。

一种露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法，包括以下步骤：

(1)对露天矿山边坡进行现场调查，依据边坡的构成要素与规模大小，将露天矿山边坡划分为三个层次：总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡，在对边坡岩体结构特征进行精细化描述的基础上，按照位置匹配性原则和规模匹配性原则，采用赤平投影原理分层次分析露天矿山边坡稳定性、判断露天矿山边坡破坏模式、确定露天矿山边坡破坏模型；

(2)采用矿用三维激光扫描测量系统采集矿山边坡坡面几何形态数据，确定总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的典型剖面位置，并分别获得总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的坡面形态函数G₁(x)、G_2i(x)、G_3j(x)，其中i、j分别是组合台阶边坡和台阶边坡的个数；依据现场勘探与潜在滑移面粗糙度测量结果，分别建立总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的潜在滑移面形态函数S₁(x)、S_2i(x)、S_3j(x)。依据已知的滑体平均密度ρ，计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡单位宽度的重量w₁(x)、w_2i(x)、w_3j(x)：

(3)根据工程类比，结合露天矿山生产爆破现状和矿岩实际条件确定振动加速度a；对可能作用在总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的荷载进行调查，确定作用在总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡坡面上的水平荷载函数Qx₁(x)、Qx_2i(x)、Qx_3j(x)以及竖向荷载函数Qy₁(x)、Qy_2i(x)、Qy_3j(x)；

(4)滑面正应力的构成中由滑体体积力和坡面外力对滑面正应力的贡献占主导地位，而总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡条块间作用力可忽略不计；通过如下公式分别计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡滑面的法向应力σ₁、σ_2i、σ_3j：

式中：λ₁、λ₂、λ₃是应力修正系数，建议取值区间为1.0～1.5；

(5)根据获得的总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡滑面正应力分布函数，分别计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡对应滑面上不同位置处的法向应力值(不少于30个位置)；对不同位置处的法向应力值进行统计分析，计算平均法向应力值σ₁ ^*、σ_2i ^*、σ_3j ^*和法向应力值的标准差δ₁ ^*、δ_2i ^*、δ_3j ^*；

(6)根据不同位置处的法向应力值可确定预测抗剪强度参数所需法向应力值的试算值，如下：

a.总体边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，可通过如下5级加载实现：第一级σ₁ ^*-2δ₁ ^*；第二级σ₁ ^*-δ₁ ^*；第三级σ₁ ^*；第四级σ₁ ^*+δ₁ ^*；第五级σ₁ ^*+2δ₁ ^*。

b.组合台阶边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ_2i ^*-2δ_2i ^*；第二级σ_2i ^*-δ_2i ^*；第三级σ_2i ^*；第四级σ_2i ^*+δ_2i ^*；第五级σ_2i ^*+2δ_2i ^*；

c.台阶边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ_3j ^*-2δ_3j ^*；第二级σ_3j ^*-δ_3j ^*；第三级σ_3j ^*；第四级σ_3j ^*+δ_3j ^*；第五级σ_3j ^*+2δ_3j ^*；

(7)针对不同边坡等级，将获得的试算法向应力值、现场精细化测定得到的潜在滑移面粗糙度系数JRC_n、壁岩强度JCS_n以及岩体结构面基本摩擦角带入JRC-JCS模型进行试算：

式中τ是潜在滑移面沿潜在滑移方向的抗剪强度；JCS_n是潜在滑移面的壁岩强度；JRC_n是潜在滑移面上沿潜在滑移方向的粗糙度系数；是基本摩擦角，σ_n是步骤(6)中得到的试算法向应力大小；

(8)根据步骤(7)不同法向应力条件下分别获得的总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡潜在滑移面抗剪强度大小，以最小二乘法进行线性拟合，求得总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡所对应的不同级别潜在滑移面的内摩擦角和粘聚力大小。

Claims (1)

1.一种露天矿山边坡岩体结构面抗剪强度分级确定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)对露天矿山边坡进行现场调查，依据边坡的构成要素与规模大小，将露天矿山边坡划分为三个层次：总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡；在对边坡岩体结构特征进行精细化描述的基础上，按照位置匹配性原则和规模匹配性原则，采用赤平投影原理分层次分析露天矿山边坡稳定性、判断露天矿山边坡破坏模式、确定露天矿山边坡破坏模型；

(2)采用矿用三维激光扫描测量系统采集矿山边坡坡面几何形态数据，确定总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的典型剖面位置，并分别获得总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的坡面形态函数G₁(x)、G_2i(x)、G_3j(x)，其中i、j分别是组合台阶边坡和台阶边坡的个数；依据现场勘探与潜在滑移面粗糙度测量结果，分别建立总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的潜在滑移面形态函数S₁(x)、S_2i(x)、S_3j(x)。依据已知的滑体平均密度ρ，计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡单位宽度的重量w₁(x)、w_2i(x)、w_3j(x)：

(3)根据工程类比，结合露天矿山生产爆破现状和矿岩实际条件确定振动加速度a；对可能作用在总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的荷载进行调查，确定作用在总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡坡面上的水平荷载函数Qx₁(x)、Qx_2i(x)、Qx_3j(x)以及竖向荷载函数Qy₁(x)、Qy_2i(x)、Qy_3j(x)；

(4)通过如下公式分别计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡滑面的法向应力σ₁、σ_2i、σ_3j：

式中：λ₁、λ₂、λ₃是应力修正系数，取值区间为1.0～1.5；

(5)根据获得的总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡滑面正应力分布函数，分别计算总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡对应滑面上不同位置处的法向应力值；对不同位置处的法向应力值进行统计分析，计算平均法向应力值σ₁ ^*、σ_2i ^*、σ_3j ^*和法向应力值的标准差δ₁ ^*、δ_2i ^*、δ_3j ^*；

(6)根据不同位置处的法向应力值确定预测抗剪强度参数所需法向应力值的试算值，如下：

a.总体边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ₁ ^*-2δ₁ ^*；第二级σ₁ ^*-δ₁ ^*；第三级σ₁ ^*；第四级σ₁ ^*+δ₁ ^*；第五级σ₁ ^*+2δ₁ ^*；

b.组合台阶边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ_2i ^*-2δ_2i ^*；第二级σ_2i ^*-δ_2i ^*；第三级σ_2i ^*；第四级σ_2i ^*+δ_2i ^*；第五级σ_2i ^*+2δ_2i ^*；

c.台阶边坡潜在滑动面上法向应力按从小到大，通过如下5级加载实现：第一级σ_3j ^*-2δ_3j ^*；第二级σ_3j ^*-δ_3j ^*；第三级σ_3j ^*；第四级σ_3j ^*+δ_3j ^*；第五级σ_3j ^*+2δ_3j ^*；

(7)针对不同边坡等级，将获得的试算法向应力值、现场精细化测定得到的潜在滑移面粗糙度系数JRC_n、壁岩强度JCS_n以及岩体结构面基本摩擦角带入JRC-JCS模型进行试算：

式中τ是潜在滑移面沿潜在滑移方向的抗剪强度；JCS_n是潜在滑移面的壁岩强度；JRC_n是潜在滑移面上沿潜在滑移方向的粗糙度系数；是基本摩擦角，σ_n是步骤(6)中得到的试算法向应力大小；

(8)根据步骤(7)不同法向应力条件下分别获得的总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡潜在滑移面抗剪强度大小，以最小二乘法进行线性拟合，求得总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡所对应的不同级别潜在滑移面的内摩擦角和粘聚力大小。