CN109543326B - 露天矿山边坡岩体结构面法向应力分级确定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及一种露天矿山边坡岩体结构面法向应力分级确定方法,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,为室内结构面直剪试验提供了一种合理确定施加的分级法向应力的技术方案,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。
首先,对目前用于指导结构面抗剪强度(直剪)试验的实验规范、规程等涉及到关于施加的结构面法向荷载的描述作总结如下:
《公路工程岩石试验规程》JTG.E41-2005中指出“法向荷载最大值宜为工程压力的1.2倍。...法向荷载宜按等差级数分级,分级数不应少于5级。”
《铁路工程岩石试验规程》TB 10115-98中指出“所选择的法向应力,除充填夹泥的结构面试验外,一般应大于等于设计应力。”
《工程岩体试验方法标准》中给出“预定应力或预定压力一般是指工程设计应力或工程设计压力在确定试验应力或试验压力时还应考虑岩石或岩体的强度岩体的应力状态以及设备的精度或出力”。
《水利水电工程岩石试验规程》SL 264-2001中指出“法向荷载施加最大值宜为工程压力的1.2倍。”
《非煤露天矿边坡工程技术规范》GB 51016-2014中指出“直剪试验最大一级法向压力及三轴试验最大一级围压的选择应符合试样在坡体中的负荷水平。”
美国试验材料学会《Standard Test Method for Performing LaboratoryDirect Shear Strength Tests of Rock Specimens Under Constant Normal Force》ASTM D5607中要求“施加法向荷载,其量值位于450N到900N,在对试件施加规定的正应力时,应考虑法向加载系统的质量”
国际岩石力学学会《ISRM Suggested Method for Laboratory Determinationof the Shear Strength of Rock Joints》中指出“法向荷载应该与在特定边界条件下设计目标载荷一致。”
从上述实验规范、规程等关于施加结构面法向荷载的具体要求可知,目前直剪实验中所施加的法向荷载主要由设计荷载决定。矿山边坡稳定性评价时,人们非常关注潜在滑移面上沿潜在滑动方向的结构面抗剪强度。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,直剪试验中施加的法向应力准确与否会对试验结果造成很大的影响。为了通过直剪试验手段准确确定结构面抗剪强度参数,必须基于作用在潜在滑移面上的真实受力状态设计试验加载方案,只有这样才能使基于Mohr-Coulomb准则得到的岩体强度具有工程意义。
截止目前,一些专家、学者已经陆续开展了有关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。
与此同时,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。因此,室内结构面直剪试验中,需要根据边坡的规模等级分别设计合理的法向荷载加载方案。
发明内容
为了克服直剪试验分级法向应力经验取值的局限性,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法向应力分级确定方法。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,为室内结构面直剪试验提供了一种合理确定施加的分级法向应力的技术方案,显著提高了露天矿山边坡潜在滑移面抗剪强度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法向应力分级确定方法,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,基于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;依据现场勘探与潜在滑移面宏观几何轮廓测量结果,分别确定总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的潜在滑移面形态;
(4)根据步骤(1)、(2)确定的计算模型、步骤(3)确定的计算参数,采用极限平衡算法计算当前计算工况条件下边坡稳定性系数;然后,确定实际作用在不同条块滑动面上的法向应力值σi,其中i为极限平衡计算的条块数量;
(5)基于所获得的边坡滑面正应力,对不同位置处的法向应力值σi进行统计分析,计算法向应力平均值σ和法向应力值的标准差δ;
(6)根据法向应力平均值σ和法向应力值的标准差δ确定结构面直剪实验法向荷载的加载等级。
进一步,所述步骤(6)中,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:
第一级法向荷载:σ-2δ;
第二级法向荷载:σ-δ;
第三级法向荷载:σ;
第四级法向荷载:σ+δ;
第五级法向荷载:σ+2δ。
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,为室内结构面直剪试验提供了一种合理确定施加的分级法向应力的技术方案,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。
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法向应力分级确定方法,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,基于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;依据现场勘探与潜在滑移面宏观几何轮廓测量结果,分别确定总体边坡、组合台阶边坡、台阶边坡的潜在滑移面形态;
(4)根据步骤(1)、(2)确定的计算模型、步骤(3)确定的计算参数,采用极限平衡算法计算当前计算工况条件下边坡稳定性系数;然后,确定实际作用在不同条块滑动面上的法向应力值σi,其中i为极限平衡计算的条块数量;
(5)基于所获得的边坡滑面正应力对不同位置处的法向应力值σi进行统计分析,计算法向应力平均值σ和法向应力值的标准差δ;
(6)根据法向应力平均值σ和法向应力值的标准差δ确定结构面直剪实验法向荷载的加载等级。
进一步,所述步骤(6)中,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:
第一级法向荷载:σ-2δ;
第二级法向荷载:σ-δ;
第三级法向荷载:σ;
第四级法向荷载:σ+δ;
第五级法向荷载:σ+2δ。
本实施例的实施过程为:
(1)对某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。以其中一个组合台阶边坡为例,基于赤平投影原理分析露该边坡的稳定性、破坏模式以及破坏模型。
(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,确定该边坡的典型剖面;依据现场勘探与潜在滑移面宏观几何轮廓测量结果,确定该组合台阶边坡的潜在滑移面形态。
(3)现场精细化测定潜在滑移面粗糙度系数JRCn=5.88、壁岩强度JCSn=44070kPa以及岩体结构面基本摩擦角根据工程类比,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=0.0392g;滑体天然容重γ=24.5kN/m3。
(4)根据步骤(1)、(2)确定的边坡计算模型、步骤(3)确定的计算参数,采用极限平衡算法计算当前计算工况条件下边坡稳定性系数。本次边坡稳定性分析所采用分析方法的是Morgenstern-Price法,该方法的特点是严格满足力、力矩平衡方程,具有收敛性好,滑面可以任意调整形状,特别适用于滑面为折线形的露天矿山边坡的稳定性评价。接下来,确定实际作用在不同条块滑动面上的法向应力值σi,其中i=1,2,...,25。
作用在条块1对应滑面上的法向应力为σ1=9.39kPa;
作用在条块2对应滑面上的法向应力为σ2=25.31kPa;
作用在条块3对应滑面上的法向应力为σ3=21.66kPa;
作用在条块4对应滑面上的法向应力为σ4=24.04kPa;
作用在条块5对应滑面上的法向应力为σ5=29.41kPa;
作用在条块6对应滑面上的法向应力为σ6=28.34kPa;
作用在条块7对应滑面上的法向应力为σ7=30.09kPa;
作用在条块8对应滑面上的法向应力为σ8=31.26kPa;
作用在条块9对应滑面上的法向应力为σ9=27.88kPa;
作用在条块10对应滑面上的法向应力为σ10=33.58kPa;
作用在条块11对应滑面上的法向应力为σ11=47.91kPa;
作用在条块12对应滑面上的法向应力为σ12=103.70kPa;
作用在条块13对应滑面上的法向应力为σ13=90.28kPa;
作用在条块14对应滑面上的法向应力为σ14=35.01kPa;
作用在条块15对应滑面上的法向应力为σ15=31.20kPa;
作用在条块16对应滑面上的法向应力为σ16=59.34kPa;
作用在条块17对应滑面上的法向应力为σ17=70.65kPa;
作用在条块18对应滑面上的法向应力为σ18=60.53kPa;
作用在条块19对应滑面上的法向应力为σ19=66.55kPa;
作用在条块20对应滑面上的法向应力为σ20=64.81kPa;
作用在条块21对应滑面上的法向应力为σ21=65.83kPa;
作用在条块22对应滑面上的法向应力为σ22=70.36kPa;
作用在条块23对应滑面上的法向应力为σ23=37.73kPa;
作用在条块24对应滑面上的法向应力为σ24=25.04kPa;
作用在条块25对应滑面上的法向应力为σ25=14.09kPa。
(5)基于所获得的边坡滑面正应力对不同位置处的法向应力值σi进行统计分析,计算法向应力的平均值σ=44.16kPa和法向应力值的标准差δ=24.34kPa。
(6)根据法向应力平均值σ和法向应力值的标准差δ确定结构面直剪实验法向荷载的加载等级。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:
第一级法向荷载:σ-2δ=-4.52kPa,施加法向应力要求非负,第一级法向荷载取值0kPa;
第二级法向荷载:σ-δ=19.82kPa;
第三级法向荷载:σ=44.16kPa;
第四级法向荷载:σ+δ=68.50kPa;
第五级法向荷载:σ+2δ=92.84kPa。
Claims (2)
1.一种露天矿山边坡岩体结构面法向应力分级确定方法,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,基于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;
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(5)基于所获得的边坡滑面正应力对不同位置处的法向应力值σi进行统计分析,计算法向应力平均值σ和法向应力值的标准差δ;
(6)根据法向应力平均值σ和法向应力值的标准差δ确定结构面直剪实验法向荷载的加载等级。
2.如权利要求1所述的露天矿山边坡岩体结构面法向应力分级确定方法,其特征在于,所述步骤(6)中,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:
第一级法向荷载:σ-2δ;
第二级法向荷载:σ-δ;
第三级法向荷载:σ;
第四级法向荷载:σ+δ;
第五级法向荷载:σ+2δ。
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