露天采場邊坡穩(wěn)定性的有限元數(shù)值模擬分析

王昌 WANG Chang；周宗紅 ZHOU Zong-hong

（昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

0 引言

邊坡是由各種不同成因類型、不同地質(zhì)作用的巖體所組成的復(fù)雜介質(zhì)，又具有類型不同、規(guī)模不一、方位各異的地質(zhì)不連續(xù)面，呈現(xiàn)明顯的非均勻性和各向異性。在邊坡穩(wěn)定性分析中，有必要掌握其受力狀態(tài)，分析其應(yīng)力應(yīng)變，從而估計邊坡的破壞發(fā)展，邊坡的失穩(wěn)可能是由局部地區(qū)應(yīng)力達到強度極限，變形增大而逐步發(fā)展的。

隨著計算機飛速發(fā)展，數(shù)值計算方法如離散單元法[1-2]，剛體一彈簧元法[3]，塊體單元法[4-6]等方法在邊坡穩(wěn)定性分析中得到了普遍的應(yīng)用。有限元法能適應(yīng)各種邊界條件和幾何形態(tài)變化，能考慮巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，還能考慮非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，因而它是一種邊坡穩(wěn)定性分析的有用工具。有限元法在邊坡領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛[7-8]。本文根據(jù)內(nèi)蒙某金礦露天邊坡的工程地質(zhì)特征，通過有限元軟件Phase2建模，利用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性模擬分析，對于露天邊坡的災(zāi)害防治具有理論和實際意義。

1 邊坡穩(wěn)定性的有限元分析

1.1 巖體力學(xué)參數(shù) 根據(jù)某金礦露天邊坡穩(wěn)定性的1000線工程地質(zhì)剖面作為分析剖面。根據(jù)金礦露天邊坡巖體的分布特點，以及擬露天開挖后的情況，本分析考慮了 11 種巖性，即 b1、b2-1、b2-2、b3-1、b3-2、b3-3、b4、h3、花崗巖、中風(fēng)化層、第四系，其力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 露天采場邊坡礦巖力學(xué)參數(shù)

1.2 計算模型 按照坑底標高1204m，建立B1有限元分模型（模型中左邊為南邊坡、右邊為北邊坡，邊坡角均為44°，如圖1所示），模型邊界條件為：坡面為自由面，邊坡兩側(cè)端面水平方向固定，底部垂直方向固定，原巖應(yīng)力場為自重應(yīng)力場。采用最大拉應(yīng)力判據(jù)，結(jié)合Mohr-Coulumb屈服準則來確定邊坡開挖后的可能出現(xiàn)的拉剪破壞范圍，以此來分析浩堯爾忽洞金礦露天邊坡的穩(wěn)定性狀況。

圖1 B1有限元分模型

1.3 模擬計算結(jié)果分析

1.3.1 破壞區(qū)分析 B1模型坡體的破壞區(qū)主要為拉應(yīng)力破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)（圖2為B1模型的最大剪應(yīng)變與拉剪破壞區(qū)域圖）。B1模型拉應(yīng)力破壞區(qū)主要分布在坡頂?shù)牡谒南岛椭酗L(fēng)化層中，右（南）邊坡中少延伸到灰?guī)r（h3）中，最大深度從坡頂開始向下延伸約100m；剪切破壞區(qū)主要分布在坡頂?shù)闹酗L(fēng)化層、灰?guī)r（h3），花崗巖中，最大深度在右（南）邊坡灰?guī)r（h3）中，從坡頂開始向下延伸約300m，坡腳也存在少量剪切破壞區(qū)。從破壞區(qū)分析可知，隨著邊坡坑底的不斷下移，拉應(yīng)力破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)范圍從坡頂不斷向坡內(nèi)延伸，坡面中部逐漸開始出現(xiàn)破壞區(qū)。

圖2 B1模型的最大剪應(yīng)變與拉剪破壞區(qū)域圖

1.3.2 滑動機理分析 圖3和圖4為B1模型北邊坡強度折減法計算安全系數(shù)的過程，從強度折減系數(shù)F取值為1.19、1.37和1.75情況下的計算出邊坡內(nèi)最大剪應(yīng)變發(fā)展狀況來看，可以得出邊坡變形破壞的首要部位將為坡腳，其次為坡頂，滑面形狀為近似圓弧形，其變形破壞機理為：坡腳剪切破壞區(qū)逐步向上發(fā)展，坡頂剪切破壞區(qū)逐步向坡體內(nèi)延伸，當坡腳與坡頂?shù)钠茐膮^(qū)連通時，邊坡產(chǎn)生整體破壞，滑動模式為圓弧滑動。

圖3 B1模型北邊坡F=1.37時最大剪應(yīng)變分布圖

圖4 B1模型北邊坡F=1.75時最大剪應(yīng)變分布

2 結(jié)論

①從破壞區(qū)分析可知，隨著邊坡坑底的不斷下移，拉應(yīng)力破壞區(qū)和剪切破壞區(qū)范圍從坡頂不斷向坡內(nèi)延伸，坡面中部逐漸開始出現(xiàn)破壞區(qū)。②根據(jù)模型北邊強度折減法，從強度折減系數(shù)F取值為1.37和1.75情況下的計算出邊坡內(nèi)最大剪應(yīng)變發(fā)展狀況來看，可以得出邊坡變形破壞的首要部位將為坡腳，其次為坡頂，滑面形狀為近似圓弧形。③邊坡變形破壞機理為：坡腳剪切破壞區(qū)逐步向上發(fā)展，坡頂剪切破壞區(qū)逐步向坡體內(nèi)延伸，當坡腳與坡頂?shù)钠茐膮^(qū)連通時，邊坡產(chǎn)生整體破壞，滑動模式為圓弧滑動。

[1]CUNDALL P A.Formulation of three-dimensional distinct element model.part 1.A scheme to detect and represent contacts in system composed of many polyhedral blocks[J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.and Geonechanics Abstracts，1998，25(1)∶10-16.

[2]HART R.CUNDALL P A，LEMOS J.Formulation of threedimensional distinct element model.part 2.mechanical calculations for motion and interaction of a system composed of many polyhedral Blocks [J].Int.J.Rock Mech.Min.Sci.and Geonochanics Abstracts，1988，25(1)∶11-25.

[3]KAWAI T.A new discrete model for analysis of solid mechanics Problem[J].Scisan Kenkyn，1977，29(4)：204-207.

[4]CHEN S H，SHAHROUR I，EGGER P，eta1.Analysis ofarch dam abunnent slope using elasto-viscoplustic block theory[J].Rock Mech.and Rock Eng.2002，35(3)：1-23.

[5]陳勝宏，汪衛(wèi)明，鄒麗春.巖石邊坡開挖及加固分析的彈黏塑性塊體元方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，21(7)：953-958.

[6]任青文，余天堂.邊坡穩(wěn)定的塊體單元法分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20(1)：20-24.

[7]鄭宏，李春光，李焯芬等.求解安全系數(shù)的有限元法[J].巖土工程學(xué)報，2002，24(5)：323-328.

[8]龔曙光.ANSYS工程應(yīng)用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.