基于有限元法的礦山邊坡滑裂災害探討

楊 葳

（深圳地質建設工程公司，廣東 深圳 518023）

礦體邊坡失穩(wěn)會帶來非常嚴重的后果，而想要做好邊坡滑落的防治工作，必須首先對其穩(wěn)定性和可靠度進行分析，找出邊坡失穩(wěn)的原因所在，才能做到對癥下藥。對于礦山邊坡滑裂情況進行分析的方法有很多，比較常見的就是極限平衡理論和有限元法，以有限元法為例，相比較傳統(tǒng)分析方法，優(yōu)勢更加明顯，充分滿足各種應力的平衡條件，能夠實現對于邊坡實際滑裂面的有效模擬，從而得到準確有效的分析結果。

1 邊坡穩(wěn)定可靠度研究意義

任何一種礦體邊坡都會因為自重、外部荷載等因素的影響，在其內部產生相應的剪切應力，雖然土體本身具備一定的抗剪強度，但是如果剪切應力超過礦體抗剪強度，則會引發(fā)礦體的剪切破壞，破壞區(qū)域達到一定程度，就可能引發(fā)滑裂災害問題。自然界中存在的滑裂現象多數是由自然災害引發(fā)的，如暴雨、礦震等。在我國遼闊的土地中，山地占據了相當大的比重，滑坡災害容易發(fā)生，基礎設施建設同樣會遭遇邊坡穩(wěn)定性問題，一旦出現邊坡滑裂災害，可能帶來嚴重后果，對群眾的生命財產安全造成威脅，做好邊坡穩(wěn)定可靠度的研究，對其失穩(wěn)問題進行預測，配合相應礦山邊坡加固措施，保證邊坡的穩(wěn)定性和可靠性，有著非常重要的現實意義[1]。

2 礦山邊坡滑裂災害分析中的強度折減法

強度折減法屬于有限元法的一種，將其應用到礦山邊坡滑裂分析中，有著非常明顯的優(yōu)勢：首先，能夠針對礦區(qū)復雜地形地貌以及地質邊坡進行計算，提升計算的準確性；其次，在利用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析的過程中，考慮了到礦體結構關系和變形對于應力的影響；相比較傳統(tǒng)方法，強度折減法可以對邊坡滑裂過程和滑移面形狀進行模擬，為分析研究提供便利；最后，在對安全系數進行求解時，不僅不需要對滑移面的形狀進行假定，也不需要進行條分處理。

具體來講，需要關注三個基本概念：一是屈服準則。可以選擇理想彈性模型以及Drucker-Prager屈服準則，其本身同時考慮了主應力和靜水壓力對于屈服強度的影響，在面對多種土體材料時，都能夠達到預期效果，適用性更強，應用效果好，對于分析人員而言，在礦體穩(wěn)定性分析中運用相應的Drucker-Prager屈服準則，能夠在保證分析效率的前提下，獲得有效的分析成果。在Drucker-Prager屈服準則中，經過了相應的MIses修正，除去基本參數外，還加入了靜水壓力分量可能產生的影響，構建起了其與屈服強度的相互關系；二是安全系數。安全系數是決定邊坡穩(wěn)定可靠度的關鍵所在，對應的計算公式為：

三是有限元分析的強度折減法，將上述公式兩側同時除以K，可以得到：

公式中的φ代表內摩擦角，c代表粘聚力。

在實際操作中，通過對系數K的逐步調整，可以得到不同數值的c′、φ′，將其帶入到有限元程序中對邊坡進行反復分析，待其達到臨界狀態(tài)時，K值為礦體邊坡滑裂的安全系數。

在運用強度折減法來對邊坡穩(wěn)定性進行分析的過程中，同樣存在有兩個缺點，一是礦體邊坡滑裂面本身的位置會隨著土體參數的變化而變化，這也是運用該方法得到的礦體邊坡滑裂面并不會總是與實際情況相符；二是因為邊坡達到臨界破壞狀態(tài)的影響因素眾多，很多時候實際上都無法得到合理的邊坡安全系數。因此，在實際應用中，需要技術人員做好強度折減法的合理應用，最好能夠通過與其他方法的相互配合來保證分析結果的準確性[2]。

3 計算分析

一是瑞典圓弧法。這種方法是傳統(tǒng)礦山邊坡穩(wěn)定性分析中一種比較常見的方法，簡單來講，就是在面對均質粘性土坡時，如果其因為應力的作用出現滑動，則會產生與圓弧類似形態(tài)的滑動面。從方便分析的角度，將滑動面上存在的礦體假設為剛性體，在忽略礦體內部各種力相互作用的情況下，將礦體邊坡的滑裂問題定義為應變問題。在分析的過程中，可以從圓弧滑動面上，選擇相應的滑動體，將其看作是與整體脫離的個體，則此時邊坡的抗滑力值等于土體抗剪強度Tf和滑弧AED長度L的乘積，則瑞典圓弧法的基本公式為：安全系數K=抗滑力矩/滑動力矩=Mr/Ms＞1。將其應用到該工程中，可以實現對有負載不均勻礦山邊坡以及截面邊坡穩(wěn)定性的計算；二是天漢設計軟件。選擇最新版的軟件，在軟件中輸入工程地質勘查分析中得到的各項參數，經過相應的軟件程序運作后，就能夠得到相應的計算分析圖，最終滑弧安全深度計算結果如表1所示。

表1 滑弧安全深度計算

三是有限元分析ABAQUS。利用相應的有限元分析程序，構建無任何支護狀況下的邊坡模型和位移矢量圖。

結果對比：對比上述三種方法得到的礦山邊坡滑裂安全系數，瑞典圓弧法得到的安全系數為0.509，天漢設計軟件得到的安全系數為0.543，有限元分析ABAQUS法得到的安全系數為0.437，可以看出人工計算出的安全系數和專業(yè)設計軟件計算出的結果并不存在很大差異。

4 結語

礦山邊坡滑落安全性分析應該得到礦山工程設計人員的高度重視，而經過對比分析，發(fā)現傳統(tǒng)邊坡滑裂計算方法與設計軟件計算出的安全系數并沒有很大差異，可以將其作為穩(wěn)定系數參考。

利用傳統(tǒng)極限平衡法和設計軟件，并不能很好地獲取邊坡應力、變形分布及其發(fā)展趨勢等相關信息，從保證邊坡安全的角度，在針對礦山邊坡穩(wěn)定性分析的過程中，需要在運用極限平衡法簡略計算的基礎上，以有限元法作為補充分析，獲取更加完善細致的信息。而從工程技術人員的角度，在邊坡施工環(huán)節(jié)，如果遇到建設方提出相應的邊坡修改意見，需要提前做好相應的穩(wěn)定性計算，以保證礦山施工的穩(wěn)定性，減少安全隱患的發(fā)生。