基于強度折減法的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

胡濤

摘? 要：針對在邊坡穩(wěn)定性分析評價過程中存在定量評價困難的問題，文章以新疆黑山露天煤礦一典型邊坡為研究對象，運用數(shù)值分析的手段對次邊坡進行了穩(wěn)定性分析，探究了邊坡的位移變形情況，基于Hoek-Brown準則和強度折減法計算了邊坡的安全系數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果推測出了邊坡潛在滑移面及整個變形破壞的發(fā)展規(guī)律。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性;安全系數(shù);數(shù)值分析

中圖分類號：TU43 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）29-0128-03

Abstract： In view of the difficulty of quantitative evaluation in the process of slope stability analysis and evaluation， this paper takes a typical slope of Heishan open pit coal mine in Xinjiang as the research object， analyzes the stability of the secondary slope by means of numerical analysis， explores the displacement and deformation of the slope， calculates the safety factor of the slope based on Hoek-Brown strength criterion and strength reduction method， and infers the safety factor. According to the calculation results， the development law of the potential slip surface and the whole deformation and failure of the slope is given.

Keywords： slope stability; safety factor; numerical analysis

引言

我國是多山的國家，滑坡等地質(zhì)災害時有發(fā)生，給人們的生命財產(chǎn)造成了重大的損失，邊坡穩(wěn)定性問題是判斷工程建設(shè)質(zhì)量好壞和保證人民生命財產(chǎn)安全的關(guān)鍵性問題[1-3]，所以對邊坡穩(wěn)定性的分析研究具有很重要的現(xiàn)實意義。目前在實際工程中，對邊坡穩(wěn)定性分析的方法有很多種比如瑞典法[4-5]、Bishop法[6]、不平衡推力法[7]、摩根斯坦-普萊斯方法[8]等。近些年來，隨著有限元方法和強度折減法的迅速發(fā)展，強度折減法成為了邊坡穩(wěn)定性分析的重要手段[6]。傳統(tǒng)的數(shù)值計算一般采用線性的輕度準則忽略了土體本構(gòu)關(guān)系的非線性從而導致數(shù)值計算結(jié)果與真實情況之間存在偏差，在廣義Hoek-Brown準則中，土體的本構(gòu)關(guān)系是非線性的，計算過程中通過采用Hoek-Brow準則可以有效減小計算偏差、提高計算精度[7]。本文結(jié)合工程實例，采用數(shù)值分析軟件內(nèi)置的基于Hoek-Brow準則的強度折減法計算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，為邊坡的治理提供依據(jù)。

1 邊坡介紹

新疆黑山露天煤礦礦區(qū)邊坡基本都為逆向邊坡，且坡度較緩，經(jīng)定性評價基本穩(wěn)定，本文選擇一有可能會發(fā)生破壞的位于礦區(qū)西北側(cè)的露幫順向坡為研究對象。

如圖1所示，邊坡表層為第四紀沖積層，厚度不均勻，下賦一層厚度均勻的炭質(zhì)泥巖，底層強度較好的砂巖，邊坡整體位于地下水位以上不考慮地下水對邊坡的影響，各巖土體物理力學參數(shù)見表1所示。

2 計算原理

強度折減法是將巖土材料的抗剪強度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角除以折減系數(shù)得以降低[9-10]，再用折減降低后新得到的參數(shù)進行邊坡穩(wěn)定性的分析計算，這樣不斷降低土質(zhì)邊坡或巖質(zhì)邊坡的抗剪強度參數(shù)反復試算，直到其達到破壞狀態(tài)為止。強度折減法是利用公式（1）和（2）來調(diào)整巖土體的強度指標c和？準的。

由于巖土體是非線性的，在低應力階段這種非線性特征越發(fā)明顯，在邊坡的穩(wěn)定性計算中如果用線性準則計算將會產(chǎn)生較大偏差，將為了減少因為這種巖土體非線性特征造成的模擬結(jié)果與實際情況之間的偏差，本次模擬將采用基于Hoek-Brown準則的強度折減法。

3 數(shù)值模型的建立

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

模型按實際的邊坡幾何尺寸1：1建立地質(zhì)模型，模型按照每3.6米劃分網(wǎng)格，總共為1150個網(wǎng)格，具體如圖2 所示。

3.2 邊界條件設(shè)置

模型底部設(shè)置為固定約束，即底部在XYZ三個方向上均不可發(fā)生位移;兩側(cè)設(shè)置為輥支撐，即兩側(cè)僅能沿重力方向上下發(fā)生位移。

4 結(jié)果分析

最后計算得安全系數(shù)fos=1.268，這表明邊坡在不考慮降雨、地震等外界因素影響的條件下是穩(wěn)定的。由于本次數(shù)值計算是采用基于Hoek-Brown準則的強度折減法計算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，最后得到的變形情況均為強度折減試算中邊坡失穩(wěn)前的最后一個穩(wěn)定狀態(tài)，并不是邊坡的實際變形情況。從計算結(jié)果可以推測出邊坡失穩(wěn)時所產(chǎn)生的變形破壞模式是蠕滑-拉裂破壞。

此類邊坡破壞主要產(chǎn)生于坡度較緩的均質(zhì)的土質(zhì)或半巖質(zhì)邊坡，此邊坡下部為力學強度較好的泥巖和砂巖，表部為厚度較厚強度較弱的土層，由于邊坡下部巖性較好，所以邊坡變形時首先在表層土體向坡體臨空方向發(fā)生了剪切蠕變，形成了剪切蠕變滑動帶，圖3為位移云圖，可以看出滑動帶的位置（位移突變的位置說明發(fā)生了相對位移，即為剪切滑動帶的位置）。隨后，在淺層蠕滑變形達到一定程度時邊坡的后緣產(chǎn)生了較大的拉張應力，當拉應力達到一定程度邊坡就會產(chǎn)生后緣拉裂，圖4顯示出的拉張塑性區(qū)即為邊坡后緣的拉裂帶（圖中A區(qū)域為拉張塑性區(qū)）。從圖5位移矢量可以明顯看出，隨著剪切變形和后緣拉裂的進一步發(fā)展，中部剪應力集中區(qū)域被擾動擴容，潛在滑坡體下緣部位隆起，后緣明顯下沉，這些跡象表明邊坡變形進入了累進性破壞階段，一旦潛在滑動面貫通則發(fā)展為滑坡。從塑性區(qū)分布范圍可以看出在邊坡失穩(wěn)前剪切塑性帶基本貫通，圖6表明此時剪切帶上的應變增量已經(jīng)達到了0.026，說明了此時坡體將會沿著剪切帶發(fā)生滑動，造成邊坡失穩(wěn)。

總體來說，由于數(shù)值計算得安全系數(shù)為1.268，說明此邊坡暫時穩(wěn)定，但如果考慮到外界的不利因素要對邊坡進行治理，就可以參照強度最后一次強度折減后的邊坡狀態(tài)及以此推測出的變形規(guī)律進行有針對性的治理。

5 結(jié)束語

本文以礦區(qū)西北側(cè)邊坡為計算模型，運用基于Hoek-Brown準則的強度折減法計算了邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，根據(jù)強度折減的計算結(jié)果結(jié)合邊坡變形理論推測出了邊坡失穩(wěn)時的整個變形破壞規(guī)律，為滑坡防治提供了依據(jù)。這說明基于Hoek-Brown準則的強度折減法計算來分析邊坡的穩(wěn)定性是可行的。

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