含弱夾層邊坡張拉破壞演化模擬過程分析

摘要：邊坡上緣張拉開裂是露天邊坡破壞的普遍現象，為模擬某礦含弱夾層邊坡拉張破壞過程，采用有限元法，基于Mohr-Coulomb破壞準則，通過二次程序開發加入此破壞準則模型，進行模擬分析。從第一主應力、變形來看，模擬過程能夠很好模擬含弱夾層邊坡拉張破壞過程，通過計算表明該種方法可行。該種模擬方法可為模擬含弱夾層邊坡后緣裂縫深度、帶裂縫邊坡巖土體失穩力學機理研究提供借鑒。

關鍵詞：邊坡；弱夾層；拉張破壞；破壞機理；數值模擬

0" "引言

隨著國民經濟的發展，工程項目日益增多，邊坡治理逐漸成為施工人員研究的熱點[1]。對于邊坡穩定性分析，國內外大量學者展開了大量研究。戴自航等[2]人對基于張拉-剪切復合屈服準則，對邊坡的失穩機制進行了研究。靳曉光等[3]人通過分析不同應力條件下的巖土材料破壞特征，提出抗拉強度指標對巖土結構的破壞有一定作用。韓超超[4]等人利用自建的巖石拉張破壞有限元模型，模擬了露天邊坡在不同弱層長度、埋深和傾角條件下，確保了邊坡的穩定。

以上方法雖在一定程度上提高了邊坡的穩定性，但并未模擬漸進開裂情況，存在邊坡治理所用材料過度等問題。為解決以上方法存在的問題，本文基于有限元法，采用預測巖石破裂的Hoek-Brown 破壞準則，通過二次程序開發單元破裂網格算法，模擬含弱膠結邊坡上緣受拉開裂和擴展的過程。該研究的模擬結果與實際破壞情況較為符合，為模擬含弱夾層邊坡后緣裂縫深度、帶裂縫邊坡巖土體失穩力學機理研究提供了借鑒與參考。

1" "邊坡破壞機理分析

江西某礦露天邊坡的實際破壞情況如圖1所示。該礦區主要出露有前震旦系雙橋山群（AnZnSh24）、侏羅系上統鵝湖嶺組（J3e）的部分地層以及第四系地層。主要巖性包括千枚巖、英安斑巖、石英，深度大約為60cm，寬度約為30cm。該邊坡開挖后在坡底出現軟弱夾層，由于降雨、爆破擾動等作用，導致邊坡頂部出現拉裂破壞[5]。

分析認為，在降雨的影響下，邊坡土層達到飽和狀態。土體飽和后，其抗剪強度、有效容重參數急劇降低。另外，土體受到滲流壓力的影響，易發生水土流失及淺層滑坡危害，進而加速坡頂拉裂程度增加，從而導致破壞范圍增加[6]。

在礦區頻繁地爆破是影響邊坡穩定性的重要因素，頻繁的爆破振動，對邊坡尤其是含軟弱夾層邊坡具有較大影響。單次爆破量較大，其產生的沖擊作用，引起附近區邊坡圍巖中的剪應力增大。而爆破荷載則引起遠區邊坡巖體振動[7]。對于比巖石強度低很多的節理、層理、裂隙等原有應力破壞區的軟弱面而言，則可能引起軟弱面部分裂隙擴展延伸，造成巖體“內傷”，形成一定范圍的爆破松動區。巖體裂縫尖端的應力集中效應，極易造成裂縫延伸擴展。

2" "本構模型的建立

計算模型采用線彈性二維平面應力本構模型。

2.1" " 巖體拉張破壞的準則

巖體拉張破壞的準則如下：整個模型中應力最大的節點處開裂，沿第一主拉應力方向開裂。當巖體內某一點的最大拉應力大于巖石的極限抗拉強度時，該節點發生拉張破壞。如果有多個節點的第一主應力大于等于抗拉強度時，承受最大第一主應力的點破裂[8]。

2.2" " 程序設計流程

先施加邊界條件，再求解位移場、應力場。然后根據開裂準則判斷模型內是否存在開裂單元。若存在，則確定開裂點及開裂單元，在開裂單元不含開裂點的一邊增加節點，劈開單元并修正單元信息，重復上述步驟。若不存在，則計算結束。

2.3" " 模型建立

依據該露天邊坡建立典型剖面模型可知，該模型長為600m，基底厚125m，邊坡高度90m，最終邊坡角21.8°，軟弱夾層分布在坡腳的長度為94.6m，平行于邊坡面布置，模型左右邊界約束x方向位移，底邊界約束y方向位移。計算模型如圖1所示。模型共劃分4136 個節點、7730 個三角形三節點單元，模型網格劃分如圖2所示。

2.4" " 巖體物理力學參數及監測布置

現場對該區域進行取樣，加工完成進行室內物理力學試驗。采用現場GSI評分，采用Hoek-Brown強度準則法，計算得出礦巖的巖體物理力學參數。巖體主要物理力學參數見表1。在邊坡的坡面及坡頂設置2個監測點，以便于更加清晰的展示邊坡破壞過程中的應力的變化過程。

3" "數值模擬結果及分析

結合程序分析方法，對該含軟弱夾層邊坡進行破壞過程及機理進行分析。圖3至圖5為含有軟弱夾層邊坡最大主應力矢量圖和拉裂擴展過程圖。由圖3a、圖4a、圖5a可知，由于邊坡的坡腳位置含有弱夾層，承載能力較弱，在邊坡體自重作用下坡頂面產生應力集中現象，導致坡頂處出現拉應力破壞。在張拉破壞區域的尖端位置，出現應力集中，矢量聚集。隨著計算步長增加，張拉破壞逐漸增大，裂紋長度逐漸加長。

圖3b、圖4b、圖5b分別為第40步、第80步及第120步的拉裂破壞圖。從拉裂破壞過程圖可知，隨著計算步驟增加，拉裂數目也逐漸增加，計算至120步時，出現5條張拉裂紋。此時第1條裂紋長度從第40步的0.4m到第120步的1.2m，寬度從0.1m增加至0.3m，模擬結果與現場工況較為符合。

在該工況下，第40步的計算結果中，第2條裂紋擴展程度及深度，大于第1條裂紋。這是因為在坡體自重作用下，下部存在軟弱區，坡體下沉，前部坡體成為張拉區。此處坡面某一節點滿足開裂準則，隨即發生破壞。在該區域率先發生破壞，產生裂紋，單元破裂促使節點應力釋放并轉移，在開裂周圍形成應力集中區。當新的應力集中區第一主應力不再滿足開裂條件，裂紋停止擴展，表現為一段時間后裂紋無變化。

計算時步與變形量的關系如圖6所示。通過圖6可知，隨著計算步增加，監測點的變形量增加。在開挖形成露天邊坡后，由于含有軟弱夾層，導致邊坡上部瞬間產生變形，縫隙寬度達到10cm。該過程為瞬間形成，表明在形成露天邊坡后，邊坡破面側沒有支持，在軟弱夾層強度較小，無法支持上部巖體，導致邊坡上部瞬間下沉，能量釋放過程，產生較大縫隙。

隨著計算時步的增加，上部的裂縫寬度逐漸增加，總體上保持穩定增加，斜率保持穩定狀態。由此表明，邊坡底角賦存的水平軟弱夾層在形成臺階后，對邊坡穩定性較大，是坡頂產生拉裂破壞的主要原因。同時可以看出，模擬計算結果與現場實際工況較為相符。

4" "含軟弱夾層邊坡治理與監測

影響含軟弱夾層邊坡穩定性因素多樣，需要綜合和全面分析此類邊坡的地質條件、水文條件以及施工環境等因素，在此基礎上選擇最佳的治理方案[9]。常見的治理方案主要有削坡減載、擋土墻工程、錨桿加固防護技術及進行全方位的監測。

4.1" " 治理方案

4.1.1" "削坡減載

通過對含弱夾層邊坡穩定性進行分析，決定采用削坡減載的方法對其進行邊坡治理。通過對含軟弱夾層邊坡穩定性的改良，提高了邊坡的穩定性[10]。

4.1.2" "設置擋土墻

對于對含弱夾層邊坡的治理，可以采用設置擋土墻的方式。具體是在邊坡的底部建立擋土墻，以起到防治邊坡失穩病害的作用。

4.1.3nbsp; "采用錨桿加固防護技術

在含弱夾層邊坡的治理過程中，常采用錨桿加固防護技術。該技術在含軟弱夾層邊坡治理中的應用效果較好，即使在下層破碎結構中也具有較好的穩定性。

4.2" " 監測

考慮到現場實際工況，一般宜采用在線監測與人工監測相結合的方式進行監測，為邊坡穩定提供重要依據。邊坡表面位移監測以邊坡雷達監測為主，采用邊坡雷達區域監測技術，非接觸監測，滿足該區域邊坡的動態變動過程監測。人工監測主要以表面位移監測為主，補充監測邊坡雷達監測無法覆蓋的北部和西部區域，該區域目前相對變動小，暫用人工監測表面位移。內部位移、水位等暫不布設。人工巡查按相關規范要求實施。

5" "結論

本文基于拉張破壞原理，建立拉張破裂有限元模型，以江西某露天礦為研究背景，模擬了邊坡張拉破壞的演變過程，得到如下結論：針對露天邊坡張拉破壞的過程，利用本文開發的摩爾庫倫本構的二次程序開發，具有可演化的模擬結果，能夠反映出張拉破壞邊坡的動態破壞形式。通過針對真實工況模擬分析，表明該種方法可行。該種模擬方法可為模擬含弱夾層邊坡后緣裂縫深度、帶裂縫邊坡巖土體失穩力學機理研究提供借鑒與參考。

參考文獻

[1] 閆杰.基于有限元的井工采動下露天礦邊坡穩定性分析[J].露天采礦技術，2015（8）：27-30.

[2] 戴自航，盧才金.邊坡失穩機理的力學解釋[J].巖土工程學報，2006（10）：1191-1197.

[3] 靳曉光，陳力華，張永興.考慮張拉及剪切破壞的強度折減法在巖土工程中的應用[J].重慶大學學報，2013，36（8）：97-104.

[4] 韓超超，趙雨薇，王大國，等.軟弱夾層對掛幫礦開采過程中邊坡穩定性影響[J].金屬礦山，2018（7）：38-44.

[5] 任俊.基于Hoek-Brown準則的強度折減法研究及程序實現[D].北京：北京交通大學，2016.

[6] 王建娥.考慮材料參數空間變異性的面板堆石壩非侵入式隨機有限元方法研究[D].西安：西安理工大學，2019.

[7] 洪偉，劉代國，林忠信.基于強度折減法邊坡三維穩定性分析[J].工程勘察，2019，47（9）：18-23.

[8] 趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖土工程學報，2002（3）：343-346.

[9] 王哲，韓超超，王大國，等.含軟弱夾層邊坡破壞過程及其影響因素分析[J].煤礦安全，2017，48（4）：207-210.

[10] 張輝，陸嘉偉，王健，等.考慮張拉的強度折減法在巖質邊坡穩定性評價中的應用[J].水力發電，2022，48（5）：49-55.