基于ABAQUS的礦坑邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬研究

盧藝偉，蔣先平

（中國有色金屬長沙勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410117）

廢棄露天礦坑是露天開采活動結(jié)束后產(chǎn)生的廢棄地[1]，遺留礦坑邊坡的穩(wěn)定性問題一直都是巖土工程界非常重要并且難以解決的問題[2]。目前，對邊坡工程進(jìn)行穩(wěn)定性分析，通過計(jì)算結(jié)果采取合理的治理措施，把邊坡失穩(wěn)造成的危害降到最低限度，提高邊坡支護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，這是巖土工程界必須考慮的問題[2]。劉圓圓等[3]利用改進(jìn)的Newmark 方法探討了高陡巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，王海強(qiáng)等[4]結(jié)合極限平衡分析法和離散元數(shù)值模擬法，評價(jià)了某高邊坡的現(xiàn)狀穩(wěn)定性，為邊坡治理提供了數(shù)值依據(jù)。數(shù)值模擬方法能分析出巖體內(nèi)部真實(shí)的受力狀態(tài)，能分析巖體從變形到破壞的發(fā)展全過程，能考慮長期卸荷作用對礦坑邊坡穩(wěn)定性的影響。當(dāng)前，可采用數(shù)值分析的方式，使其與傳統(tǒng)方法相互驗(yàn)證[5-6]。

1 基于ABAQUS 的礦坑邊坡穩(wěn)定性分析原理

1.1 基本說明

長沙恒大童世界樂園地塊礦坑邊坡的穩(wěn)定性分析采用數(shù)值模擬軟件對各分段的邊坡進(jìn)行模擬，通過模擬邊坡受自重、坑內(nèi)水位上升等因素的影響，分析邊坡的變形及塑性區(qū)發(fā)展情況[7-8]。

1.2 摩爾-庫倫模型

摩爾（M）-庫倫（C）模型是一種理想彈塑性模型，它綜合了胡克定律和庫倫破壞準(zhǔn)則。它有5 個(gè)參數(shù)，控制彈性行為的2 個(gè)參數(shù)是彈性模量E和泊松比μ，控制塑性行為的3 個(gè)參數(shù)是有效黏聚力c、有效內(nèi)摩擦角φ和剪脹角ψ。摩爾-庫倫模型的表達(dá)式為：

式中：[D]為三角形單元的剛度矩陣，它表征應(yīng)力σ與應(yīng)變ε的相互關(guān)系；B為應(yīng)變轉(zhuǎn)換矩陣。

1.3 基本假定

計(jì)算分析基本假定如下：地層材料采用M-C 準(zhǔn)則計(jì)算；地層和材料的應(yīng)力、應(yīng)變均在彈塑性范圍內(nèi)變化；不考慮地下水滲流的影響。

2 長沙恒大童世界樂園地塊的礦坑邊坡穩(wěn)定性分析及防治建議

2.1 邊坡概況

該區(qū)段礦坑巖質(zhì)邊坡坡面裸露，頂部邊緣有植被覆蓋，坡長約為180 m，坡高為38 ～49 m，邊坡傾向由213°～257°漸變，上部坡角外傾80°～86°，下部坡腳外傾50°～71°，坡面溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，溶洞口可見碎石塊及土體，160 ～168 m處頂部有溶溝，坡腳有堆積物，溶洞處有水流出，節(jié)理裂隙發(fā)育。裂隙L1和裂隙L2結(jié)構(gòu)面較粗糙，張開度為2～3 mm，局部鈣質(zhì)膠結(jié)，延伸長度為10～15 m，其屬于硬性結(jié)構(gòu)面。該區(qū)段赤平投影圖如圖1 所示，結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度一般，其屬于硬性結(jié)構(gòu)面，因此該段邊坡可能產(chǎn)生楔形體破壞。

圖1 礦坑邊坡赤平投影圖

表1 巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

2.2 實(shí)體建模

為了分析該區(qū)域邊坡的穩(wěn)定性，結(jié)合場地地質(zhì)鉆孔剖面圖，基于工程地質(zhì)剖面圖，建立礦坑巖質(zhì)邊坡的典型三維實(shí)體模型。巖土體采用M-C 本構(gòu)模型，建立實(shí)體模型。結(jié)合區(qū)域?qū)用婕傲严睹媾c邊坡結(jié)合情況，對相應(yīng)實(shí)體區(qū)域進(jìn)行劃分。相應(yīng)區(qū)域物理力學(xué)參數(shù)采用的數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 物理力學(xué)參數(shù)

2.3 數(shù)值模擬分析

2.3.1 位移云圖

從圖2、圖3 可以看出，該區(qū)域邊坡的水平方向最大位移為2.267 mm，豎直方向最大位移為5.292 mm。

圖2 礦坑邊坡水平位移云圖

圖3 礦坑邊坡豎向位移云圖

2.3.2 等效塑性應(yīng)變云圖

從圖4、圖5 可以看出，層理面或裂隙面處塑性變形較大，可觀察到塑性區(qū)局部發(fā)展。綜合邊坡的位移和塑性區(qū)發(fā)展情況，可以判斷該區(qū)域邊坡在目前的荷載條件下處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與赤平投影法得到的穩(wěn)定性結(jié)論相同。

圖4 礦坑邊坡等效塑性應(yīng)變云圖一

圖5 礦坑邊坡等效塑性應(yīng)變云圖二

2.4 長沙恒大童世界樂園地塊的礦坑邊坡防治建議

邊坡治理高度為34.00 ～49.00 m，邊坡巖體類型為Ⅲ類，坡度為-10°～48°，先清除上部危巖體，上部采用錨索環(huán)梁結(jié)合全長粘結(jié)型錨桿的支護(hù)型式，下部采用錨索錨墩結(jié)合全長粘結(jié)型錨桿的支護(hù)型式，錨索成孔直徑為150 mm，長為15 ～25 m，間距為6 m 或9 m，傾角為20°，全長粘結(jié)型錨桿成孔直徑為110 mm，錨桿鋼筋直徑為32 mm，長為9 m 或 6 m，間距為3 m，傾角為15°，噴射混凝土面板厚度為100 mm，網(wǎng)筋規(guī)格為Φ8 mm@200 mm×200 mm。

3 結(jié)論

本文基于有限元分析軟件ABAQUS，采用M-C模型，以長沙恒大童世界樂園地塊的礦坑邊坡為例，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并對比赤平投影法。研究表明，ABAQUS 數(shù)值模擬分析方法得到的結(jié)論與赤平投影法得到的結(jié)論相同，有限元方法能有效地應(yīng)用于工程實(shí)踐中。根據(jù)數(shù)值分析，該段邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，應(yīng)先清除上部危巖體，再采取環(huán)梁錨索+全粘結(jié)性錨桿等支護(hù)方式保證邊坡的整體穩(wěn)定。本文的分析結(jié)果能一定程度上降低工程造價(jià)，為實(shí)際工程后期治理提供計(jì)算模型依據(jù)，具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo) 意義。