張 春 趙武鹍 熊其歡

(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

軟弱夾層基底排土場邊坡穩(wěn)定性研究

張 春1，2趙武鹍1，2熊其歡1，2

(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司)

基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，以馬鋼南山礦排土場為例,應(yīng)用強度折減法，模擬排土場在規(guī)劃設(shè)計前、邊坡參數(shù)調(diào)整之后以及加高擴容過程中邊坡安全系數(shù)的變化趨勢和坡底位移場演化規(guī)律。結(jié)果表明:在規(guī)劃設(shè)計前，排土場安全系數(shù)低于規(guī)范值，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其破壞模式主要以深層次滑動為主；在邊坡參數(shù)調(diào)整之后，排土場整體、局部都處于穩(wěn)定狀態(tài)，排土場破壞模式主要以淺層滑動為主，塑性區(qū)分布范圍較?。欢迅邤U容后，塑性區(qū)分布范圍以及基底的水平和豎向位移值雖出現(xiàn)一定的增大趨勢，邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，這主要是由于采取了調(diào)整邊坡參數(shù)以及在坡腳鋪墊滲透性良好的大塊石等措施，降低了邊坡坡度和其地下水位線，增強了其穩(wěn)定性。

強度折減法 位移場 安全系數(shù) 塑性區(qū)分布

排土場基底承載能力是影響軟基底排土場整體穩(wěn)定的決定因素。排土場地基如由基巖組成，其承載能力很高，不會引起排土場的失穩(wěn)；如果地基是軟弱巖層，如腐殖土、強風化巖土層或黏性土、砂黏土等構(gòu)成，則基底土層在排土體荷載作用下，產(chǎn)生很大的壓縮變形[1]，直至被側(cè)向擠出，形成波狀隆起，從而導(dǎo)致軟基底排土場的整體失穩(wěn)?；淄翆拥暮穸群徒Y(jié)構(gòu)，對排土場的穩(wěn)定性和邊坡變形規(guī)模有重大影響。軟基地基排土場整體失穩(wěn)的顯著特征：在變形初期，排土場下沉，排土場前方地基土層存在縱向的強烈擠壓區(qū)，表現(xiàn)為土層隆起，地面出現(xiàn)裂縫和微凸起等現(xiàn)象。

1 安全系數(shù)的定義

1975年Zienkiewicz等人首次在彈塑性有限元中引入了強度折減系數(shù)的概念，從而發(fā)展了土坡穩(wěn)定性分析的強度折減彈塑性有限元法。該方法對于某一假定的強度折減系數(shù)Ftrial將土的實際強度參數(shù)c和φ按照下式同時折減：

(1)

(2)

以此對邊坡進行彈塑性有限元法(或有限差分法)計算[2]，如果根據(jù)一定的失穩(wěn)判據(jù)確定邊坡達到極限平衡狀態(tài)，則與此相對應(yīng)的強度折減系數(shù)就是總體的安全系數(shù)，否則對于新假定的折減系數(shù)重復(fù)計算，直至邊坡達到臨界極限平衡狀態(tài)。

求解邊坡的安全系數(shù)時，可以采用如下3種判斷標準來確定極限狀態(tài)[3]：

(1)坡面頂部節(jié)點最大位移在固定時步前后位移速率連續(xù)加速(即位移收斂準則)。

(2)固定時步前后速率差連續(xù)大于某比例(即速度收斂準則)。

(3)廣義剪應(yīng)變或塑性應(yīng)變貫通。

2 計算模型與參數(shù)

模型離散時，共劃分了2 406 個節(jié)點，1 119 個單元，見圖1。巖土體力學強度參數(shù)見表1?；鶐r視為剛體，不對其進行折減，僅對排土場散體物料以及基巖之間的軟弱夾層進行折減。

圖1 計算模型示意

表1 巖土體力學強度參數(shù)

3 模型邊界

模型范圍：X軸方向(橫向)0 m

力學邊界只考慮由自重引起的初始地應(yīng)力場，不考慮其他力。模型左邊界、右邊界以及底邊界的應(yīng)力由初始應(yīng)力場計算達到平衡時自動確定。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 規(guī)劃設(shè)計前

規(guī)劃設(shè)計前的剪切應(yīng)變增量圖、塑性區(qū)分布圖、位移圖見圖2?？梢钥闯?邊坡總體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這主要是由于一方面排土場基底存在一定厚度的第四世紀土，在基巖與排土場物料之間形成了一定厚度的軟弱夾層，抗剪強度較低，容易導(dǎo)致沿基底接觸面發(fā)生滑坡，排土場破壞模式主要以深層次滑動為主[4]，另一方面主要是由于排土場上游的水位比較高，導(dǎo)致排土場內(nèi)部整體水位線比較高；孔隙水壓力比較大，抗剪強度變低，邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)，圖2(b)的塑性分布可以顯示以上變化。

圖2 規(guī)劃設(shè)計前排土場邊坡穩(wěn)定性

4.2 邊坡參數(shù)調(diào)整后

邊坡參數(shù)調(diào)整(主要是調(diào)整邊坡坡度)之后的剪切應(yīng)變增量圖、塑性區(qū)分布圖見圖3?？梢钥闯觯号磐翀鐾ㄟ^坡腳鋪墊滲透性良好的大塊石之后，邊坡的安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求的安全值，表明排土場整體、局部都處于穩(wěn)定狀態(tài)，排土場破壞模式主要以淺層滑動為主。

4.3 加高擴容后

高村采場緊鄰排土場的下游，為節(jié)約占地，將在原有的排土場基礎(chǔ)上進行加高擴容，經(jīng)過加高擴容后的邊坡應(yīng)力變化見圖4?？梢钥闯?，剪切應(yīng)變沒有出現(xiàn)明顯的變化[5]，邊坡安全系數(shù)有一定程度降低，塑性區(qū)也由+170，+140 m平臺臺階逐漸向下發(fā)展，說明加高擴容后導(dǎo)致邊坡體內(nèi)應(yīng)力場發(fā)生了變化，但邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 邊坡參數(shù)調(diào)整后排土場邊坡應(yīng)力變化

圖4 加高擴容后排土場邊坡穩(wěn)定性應(yīng)力變化

由于排土場基底存在一定厚度的軟弱土，為模擬加載對其位移產(chǎn)生的影響，在排土場頂部、底部軟弱夾層中心處設(shè)立2個位移監(jiān)測點(圖1)，以反映加載過程中坡頂、地基的沉降變化，見圖5。

圖5 加高擴容后排土場邊坡位移變化

可以看出：邊坡中心部位位移矢量垂直向下,邊坡中上部位移矢量大體與邊坡面平行,故其邊坡后部主要表現(xiàn)為沉降變形,前部為剪切破壞,最大位移發(fā)生在坡腳處,邊坡上部位移較小;堆載后引起的最大水平位移約6 cm，最大沉降位移近17 mm。臺階頂部先發(fā)生沉降之后又隆起，但總體呈沉降趨勢，基底Z向位移土體同樣如此，單X向水平位移不斷增大，說明基底的土體有向外擠出的趨勢，形成波狀隆起，地面出現(xiàn)裂縫和微凸起等現(xiàn)象。

5 結(jié) 論

(1)在規(guī)劃設(shè)計之前，排土場安全系數(shù)低于規(guī)范值，其破壞模式主要以深層次滑動為主；在邊坡參數(shù)調(diào)整之后，排土場整體、局部都處于穩(wěn)定狀態(tài)，排土場破壞模式主要以淺層滑動為主，塑性區(qū)分布范圍較小。

(2)堆高擴容后，塑性區(qū)分布范圍以及基底的水平和豎向位移值雖出現(xiàn)一定的增大趨勢，地面出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，但邊坡仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，采取調(diào)整邊坡參數(shù)以及在坡腳鋪墊滲透性良好的大塊石等措施，降低地下水水位，增強其穩(wěn)定性。

[1] 宋二祥.土工結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的有限元計算[J].巖土工程學報,1997,19(2):1-7.

[2] 鄭穎人,趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J].巖石力學與工程學報,2004,23(19):3381-3388.

[3] 鄭穎人,趙尚毅.用有限元強度折減法求滑(邊)坡支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力[J].巖石力學與工程學報,2004,23(20):3552-3558.

[4] 鄭穎人,趙尚毅.邊(滑)坡工程設(shè)計中安全系數(shù)的討論[J].巖石力學與工程學報,2006,25(9):1937-1940.

[5] 鄭穎人,趙尚毅.巖土工程極限分析有限元法及其應(yīng)用[J].土木工程學報,2005,38(1):91-98,104.

2014-08-27)

張 春(1985—)，男，助理工程師,碩士,243000 安徽省馬鞍山市西塘路666號。