梅世倫

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某礦坑巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

梅世倫

(貴州省公路工程集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550008)

為確保某礦坑周邊建(構(gòu))筑物及配套工程建設(shè)的安全，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法對礦坑區(qū)域3個(gè)典型區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)赤平投影圖中層理、裂隙以及坡面特點(diǎn)，初步分析3個(gè)區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。采用三維有限元軟件，依據(jù)現(xiàn)場巖質(zhì)邊坡節(jié)理、層理特點(diǎn)并考慮周邊環(huán)境條件，建立各區(qū)段巖質(zhì)邊坡的三維數(shù)值分析模型，對相應(yīng)區(qū)段邊坡在自重荷載和坡頂?shù)孛婧奢d條件下的位移、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，獲得礦坑各區(qū)段邊坡在坡頂?shù)孛婧奢d作用下塑性區(qū)的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明：數(shù)值計(jì)算獲得的礦坑各區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性可以分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和穩(wěn)定3個(gè)狀態(tài)，與采用赤平投影分析方法獲得結(jié)果具有較高的吻合性，驗(yàn)證了采用數(shù)值模擬分析方法分析巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的可靠性。建議對處于不穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡在整個(gè)區(qū)域內(nèi)采用錨索進(jìn)行支護(hù)處理，對處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡在一定范圍內(nèi)采用錨桿(或錨索)進(jìn)行加固處理。

巖質(zhì)邊坡；塑性區(qū)；穩(wěn)定性；赤平投影；有限元

極限平衡法、極限分析法、滑移線場法[1?4]等傳統(tǒng)方法常用于均質(zhì)土坡的穩(wěn)定性分析，而在實(shí)際工程實(shí)踐中最常用的是極限平衡法與數(shù)值模擬方法[5?7]。巖質(zhì)邊坡不同于均質(zhì)的土質(zhì)邊坡，其巖體中含有大量諸如層面、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、巖脈和斷層破碎帶等不同構(gòu)造、產(chǎn)狀和特性不連續(xù)結(jié)構(gòu)面，從而給巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性分析帶來了困難。鄭穎人等[8]采用有限元強(qiáng)度折減法對巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并根據(jù)塑性力學(xué)破壞原理，驗(yàn)證了有限元強(qiáng)度折減法分析巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制的可行性。趙偉等[9]基于FLAC3D有限差分計(jì)算程序，采用強(qiáng)度折減法模擬分析了含有一組結(jié)構(gòu)面和兩組結(jié)構(gòu)面的巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，并求出了邊坡的安全系數(shù)。夏開宗等[10]通過分析順層巖質(zhì)邊坡中的水力作用，建立了結(jié)構(gòu)面(出流縫)未被堵塞和被堵塞兩種情況下順層邊坡的水力模型，得出兩種情況下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)。金書濱等[11]采用三維有限元軟件，對某大峽谷玻璃橋橋址邊坡在天然狀態(tài)下和橋梁荷載條件下的位移、應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，從坡體在玻璃橋荷載作用下塑性區(qū)的分布規(guī)律分析了邊坡的穩(wěn)定性。孟慶文等[12]以某高速鐵路高邊坡為例，分別計(jì)算了不同施工階段滑面為圓弧面和折線面、坡體無水和飽和等各種條件下邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)并分析了其影響規(guī)律。上述相關(guān)學(xué)者的研究表明，巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要由其結(jié)構(gòu)面控制。本文以某礦坑巖質(zhì)邊坡為例，依據(jù)各區(qū)段巖質(zhì)邊坡的赤平投影圖，初步分析相應(yīng)區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，并采用有限元分析軟件ABAQUS，建立考慮巖體節(jié)理、層理特點(diǎn)的三維巖質(zhì)邊坡模型計(jì)算各區(qū)段邊坡的穩(wěn)定性，模擬巖質(zhì)邊坡在天然狀態(tài)下和外界環(huán)境荷載條件下的位移場、應(yīng)力場狀態(tài)。結(jié)合赤平投影分析和數(shù)值模擬分析結(jié)果，綜合評價(jià)相應(yīng)區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性，并提出潛在失穩(wěn)邊坡的治理措施。

1 工程概況

某礦坑位于湖南省長沙市望城區(qū)內(nèi)，為露天開采的石灰?guī)r采石場所遺留的采石坑。礦坑周邊擬修建大型兒童游樂場。礦坑頂縱向最長約為480 m，橫向最長約450 m，礦坑底縱向最長約為390 m，橫向最長約為380 m。

1.1 地形地貌

現(xiàn)礦坑巖質(zhì)邊坡為山體開挖后與剩余山體形成的近環(huán)形斜坡，坡度45°~90°，總體周邊高、中間低，其中坑內(nèi)標(biāo)高約為?12.89~?16.56 m，北側(cè)坑頂標(biāo)高36~55 m，東側(cè)坑頂標(biāo)高36~53 m，西側(cè)坑頂標(biāo)高49~55.2 m，南側(cè)坑頂標(biāo)高坑頂標(biāo)高43~57.0 m，最高點(diǎn)為場地西北側(cè)，標(biāo)高70.00 m。地形地貌特征如圖1所示。

圖1 某礦坑巖質(zhì)邊坡地形地貌特征

1.2 巖質(zhì)參數(shù)

根據(jù)場地鉆探揭露，礦坑巖質(zhì)邊坡坡體主要包含以下3種地層：

1) 人工填土(Q4ml)：為雜填土，灰褐、褐黃等雜色，主要由碎石土、砼塊、磚等建筑垃圾與生活垃圾混10~35%的黏性土組成，系新近堆填，稍濕，結(jié)構(gòu)松散~稍密，密實(shí)度不均勻，尚未完成自重 固結(jié)。

2) 泥盆系(D)微風(fēng)化灰?guī)r：淺灰色、灰白色、灰白夾紅色、深灰色，礦物成分主要為方解石、含少量白云石，隱晶~細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造。裂隙稍發(fā)育，局部頂部見溶蝕粗糙面。巖石堅(jiān)硬質(zhì)脆，金鋼石鉆進(jìn)一般，巖芯多呈柱狀、長柱狀，少量塊狀，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為好的，介于82~90之間，屬較硬巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。

3) 泥盆系(D)中風(fēng)化泥灰?guī)r: 灰，深灰色，青灰等色，礦物成分主要為方解石泥晶，泥狀結(jié)構(gòu)，巖石堅(jiān)硬質(zhì)脆，金鋼石鉆進(jìn)一般，巖芯多呈柱狀、長柱狀，少量塊狀，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD為好的，介于78~88之間，屬較軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。

巖質(zhì)邊坡鉆探揭露相應(yīng)區(qū)域物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 礦坑地區(qū)巖質(zhì)邊坡物理力學(xué)參數(shù)

2 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法與理論

2.1 赤平投影分析理論

巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性受巖體結(jié)構(gòu)面控制，赤平投影法能清晰的反應(yīng)各結(jié)構(gòu)面之間的組合及交叉關(guān)系，可初步判別邊坡穩(wěn)定。在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中常采用上極點(diǎn)下半球的投影方式進(jìn)行投影[13]。

巖質(zhì)邊坡的滑動主要分為平面滑動和楔形體滑動。對于主要由一組結(jié)構(gòu)面控制的平面滑動，其對應(yīng)的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評判標(biāo)準(zhǔn)如圖2所示。對于主要由2組結(jié)構(gòu)面控制的楔形體破壞，其赤平投影示意圖見圖3所示，通過結(jié)構(gòu)面與邊坡產(chǎn)狀關(guān)系可初步判斷邊坡穩(wěn)定性。

圖2 1組結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖

圖3 2組結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖

2.2 有限元分析理論

1) 本構(gòu)模型的選擇

根據(jù)工程實(shí)際情況，結(jié)構(gòu)體采用彈塑性材料，選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。

Mohr-Coulomb模型的屈服準(zhǔn)則為剪切破壞準(zhǔn)則，其剪切屈服面的函數(shù)為：

運(yùn)用Mohr-Coulomb模型時(shí)需注意以下問題：

①M(fèi)ohr-Coulomb模型需聯(lián)合線彈性模型一并使用。

②Mohr-Coulomb采用了非關(guān)聯(lián)流動法則，軟件中需采用非對稱求解器。

③Mohr-Coulomb模型中的黏聚力必須大于0，對于沙土等材料，可將黏聚力取一較小值。

④剪脹角的取值若與摩擦角相同，則在剪切破壞中會發(fā)生體積無限制膨脹的現(xiàn)象，因此需慎重選取。

2) 結(jié)構(gòu)面的模擬方法

目前常采用軟弱夾層或無厚度接觸單元對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬[14]。軟弱夾層模擬法是將結(jié)構(gòu)面視為實(shí)體單元，與結(jié)構(gòu)體一同采用Mohr-Coulomb本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行理想彈塑性模擬，按照連續(xù)介質(zhì)處理，通過材料參數(shù)對二者進(jìn)行唯一區(qū)分，即將軟弱夾層視為比結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度稍低的另一材料。有限元模擬如圖4所示。

圖4 軟弱夾層模擬示意圖

無厚度接觸單元模擬法是將巖體結(jié)構(gòu)面的接觸面及其縫隙視為整體，利用軟件中的接觸單元定義接觸關(guān)系。將2個(gè)接觸邊界平面合稱為“接觸對”，其中一個(gè)平面稱為“目標(biāo)面”，另一個(gè)平面則稱為“接觸面”。定義兩接觸面之間不產(chǎn)生相互的拉應(yīng)力，二者可以分離(不接觸)，也可相對滑動。有限元模擬如圖5所示。

鄭穎人等[14]通過對比發(fā)現(xiàn)，無論是采用軟弱夾層還是無厚度接觸單元模擬結(jié)構(gòu)面，得到的結(jié)果十分接近。也就是說，上述2種方法均可對結(jié)構(gòu)面進(jìn)行模擬，本文選用軟弱夾層進(jìn)行結(jié)構(gòu)面的模擬。

圖5 無厚度接觸單元模擬示意圖

3) 邊坡失穩(wěn)判據(jù)

目前巖質(zhì)邊坡的有限元計(jì)算失穩(wěn)判據(jù)尚未統(tǒng)一，許多研究者對失穩(wěn)判據(jù)提出了不同的建議，主要?dú)w納為以下幾類[15?16]：

①收斂性判據(jù)：以在規(guī)定的迭代次數(shù)內(nèi)，力或者位移的不收斂性作為邊坡整體破壞的標(biāo)志。

②貫通塑性區(qū)判據(jù)：以邊坡的廣義塑性應(yīng)變或者等效塑性應(yīng)變從坡底到坡頂貫通作為邊坡整體破壞的標(biāo)志。

③突變性判據(jù)：以邊坡坡面特征節(jié)點(diǎn)位移發(fā)生突變且無限發(fā)展，滑動面坡體無限移動作為邊坡整體破壞的標(biāo)志。

④動力學(xué)判據(jù)：以加速度是否為零作為邊坡破壞的標(biāo)志。

對于邊坡穩(wěn)定分析中的塑性應(yīng)變可采用云圖方式準(zhǔn)確清晰地顯示出其位置、發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)變值的大小。因此，本文考慮采用塑性區(qū)的貫通情況判據(jù)進(jìn)行巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)判斷。

該礦坑巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)測繪和鉆探結(jié)果將該礦坑巖質(zhì)邊坡分為A，B和C等3個(gè)典型區(qū)段，分別從赤平投影分析和有限元分析2個(gè)方面綜合評價(jià)各區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

3 巖質(zhì)坡穩(wěn)邊定性分析

3.1 赤平投影分析

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘察資料，繪制礦坑巖質(zhì)邊坡3個(gè)典型區(qū)段的赤平投影圖，如圖6所示，各區(qū)段巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性赤平投影分析結(jié)果如表2所示。

(a) A區(qū)段赤平投影圖；(b) B區(qū)段赤平投影圖；(c) C區(qū)段赤平投影圖

表2 各區(qū)段邊坡赤平投影分析一覽表

注：表中L-L1表示2個(gè)結(jié)構(gòu)面交線傾伏向與坡向的一致程度，通過傾向差值進(jìn)行判斷(同向：0°~15°，基本同向：15°~90°，反向：超過90°)，鑒于坡面傾角均大于各結(jié)構(gòu)面交線傾伏角，傾伏角不納入討論范圍

利用赤平投影方法對各區(qū)段巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行初步分析之后，結(jié)合剛體極限平衡法以兩組結(jié)構(gòu)面引起的楔形體滑動為對象進(jìn)行理論研究[17]，假定滑體為剛體，滑面遵循Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，示意圖如圖7，分析如下：

圖7 楔形體滑面示意圖

當(dāng)不考慮滑動面黏聚力時(shí)，對應(yīng)的下滑力F和抗滑力F分別為：

對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)為：

該方法從理論上解釋了2組畫面控制的楔形體滑動的穩(wěn)定性系數(shù)方法，不足在于滑面形狀過于規(guī)則化，與實(shí)際復(fù)雜情況不符，且實(shí)際情況的巖體中發(fā)育有多組結(jié)構(gòu)面，2組結(jié)構(gòu)面略顯不足。

3.2 有限元計(jì)算分析

1)有限元三維模型的建立

依據(jù)各區(qū)段邊坡剖面圖，建立礦坑巖質(zhì)邊坡三維模型。采用軟弱夾層模擬思想，將邊坡巖體切割出節(jié)理、裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面，分別模擬每各個(gè)邊坡的結(jié)構(gòu)情況。A區(qū)段的模型如圖8所示。其他區(qū)段的建模方法與A區(qū)段類似。

圖8 A區(qū)段巖質(zhì)邊坡模型

2) 計(jì)算參數(shù)的確定

結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體均采用實(shí)體單元模擬，相關(guān)力學(xué)參數(shù)參見表1。坡頂荷載值按后期工程設(shè)計(jì)概況實(shí)際情況施加。模型所受荷載有重力以及運(yùn)營階段的建筑物基底正向荷載，基底正向荷載根據(jù)游樂設(shè)施單體荷載估算，取100 kN/m2，作用于邊坡頂部，并考慮了在現(xiàn)有礦坑內(nèi)水位的影響時(shí)水上、水下結(jié)構(gòu)體參數(shù)的不同。

3) 計(jì)算結(jié)果分析

使用塑性區(qū)貫通判據(jù)進(jìn)行各區(qū)段巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評判。圖9~14分別為A，B和C區(qū)段塑性區(qū)及豎向位移的分布情況。

圖9 外荷載作用下A區(qū)段塑性區(qū)分布

從圖9中可以看出，在外荷載作用下，A區(qū)段楔形體塑性區(qū)發(fā)展較為明顯，但未形成連續(xù)的、貫通的區(qū)域，由位移分布圖(見圖10)可以看出，楔形體上方巖體發(fā)生了輕微變形，頂部位移最大，為8.591 mm，坡底區(qū)域有十分微小的反向位移，存在上拱的趨勢，以塑性區(qū)發(fā)展情況為主要依據(jù)判斷該邊坡欠穩(wěn)定。各邊坡最大位移值、塑性區(qū)情況及穩(wěn)定性判斷見表3。

圖10 外荷載作用下A區(qū)段豎向位移云圖

從圖11中可以看到，在外荷載的作用下，B區(qū)段邊坡巖體塑性區(qū)由下至上發(fā)展、貫通，由位移分布圖(見圖12)可以看出，該平面形結(jié)構(gòu)面巖質(zhì)邊坡的巖體下部位移較小，上部位移較大，等位移線呈弧形分布，坡頂最大位移達(dá)到22.20 mm，表明結(jié)構(gòu)面上部巖體發(fā)生滑塌的概率較大，邊坡主要沿平面形結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移破壞，綜合判斷B區(qū)段為不穩(wěn)定邊坡。

圖11 外荷載作用下B區(qū)段塑性區(qū)分布

圖12 外荷載作用下B區(qū)段豎向位移云圖

圖13 外荷載作用下C區(qū)段塑性區(qū)分布

從圖13中可以看出，在外荷載作用下，C區(qū)段平面形結(jié)構(gòu)面塑性區(qū)發(fā)展不明顯，僅底部一小段。由位移分布圖(見圖14)可以看出，坡體頂部位移最大，為5.578 mm，根據(jù)塑性區(qū)發(fā)展情況并結(jié)合位移量判斷C區(qū)段巖質(zhì)邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 外荷載作用下C區(qū)段豎向位移云圖

表3 各區(qū)段邊巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性有限元分析

4 結(jié)論

1) 采用赤平投影理論初步分析了3個(gè)典型區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

2) 依據(jù)現(xiàn)場巖質(zhì)邊坡節(jié)理、層理特點(diǎn)并考慮周邊環(huán)境條件，建立了巖質(zhì)邊坡三維有限元模型，分析了各區(qū)段邊坡在外荷載條件下的塑性區(qū)分布情況、位移分布特點(diǎn)。

3) 根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，所計(jì)算礦坑各區(qū)段巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性可以分為不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定和基本穩(wěn)定3個(gè)狀態(tài)，建議對處于不穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡在整個(gè)區(qū)域內(nèi)采用錨索進(jìn)行支護(hù)處理，對處于欠穩(wěn)定狀態(tài)的邊坡在一定范圍內(nèi)采用錨桿(或錨索)進(jìn)行加固處理。

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The numerical simulation analysis of rock slope stability in a pit

MEI Shilun

(Guizhou Highway Engineering Group Co., Ltd., Guiyang 550008, China)

In order to ensure the safety of the engineering constructionaround a pit, the theoretical analysis and numerical simulation methods were used to analyze the stability of rock slopes in the three typical sections of the pit area. The stability of rock slopes in three sections was analyzed based on the features of bedding, cracks, and slopes of the stereographic projection. A three-dimensional finite element software was used to establish a three-dimensional numerical analysis model for rock slopes in each section, considering the surrounding environmental conditions and based on the joints and bedding features of rock slopes in the site. The displacement and stress state of each section slope under adjacent building load and gravity load were numerically simulated to obtain the distribution law of the plastic zone. The results show that the stability of rock slopes in each section of the pit can be divided into three states: unstable, lack of stable, and stable. This agrees well with the results obtained using the stereographic projection analysis method, which verifies the reliability of using numerical simulation method to analysis of rock slope stability. Several suggestion is recommended that the slopes in the unstable state be supported with anchor cables in the entire area, and the slopes lack of stable should be reinforced with anchor rods (or anchor cables) within a certain range.

rock slope; plastic zone; stability; stereographic projection; finite element

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.013

TU47

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2825 ? 08

2017?11?01

長沙理工大學(xué)交通基礎(chǔ)設(shè)施安全風(fēng)險(xiǎn)管理行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(16KE03)

梅世倫(1979?)，男，貴州安順人，高級工程師，從事公路工程施工技術(shù)與管理工作；E?mail：64317678@qq.com

(編輯 涂鵬)