劉志東 段偉國(guó)

邊坡穩(wěn)定性是指構(gòu)成自然與人工斜坡的巖土體的穩(wěn)定程度。在邊坡的發(fā)展變化過程中,由于邊坡形態(tài)和結(jié)構(gòu)的不斷改變以及自然和人為作用,邊坡的應(yīng)力狀態(tài)也隨之不斷改變,邊坡應(yīng)力的變化是邊坡變形的最基本動(dòng)力。影響邊坡內(nèi)應(yīng)力變化的主要因素也同樣是影響邊坡位移的主要因素,通常這些因素是難以表述和量化的,這給巖質(zhì)邊坡的變形及穩(wěn)定性分析帶來了一定的難度,在理論分析中,人們常常將這些因素反映在邊坡巖體的基本物理力學(xué)參數(shù)、巖石邊坡的幾何特征參數(shù)、巖體的結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)等上面來,從而定量地評(píng)價(jià)邊坡的變形程度以及定性地評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性。巖體系數(shù)重要性程度分析在國(guó)內(nèi)的研究比較少,而分析巖體各項(xiàng)指標(biāo)對(duì)整體變形的影響具有重要的研究意義,可以節(jié)省很多試驗(yàn)資源。

1 工程概況

小龍?zhí)兜V區(qū)位于云南省開遠(yuǎn)市北約15 km,其地貌為一北北東向的山間盆地,盆地南北長(zhǎng)約7 km,東西寬約3 km,盆地北窄南寬,呈橢圓形。區(qū)內(nèi)有公路和昆河鐵路相通,北距省城昆明約380 km,南離國(guó)家級(jí)開放口岸河口約160 km,交通便利。

布沼壩露天礦年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為480萬t,經(jīng)過多年的努力,目前年采煤量已達(dá)480萬t,達(dá)到原設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力,露天采場(chǎng)坑底標(biāo)高現(xiàn)已降至990.00 m。隨著采剝工程的推進(jìn),到最終采坑時(shí),露天采場(chǎng)坑底標(biāo)高還將下降190 m,達(dá) 800 m水平。

鑒于工程的重要性,根據(jù)布沼壩露天礦的巖石力學(xué)參數(shù)對(duì)各巖石力學(xué)參數(shù)的重要性進(jìn)行研究。

2 數(shù)值模擬

根據(jù)圣維南原理,數(shù)值模型為了減小邊界對(duì)計(jì)算模型的影響,在有限元建模中對(duì)邊坡采取左邊擴(kuò)展200 m,右邊擴(kuò)展300 m,兩端約束的數(shù)值模型。本模型以布沼壩西北幫(6-6線)為原型建立,具體尺寸見圖1(圖中N3為褐煤,N1-2為黏土巖,T2g4為灰?guī)r),模型劃分為513個(gè)單元,3 799個(gè)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行計(jì)算。以實(shí)際參數(shù)調(diào)整進(jìn)行模擬(實(shí)際參數(shù)的100%,90%,80%,70%,60%),有關(guān)模型圖見圖2,圖3。

2.1 模型在彈性模量改變情況下的變形規(guī)律

由圖4可見,無論是 x方向位移、y方向位移還是點(diǎn)的絕對(duì)位移均隨著彈性模量的減小而呈遞增的趨勢(shì),且隨著彈性模量減小,位移增量在增大,即曲線的斜率變大。由此可以看出,彈性模量對(duì)邊坡影響較大,是邊坡變形的重要參數(shù),可以預(yù)見當(dāng)邊坡的彈性模量增大到一定程度時(shí),位移響應(yīng)將會(huì)很小。所以在取用邊坡的彈性模量時(shí),應(yīng)當(dāng)盡量精準(zhǔn),這樣才能更好的提高邊坡穩(wěn)定及滑坡預(yù)測(cè)的精度。一旦發(fā)現(xiàn)有較大假值和較小假值可取時(shí),盡量在與真值增幅相同時(shí),取較大值。

2.2 模型在比重改變情況下的變形規(guī)律

由圖5可看出,隨著比重的減小,邊坡的 x方向位移、y方向位移和絕對(duì)位移均呈減小趨勢(shì),并且隨著比重的減小,邊坡變形增量也在減小,即圖中的斜率在減小,可見當(dāng)比重減小到一定程度,只會(huì)對(duì)邊坡變形產(chǎn)生很小影響,說明比重的影響是與其他參數(shù)有關(guān),當(dāng)參數(shù)取值合理,比重因素將對(duì)邊坡無影響。即比重小的時(shí)候變形值變化較比重大的時(shí)候平緩,理想狀態(tài)下,當(dāng)比重減小到一定程度,各點(diǎn)位移值無變化。

2.3 模型在內(nèi)摩擦角改變情況下的變形規(guī)律

計(jì)算同時(shí)得到三種材料在其他參數(shù)取值不變情況下,內(nèi)摩擦角在18.8°～29.5°變化對(duì)邊坡的位移幾乎無影響的結(jié)論。

在粘聚力取值較大的情況下,巖體的內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡的變形影響有限,即邊坡巖體的內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡位移的影響大小取決于粘聚力的取值,如果邊坡巖體的粘聚力過大,內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡的變形將難以體現(xiàn)出來,可以說明內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡的影響取決于其他的參數(shù),如彈性模量、比重等其他參數(shù)則獨(dú)立對(duì)邊坡的變形產(chǎn)生影響。在這里巖體的粘聚力特別是灰?guī)r的粘聚力達(dá)到了0.3 MPa,內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡變形的影響便無法體現(xiàn),而如果將粘聚力值減小,則可以得到邊坡的絕對(duì)位移隨著內(nèi)摩擦角的減小而增大這一結(jié)論。

2.4 模型在殘余強(qiáng)度改變情況下的變形規(guī)律

邊坡巖體的粘聚力對(duì)邊坡變形是有影響的,但與巖體的其他參數(shù)存在很大關(guān)系,在巖體其他參數(shù)較大(較小)(沒有界限,只能是經(jīng)驗(yàn)確定,這只是定性分析)的情況下,殘余剪強(qiáng)度對(duì)邊坡的影響不大。在這里我們可以看到當(dāng)其他參數(shù)一定時(shí),殘余剪強(qiáng)度影響會(huì)較小,但是當(dāng)殘余強(qiáng)度小到一定程度,對(duì)變形影響很大,也就是說,當(dāng)殘余剪強(qiáng)度較小時(shí)取值應(yīng)盡量準(zhǔn)確,否則對(duì)邊坡變形預(yù)測(cè)影響很大,本文中當(dāng)黏土巖和褐煤粘聚力小于0.01 MPa時(shí),影響程度開始變大。

3 結(jié)語

本文運(yùn)用有限元單元法,通過調(diào)整影響邊坡巖體穩(wěn)定性的幾個(gè)參數(shù)取值,研究了各參數(shù)取值與邊坡穩(wěn)定性的內(nèi)在關(guān)系,得到如下結(jié)論:1)在邊坡巖體的幾個(gè)基本物性參數(shù)中,彈性模量 E、比重對(duì)邊坡變形均有不同程度的影響,其中邊坡位移隨彈性模量的增大而減小,巖體比重對(duì)巖石邊坡位移的影響是隨著其減小而減小的。2)邊坡巖體的粘聚力對(duì)邊坡變形是有影響的,但與巖體的其他參數(shù)存在很大關(guān)系,在巖體其他參數(shù)較大(較小)的情況下,粘聚力對(duì)邊坡的影響不大。3)邊坡巖體的內(nèi)摩擦角φ對(duì)邊坡位移的影響大小取決于粘聚力的取值,如果邊坡巖體的粘聚力過大,內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡的變形將難以體現(xiàn)出來。通過以上結(jié)論可以知道在做巖石力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)時(shí),哪些參數(shù)應(yīng)盡量精準(zhǔn),因?yàn)槠鋵?duì)數(shù)值模型分析影響較大,有些參數(shù)在數(shù)據(jù)較小的情況下,再次精準(zhǔn)已經(jīng)沒有意義,因?yàn)槠鋵?duì)數(shù)值模型影響較小。

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