母?jìng)鱾?，何方維，裴 恒(中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司，河北 秦皇島 066001)

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三維有限元法強(qiáng)度折減法在某巖質(zhì)邊坡加固中的應(yīng)用

母?jìng)鱾?，何方維，裴 恒
(中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司，河北 秦皇島 066001)

高大巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性對(duì)其下部建筑物和工業(yè)場(chǎng)地的安全至關(guān)重要，有限元強(qiáng)度折減法數(shù)值模擬分析巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制是一條對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行可靠分析的有效方法。文章結(jié)合強(qiáng)度折減理論的有限元應(yīng)力分析法對(duì)柏泉選廠西邊坡的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，能夠科學(xué)分析邊坡的變形破壞機(jī)制及演變過(guò)程。該方法把錨桿等支擋結(jié)構(gòu)的共同作用和地下水的影響統(tǒng)一考慮，從而可以驗(yàn)證邊坡加固措施的合理性，與其他方法相比實(shí)用性更強(qiáng)。邊坡穩(wěn)定模擬分析所依據(jù)的巖土物理力學(xué)參數(shù)來(lái)自工程地質(zhì)勘察報(bào)告，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，分析結(jié)果切合實(shí)際。邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果直接指導(dǎo)邊坡加固設(shè)計(jì)，根據(jù)邊坡巖體應(yīng)力情況調(diào)整錨桿規(guī)格和布局，從而使邊坡加固措施更加安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理。

有限元法；巖質(zhì)邊坡；數(shù)值模擬與分析； 邊坡穩(wěn)定性

均勻土質(zhì)邊坡可以通過(guò)優(yōu)化方法搜尋潛在滑移面，其穩(wěn)定性分析方法有滑移線場(chǎng)法、極限分析法、極限平衡法。由于巖質(zhì)邊坡內(nèi)部蘊(yùn)含各種構(gòu)造，比如節(jié)理、裂隙、結(jié)構(gòu)層、斷裂帶等，從而產(chǎn)生大量不聯(lián)系結(jié)構(gòu)面，而且結(jié)構(gòu)面構(gòu)造和性質(zhì)各異，采用常規(guī)極限平衡法只能求出邊坡應(yīng)力和位移，但難以找到潛在滑移面，計(jì)算不出安全系數(shù)[1-3]。傳統(tǒng)方法進(jìn)行的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果就很難跟實(shí)際相符。本文依據(jù)工程地質(zhì)勘察所提供的數(shù)據(jù)資料，采用有限元法對(duì)邊坡的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合有限元強(qiáng)度折減理論對(duì)邊坡變形破壞機(jī)制及其演變進(jìn)行分析，模擬與分析采用的軟件為midas GTS，研究加固前高邊坡巖體位移和內(nèi)力變化，同時(shí)對(duì)加固后的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析計(jì)算，驗(yàn)證對(duì)該邊坡采用錨桿噴混加固是否合理[4-7]。

1 工程概況

擬分析的邊坡為河北鋼鐵集團(tuán)柏泉鐵礦新建磨礦倉(cāng)西側(cè)邊坡，位于承德市平泉縣西。工程場(chǎng)地屬低中山侵蝕溝谷斜坡地貌，溝谷南北走向，谷底地勢(shì)南高北低，磨礦倉(cāng)建于山谷西側(cè)山坡上，磨礦倉(cāng)西側(cè)為開(kāi)挖的山體巖質(zhì)邊坡。巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖高度17～35m，邊坡坡腳約65～80°。坡頂表層為第四系覆蓋層，主要成份為崩落的巖石堆積物，含有少量的粉土，巖石主要為黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖。該邊坡所在區(qū)域無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造和斷層穿過(guò)，但其受尚義—平泉深斷裂影響，邊坡節(jié)理裂隙較發(fā)育。由于邊坡采用爆破崩巖和機(jī)械開(kāi)挖，巖體完整性受破壞程度較大，多處順坡節(jié)理發(fā)育，在崖壁上存在多處危巖。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

開(kāi)挖山體巖質(zhì)邊坡未見(jiàn)斷層存在。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查，場(chǎng)地內(nèi)出露地層主要有：第四系全新統(tǒng)耕植填土 (Q4pd )、素填土(Q4ml) 厚度0.3～0.5m、含碎塊石粉質(zhì)黏土(Q4el+dl)粒徑50～150mm、基底為太古界黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖(Ars)。

節(jié)理裂隙極發(fā)育，主要以構(gòu)造節(jié)理為主，風(fēng)化節(jié)理裂隙較少，非構(gòu)造節(jié)理裂隙面平直光滑，沿長(zhǎng)、延深在 1.2～3.0m，節(jié)理面未見(jiàn)有礦物變質(zhì)泥化現(xiàn)象，及鐵錳質(zhì)充填物。節(jié)理形式以剪節(jié)理為主，順坡節(jié)理發(fā)育，逆坡節(jié)理較少。由于邊坡爆破作業(yè)造成節(jié)理裂隙相互交錯(cuò)，巖體被切割成大小不等的結(jié)構(gòu)體。

區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為6°。

2.2 水文地質(zhì)條件

1)地表水。調(diào)查期間屬于秋季，未見(jiàn)地表水。開(kāi)挖的巖質(zhì)邊坡頂部山體植被欠發(fā)育。少量降雨將滲到巖體，可能會(huì)對(duì)邊坡構(gòu)成沖刷破壞。

2)地下水。場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為斷層破碎帶的構(gòu)造裂隙水和山體基巖風(fēng)化裂隙水。

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析

該邊坡存在發(fā)育危巖，主要為裂隙切割的小結(jié)構(gòu)體、大結(jié)構(gòu)體以及破碎的小巖塊組成。坡面不規(guī)整，存在多處凹向坡面的凹坑和突出坡面的巖石，易引發(fā)掉塊或局部塌落現(xiàn)象。根據(jù)節(jié)理赤平投影圖，對(duì)邊坡結(jié)構(gòu)面進(jìn)行了抽樣統(tǒng)計(jì)，從抽樣調(diào)查的主控結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性分析結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)體存在滑動(dòng)可能性，安全系數(shù)不滿(mǎn)足要求，圍巖壓力使結(jié)構(gòu)體暫時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，在長(zhǎng)期外界荷載擾動(dòng)作用和雨水入滲及靜水壓力作用下，結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦力將會(huì)減弱，造成結(jié)構(gòu)體滑動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)坡面的牽連滑動(dòng)而使邊坡失穩(wěn)。

對(duì)該邊坡選取兩段1.0m范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)面組數(shù)，在0.2～0.4m平均間距范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)面組數(shù)8～12組，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度差，結(jié)構(gòu)面類(lèi)型主要為裂隙和裂隙塊狀結(jié)構(gòu)，巖體較為破碎。

2.4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)與邊坡加固措施

評(píng)價(jià)認(rèn)為該邊坡安全等級(jí)為2級(jí)，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ和Ⅴ；結(jié)構(gòu)面節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面結(jié)合差，坡面凹凸不平；危害屬于危巖、掉塊或局部滑塌。

建議加固措施：對(duì)該邊坡削坡和分臺(tái)階放坡，使整體坡度不大于60°；進(jìn)行坡面修整，清理坡面危巖及可能下滑的主控結(jié)構(gòu)體；對(duì)局部凹坑進(jìn)行漿砌石貼坡面補(bǔ)砌；全坡面錨桿噴砼掛網(wǎng)封閉。

3 有限元計(jì)算模型的建立

通過(guò)計(jì)算邊坡各點(diǎn)的安全系數(shù)來(lái)判斷高邊坡的穩(wěn)定性，為邊坡開(kāi)挖和加固提供理論指導(dǎo)。有限元計(jì)算模型如圖1所示。模型沿X方向長(zhǎng)度為240m，沿Y方向深度為100m，沿Z方向高度為50余米?；炷羾娀鞛榘鍐卧穸?.15m，錨桿直徑為0.025m。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，土層最上邊一層為含碎石粉質(zhì)黏土，第二層為強(qiáng)風(fēng)化黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，第三層為中風(fēng)化黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖，最下層為微風(fēng)化黑云角閃斜長(zhǎng)片麻巖。

邊坡開(kāi)挖結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)，采用多級(jí)放坡開(kāi)挖，每級(jí)邊坡高度不大于10m，設(shè)置2m安全平臺(tái)，單級(jí)坡比不大于2∶1，總坡度不大于60°，開(kāi)挖從坡頂開(kāi)始，由高到低順序開(kāi)挖，嚴(yán)禁逆作法施工。

邊坡靠幫后，對(duì)可能滑動(dòng)的較大巖塊進(jìn)行清理和主動(dòng)防護(hù)鋼絲網(wǎng)(SNS柔性防護(hù)網(wǎng))進(jìn)行臨時(shí)防護(hù)，錨桿深度5m(巖體裂隙發(fā)育破碎位置，穿透破碎帶，錨固在穩(wěn)定巖體上)，錨桿間距10m(巖體破碎地段，適當(dāng)加密，錨固在穩(wěn)定巖體上)，視現(xiàn)場(chǎng)條件適當(dāng)調(diào)整，并加強(qiáng)邊坡檢測(cè)，確保施工安全。噴混及錨桿模擬如圖1所示。

該邊坡工程地質(zhì)和水文條件參考地質(zhì)勘察報(bào)告，模型參數(shù)選用地勘資料提供數(shù)值，具體見(jiàn)表1。

表1 巖土主要物理力學(xué)指標(biāo)參考值表

4 有限元計(jì)算模型的分析

由于巖體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，任何模擬軟件都不可能絕對(duì)精確地模擬出巖體結(jié)構(gòu)特征。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定與否主要受結(jié)構(gòu)面控制，巖體破壞一般應(yīng)該發(fā)生在其抗剪強(qiáng)度最弱之處。[1]因此，本構(gòu)模型能否真實(shí)地反映巖石物理力學(xué)性質(zhì)、節(jié)理裂隙及主控結(jié)構(gòu)面等情況，是判斷計(jì)算模型分析結(jié)果是否準(zhǔn)確的主要因素。本次計(jì)算分析依據(jù)的巖石物理力學(xué)參數(shù)和節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)資料直接來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)勘察，能夠真實(shí)可靠地反映巖體結(jié)構(gòu)特征，利用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡進(jìn)行模擬，計(jì)算模型著重考慮起主要作用的結(jié)構(gòu)面或節(jié)理組。巖質(zhì)邊坡受力多為壓剪切狀態(tài)，具有很強(qiáng)的塑性特征，采用塑性力學(xué)破壞機(jī)理可以更好地描述其變形破壞特征。本文結(jié)合工程實(shí)踐，采用彈塑性有限元法和強(qiáng)度折減理論相結(jié)合的方法，利用模擬與分析軟件midas GTS對(duì)邊坡的破壞機(jī)理進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)軟件求解邊坡安全系數(shù)，在巖體結(jié)構(gòu)面處能夠模擬出結(jié)構(gòu)面的不連續(xù)性，使分析結(jié)果更加切合實(shí)際。該方法同時(shí)考慮了地下水、邊坡開(kāi)挖和錨桿加固的共同作用，分析結(jié)果更加真實(shí)，實(shí)用性更強(qiáng)。

本次模擬分為三個(gè)工況，分別是：邊坡在自然條件下的穩(wěn)定性分析；邊坡在放坡開(kāi)挖之后的穩(wěn)定性分析；邊坡經(jīng)過(guò)噴錨支護(hù)后的穩(wěn)定性分析。

4.1 邊坡在自然條件下的穩(wěn)定性分析

邊坡在自然條件下位移應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖2。

通過(guò)分析，邊坡在自然狀態(tài)下安全系數(shù)為0.6016，已存在明顯的滑動(dòng)面，最大剪應(yīng)變集中區(qū)即為滑動(dòng)面，尤其在坡腳處剪應(yīng)力達(dá)到最大值。從邊坡有限元分析云圖看出，坡體后部主要以豎向位移為主，但坡體前部出現(xiàn)了明顯的水平位移，尤其是在坡腳略上的部位，水平位移更明顯，邊坡有滑動(dòng)趨勢(shì)。

4.2 邊坡在放坡開(kāi)挖之后的穩(wěn)定性分析

邊坡在放坡開(kāi)挖之后位移應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖3。

圖1 開(kāi)挖進(jìn)行噴錨支護(hù)邊坡穩(wěn)定分析的有限元模型

圖2 自然條件下總位移云圖

圖3 放坡開(kāi)挖之后總位移云圖

放坡開(kāi)挖之后，邊坡的安全系數(shù)為1.3828，較開(kāi)挖之前明顯提高。從云圖可以看出放坡開(kāi)挖后，仍然存在明顯的滑動(dòng)面，故需要進(jìn)一步做噴錨支護(hù)處理。

4.3 邊坡經(jīng)過(guò)噴錨支護(hù)后的穩(wěn)定性分析

邊坡經(jīng)過(guò)噴錨支護(hù)后位移應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 噴錨支護(hù)后總位移云圖

圖5 噴混應(yīng)力云圖

由分析結(jié)果可見(jiàn)，噴錨支護(hù)后的邊坡安全系數(shù)為2.1203，整體位移連續(xù)且數(shù)值較小，錨桿軸力最大出現(xiàn)在滑移面處，與實(shí)際情況符合?？梢钥紤]將出現(xiàn)軸力較大的錨桿進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，增加錨桿長(zhǎng)度，或者加密錨桿，從而降低單根錨桿軸力。

5 結(jié)論

結(jié)合強(qiáng)度折減理論的有限元應(yīng)力分析法對(duì)邊坡的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，能夠科學(xué)分析邊坡的變形破壞機(jī)制及演變過(guò)程。該方法把錨桿等支擋結(jié)構(gòu)的共同作用和地下水的影響統(tǒng)一考慮，從而可以驗(yàn)證邊坡加固措施的合理性，與其他方法相比具有更強(qiáng)的實(shí)用性。邊坡穩(wěn)定模擬分析所依據(jù)的巖土物理力學(xué)參數(shù)來(lái)自工程地質(zhì)勘察報(bào)告，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，分析結(jié)果切合實(shí)際。邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果直接指導(dǎo)邊坡加固設(shè)計(jì)，根據(jù)邊坡巖體應(yīng)力情況調(diào)整錨桿規(guī)格和布局，從而使邊坡加固措施更加安全有效、經(jīng)濟(jì)合理。

[1] 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛(wèi)東.巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)制有限元數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003,22(12)：1943-1952.

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Numerical simulation and analysis of high rock slope based on the finite element method

MU Chuan-wei，HE Fang-wei，DEI Heng

(Shenkan Qinhuangdao Engineering &Technology Co.，Ltd.，China Metallurgical Group Corporation，Qinhuangdao 066001，China)

The stability of high rock slope is very important to the safety of its lower building and industrial site.Simulation and analysis on failure mechanism of rock slope by finite element strength reduction method is an effective way of analysis on reliable stability of rock slope.In this study，finite element stress analysis method which combined with strength reduction theory was used to numerically simulate excavation and support processes in west slope of Baiquan Iron ore mine，and can scientifically analyze mechanism of deformation and failure and evolution process of slope.This is a more practical method in which interaction of supporting and retaining structure such as anchor etc.and the effect of groundwater are synthetically considered，and can verify rationality of slope reinforcement measures.The physics and mechanics index of soil and rock accorded in simulating and analyzing on stability of slope are from engineering geological investigation report and more reliable，and the analysis result is practicable.The analysis result of slope stability can be applied to guide directly strengthening design of slope，to adjust size and layout of anchors in according with stress condition of rock slope，to make reinforcement measures of slope to be more safe，reliable，economic and reasonable.

finite element method；rock slope；numerical simulation and analysis；stability of rock slope

2014-09-10

母?jìng)鱾?1970-)，男，教授級(jí)高工，中冶沈勘秦皇島工程技術(shù)有限公司礦山設(shè)計(jì)院副院長(zhǎng)，總工程師，主要研究方向?yàn)椴傻V與總圖運(yùn)輸。E-mail：122335716@qq.com。

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1004-4051(2015)09-0137-04