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        三維邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

        2017-08-22 02:16郭杰萬(wàn)玲
        綠色科技 2017年14期
        關(guān)鍵詞:三維邊坡穩(wěn)定性

        郭杰+萬(wàn)玲

        摘要:針對(duì)科卡金礦的邊坡失穩(wěn),應(yīng)用有限元軟件對(duì)邊坡建立了三維有限元模型。之后結(jié)合強(qiáng)度折減法,求解了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),得出了危險(xiǎn)坡面的位置以及滑體形狀,為邊坡加固提供了理論基礎(chǔ)以及數(shù)據(jù)支持。

        關(guān)鍵詞:邊坡;穩(wěn)定性;強(qiáng)度折減法;三維

        中圖分類(lèi)號(hào):TU43

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-9944(2017)14-0123-03

        1 引言

        邊坡失穩(wěn)是常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一[1, 2]。邊坡失穩(wěn)(例如滑坡)嚴(yán)重威脅了人類(lèi)的生命和財(cái)產(chǎn)安全。在邊坡工程中,對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,是施工中必不可少的一環(huán)。邊坡穩(wěn)定性分析是確定邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài),是否需要對(duì)其進(jìn)行加固處理,防止其發(fā)生破壞的重要決策依據(jù)。

        目前邊坡穩(wěn)定性分析的方法大致可分為兩種,一種為極限平衡法,例如Fellenius法、Bishop法、不平衡推力法等[1]。極限平衡法是根據(jù)理論力學(xué)知識(shí),將巖體看為剛體,推導(dǎo)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),忽略了巖體彈塑性變形的影響,所以誤差相對(duì)較大。邊坡穩(wěn)定性分析的另一種方法為數(shù)值分析方法,運(yùn)用有限元、邊界元等方法數(shù)值計(jì)算邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。其中鄭穎人院士[3]運(yùn)用了強(qiáng)度折減法[4]與有限元法,求解了巖土邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),驗(yàn)證了強(qiáng)度折減法與有限元法在邊坡穩(wěn)定性分析中的有效性。

        雖然目前強(qiáng)度折減法在邊坡穩(wěn)定性分析中有著廣泛的應(yīng)用,但是現(xiàn)有的研究多集中在二維邊坡的研究中[3, 5, 6]。由于實(shí)際工程中邊坡結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,對(duì)于三維邊坡穩(wěn)定性的研究還相對(duì)較少。相對(duì)于二維問(wèn)題,三維邊坡穩(wěn)定性分析除了對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題模擬更加準(zhǔn)確外,還可以:①確定滑體的形狀,②確定危險(xiǎn)坡面的位置。所以針對(duì)現(xiàn)有研究的不足,筆者將對(duì)工程中一邊坡進(jìn)行三維建模,之后應(yīng)用有限元法和強(qiáng)度折減法求解此邊坡的安全系數(shù),確定危險(xiǎn)坡面的位置以及滑體的形狀,為邊坡加固提供理論基礎(chǔ)以及數(shù)據(jù)支持。

        2 工程概述

        以科卡(Koka)金礦為例,應(yīng)用有限元法以及強(qiáng)度折減法對(duì)三維邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析??瓶ń鸬V位于厄立特里亞首都阿斯馬拉北部約165 km處,安塞巴省境內(nèi),由我國(guó)上海外經(jīng)集團(tuán)控股有限公司負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)??瓶ǖV區(qū)地形東高西低,東部最高高程280 m,為中高邊坡。礦區(qū)主要巖體為變沉積巖、變玄武巖、變火山巖、變火山碎屑巖以及層間蝕變帶。經(jīng)過(guò)力學(xué)測(cè)試[7],巖體的力學(xué)參數(shù)為表1所示。根據(jù)地質(zhì)與水文狀況,工程要求邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.20。

        3 數(shù)值模型

        3.1 有限元模型

        科卡金礦邊坡的三維幾何模型是根據(jù)二維施工圖,應(yīng)用三維繪圖軟件Solidworks繪制而成,其三維幾何模型如圖1所示(在左側(cè)圖中箭頭指向北方N)。在圖1中,坡面分布著不等高的環(huán)形公路,上下相鄰的環(huán)形公路之間高度差為20 m。

        之后將三維幾何模型圖導(dǎo)入到有限元計(jì)算軟件ABAQUS中,并將表1中的材料參數(shù)賦予巖體。施加重力載荷。邊界條件定義為邊坡底部約束所有平動(dòng)自由度;邊坡四周約束水平方向的自由度,豎直方向不施加約束。單元類(lèi)型為C3D10單元(二次四面體單元)。

        3.2 強(qiáng)度折減法

        應(yīng)用強(qiáng)度折減法求解邊坡的安全系數(shù)。強(qiáng)度折減法中的折減系數(shù)SRF,即在穩(wěn)定的外荷載下,坡體內(nèi)最大抗剪強(qiáng)度和外荷載在其內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力之比。安全系數(shù)則是坡體抗剪強(qiáng)度與剪切應(yīng)力之比。在分析邊坡穩(wěn)定的問(wèn)題上,這二者在本質(zhì)上趨于一致。當(dāng)強(qiáng)度折減后的邊坡抗剪強(qiáng)度參數(shù)為內(nèi)聚力cc與摩擦角θc,結(jié)構(gòu)處于臨界破壞狀態(tài)的情況下,安全系數(shù)Fs可由下式求出:

        公式(1)中c為巖體原有的內(nèi)聚力,θ為巖體原有的摩擦角,安全系數(shù)Fs為邊坡臨界破壞狀態(tài)下的折減系數(shù)SRF。本項(xiàng)工作共考慮了折減系數(shù)SRF=1.1~1.6之間15種情況下邊坡的變形情況。筆者對(duì)其中4種情況進(jìn)行描述,分別是SRF=1.25、1.35、1.50、1.55的4種情況。折減后邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)由式(1)得出。

        4 計(jì)算結(jié)果

        將不同折減系數(shù)下的巖體抗剪參數(shù)帶入ABAQUS中,計(jì)算后可得出巖體的塑性變形。如圖2~5所示。從圖中可以看出,當(dāng)SRF=1.25時(shí),邊坡坡腳處開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形;當(dāng)SRF=1.35時(shí),邊坡底部的塑性變形加劇并逐漸向上擴(kuò)展;當(dāng)SRF=1.5時(shí),邊坡頂部開(kāi)始出現(xiàn)塑性變形區(qū),但是頂部的塑性區(qū)并沒(méi)有與底部的塑性區(qū)貫通;當(dāng)SRF=1.55時(shí),邊坡頂部的塑性變形區(qū)擴(kuò)大至與底部貫通。此外,根據(jù)圖5可確定邊坡的滑動(dòng)面應(yīng)該出現(xiàn)在邊坡的東側(cè)。而滑體形狀為圖5中的高亮線(xiàn)條中間部分所示。最終,東側(cè)邊坡內(nèi)部的等效塑性應(yīng)變圖如圖6所示。從圖6中可以看出,邊坡的塑性區(qū)已經(jīng)上下貫通,有滑坡的危險(xiǎn)。根據(jù)強(qiáng)度折減法的定義,此時(shí)邊坡失穩(wěn)。所以此邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為1.50,符合工程要求。

        5 結(jié)論

        針對(duì)科卡金礦邊坡工程實(shí)例,首先應(yīng)用三維繪圖軟件繪制了邊坡三維幾何模型圖,之后應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)邊坡三維模型進(jìn)行了數(shù)值分析,結(jié)合強(qiáng)度折減法求解了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),得出了危險(xiǎn)坡面的位置以及滑體的形狀。本文通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了三維邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析的有效性,為今后邊坡工程中的設(shè)計(jì)、施工提供了參考。

        致謝:本項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(編號(hào):11372363)以及上海外經(jīng)集團(tuán)控股有限公司的支持,在此表示感謝。

        參考文獻(xiàn):

        [1]潘家錚. 建筑物的抗滑穩(wěn)定和滑坡分析[M].北京:水利出版社; 1980.

        [2]曾維淵, 薛帥征, 張朋飛, 等. 邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)綜述研究[J]. 綠色科技,2013(9):17~9.

        [3]鄭穎人, 趙尚毅. 有限元強(qiáng)度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(19):3381.

        [4]Griffiths DV, Lane PA. Slope stability analysis by finite elements[J]. Geotechnique,1999;49(3):387~403.

        [5]尤 濤, 戴自航, 盧才金. Hoek-Brown準(zhǔn)則奇異屈服面的圓化方法及其強(qiáng)度折減技術(shù)與應(yīng)用[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2017(4):1~11.

        [6]李書(shū)杰. 不同水位作用下堆石壩壩坡有限元強(qiáng)度折減法分析[J]. 綠色科技,2015(5):246.

        [7]吳先勇, 隋東昌, 王紫東, 等. 科卡金礦邊坡巖石力學(xué)試驗(yàn)[J]. 有色金屬工程,2015,5(4).

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