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        基于FLAC-3D的礦山高邊坡穩(wěn)定性模擬研究

        2018-04-21 07:32:04
        世界有色金屬 2018年2期
        關(guān)鍵詞:坡頂剪應(yīng)力坡體

        曾 杰

        (中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 400042)

        在礦山開發(fā)和地下工程建設(shè)中面臨的一個(gè)亟需解決的問題是礦區(qū)邊坡不穩(wěn)定性,礦山開采及爆破等外部作用引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給礦企帶來了極大損失。

        目前礦山高邊坡穩(wěn)定性分析常用的方法有擬靜力法、滑塊分析方法和數(shù)值模擬法,國內(nèi)外對這三種方法做了一定的研究。

        擬靜力法將爆破荷載通過波動系數(shù)簡化直接作用,進(jìn)而得到滑坡的穩(wěn)定性系數(shù),與靜力法無異,不能說明邊坡的動荷載效應(yīng),但在動力學(xué)分析初始階段,擬靜力法應(yīng)用較多。如Ling等[1]采用擬靜力法研究了水平和垂直加速度共同作用下邊坡的穩(wěn)定性和位移,發(fā)現(xiàn)若水平加速度很大時(shí)垂直加速度對穩(wěn)定性和位移有重大影響;P.K.Singh[2]通過對采集信號進(jìn)行FFT變換、小波分析等多種信號處理手段從空間和時(shí)間兩個(gè)方面來探討地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的波動能量分布變化規(guī)律,及在同一時(shí)刻的能量和頻率的關(guān)系,改變了以往僅考慮單因素如爆破振動速度所帶來的不足,為充分考慮對邊坡穩(wěn)定性影響的多種因素打下了基礎(chǔ);Said[3]結(jié)合極限設(shè)計(jì)理論的運(yùn)動學(xué)方法和擬靜力法,推導(dǎo)了以平移失穩(wěn)上限系數(shù)的公式,該公式可以考慮坡角、材料強(qiáng)度和波動系數(shù)的影響,并以穩(wěn)定性系數(shù)圖表的形式給出了不同破裂面摩擦角的穩(wěn)定性系數(shù)上限曲線;同時(shí)Seed[4]總結(jié)了常用的三種確定礦震系數(shù)的方法:

        ①經(jīng)驗(yàn)值法;②剛體反應(yīng)分析法;③采用粘彈性反應(yīng)分析法。在國內(nèi),一些學(xué)者經(jīng)過對動荷載作用過程和動荷載處理同時(shí)也取得了一定的成果,其中徐紅濤等,基于爆破振動峰值速度衰減規(guī)律和爆破振動速度或加速度時(shí)程曲線,計(jì)算出特定時(shí)刻作用在各條塊上的爆破振動慣性力,并施加到各個(gè)條塊上采用剛體極限平衡分析方法中的Sarma方法得到了穩(wěn)定性時(shí)程曲線。

        本文采用FLAC-3D模擬程序?qū)ΦV山不同坡高邊坡進(jìn)行了動力特性模擬研究,獲得了動力作用下邊坡坡頂位移、速度、剪應(yīng)力等變化規(guī)律。

        1 礦山高邊坡穩(wěn)定模型及模擬方法

        1.1 模型尺寸

        為了研究礦區(qū)不同邊坡高度對邊坡的動力響應(yīng)特性研究,選取坡高20m、25m、30m以及35m等4個(gè)邊坡作為研究對象,模型長65m,寬1m,坡度為1∶1。

        采用FLAC-3D有限差分軟件對此4個(gè)邊坡進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        1.2 模型邊界條件

        5個(gè)不同坡高邊坡采用固定邊界,分別在坡底、坡體后部以及坡體前部在Y方向和Z方向進(jìn)行固定,由于X方向需進(jìn)行動力輸入,X方向需發(fā)現(xiàn)變形才能完成動力作用過程,X方向不需固定。

        1.3 模型材料參數(shù)及本構(gòu)模型

        邊坡計(jì)算材料參數(shù)見表1。

        表1 模型材料參數(shù)

        本文模型計(jì)算采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型,Mohr-Coulomb模型是FLAC-3D軟件常用的動力計(jì)算模型之一。

        1.4 動力輸入

        模型動力輸入采用加速度時(shí)程方式,從模型底部輸入,同時(shí)對模型底部、后部以及前部施加靜態(tài)邊界條件,以吸收邊界上的入射波。

        1.5 阻尼條件

        模型采用局部阻尼方式,局部阻尼系數(shù)為0.5。

        1.6 監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置

        為了研究邊坡動力作用下坡體位移、速度、加速以及應(yīng)力變化規(guī)律,選擇模型的坡頂與坡腳位置的兩個(gè)點(diǎn)作為監(jiān)測點(diǎn)。

        2 模擬結(jié)果及分析

        2.1 坡頂位移、速度分析

        (1)坡頂位移變化規(guī)律

        監(jiān)測點(diǎn)1所示的坡頂位移隨時(shí)間變化曲線分析表明如下特征:

        隨著地質(zhì)災(zāi)害的震動加速度時(shí)程的不斷作用,坡頂位移呈非線性增長模式,坡高越大,邊坡坡頂位移越大,如隨著坡高增加,坡頂最大位移分別為2.45cm、3.20 cm、4.48cm和5.45 cm,邊坡最大位移量依次增大;坡高越高,坡頂水平位移量在加速度最大時(shí),即1.5s左右,起伏最大,隨著坡高的增加,起伏減小,并逐漸變?yōu)榘记€;坡高越大,凹曲線凹曲程度越明顯。邊坡在礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害作用下,坡高越小,坡頂位移變化越復(fù)雜。

        (2)坡頂速度變化規(guī)律

        監(jiān)測點(diǎn)1所示的坡頂水平速度變化曲線分析表明如下特征:

        坡頂水平速度呈上下波動形式,隨著坡高的增加,總體呈現(xiàn)出先增大后減小的波動過程;不同坡高的坡頂水平速度變化曲線具有同一特征,初始施加動力荷載時(shí),水平速度曲線在1s左右急劇上升,后驟然下降,坡高越大,曲線越明顯,表明地質(zhì)災(zāi)害荷載作用初始階段邊坡就有發(fā)生破壞可能性較高;同時(shí),波峰過后出現(xiàn)一個(gè)較陡的波谷,波谷基本高于波峰值;后期水平速度曲線基本都在橫軸一下,為負(fù)值,表明后期速度對邊坡的作用基本都是有利的,不會造成邊坡的破壞,在坡高20m~35m之間時(shí),在外力作用下邊坡不會發(fā)生破壞。

        隨著坡高增加,最大水平速度值依次為-0.6m/s、-0.45m/s、-0.52m/s、0.45m/s,水平速度值基本依次增大并逐漸大于0,表明隨著坡高增加,水平速度值方向由向坡內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為向坡外,邊坡危險(xiǎn)性依次增高。

        2.2 坡體剪應(yīng)力分析

        不同高度邊坡在地質(zhì)災(zāi)害作用下的邊坡剪應(yīng)力云圖表明以下特征:

        隨著坡高的增加,坡體最大剪應(yīng)力依次為1960kPa、2335kPa、2675kPa、2895kPa,最大剪應(yīng)力依次增大,差值依次為375kPa、340kPa、220kPa,差值依次減小,表明坡高增加的情況下,地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)力作用對邊坡的影響增大,但幅度依次減小。

        隨著坡度的增加,動力作用下邊坡剪應(yīng)力云圖區(qū)域依次增大,從坡高20m至坡高35m,剪應(yīng)力云圖最大值由邊坡底部逐漸向上擴(kuò)展,邊坡高度25m時(shí),擴(kuò)展至邊坡坡腳,當(dāng)邊坡高度30m時(shí),剪應(yīng)力由坡腳向邊坡上部擴(kuò)展,至35m時(shí),剪應(yīng)力區(qū)域在擴(kuò)展至邊坡整個(gè)表層并逐漸逼近邊坡坡頂;剪應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)展至坡體表面時(shí),形成近似圓弧狀的滑面。因此,邊坡在地質(zhì)災(zāi)害動力作用下,坡高越大,邊坡危險(xiǎn)性越高,并且呈現(xiàn)出圓弧狀破壞模式。

        3 結(jié)論

        基于FLAC-3D軟件建立了坡高為20m、25m、30m、35m的4個(gè)邊坡,模擬不同坡高下邊坡坡頂?shù)奈灰啤⑺俣纫约凹魬?yīng)力響應(yīng)特性,得出以下規(guī)律:

        (1)隨著地質(zhì)作用產(chǎn)生的波動加速度時(shí)程的不斷作用,坡頂位移呈非線性增長模式,坡高越大,邊坡坡頂位移越大;隨著坡高增加,最大水平速度值依次為-0.6m/s、-0.45m/s、-0.52m/s、0.45m/s,水平速度值基本依次增大并逐漸大于0,表明隨著坡高增加,水平速度值方向由向坡內(nèi)逐漸轉(zhuǎn)為向坡外,邊坡危險(xiǎn)性依次增高。

        (2)隨著坡度的增加,動力作用下邊坡剪應(yīng)力云圖區(qū)域依次增大,從坡高20m至坡高35m,剪應(yīng)力云圖最大值由邊坡底部逐漸向上擴(kuò)展,邊坡高度25m時(shí),擴(kuò)展至邊坡坡腳,當(dāng)邊坡高度30m時(shí),剪應(yīng)力由坡腳向邊坡上部擴(kuò)展,至35m時(shí),剪應(yīng)力區(qū)域在擴(kuò)展至邊坡整個(gè)表層并逐漸逼近邊坡坡頂;剪應(yīng)力區(qū)域擴(kuò)展至坡體表面時(shí),形成近似圓弧狀的滑面。

        [1]Ling H I,Leshchinsky D,Mohri Y.Soil slopes under combined horizontal and vertical seismic accelerations[J].Earthquake Engineering and structural Dynamic,1997,26(2):1231-1241.

        [2]P.K.Singh.Blast vibration damage to underground coal mines from Adjcent open-pit blasting[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science,2002,18(39):959-973.

        [3]Siad L.Seismic stability analysis of fractured rock by yield design theory[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2003,23(3):203-212.

        [4]Seed H B.Consideration in the earthquake design of earth and rockfill dams[J].Geotechnique,29(3):215-263.

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