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        基于PFC2D的某礦區(qū)反傾巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

        2020-12-21 01:26:26薛喜成
        水力發(fā)電 2020年9期
        關(guān)鍵詞:裂紋測(cè)量模型

        何 倩,薛喜成

        (1.徐州中國(guó)礦大巖土工程新技術(shù)發(fā)展有限公司,江蘇 徐州 221000;2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054)

        0 引 言

        目前,對(duì)于邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的方法主要有定性分析和定量評(píng)價(jià)[1],定量評(píng)價(jià)多采用極限平衡法和數(shù)值分析法,極限平衡法通常不能真實(shí)地反映邊坡失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)[2],存在一定局限性,而數(shù)值分析法越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視,常見(jiàn)的數(shù)值模擬方法有有限差分法、有限單元法和離散單元法。顆粒流法(Particle Flow Code,PFC)是基于離散單元模型框架的一種定量評(píng)價(jià)方法,于1971年Cundall[3]首次提出,適用于研究非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問(wèn)題,可體現(xiàn)多相介質(zhì)的不同物理關(guān)系,顆粒之間可彼此分離,能夠反映巖塊或土體之間的滑動(dòng)、平移和分離等大位移。通過(guò)定義顆粒為有質(zhì)量和表面的剛性體和顆粒之間的接觸模型,模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)以及顆粒之間的相互作用,反映運(yùn)動(dòng)機(jī)理、過(guò)程和結(jié)果[4]。賀續(xù)文等[5]采用PFC建立含密集節(jié)理的巖體邊坡模型,研究了節(jié)理連通率對(duì)邊坡破壞形式的影響。Camones等[6]利用PFC研究裂隙巖體的機(jī)理以及裂紋擴(kuò)展在巖質(zhì)邊坡階梯狀滑移中的作用。張小勇等[7]采用PFC建立順層頁(yè)巖邊坡模型,分析其穩(wěn)定狀態(tài)并對(duì)其失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行研究。楊天鴻等[8]研究了露天礦邊坡的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析預(yù)測(cè)方法。王培濤等[9]將強(qiáng)度折減法引入離散元法中研究邊坡穩(wěn)定性,將顆粒間粘結(jié)強(qiáng)度及摩擦系數(shù)進(jìn)行折減,對(duì)邊坡定性預(yù)測(cè)并監(jiān)測(cè)其破壞失穩(wěn)過(guò)程。Zheng等[10]利用UDEC模擬反傾層狀巖體邊坡的傾倒破壞,研究影響邊坡穩(wěn)定的因素。張志飛等[11]基于PFC模擬反傾層狀巖質(zhì)邊坡變形破壞過(guò)程,分析變形破壞機(jī)制的影響。本文采用離散元二維顆粒流程序(PFC2D),研究某反傾巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定狀態(tài),并預(yù)測(cè)其失穩(wěn)過(guò)程,分析破壞過(guò)程,為后期邊坡加固處理以及礦區(qū)開(kāi)采安全提供參考。

        1 工程地質(zhì)概況

        礦區(qū)位于燕山山前平原與燕山山脈接壤的地帶,采礦方法為臺(tái)階式露天開(kāi)采。由于石灰礦開(kāi)采的影響,使地層長(zhǎng)期緩慢移動(dòng),坡體周圍分布不同程度的地表裂縫,一些甚至出現(xiàn)了沿傾向的裂縫,使沿走向的裂縫連通起來(lái),說(shuō)明裂縫對(duì)地層穩(wěn)定的影響在逐漸加劇,對(duì)礦區(qū)安全開(kāi)采極為不利。礦區(qū)內(nèi)出露地層主要為奧陶系、石炭系、二疊系巖層及第四系沖洪積、殘坡積物,礦區(qū)內(nèi)發(fā)育一定規(guī)模的斷層,礦體賦存于奧陶系上馬家溝組中段地層中,邊坡上部巖性主要為淺灰~土黃色泥質(zhì)灰?guī)r,中下部為灰~淺灰褐色厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r和豹皮狀灰?guī)r。邊坡示意見(jiàn)圖1。由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析,該邊坡坡頂存在拉張裂縫,邊坡產(chǎn)狀SSE167°∠60°,坡面存在少量破碎巖體,易發(fā)生巖體滾落。

        圖1 邊坡示意

        2 邊坡模型的建立

        2.1 單軸壓縮試驗(yàn)標(biāo)定

        PFC中巖體的參數(shù)是細(xì)觀參數(shù),這些參數(shù)與實(shí)際材料的物理力學(xué)參數(shù)沒(méi)有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系,不能將試驗(yàn)得到的宏觀力學(xué)參數(shù)直接應(yīng)用于PFC的模擬之中。目前,在PFC中一般采用試錯(cuò)法進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)的確定,其確立的過(guò)程需要根據(jù)巖石的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、泊松比等宏觀參數(shù)進(jìn)行不斷地調(diào)整,使細(xì)觀參數(shù)模擬的結(jié)果與巖石的宏觀參數(shù)相對(duì)應(yīng),此時(shí)得到的顆粒細(xì)觀參數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定性分析時(shí)所需要的細(xì)觀參數(shù)。

        采用PFC內(nèi)置的單軸壓縮模擬程序確定顆粒的細(xì)觀參數(shù)[4,12],顆粒的半徑越小,越接近真實(shí)的情況。但受限于計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度及內(nèi)存容量等因素,可適當(dāng)調(diào)整顆粒半徑[13],單軸壓縮顆粒半徑與后續(xù)邊坡模型顆粒半徑一致。剛度模型采用線性剛度模型,滑動(dòng)模型采用摩爾-庫(kù)倫模型,粘結(jié)模型采用平行粘結(jié)模型。通過(guò)巖體的物理力學(xué)參數(shù)標(biāo)定,得到PFC模型細(xì)觀參數(shù)(見(jiàn)表1)。

        表1 PFC模型細(xì)觀參數(shù)

        通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)得到邊坡巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)圖2。計(jì)算得到數(shù)值模擬單軸壓縮試驗(yàn)下巖體的彈性模量和抗壓強(qiáng)度的模擬值,與宏觀力學(xué)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比見(jiàn)表3。從表3可知,模擬值與實(shí)測(cè)值的誤差百分比在2%左右[14],符合數(shù)值模擬要求,可用于后續(xù)的邊坡穩(wěn)定性分析之中。

        圖2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

        表2 數(shù)值模擬值與宏觀力學(xué)實(shí)測(cè)值對(duì)比

        2.2 邊坡數(shù)值模型建立

        本文采用刪除法建立基于PFC2D軟件的邊坡模型[4,12],具體步驟如下:①在AutoCAD中使用多線段命令繪制邊坡的幾何模型,邊坡模型寬330 m,高170 m,保存為DXF格式文件;②在PFC2D中通過(guò)Geometry import命令導(dǎo)入DXF文件并通過(guò)wall命令生成墻體,使用ball distribute命令在矩形范圍內(nèi)生成一定半徑范圍的顆粒集合,刪除邊坡墻體外的多余顆粒;③對(duì)填充好的邊坡模型中的顆粒進(jìn)行分組并進(jìn)行初始化應(yīng)力場(chǎng),設(shè)置循環(huán)為最大不平衡力達(dá)最大接觸力的1.0×10-5時(shí)顆粒集合達(dá)到平衡狀態(tài),消除懸浮顆粒;④設(shè)置邊坡模型的頂面為自由面,將底面及左右兩側(cè)采用fix命令進(jìn)行剛性墻約束,生成邊坡模型。顆粒之間采用平行粘結(jié)接觸,粒徑范圍0.4~0.5 m之間,共生成顆粒49 432個(gè)。

        在泥質(zhì)灰?guī)r層中布置4個(gè)測(cè)量圓,從坡腳至坡頂坐標(biāo)分別為測(cè)量圓1(207,70)、測(cè)量圓2(235,100)、測(cè)量圓3(265,127.5)和測(cè)量圓4(294.2,149),監(jiān)測(cè)記錄這些位置在坡體滑動(dòng)過(guò)程中的應(yīng)力和孔隙率的變化狀態(tài),并對(duì)圖中A~H顆粒X方向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)A、B在邊坡前緣,監(jiān)測(cè)點(diǎn)C、D在邊坡中前部,監(jiān)測(cè)點(diǎn)E、F在邊坡中后部,監(jiān)測(cè)點(diǎn)G、H在邊坡后緣。建立的邊坡模型見(jiàn)圖3。深色顆粒為白云質(zhì)灰?guī)r層,淺色顆粒為泥質(zhì)灰?guī)r層。

        圖3 邊坡離散元模型(單位:m)

        3 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

        3.1 邊坡運(yùn)動(dòng)特征

        在模擬時(shí),對(duì)邊坡施加重力作用,同時(shí)對(duì)模型中顆粒的位移和速度清零,以便于后續(xù)對(duì)邊坡位移和速度的記錄,循環(huán)至邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)并記錄邊坡破壞過(guò)程中的應(yīng)力、孔隙率以及裂紋數(shù)量的變化情況。邊坡隨時(shí)步進(jìn)行的破壞過(guò)程見(jiàn)圖4。從圖4可知:

        圖4 邊坡破壞過(guò)程模擬

        (1)計(jì)算運(yùn)行至3×103時(shí)步時(shí),邊坡在重力作用下整體發(fā)生向下的位移變形,邊坡滑體中上部巖體的抗剪強(qiáng)度較弱,巖體較破碎,顆粒發(fā)生局部剪切破壞,位移明顯,坡腳處顆粒累積一定壓力后發(fā)生位移,并且邊坡出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)帶,顆粒最大位移0.1 m。

        (2)運(yùn)行至3×104時(shí)步時(shí),坡腳處受到滑體中部以及坡后緣處不斷累積的重力擠壓作用產(chǎn)生應(yīng)力集中,坡體顆粒沖破坡腳的鎖固作用,顆粒向前滑出,坡體中后部巖體受到拉張作用產(chǎn)生1條明顯的拉張裂紋,出現(xiàn)變形破壞的趨勢(shì),顆粒最大位移達(dá)2.18 m。

        (3)運(yùn)行至1.5×105時(shí)步時(shí),邊坡中后部及后緣處拉張裂紋逐漸增加并逐步擴(kuò)展,巖體間產(chǎn)生大的縫隙并失去支撐,變形加劇,坡腳發(fā)生擠壓破壞,顆?;鲞吰缕旅?,并逐漸在坡腳處堆積,顆粒最大位移達(dá)12.63 m。

        (4)運(yùn)行至5×105時(shí)步時(shí),邊坡滑體部分不斷下滑,坡腳處顆粒滑出后逐漸堆積,坡體中部剪切破壞與后緣拉張裂縫相互貫通,變形嚴(yán)重,原邊坡后緣處一處平臺(tái)小邊坡的顆粒全部向前滑動(dòng),導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展,巖體破碎,顆粒堆積,顆粒最大位移達(dá)55.12 m。

        (5)運(yùn)行至1×106時(shí)步時(shí),顆粒最大滑動(dòng)距離達(dá)71.79 m,邊坡滑體相互貫通,向下滑移,最終坡體整體破壞。

        圖5 邊坡位移時(shí)程

        A~H監(jiān)測(cè)點(diǎn)顆粒位移曲線見(jiàn)圖5。從圖5可知,邊坡顆粒在重力作用下同時(shí)發(fā)生位移,上層的顆粒產(chǎn)生的位移最大,而下層顆粒的位移相對(duì)較小,是由于坡體前緣巖體滑動(dòng),坡中部發(fā)生剪切破壞,后緣巖體失去支撐向下滑動(dòng),邊坡上部顆粒所受應(yīng)力大于下部顆粒,導(dǎo)致邊坡上層顆粒的位移變化顯著,而下層顆粒位移較小,即顆粒B位移最大,顆粒A位移最小。邊坡前緣的顆粒較后緣的顆粒產(chǎn)生的位移大,是由于邊坡下部顆粒粘結(jié)破壞而向下滑動(dòng),導(dǎo)致上部顆粒失去支撐產(chǎn)生向下的加速度和動(dòng)能,推動(dòng)邊坡前部顆粒繼續(xù)向前滑動(dòng),因此前緣顆粒的位移較大,后緣顆粒位移相對(duì)較小,即顆粒B位移最大,顆粒G位移最小。邊坡位移曲線總體變化趨勢(shì)大致相同,隨著時(shí)間的推進(jìn),位移不斷增加,位移曲線的斜率先迅速增加,然后逐漸變緩,表明顆粒的位移速度先增加,后在摩擦力的作用下位移速度逐漸減小,與邊坡破壞的規(guī)律相符。

        邊坡速度矢量見(jiàn)圖6。從圖6可知,運(yùn)行至5×103時(shí)步時(shí),邊坡坡體產(chǎn)生明顯的滑動(dòng)帶,滑體部分產(chǎn)生一定速度,其中靠近滑動(dòng)面下部顆粒的速度相對(duì)較大,最大速度為1.01 m/s;運(yùn)行至1×105時(shí)步時(shí),由于坡腳處遭受上覆巖體的重力作用和擠壓作用,最大速度出現(xiàn)在邊坡坡腳處,為2.36 m/s,而滑體與滑床接觸位置的顆粒速度相對(duì)較小,由于中部巖體較破碎,導(dǎo)致滑體中部速度明顯增加,平均速度0.8~1.0 m/s;運(yùn)行至2×105時(shí)步時(shí),邊坡滑體部分速度較均勻,平均速度0.5~1.0 m/s,而坡腳處顆粒受到壓力擠出,顆粒速度最大,為5.58 m/s,在邊坡中后部以及后緣處由于產(chǎn)生了拉張裂縫使巖體失去一定支撐,導(dǎo)致巖體在重力作用下發(fā)生傾倒,顆粒產(chǎn)生一定大小的速度,平均速度1.5~2.0 m/s,方向偏向于坡面內(nèi);運(yùn)行4×105時(shí)步及至6×105時(shí)步時(shí),滑體顆粒最大速度均出現(xiàn)在坡腳,分別為3.02 m/s和2.94 m/s,顆粒速度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),是因?yàn)檫吰律喜款w粒受到下部的阻礙,將動(dòng)能傳遞至坡腳顆粒,坡腳顆粒被上覆顆粒推出,但在摩擦力的作用下動(dòng)能逐漸降低,速度逐漸減小;繼續(xù)運(yùn)行至1×106時(shí)步時(shí),顆粒平均速度減小至0.2~0.6 m/s,后緣處有個(gè)別顆粒速度相對(duì)較大,為1.36 m/s,是因?yàn)檫吰伦冃纹茐倪^(guò)程中可能存在不穩(wěn)定巖塊崩落等現(xiàn)象,導(dǎo)致速度突變。

        圖6 邊坡速度矢量

        3.2 巖質(zhì)邊坡破壞機(jī)理

        邊坡的破壞過(guò)程中設(shè)立測(cè)量圓監(jiān)測(cè)邊坡滑動(dòng)破壞過(guò)程中的應(yīng)力變化,應(yīng)力變化見(jiàn)圖7。從圖7可知,邊坡底部顆粒由于受到重力作用和擠壓作用,顆粒向下滑動(dòng)并在坡腳堆積。測(cè)量圓1中X和Y方向的應(yīng)力顯著增加,其中Y方向的應(yīng)力主要來(lái)源于上覆土壓力;測(cè)量圓2處于邊坡中前部,由于受到上覆巖土層重力作用向下擠壓以及測(cè)量圓內(nèi)的巖土層持續(xù)向下滑動(dòng)的作用,使得圓內(nèi)的應(yīng)力不斷波動(dòng),但總體仍呈現(xiàn)下降的趨勢(shì);測(cè)量圓3處于邊坡的中后部,上覆巖土層逐漸滑出測(cè)量圓范圍,所受的豎向壓力和擠壓力逐漸減小,因此測(cè)量圓內(nèi)X和Y方向應(yīng)力逐漸減小,最終當(dāng)巖土體全部滑出測(cè)量圓范圍后應(yīng)力趨近于零;測(cè)量圓4處于邊坡后緣頂部,邊坡頂部顆粒產(chǎn)生拉張裂縫并持續(xù)向下滑動(dòng),因此測(cè)量圓內(nèi)顆粒應(yīng)力明顯減小,最終趨于零。

        圖7 測(cè)量圓應(yīng)力變化

        不同位置巖體孔隙率隨時(shí)間變化見(jiàn)圖8。邊坡前緣測(cè)量圓1和邊坡中前部測(cè)量圓2中顆粒受到重力作用向下滑出,因此孔隙率在前期減小,但上覆巖體在失去下部支撐后迅速跟進(jìn),使得顆粒壓密,孔隙率反彈;邊坡中后部測(cè)量圓3處巖體剪切破壞,顆粒逐漸減少,孔隙率增大;坡頂處測(cè)量圓4中顆粒向下滑動(dòng)直至全部滑出,孔隙率增大。

        圖8 不同位置巖體孔隙率變化

        在PFC軟件中,若顆粒間實(shí)際拉力或切向力大于相應(yīng)的粘結(jié)強(qiáng)度,則顆粒間的粘結(jié)就會(huì)破壞,而發(fā)生破壞的粘結(jié)強(qiáng)度就是顆粒間產(chǎn)生的裂紋[4]。邊坡破壞過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋數(shù)量隨時(shí)間變化見(jiàn)圖9。從圖9可知,裂紋數(shù)量隨時(shí)步先急劇增加后逐步減緩,邊坡坡腳首先產(chǎn)生大量細(xì)小裂紋,坡腳粘結(jié)破壞,邊坡中后部及坡頂處顆粒失去下部支撐向下滑動(dòng),導(dǎo)致坡體產(chǎn)生幾處貫通的拉張裂縫,隨后裂紋在邊坡滑體中逐步擴(kuò)展,導(dǎo)致邊坡粘結(jié)大量破壞并最終失穩(wěn)。最大裂紋數(shù)達(dá)3 723個(gè),并且裂紋數(shù)量還在緩慢發(fā)展。

        圖9 裂紋數(shù)量隨時(shí)間變化

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文采用離散元二維顆粒流程序(PFC2D),對(duì)某礦區(qū)中的反傾巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論:

        (1)對(duì)比邊坡巖土體標(biāo)定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)與實(shí)測(cè)宏觀力學(xué)參數(shù)值,PFC建模所標(biāo)定的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)符合邊坡后續(xù)的穩(wěn)定性分析的要求。

        (2)該方法能夠在邊坡失穩(wěn)破壞過(guò)程中直觀地反映邊坡顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所搜索出的滑動(dòng)面。

        (3)邊坡中部破碎巖層首先發(fā)生剪切破壞,坡腳處顆粒因重力及上覆顆粒擠壓的作用,顆粒向外滑出,導(dǎo)致坡頂失去底部巖體的支撐產(chǎn)生拉張裂縫,顆粒向下滑動(dòng),最終邊坡整體失穩(wěn)破壞為傾倒失穩(wěn)破壞。

        (4)礦區(qū)在開(kāi)采時(shí)應(yīng)保證一定坡度比例進(jìn)行開(kāi)挖,邊坡適當(dāng)設(shè)置防護(hù)網(wǎng),攔截崩落碎石,并結(jié)合實(shí)際情況,設(shè)置監(jiān)測(cè)設(shè)施,保證礦區(qū)安全開(kāi)采。

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