張長龍

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟南 250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014）

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，建筑工程項目的數(shù)量和規(guī)模不斷擴大。在礦山工程施工中，礦山邊坡穩(wěn)定性對地質(zhì)工程使用質(zhì)量有著直接影響，甚至對整個礦山工程項目質(zhì)量有著決定性影響。如何判斷邊坡穩(wěn)定性，是工程施工隊伍施工所關(guān)注的焦點，在判斷邊坡穩(wěn)定性時利用強度折減法，已經(jīng)逐漸被普及。

1 強度折減法基本概念與原理

強度折減法的本質(zhì)是在計算邊坡穩(wěn)定性有限元穩(wěn)定系數(shù)時所采用的一種方法，這種方法在分析邊坡穩(wěn)定性時，需對邊坡安全系數(shù)展開持續(xù)性的計算，并且將折減之后的參數(shù)值錄入到構(gòu)建的模型中，不斷對數(shù)據(jù)信息進行重復(fù)性計算，直到模型內(nèi)的數(shù)值達到極限時出現(xiàn)破壞而停止計算，此時便可以獲得邊坡安全系數(shù)，系數(shù)是模型在發(fā)生破壞之前的數(shù)值[1]。

在判斷礦山邊坡穩(wěn)定性時使用強度折減法，步驟相對簡單，總體分為三步，第一步，完成邊坡有限元分析模型構(gòu)建，在坡體構(gòu)建時采用各種材料，并且對不同單元屬性予以明確，對邊坡的初始應(yīng)力場展開計算。對重力作用展開初步分析，得到邊坡應(yīng)變、應(yīng)力以及位移的變化情況。第二步，基于一定的步長適當性的提高邊坡位置的安全系數(shù)值，在計算模型中重新輸入強度折減后的強度參數(shù)值，對數(shù)值重新計算得到結(jié)果。第三步，將第二步重復(fù)操作，持續(xù)的將邊坡安全數(shù)值增加，將坡體的材料參數(shù)降低，直到計算不收斂位置，邊坡出現(xiàn)穩(wěn)定性破壞。

2 FLAC-3D對礦山邊坡穩(wěn)定性作出判斷的依據(jù)

FLAC-3D技術(shù)是信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，在礦山邊坡穩(wěn)定性分析中同樣具有積極作用。FLAC-3D技術(shù)是一種數(shù)值分析方法，是以三維顯示有限差分法為基礎(chǔ)而展開的，在分析邊坡穩(wěn)定性時利用FLAC-3D技術(shù)，能夠?qū)Σ牧匣蛘呤菐r土三維力學(xué)關(guān)系作出模擬[2]。FLAC-3D技術(shù)在對邊坡穩(wěn)定性作出判斷的時候，所依據(jù)的標準總體上分為三類。

第一，收斂數(shù)值的計算結(jié)果。在判斷邊坡穩(wěn)定性時依據(jù)收斂數(shù)值，便是基于計算收斂與否作為依據(jù)，在計算有限元數(shù)值過程中完成分析。倘若是收斂在計算的時候，坡體穩(wěn)定性良好，但是在不收斂計算時出現(xiàn)坡體不穩(wěn)定下降，此時得到的強度折減系數(shù)便是邊坡的安全系數(shù)。

第二，塑性區(qū)貫通情況。這種判斷標準是當前邊坡穩(wěn)定性判斷時，利用FLAC-3D實時判斷的常用依據(jù)。貫通塑性區(qū)以后，貫通程度都不同，邊坡穩(wěn)定性所呈現(xiàn)出來的安全系數(shù)存在差異。若是計算過快的出現(xiàn)不收斂，塑性區(qū)也未實現(xiàn)貫通，不收斂計算判據(jù)之下邊坡安全系數(shù)較小[3]。當塑性的應(yīng)變能力達到量級的時候，塑性區(qū)被貫通，此時獲得礦山邊坡安全系數(shù)值也相對更加準確且可靠。

第三，特征點突變位移情況。對礦山邊坡潛在的滑動面基于邏輯展開分析，在監(jiān)測特征點的時候，可以借助于人工選擇的方式，從邊坡潛在滑動面上選擇幾個點，倘若邊坡安全系數(shù)已經(jīng)達到極限狀態(tài)，選取的監(jiān)測特征點位移情況將會逐漸趨向于流動的狀態(tài)。

3 強度折減法與FLAC-3D技術(shù)結(jié)合

FLAC-3D軟件可以對礦山邊坡內(nèi)摩擦角以及內(nèi)聚力展開折減處理，依據(jù)自動查找安全系數(shù)命令完成，該指令在折減處理中將會按照強度折減法的基本原理展開，確定安全系數(shù)時直至邊坡處于臨界破壞狀態(tài)以停止?？梢姡現(xiàn)LAC-3D軟件中的solve fos指令的本質(zhì)就是強度折減法，通過這條命令，可以在判斷邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)時，利用內(nèi)插逼近的方法實現(xiàn)[4]。在計算時，其過程如下所示：

首先將一個比較大的數(shù)值賦予給內(nèi)聚力，保證大幅度改變邊坡內(nèi)部的應(yīng)力情況，將恢復(fù)系統(tǒng)平衡所需要的時步數(shù)計算求出，得到的結(jié)果便是特征時步數(shù)。

其次完成邊坡安全系數(shù)計算。就確定的安全系數(shù)值運行時步，當不平衡率不超過0.001時，那么就表示系統(tǒng)狀態(tài)為平衡。當不平衡率超過0.001時，需要執(zhí)行下一個時步，如此循環(huán)往復(fù)，直至不平衡率不超過0.001結(jié)束。在不平衡率超過0.001的時候，需要比較上一個和此時得到的時步范圍內(nèi)的不平衡率平均值，倘若比較結(jié)果顯示兩者之間的差距相差不超過10%，那么此時可認定系統(tǒng)正處于不平衡狀態(tài)，需要跳出當前的循環(huán)流程，利用全新的不平衡狀態(tài)下的安全系數(shù)值重新計算，步驟跟前面所述如出一轍。若是上一個和此時得到的時步范圍內(nèi)的不平衡率平均值兩者之間的差距相差超過10%，要繼續(xù)展開時步循環(huán)計算，直至不平衡率不超過0.001，此時得到的結(jié)果便是被測量邊坡的安全系數(shù)值[5]。

4 FLAC-3D視域下的強度折減法應(yīng)用

在研究礦山邊坡穩(wěn)定性時基于FLAC-3D技術(shù)應(yīng)用強度折減法，主要是對收斂性情況、位移突變情況以及塑性區(qū)域三種判據(jù)展開分析判斷。分析中選取較為簡單的均質(zhì)土質(zhì)邊坡為案例，材料參數(shù)值如下所示：

表1 材料參數(shù)值表

4.1 收斂判據(jù)計算

收斂判據(jù)的標準是既有數(shù)值本身的計算過程是否出現(xiàn)收斂，在指定的收斂標準下，算法是不可以進行收斂的，此時應(yīng)力分布不能夠達到總體平衡的要求以及破壞土體的準則。在FLAC-3D技術(shù)下對是否出現(xiàn)收斂進行計算，當折減系數(shù)取值為1.40時，極限不平衡力將會隨著計算時步數(shù)的增加而降低，趨向于0。這個趨勢說明被測邊坡具有穩(wěn)定性和平衡性，當強度折減系數(shù)的取值為1.42時，此時計算得到的不平衡力已經(jīng)不再趨向于0值。折減系數(shù)的取值為1.44和1.46時，所表現(xiàn)出來的不平衡力不趨0的現(xiàn)象更加顯著，由此也可以充分表明在這三種情況之下，計算不平衡力已經(jīng)不再進行呈收斂的態(tài)勢。

總體而言，收斂判據(jù)計算時，折減系數(shù)的變化將會影響到不平衡力的變化，在開始的時候，折減系數(shù)的取值較小，不平衡力將會很小，甚至趨向于0，但是隨著折減系數(shù)增加，不平衡力也隨著上升，由此以表示體系已經(jīng)失去穩(wěn)定性。所以在對礦山邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)實施判斷的時候，要基于收斂準則，取安全系數(shù)為1.40。

4.2 位移突變判據(jù)

在確定邊坡安全系數(shù)的時候基于有限求解獲得的結(jié)點位移，這便是特征點位移準則。坡頂位移計算時利用FLAC-3D技術(shù)下的強度折減法，發(fā)現(xiàn)折減系數(shù)變化將會對頂坡位移產(chǎn)生影響。從1開始計算，以0.2的增量增加折減系數(shù)，結(jié)果顯示折減系數(shù)在1.83的時候，特征點的位移情況便出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折。當持續(xù)增加轉(zhuǎn)折系數(shù)的時候，位移值在計算過程中將會伴隨著折減系數(shù)的增加而增加，此時便可以得知選取的關(guān)鍵點已經(jīng)處于流動的狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定性降低，甚至出現(xiàn)嚴重問題，由此獲得邊坡安全系數(shù)。

5 結(jié)語

在礦山工程施工期間，邊坡穩(wěn)定性的重要性不言而喻。作為施工企業(yè)，要格外注重邊礦山坡穩(wěn)定性的觀察與測量。本文主要探究在FLAC-3D視域下的強度折減法判斷邊坡穩(wěn)定性。在明確基本理論知識的同時，探究FLAC-3D視域的強度折減法應(yīng)用措施?；谀尺吰拢治鍪諗颗袚?jù)計算、位移突變判據(jù)、塑性區(qū)域貫通，旨在為分析邊坡穩(wěn)定提供借鑒。