張海鋒 李向陽 柴卓 張晨招
(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊(duì)/西安建材地質(zhì)工程勘察院有限公司,陜西西安 710003)
隨著基建產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,礦產(chǎn)資源需求越來越多,露天礦山規(guī)模也越來越大,礦山邊坡的安全運(yùn)行越來越重要。對(duì)露天礦山邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)估,是保證露天礦山正常安全生產(chǎn)的重要手段。
露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析的方法有多種,對(duì)于巖體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、破壞模式單一的邊坡可采用赤平投影法與極限平衡法;對(duì)于高陡復(fù)雜露天礦山邊坡,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量大、破壞形式多樣,不易確定潛在破壞區(qū),而數(shù)值分析法可以解決各種復(fù)雜條件的綜合性邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)任務(wù)。數(shù)值分析方法,由于概念明確簡(jiǎn)單、結(jié)果直觀形象,在工程中應(yīng)用的越來越多[1]。有限元數(shù)值分析法,對(duì)于邊坡失穩(wěn)時(shí)的破壞形態(tài)比較直觀,但是不能直接定量反映出邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)值,需要采用間接的判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。周容方等[2]通過對(duì)土質(zhì)邊坡漸進(jìn)破壞進(jìn)行了數(shù)值分析,以邊坡的塑性應(yīng)變區(qū)、位移增量等來判別邊坡的穩(wěn)定性。劉開富等[3]采用強(qiáng)度折減法研究了土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性,通過對(duì)內(nèi)摩擦角、粘聚力指標(biāo)參數(shù)的折減,搜索破壞時(shí)的破壞面,能更真實(shí)的反映客觀實(shí)際,計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確真實(shí)。宋二祥等[4]提出以位移突變作為邊坡失穩(wěn)判別依據(jù)。鄭穎人等[5]提出以有限元分析不收斂作為邊坡破壞失穩(wěn)的判別依據(jù)。劉金龍等[6]采用塑性區(qū)貫穿作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)。對(duì)于露天礦山邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)目前并不統(tǒng)一,不同的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果有差異,因而在露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)應(yīng)綜合考慮不同標(biāo)準(zhǔn)下安全系數(shù)差異,綜合評(píng)價(jià)露天礦山邊坡的穩(wěn)定性。
本文以某露天礦山高邊坡為例,通過基于ABAQUS 的數(shù)值分析,采用強(qiáng)度折減法,以各級(jí)邊坡臺(tái)階處的位移突變、坡體內(nèi)的塑性區(qū)貫穿、有限元分析時(shí)計(jì)算收斂與否作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù),分析三種判據(jù)條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的差異,同時(shí)對(duì)該礦山邊坡進(jìn)行安全性評(píng)估。
強(qiáng)度折減法采用對(duì)材料的粘聚力、內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減試算,直到破壞為止,以破壞時(shí)的折減系數(shù)作為穩(wěn)定性安全系數(shù)的方法。
折減系數(shù)表示為:
式中,c、φ為巖土體材料本身的粘聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)參數(shù);c m、φ m為巖土體所發(fā)揮出來的粘聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)參數(shù);F r為折減系數(shù)。
計(jì)算中通過不同折減系數(shù)Fr對(duì)巖土體材料的c、φ進(jìn)行折減試算,直到巖土體達(dá)到破壞狀態(tài)為止。坡體達(dá)到破壞狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)為:位移突變;塑性區(qū)貫穿;計(jì)算不收斂。
強(qiáng)度折減法是對(duì)c、φ進(jìn)行折減降低,導(dǎo)致部分單元應(yīng)力屈服,這些單元沿著某個(gè)面發(fā)生貫穿,即巖土體發(fā)生滑動(dòng)破壞,邊坡失穩(wěn)
ABAQUS 中通過溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬這過程,具體實(shí)現(xiàn)過程見ABAQUS 強(qiáng)度折減法流程圖[7][8],如圖1所示。
圖1 ABAQUS強(qiáng)度折減法流程圖
根據(jù)該礦區(qū)邊坡的形態(tài),按位置、邊坡級(jí)數(shù),礦區(qū)邊坡分為四部分7 個(gè)典型剖面。文中選取其中一個(gè)典型邊坡剖面進(jìn)行分析。邊坡高約36m,呈三級(jí)邊坡,每級(jí)邊坡高約12m,坡度約60°,坡間平臺(tái)寬約6m。邊坡安全等級(jí)為Ⅲ級(jí),邊坡設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.15~1.10。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)資料,邊坡巖體主要為中等風(fēng)化灰?guī)r,巖體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。
表1 巖土體力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)
計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分,如圖2所示。
圖2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分
取一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)坡頂為特征點(diǎn),記為A、B、C點(diǎn)。
(1)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)
上述三種判別依據(jù)(計(jì)算收斂與否、特征點(diǎn)位移拐點(diǎn)、塑性貫通)下,進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析。
①以位移拐點(diǎn)為邊坡失穩(wěn)判據(jù)
從圖3、圖4 可以看出,A、B、C 點(diǎn)位移變化規(guī)律相同,在折減系數(shù)為1.0 處開始,位移增加速度加快,當(dāng)折減系數(shù)達(dá)到1.14 時(shí),A、B、C 點(diǎn)的位移出現(xiàn)急劇變化,快速變大,邊坡已失去穩(wěn)定性,達(dá)到破壞狀態(tài)。通過分析位移變化過程,折減系數(shù)為1.14 是位移變化的一個(gè)拐點(diǎn)。以A、B、C 點(diǎn)處的位移拐點(diǎn)為邊坡失穩(wěn)判別依據(jù),圖中F=1.14 時(shí)判定坡體達(dá)到臨界破壞狀態(tài)。因此,邊坡的安全系數(shù)K=1.14。
圖3 特征點(diǎn)水平位移-折減系數(shù)曲線
圖4 特征點(diǎn)豎向位移-折減系數(shù)曲線
②以塑性區(qū)連通為邊坡失穩(wěn)判據(jù)
塑性區(qū)的發(fā)展變化隨折減系數(shù)的變化規(guī)律,如圖5 所示。開始階段塑性應(yīng)變區(qū)位于各級(jí)臺(tái)階坡腳處,隨著強(qiáng)度的降低,塑性應(yīng)變區(qū)范圍在擴(kuò)大,逐步向上延伸,最終塑性應(yīng)變區(qū)逐漸連通,坡體沿貫穿的塑性應(yīng)變區(qū)處發(fā)生破壞。
圖5 塑性區(qū)發(fā)展隨折減系數(shù)的變化規(guī)律
通過分析塑性應(yīng)變區(qū)發(fā)展隨折減系數(shù)的變化,可以發(fā)現(xiàn),折減系數(shù)為1.138 時(shí)塑性應(yīng)變區(qū)在各級(jí)臺(tái)階坡腳處形成,折減系數(shù)1.166 時(shí),各級(jí)臺(tái)階的塑性應(yīng)變區(qū)逐漸互相連通,折減系數(shù)1.180 時(shí)塑性應(yīng)變區(qū)連通。F=1.180 時(shí)坡體達(dá)到破壞狀態(tài),邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.18。
③以計(jì)算不收斂為邊坡失穩(wěn)判據(jù)
計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),計(jì)算終止時(shí),折減系數(shù)為1.180。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.18。
綜上所述,采用上述三種失穩(wěn)判據(jù)確定的邊坡安全系數(shù)介于1.14~1.18之間。
(2)邊坡滑動(dòng)面確定和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)
邊坡穩(wěn)定計(jì)算中,邊坡的潛在破壞面與邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)直接相關(guān)。邊坡位移增量云圖,如圖6所示。通過增量位移變化可以確定滑動(dòng)面的位置。
圖6 位移等值線云圖
根據(jù)上述三種邊坡失穩(wěn)判據(jù)(位移拐點(diǎn)、塑性貫通、計(jì)算收斂與否)確定的邊坡安全系數(shù)介于1.14~1.18 之間?;痉显O(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)1.10~1.15。因此,綜合判斷該露天礦山邊坡穩(wěn)定。
在強(qiáng)度折減法判斷邊坡失穩(wěn)的極限狀態(tài)時(shí),目前的三種判別依據(jù)(計(jì)算收斂與否、特征點(diǎn)位移拐點(diǎn)、塑性貫通)存在以下問題,計(jì)算收斂與否和單元類型、計(jì)算算法等多種因素有關(guān);特征點(diǎn)、特征位移、塑性區(qū)貫通等的選擇判斷因人而異。因而,在分析時(shí)應(yīng)綜合考慮這三個(gè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)下的安全系數(shù),綜合評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性。
(1)特征點(diǎn)位移拐點(diǎn)、塑性貫通、計(jì)算收斂與否均可作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)。
(2)三種邊坡失穩(wěn)判據(jù)確定的邊坡安全系數(shù)介于1.14~1.18之間,差別不大。
(3)該露天礦山邊坡安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求,該露天礦山邊坡整體穩(wěn)定。
(4)三種邊坡失穩(wěn)判據(jù)下的結(jié)果存在差異,對(duì)露天礦山邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)需綜合考慮。