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）

0 引言

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。

1 強(qiáng)度折減法基本原理

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。

2 強(qiáng)度折減法在ABAQUS中的實(shí)現(xiàn)

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

3 邊坡的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

3.1 工程概況

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。

3.2 巖土材料參數(shù)

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)。

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

（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。

3.4 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)存在的問題

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。

4 結(jié)論

（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。