離心加載法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

c在邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用
                                                      李澤，董馳峰
    （內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司勝利東二號(hào)露天煤礦，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）
    摘要：基于離心加載法的原理，應(yīng)用RFPA-Centrifuge軟件對(duì)某露天礦邊坡的變形及破壞過程進(jìn)行了數(shù)值試驗(yàn)研究，再現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)的動(dòng)態(tài)過程。根據(jù)數(shù)值試驗(yàn)所得出的模擬結(jié)果，分析得出了該邊坡最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的形成機(jī)制，為邊坡失穩(wěn)的預(yù)測及防治提供科學(xué)依據(jù)。
    關(guān)鍵詞：邊坡；離心加載法；邊坡穩(wěn)定性；RFPA-Centrifuge；數(shù)值試驗(yàn)；最危險(xiǎn)滑動(dòng)面
    中圖分類號(hào)：TD 824.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ｂ文章編號(hào)：１６７１－９８１６（２０10）S1－００12－０4
    1·引言
    人類遇到的邊坡種類繁多，如山區(qū)的自然邊坡、水庫河流岸坡、土建挖方工程邊坡、露天礦及采石場的邊坡等。各種邊坡均有其自身特點(diǎn)。
    露天礦邊坡主要有以下特點(diǎn)：邊坡較高，常達(dá)數(shù)百米；走向較長，常達(dá)幾公里。如撫順西露天煤礦、阜新海州露天煤礦的設(shè)計(jì)采深分別達(dá)480 m和360 m，走向長分別為6.4 km和4.0 km。因而露天礦邊坡揭露的巖層多，邊坡各部分地質(zhì)條件差異大，變化復(fù)雜。
    露天煤礦邊坡巖石主要是沉積巖，層理明顯，軟弱夾層較多，巖石強(qiáng)度較低。我國有些露天煤礦的土質(zhì)邊坡較高，斷層、節(jié)理等較發(fā)育，構(gòu)造復(fù)雜。至于排土場邊坡，則是由破碎的巖石和表土堆積而成。
    露天礦邊坡變形破壞的形式主要是滑坡。露天煤礦的滑坡主要沿層面、軟弱夾層，其次是沿?cái)鄬印⒐?jié)理發(fā)生?；瑒?dòng)面下部還往往切斷巖層。沿層面、軟弱夾層、斷層的滑動(dòng)面較明顯，而沿節(jié)理與切斷巖層部分的滑動(dòng)面則不明顯。露天金屬礦的滑坡常沿節(jié)理、斷層，有時(shí)亦沿層面發(fā)生。
    露天礦邊坡是開挖工程形成的邊坡，邊坡巖體較破碎，而且一般不加維護(hù)，因而易受風(fēng)化作用的影響。露天礦采場每日頻繁地進(jìn)行爆破作業(yè)，邊坡上常有運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)行，因而邊坡常受震動(dòng)影響。而且運(yùn)輸設(shè)備重量越來越大，臺(tái)階上載荷有日益增大的趨勢。
    露天礦最終邊坡由上至下是逐漸形成的，上部和下部的服務(wù)年限不同。上部邊坡可達(dá)幾十年，下部邊坡則為十幾年或幾年，最底下的臺(tái)階邊坡在采礦結(jié)束后即可報(bào)廢。未到界的邊坡是臨時(shí)性的，其服務(wù)年限較短。至于排土場邊坡，其空間位置大都隨排土工程的推進(jìn)而經(jīng)常變化。
    露天礦邊坡的不同地段要求達(dá)到的穩(wěn)定程度不同：當(dāng)邊坡上部地表有重要建筑物，不允許發(fā)生變形時(shí)，要求的穩(wěn)定程度最高；邊坡上有站場、運(yùn)輸路線、下部有開采作業(yè)時(shí)，要求的穩(wěn)定程度亦較高；對(duì)生產(chǎn)無甚影響，且邊坡上無建筑設(shè)施時(shí)，穩(wěn)定程度可低些，甚至不考慮其穩(wěn)定性。
    隨著人類工程活動(dòng)日益頻繁，規(guī)模日益增大，滑坡已成為全球性的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。為了更有效地預(yù)防和整治滑坡，就必須對(duì)其發(fā)生的機(jī)理和發(fā)展變化的基本規(guī)律進(jìn)行深入細(xì)致地研究。以往人們?cè)M(jìn)行過大量現(xiàn)場調(diào)查、勘探、觀測和試驗(yàn)工作，對(duì)滑坡產(chǎn)生的條件、因素、動(dòng)態(tài)規(guī)律的認(rèn)識(shí)，以及有效防治措施等，都積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是現(xiàn)場實(shí)體試驗(yàn)由于投資巨大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力、重現(xiàn)性差，較難進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，而且有些現(xiàn)象在現(xiàn)場也難以觀察。因此，在滑坡機(jī)理的研究上，許多研究人員建立與現(xiàn)場相似的物理模型來進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[1]。本文的目的是應(yīng)用數(shù)值試驗(yàn)方法，通過分析試驗(yàn)結(jié)果，得出邊坡巖體破壞的發(fā)生機(jī)理以及最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的形成機(jī)制，以為今后的理論研究提供參考依據(jù)。
    2 ·RFPA-Centrifuge基本原理[2，3]
    離心加載法中的安全系數(shù)是超載儲(chǔ)備安全系數(shù)，即將載荷（主要是自重）增大K倍后，坡體達(dá)到極限平衡狀態(tài)。按此定義有：
                
    RFPA-Centrifuge就是將細(xì)觀基元的自重以線性關(guān)系、按一定步長逐漸增加，每增加一次，有限元計(jì)算程序?qū)⑦M(jìn)行迭代計(jì)算，尋找外力與內(nèi)力的平衡，同時(shí)進(jìn)行破壞分析，直至邊坡宏觀破壞，求得數(shù)值模型的滑動(dòng)破壞面，以獲得最大破壞單元數(shù)的計(jì)算步作為邊坡失穩(wěn)的臨界點(diǎn)，計(jì)算相應(yīng)的安全系數(shù)。安全系數(shù)定義為模型失穩(wěn)時(shí)單元自重與初始單元自重的比值：
                
    式中，S為基元破壞數(shù)最大時(shí)的加載步數(shù)，Δ為步長，γ為自重。
    3·應(yīng)用實(shí)例
    根據(jù)某露天礦采場邊坡的某一地質(zhì)分區(qū)實(shí)際條件建立如圖1所示的初始數(shù)值模擬模型（亮度高表示彈性模量大），計(jì)算至36步時(shí)邊坡破壞。本研究采用的步長Δ為0.01，則K=1.358。從模擬得出的一系列應(yīng)變帶云圖可以看出，滑坡的發(fā)生并不是一蹴而就，而是在不斷尋求力學(xué)平衡的過程中，經(jīng)過微裂隙發(fā)生、擴(kuò)展直至貫通的過程。
               
    圖2中的a、b、c為計(jì)算過程中幾個(gè)典型的應(yīng)變帶云圖。其中圖2 a表示部分巖體單元的剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度發(fā)生破壞而產(chǎn)生局部小裂隙；圖2 b表示剪應(yīng)力超過巖體單元抗剪強(qiáng)度的巖體單元增多而使小裂隙擴(kuò)展并逐漸連通；圖2 c則表示大面積巖體單元的裂隙貫通而形成滑面，滑坡發(fā)生。
                
    位移場（圖3）反映了巖體變形、位移情況，明顯反映出滑體及滑面的具體形狀，與剪應(yīng)變帶變化云圖反映出的滑面形狀基本一致；滑體上部近似圓弧滑面，滑體下部沿弱層滑動(dòng)。
    由各個(gè)計(jì)算步時(shí)坡頂面及坡面的位移曲線的變化可以看出，起初在坡頂面和坡面各巖體單元的位移都保持較好的連續(xù)性，如圖4和圖5中的a、b、c，當(dāng)滑坡發(fā)生時(shí)，滑體的水平位移和下沉都較明顯，并且各巖體單元的位移量顯示出相對(duì)的非線性，并且在滑坡發(fā)生時(shí)坡體部分巖體位移產(chǎn)生突變現(xiàn)象。

    4·與剛體極限平衡法的對(duì)照
    為了驗(yàn)證該數(shù)值試驗(yàn)的正確性，本文采用工程中廣泛應(yīng)用的剩余推力法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，求得的安全系數(shù)為1.32，和數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果相差0.03；圖6所示為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的位置，其滑面形狀和數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果（圖2和圖3）有較好的相似性。
                 
    5·結(jié)論
    （1）RFPA-Centrifuge試驗(yàn)說明，是經(jīng)過微裂隙發(fā)生、擴(kuò)展直至貫通逐漸形成的，滑坡前邊坡巖體的位移呈相對(duì)穩(wěn)態(tài)增加，直到相鄰兩點(diǎn)間的位移發(fā)生突變，滑坡發(fā)生。
    （2）基于離心加載法，應(yīng)用RFPA2D模擬了邊坡失穩(wěn)的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其結(jié)果與剩余推力法基本一致，說明RFPA-Centrifuge模擬邊坡失穩(wěn)非常直觀，可以作為評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的一種有效手段。
    參考文獻(xiàn)：
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