基于FLAC節(jié)理化模型的層狀巖體邊坡數(shù)值分析

常來山,陳亞楠,陶東海,牛文杰,郭 楊

(1.遼寧科技大學,遼寧 鞍山 114051；2.鞍鋼集團礦業(yè)公司,遼寧 鞍山 114001；3.鞍鋼礦業(yè)設(shè)計研究院,遼寧 鞍山 114004)

層狀巖體是由多種不同屬性、不同厚度巖層按某種方式組合而成的天然復雜巖體[1]，其變形破壞特性具有明顯的各向異性，為橫觀各向同性體。層狀巖體是邊坡穩(wěn)定性分析中常見的一種介質(zhì)，由于不同年代的沉積和地質(zhì)構(gòu)造作用，巖層的傾角、層厚會呈現(xiàn)復雜的變化，從工程巖體角度而言，巖層的走向與邊坡的空間組合會出現(xiàn)平行、斜交、垂直等關(guān)系，其中以巖層走向平行于邊坡最為不利，傾向和傾角的變化又組合出水平、直立、順傾、反傾等多種巖體邊坡結(jié)構(gòu)，力學特征與破壞機制差異極大，而巖體局部即可能發(fā)生沿層破壞，也可能產(chǎn)生切層破壞，使得目前廣泛使用的各向同性模型不再適用，傳統(tǒng)的基于Mohr-Coulomb模型的極限平衡法分析復雜層狀巖體邊坡穩(wěn)定性亦有一定的缺陷，F(xiàn)LAC提供的節(jié)理化本構(gòu)模型，可以同時考慮巖塊破壞和層理破壞的復合型式，較合理的模擬層狀巖體破壞的各向異性特征，分析層狀巖體邊坡的穩(wěn)定性[1-3]。本文利用節(jié)理化本構(gòu)模型對鞍鋼集團礦業(yè)公司鞍千礦業(yè)許東溝采場上盤順傾層狀巖體邊坡進行了FLAC多分部開挖的數(shù)值模擬，獲得了礦山開采下延至各水平的應(yīng)力場、位移場及邊坡巖體內(nèi)巖塊、層理塑性破壞的演變情況，對礦山安全高效開采具有一定的指導作用。

1 節(jié)理化本構(gòu)模型

節(jié)理化模型是各向異性塑性模型，它包括了包含在摩爾-庫侖體內(nèi)特殊方向上的弱面。根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)、弱面走向以及模型體和弱面的材料特性的不同，屈服可能發(fā)生在模型體內(nèi)，或者發(fā)生在弱面上，或者在兩個部位同時發(fā)生。圖1顯示了整體坐標系(x，y)和局部坐標系(x′,y′)下存在于摩爾-庫侖體內(nèi)的軟弱面。

這種模型在FLAC中的實現(xiàn)方法是首先判別總體破壞，同時應(yīng)用到和FLAC中摩爾—庫侖模型中相同的相關(guān)塑性修正，然后對更新的應(yīng)力在弱面上產(chǎn)生的破壞進行分析，同時對這些應(yīng)力分別進行進一步的校正。弱面內(nèi)的破壞準則存在于包含了拉應(yīng)力路徑的摩爾—庫侖屈服條件的局部形式中，與局部剪切流動法則不相關(guān)聯(lián)而與局部拉應(yīng)力流動法則相關(guān)聯(lián)。弱面的破壞準則可以在圖2表示出來。

圖1 整體坐標系中沿θ角方向的軟弱面

圖2 FLAC中的軟弱面破壞準則

將摩爾—庫侖破壞準則定義為fs=0，從點A到點B的局部破壞包絡(luò)線定義為

將拉應(yīng)力破壞準則定義為ft=0，從點B到點C的局部破壞包絡(luò)線定義為

對于摩擦角不為零的弱面，抗拉強度的最大值定義如下

剪切和張拉勢函數(shù)gs，gt對應(yīng)于不相關(guān)聯(lián)的流動法則，剪脹角ψj對應(yīng)于相關(guān)聯(lián)的流動法則,它們分別表示為

破壞準則邊界附近的流動法則的函數(shù)形式為

平面內(nèi)的剪切破壞的流動法則如下

弱面上的拉應(yīng)力破壞的流動法則為

同樣可以計算出弱面上拉應(yīng)力破壞的應(yīng)力修正值。

2 鞍千礦業(yè)許東溝采場概況

鞍鋼集團礦業(yè)公司鞍千礦業(yè)許東溝采場年設(shè)計生產(chǎn)能力500萬t，最終境界上口長1513m，寬156～378m，下口長940m，寬50～163m，地表最高標高250m，封閉圈標高60m，露天底標高-48m，邊坡最大垂高298m。運輸平臺、清掃平臺、安全平臺寬度分別取18m、8m、8m，臺階高度12m，并段高度為24m。東幫上盤臺階坡面角為65°，最終邊坡角45°～55°，主要巖性為順傾層狀結(jié)構(gòu)的綠泥石英片巖和含鐵石英巖構(gòu)成。西幫下盤臺階坡面角為55°,下盤最終邊坡角40°～50°，主要由反傾層狀、比較破碎的散體結(jié)構(gòu)的遼河群千枚巖和含鐵石英巖構(gòu)成，遼河群千枚巖構(gòu)成的邊坡高度較小。采場現(xiàn)狀最低開采水平為96m，西幫下盤尚無靠界邊坡形成，東幫上盤120m水平已靠界。

采場東幫上盤邊坡是巖體穩(wěn)定性維護的重點部位，邊坡長約1350m，地表標高為100～250m，中間高兩頭低，采場底標高為-48m，最終邊坡高148～298m。邊坡巖體主要由綠泥石英片巖、絹云母石英片巖和含鐵石英巖組成，5900勘探線在72m水平以下的邊坡由鐵礦體組成，由綠泥石英片巖、絹云母石英片巖組成的邊坡高約160m。邊坡巖體為典型的順坡向?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，綠泥石英片巖和絹云母石英片巖的片理非常發(fā)育，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，片理面平直光滑，產(chǎn)狀穩(wěn)定，延展較長，貫通性較好，傾角主要變化在50°～70°之間，順傾層狀結(jié)構(gòu)為控制東幫上盤邊坡穩(wěn)定性的主要因素(圖3)。

圖3 東幫上盤靠界邊坡形態(tài)

鞍千礦許東溝采場上盤邊坡主要由順傾層狀結(jié)構(gòu)的綠泥石英片巖構(gòu)成，5900勘探線在72m水平以下的邊坡由鐵礦體組成，下盤邊坡主要由反傾層狀、比較破碎的散體結(jié)構(gòu)的遼河群千枚巖構(gòu)成。其中采場上盤邊坡的坡頂高為192m，開采最低水平-48m，總高程為240m，綠泥石英片巖的片理非常發(fā)育，片理走向與邊坡走向基本一致，傾向相同，邊坡傾角60°，巖層傾角主要變化在50°～70°之間，順坡層狀結(jié)構(gòu)為控制上盤邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

3 FLAC建模與分析

選擇邊坡最高、穩(wěn)定性最差的5900剖面建立FLAC數(shù)值分析模型，順傾層狀結(jié)構(gòu)的綠泥石英片巖采用節(jié)理化本構(gòu)模型，反傾層狀、比較破碎的散體結(jié)構(gòu)的遼河群千枚巖和含鐵石英巖采用摩爾-庫侖模型，F(xiàn)LAC數(shù)值模擬計算參數(shù)見表1。

數(shù)值模擬首先計算初始應(yīng)力場，不平衡力達到要求后，按實際開采水平分11步進行模擬開挖，分別為192m、168m、144m、120m、96m、72m、48m、24m、0m、-24m和-48m水平。

表1 FLAC數(shù)值模擬計算參數(shù)表

模擬開采結(jié)束的主應(yīng)力、位移、τmax和γmax等值線云圖如圖4～圖9所示。受礦山開采影響，邊坡巖體進行應(yīng)力場重新調(diào)整，坡面處應(yīng)力完全釋放，最大主應(yīng)力σ1和最小主應(yīng)力σ3從坡面向坡體內(nèi)逐漸增加，并過渡到原巖應(yīng)力狀態(tài)。坡面附近最小主應(yīng)力σ3總體上為0～0.5MPa，個別平臺坡頂處出現(xiàn)了拉應(yīng)力，如168m水平、48m水平、24m水平和-24m水平。從最大剪應(yīng)力τmax等值線圖、最大剪應(yīng)變γmax等值線圖可以看出，邊坡體內(nèi)未形成較大的貫通性剪切變形帶，僅在邊坡平臺的根部出現(xiàn)剪切變形較大的現(xiàn)象。水平向位移ux和垂直向位移uy等值線圖表明，邊坡巖體質(zhì)點主要為彈性卸荷回彈變形，量級較小，位移較大區(qū)域位于邊坡中下部。

圖4 最大主應(yīng)力等值線云圖

圖5 最小主應(yīng)力等值線云圖

圖6 最大剪應(yīng)力等值線云圖

圖7 最大剪應(yīng)變等值線云圖

圖8 水平位移等值線云圖

圖9 垂直位移等值線云圖

礦山開采實質(zhì)上是對巖體邊坡的開挖擾動，巖體因開挖從一個平衡態(tài)向另一個平衡態(tài)或非平衡態(tài)的動態(tài)演變過程，F(xiàn)LAC采用動態(tài)松弛算法可以進行較好的模擬。

鞍千礦業(yè)許東溝采場的11步開挖模擬結(jié)果表明，均是從一個平衡態(tài)向另一個平衡態(tài)的轉(zhuǎn)化，計算到靜態(tài)平衡后，未出現(xiàn)較多單元處于塑性狀態(tài)，設(shè)計的整體邊坡是穩(wěn)定的。

但從168m水平模擬開采開始，邊坡體內(nèi)剛一開挖時均有單元出現(xiàn)塑性屈服和弱面破壞，而后隨著應(yīng)力的調(diào)整，重回彈性狀態(tài)(圖10)。

圖10 邊坡體塑性區(qū)分布圖

模擬開采至168m水平時，上盤168～192m間邊坡體內(nèi)即出現(xiàn)過大量弱面破壞單元和巖體屈服單元，并且隨每一步向下模擬開挖在靠界邊坡體均有新增加的弱面破壞單元和巖體屈服單元，直至開采到96m水平時，由于96m水平公路寬平臺及72m水平以下鐵礦體的影響，以后的模擬開采未增加破壞單元。96m水平以上開采擾動塑性區(qū)寬度約30m，弱面破壞單元主要集中在邊坡表面，對于順傾層狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡而言，這種破壞具有特殊的意義，層面開裂是不可逆的，雨水侵蝕凍融等風化作用加劇，將表現(xiàn)為經(jīng)常性的臺階剝落破壞，對礦山的日常生產(chǎn)影響較大。

綜合分析5900剖面邊坡巖體塑性區(qū)分布及應(yīng)力場、位移場等模擬分析結(jié)果可以確定，鞍千礦業(yè)許東溝采場上盤由順傾層狀結(jié)構(gòu)的綠泥石英片巖構(gòu)成的邊坡的穩(wěn)定性較差，整體失穩(wěn)的可能性不大，每步開挖對巖體均有破壞性擾動，沿片理的臺階型破壞將給礦山的日常生產(chǎn)造成較大的影響，必順給予足夠的重視并采取合適的防治措施。

4 結(jié)語

FLAC節(jié)理化本構(gòu)模型可以同時考慮巖塊破壞和層理破壞的復合型式，能較合理的模擬層狀巖體破壞的各向異性特征，分析層狀巖體邊坡的穩(wěn)定性。鞍千礦業(yè)許東溝采場順傾層狀結(jié)構(gòu)巖體邊坡的模擬表明，開采時對巖體的破壞性擾動，會增加沿片理的臺階型破壞的可能性，對礦山的日常生產(chǎn)影響較大，但巖層的漸次剝落也會減少整體失穩(wěn)的可能。

[1]冷霜，層狀巖體變形試驗的數(shù)值模擬[D].成都：西南交通大學，2008.

[2]蔣青青，胡毅夫，賴偉明.層狀巖質(zhì)邊坡遍布節(jié)理模型的三維穩(wěn)定性分析[J].巖土力學，2009(3)：712-716.

[3]王曰國，王星華，林杭.基于Ubiquitous-Joint模型的層狀巖坡穩(wěn)定性分析[J].災(zāi)害學，2007(12)：46-50.

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