基于FLAC3D對含軟硬巖互層邊坡的變形分析

宋大偉, 張發(fā)明, 韓新捷, 劉志強

(1.河海大學 地球科學與工程學院，南京 211100；2.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

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基于FLAC3D對含軟硬巖互層邊坡的變形分析

宋大偉1, 張發(fā)明1, 韓新捷2, 劉志強1

(1.河海大學 地球科學與工程學院，南京 211100；2.浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

以南京地區(qū)采礦形成的邊坡為背景，研究含有硬巖的軟硬巖互層邊坡的穩(wěn)定性。運用FLAC3D基于有限元強度折減法，模擬不同硬巖巖層的傾角和厚度對順向坡和反向坡變形的影響，分析對比上述因素對邊坡變形影響的大小。研究結(jié)果表明，順向坡中硬巖的傾角越大，厚度越大，變形越小，并且變形有趨于穩(wěn)定的趨勢；反向坡中硬巖的傾角越大，厚度越大，變形先減小后增大，說明上述因素越大，反向坡越容易產(chǎn)生傾倒變形。

軟硬巖互層邊坡；FLAC3D； 有限元；強度折減法； 巖層厚度； 巖層傾角

礦山邊坡穩(wěn)定問題是我國最具特色的工程地質(zhì)問題之一。露天礦山邊坡通常處于復雜的地質(zhì)環(huán)境并具有復雜的地質(zhì)機構，因此成為礦山爆破開挖及邊坡防治中一個關鍵性的技術難題[1]。軟硬巖互層型的邊坡是其中特殊的一種，南京地區(qū)采礦形成大量的采石宕口邊坡部分就是這種類型。目前，夏開宗等研究了在軟硬巖互層邊坡中層面傾角、層面內(nèi)摩擦角、層面厚度等因素對邊坡穩(wěn)定的敏感性差別[2]；胡斌、楊謝暉等完成了對于軟硬巖互層邊坡破壞機制的研究[3-4]；劉才華等研究了水對順層邊坡穩(wěn)定性的影響[5-7]；柴波等研究了順向坡巖層傾向與坡向夾角對邊坡穩(wěn)定性的影響[8]。本文依托南京地區(qū)露天采礦形成的邊坡的基本特征，建立力學模型，分析了形成順向坡和反向坡中巖層厚度、巖層傾角對邊坡穩(wěn)定性的影響，探索這些因素對于軟巖夾硬巖的邊坡穩(wěn)定性影響中的一些規(guī)律。

1 計算理論

由于FLAC3D具有強大的自動三維網(wǎng)格生成器，含有多種計算模型，采用混合離散方法來模擬材料的屈服或塑性流動特征，以及顯示差分法求解微分方程等特點。通過有限差分軟件FLAC3D建立模型，采用強度折減法，來對模型進行計算分析，求解穩(wěn)定系數(shù)，以及應力、應變、位移等云圖，對模型進行綜合有效的分析。

強度折減法就是通過有限元計算，降低邊坡巖土體的抗剪強度參數(shù)直至達到臨界狀態(tài)為止，實際的抗剪強度參數(shù)與此時所得的臨界抗剪強度參數(shù)的比值，即為所求的安全系數(shù)ω，見公式：

c=c′/ω，tanψ′=tanψ/ω

式中c′為折減后的黏結(jié)力；ψ′為折減后的內(nèi)摩擦角[9]。

2 FLAC3D數(shù)值模擬

2.1 模型建立

模型以南京地區(qū)典型的采石宕口形成的邊坡為建模依據(jù)，建立包含五通組砂巖、五通組頁巖、金陵組灰?guī)r、和州組和高驪山組頁巖以及黃龍組灰?guī)r等5個地層的邊坡模型，其中金陵組灰?guī)r和黃龍組灰?guī)r為硬巖。采用矩形網(wǎng)格建模，模型的整體高度為90 m，坡體高度為60 m，形成坡度為50°的邊坡，坡體內(nèi)部巖層傾角分別選取為60°、70°和80°，按照順向和反向建立6組模型，模型中的金陵組灰?guī)r厚度分別采用0、2、4、6和8 m。圖1(a)為巖層傾角70°，金陵灰?guī)r厚度為4 m的順向坡模型，圖1(b)為巖層傾角為70°，金陵灰?guī)r厚度為4 m的反向坡模型。模型采用的約束條件是，底部邊界在水平方向上進行約束，其余邊界取為自由邊界。

2.2 參數(shù)的選擇

本文根據(jù)南京地區(qū)的實際地層巖性及地質(zhì)構造條件，通過現(xiàn)場原位試驗以及室內(nèi)試驗來確定各地層巖性及物理力學指標，具體參數(shù)見表1。

3 計算結(jié)果分析

3.1 順向坡變形分析

從圖2(a)看，順向坡金陵組灰?guī)r厚度為4 m，巖層傾角為60°時，最大主應力呈層狀分布，最大主應力(壓應力)沿著坡面延伸至坡腳，在坡腳產(chǎn)生應力集中效應。說明邊坡巖體主要受到垂直方向的壓應力作用。從圖2(b)看出，剪應變的增量主要集中在坡體的上部及中下部，位于金陵組灰?guī)r的上下兩側(cè)，而金陵組灰?guī)r的應變增量較小，說明灰?guī)r對邊坡穩(wěn)定起到一定的作用。

從圖3的位移云圖及位移矢量云圖可以看出，在重力作用下，邊坡巖體變形主要集中在斜坡部分。邊坡的最大位移量為9.06 cm，位于坡體表面上相對較軟的和州組和高驪山組頁巖部分。坡腳的位置，位移基本為0，因為坡腳處黃龍組灰?guī)r為硬巖，厚度較厚，可以對邊坡起到很好的防護作用。

表1 三維數(shù)值計算參數(shù)

從圖4可以看出，順向坡中金陵組灰?guī)r厚度為0 m，巖層傾角為60°時，邊坡X方向的位移為13.33 cm，Z方向的位移為6.55 cm，隨著灰?guī)r厚度的增加，巖體的位移逐漸減小，當厚度達到8 m的時候，邊坡X方向的位移減小為6.77 cm，Z方向的位移減小為3.49 cm。同樣，巖層傾角為70°時，巖層厚度從0 m增加到8 m，X方向上位移量從9.01 cm減小到5.47 cm，Z方向上位移量從5.82 cm減小到3.92 cm；巖層傾角為80°時，巖層厚度從0 m增加到8 m，X方向上位移量從7.01 cm減小到5.49 cm，Z方向上位移量從3.81 cm減小到3.34 cm。通過對比能夠發(fā)現(xiàn)，隨著金陵組灰?guī)r厚度的增加，位移量明顯減小，坡體更加穩(wěn)定?；?guī)r從無到有，位移量的變化更加明顯。巖層傾角為60°，灰?guī)r厚度從0 m增加到2 m，X方向的位移從13.33 cm減小到8.22 cm，Z方向的位移從6.55 cm減小到3.57 cm；巖層傾角為70°，X方向的位移從9.01 cm減小到5.93 cm，Z方向的位移從5.83 cm減小到3.91 cm；巖層傾角為80°，X方向的位移從7.01 cm減小到6.13 cm，Z方向的位移從3.81 cm減小到3.35 cm，而后隨厚度的增加，位移減小的趨勢趨于平緩，說明邊坡內(nèi)部有無灰?guī)r層對邊坡穩(wěn)定性影響很大。

相同的灰?guī)r厚度的情況下，以4 m為例，巖層的傾角從60°增加到80°，X方向的位移依次為8.1、5.65、5.51 cm，Z方向的位移依次為4.06、3.75、3.19 cm，說明相同厚度的灰?guī)r，巖層的傾角越大，越有利于邊坡的穩(wěn)定。巖層傾角為60°時，在X、Z方向上的位移是一個持續(xù)減小的過程，而傾角增大到70°和80°，從2 m厚的金陵組灰?guī)r開始，位移量的變化不大，在一個很小的范圍內(nèi)波動，說明隨著巖層傾角的增大，順向坡中作為硬巖的金陵組灰?guī)r厚度的增加對邊坡的穩(wěn)定性的影響在減小。

3.2 反向坡變形分析

從圖5(a)可以看出，反向坡金陵組灰?guī)r厚度為4 m，巖層傾角為60°時，最大應力分布明顯與坡體中巖層的分布有關，坡體主要受到壓應力的影響，邊坡后緣產(chǎn)生拉應力集中，產(chǎn)生張拉破壞，可能形成張拉裂縫。圖5(b)顯示剪應變較為集中的部分位于金陵組灰?guī)r上部五通組的砂頁巖部分，潛在的破壞就有可能發(fā)生在該部分。

結(jié)合圖6，金陵組灰?guī)r厚度為4 m，巖層傾角為60°的反向坡，金陵組灰?guī)r上部的五通組砂頁巖位移較大，從矢量圖可以清楚的看出，在金陵組灰?guī)r部分位移受到了限制，位移方向只能指向坡外，說明灰?guī)r對邊坡的穩(wěn)定起到積極的作用。并且從位移矢量可以看出，邊坡巖體在發(fā)生傾倒彎曲。

從圖7看出，反向坡中金陵組灰?guī)r厚度為0 m，巖層傾角為60°時，邊坡X方向的位移為13.35 cm，Z方向的位移為17 cm，隨著灰?guī)r厚度的增加，巖體的位移逐漸減小。當厚度達到8 m的時候，邊坡X方向的位移減小為9.76 cm，Z方向的位移減小為3.34 cm。巖層傾角為70°時，巖層厚度從0 m增加到8 m，X方向上位移量從12.33 cm減小到2.75 cm，Z方向上位移量從10. 4cm減小到5.07 cm，總體上呈減小的趨勢，但是在灰?guī)r厚度為6 m時，X和Z方向有最小的位移，分別是5.01 cm和2.47 cm，可以預想隨著厚度的增加，位移增大的趨勢將更加明顯。巖層傾角為80°時，巖層厚度從0 m增加到8 m，X方向上位移先從9.48 cm降到2 m時的4.26 cm，后來隨著灰?guī)r厚度的增加，8 m時位移增大為5.54 cm，Z方向上位移量從8.79 cm減小到4 m時的6.19 cm后，又隨厚度的增加，在8 m時增加到7.38 cm。巖層傾角增大，隨巖層厚度的增大，位移有變大的趨勢，故插入巖層傾角為75°的邊坡模型。從折線圖上可以看出，當灰?guī)r厚度為6 m時，X方向有最小位移6.83 cm，當灰?guī)r厚度為4 m時，Z方向有最小位移4.14 cm。通過對比能夠發(fā)現(xiàn)，隨著巖層傾角的增大，灰?guī)r厚度的增加，位移量明顯減小，但厚度增加到一定程度之后，位移開始增大。說明反向坡隨著巖層傾角的增大，灰?guī)r厚度也不斷增加，位移不再像順向坡那樣位移不斷減小，而是先減小后增大。這可能是因為反向坡中，灰?guī)r厚度增大，自身重力增加，在上下層軟巖厚度不變的情況下，巖體更容易發(fā)生彎曲變形，這也就是折線圖中表現(xiàn)出來的，隨著灰?guī)r厚度的增加，位移量不斷增大。巖層的傾角越大，巖體越容易發(fā)生傾倒彎曲，這就是巖層傾角為70°，灰?guī)r厚度為8 m，位移較6 m時增大；巖層傾角為75°，灰?guī)r厚度為6～8 m，位移較4～6 m時增大；巖層傾角為80°，灰?guī)r厚度為4～6 m，位移較2～4 m時增大。

同順向坡一樣，反向坡在坡體內(nèi)部沒有硬巖存在時，坡體的位移量很大，不利于邊坡的穩(wěn)定，但隨著坡體內(nèi)灰?guī)r厚度的增加，位移減小明顯，說明反向坡也同順向坡一樣，坡體內(nèi)部有無灰?guī)r對邊坡的穩(wěn)定影響也很大。

相同的灰?guī)r厚度的情況下，也以4 m為例，巖層的傾角為60°、70°、80°，X方向的位移依次為11.07、5.37、6.19 cm，Z方向的位移依次為5.3、3.16、4.46 cm，說明相同厚度的灰?guī)r，隨著巖層傾角的增大，位移表現(xiàn)為先減小后增大，說明對于這三個傾角的灰?guī)r形成的邊坡，灰?guī)r傾角為70°時最有利于邊坡的穩(wěn)定。

綜上，對反向坡來說，巖層傾角為60°，位移隨灰?guī)r厚度增加也在不斷的較小，位移較傾角70°的巖層位移要大得多；其他3種情況下，坡體內(nèi)灰?guī)r從無到有，位移減小有利于邊坡穩(wěn)定，但隨著厚度的增加，位移卻在慢慢變大，說明傾角大于70°的反向坡，含有灰?guī)r的地層較不含有灰?guī)r的地層更穩(wěn)定，而灰?guī)r厚度增加，增加邊坡自重，巖層傾倒彎曲的程度增加，位移不斷增大，可能形成坡表面的崩塌，不利于邊坡穩(wěn)定。并且?guī)r層傾角越大，位移增大的灰?guī)r厚度在不斷減小，說明反向坡中灰?guī)r巖層的傾角對邊坡穩(wěn)定影響更大。

4 結(jié)論

1)順向坡巖層傾角相同的情況下，硬巖厚度越厚，位移量越小，邊坡越穩(wěn)定；巖層厚度相同的情況下，巖層的傾角越大，位移量越小，邊坡越穩(wěn)定。也就是順向坡中硬巖的厚度越厚，巖層傾角越大，邊坡越穩(wěn)定，但是巖層傾角增大到一定程度之后，巖層厚度的增加對邊坡穩(wěn)定影響減小，隨厚度增大，邊坡位移變化不大。

2)反向坡硬巖巖層厚度相同的情況下，巖層傾角越大，位移量越小，邊坡越穩(wěn)定；巖層傾角相同的情況下，隨硬巖厚度的增加，反向坡位移也在不斷的減小，至某個厚度位移又不斷增大，這主要是由于巖層傾角和巖體自身重力的雙重影響，巖層傾角越大，厚度越厚，巖層越容易發(fā)生傾倒彎曲，導致坡表巖體的崩塌，不利于邊坡穩(wěn)定。

3)對于相同巖層傾角和巖層厚度的順向坡和反向坡之間由于建模的原因，模型存在較大差異，不進行相關對比。

[1]高喜才.露天礦邊坡開挖過程變形破壞特征及穩(wěn)定性實驗研究[D].西安：西安科技大學，2006.

[2]夏開宗，陳從新，魯祖德，等.軟硬巖互層邊坡穩(wěn)定性的敏感性因素分析[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2013(4)：729-732.

[3]胡 斌，黃潤秋.軟硬巖互層邊坡崩塌機理及治理對策研究[J].工程地質(zhì)學報，2009(2)：200-205.

[4]楊謝輝.軟硬巖互層式復合巖層邊坡穩(wěn)定性分析及其加固技術研究[J].公路工程，2014(5)：205-208.

[5]劉才華，徐 健，曹傳林，等.巖質(zhì)邊坡水力驅(qū)動型順層滑移破壞機制分析[J].巖石力學與工程學報，2005(19)：131-135.

[6]胡其志，周 輝，肖本林，等.水力作用下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學，2010(11)：3594-3598.

[7]舒繼森，唐 震，才慶祥.水力學作用下順層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究[J].中國礦業(yè)大學學報，2012(4)：521-525.

[8]柴 波，殷坤龍.順向坡巖層傾向與坡向夾角對斜坡穩(wěn)定性的影響[J].巖石力學與工程學報，2009(3)：628-634.

[9]鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報，2004(19)：3381-3388.

(責任編輯王利君)

Analysis of the deformation of the soft and hard rock interaction slope based on FLAC3D

SONG Dawei1,ZHANG Faming1,HAN Xinjie2,LIU Zhiqiang1

(1.School of Earth Sciences and Engineering, Hohai University,Jiangsu Nanjing 210098, China;2.Zhejiang Design Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhejiang Hangzhou 310002,China)

Based on the slope of mining in Nanjing area as the background to studied the stability of the soft and hard rock slope. The FLAC3Dwith the strength reduction FEM was used to solve the different hard rock strata dip and strata thickness to influence the bedding slope and reverse slope’s deformation, then the influence of the above factors on the slope deformation were analyzed and compared. The results show that the dip angle of the hard rock in the slope is bigger, the thickness is bigger, the deformation is smaller and the deformation tends to be stable; the dip angle of the reverse slope is bigger, the thickness is bigger, the deformation decreases and then increases, which shows that the reverse slope is prone to dumping deformation.

soft and hard rock slope; FLAC3D; strength reduction FEM; rock thickness; dip angle of rock stratum

2016-01-29

“十一五”國家科技支撐計劃項目(2008BA29B03-2);中國水利水電科學研究院開放基金項目(IWHRO2009011)

宋大偉(1990-)，男，山東乳山人，碩士，從事巖體結(jié)構與工程穩(wěn)定方面的研究。

1673-9469(2016)02-0086-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.019

P642.22

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