基于用數(shù)值模擬技術分析金屬露天礦山邊坡穩(wěn)定性

童永杰

（新疆寶地礦業(yè)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 強度折減法基本原理

邊坡穩(wěn)定性一直是巖土工程領域的一個熱點研究，一般情況采用安全系數(shù)來評價其穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)值模擬方法是與極限平衡分析方法并行的一種方法，側重于巖土應力—應變即破壞機理的分析。

分析天然邊坡時，巖土體抗剪強度是引起邊坡遭到破壞的主要原因，所以對邊坡治理要降低巖土體抗剪前度，維持邊坡的穩(wěn)定，傳統(tǒng)的極限平衡法雖然能夠確定邊坡滑裂面，但是要提前預估安全系數(shù)與之相對應的滑裂面。針對傳統(tǒng)方法在分析邊坡穩(wěn)定性較為繁瑣問題，提出了強度折射減法，該方法能夠直接求出邊坡治理時所需要的安全系數(shù)值，準確確定滑面所處位置與形狀。

極限平衡法分析邊坡穩(wěn)定性時，其基本思路是：在計算過程中將邊坡的內摩擦角和粘聚力逐步下降而使邊坡達到極限平衡狀態(tài)，邊坡所具有的強度數(shù)值與相應于該極限平衡狀態(tài)的強度值之比，就是所求的安全系數(shù)(FS），這種方法稱為強度折減法。強度折減法的基本原理是將參數(shù)C、Φ值同時除以一個折減系數(shù)Ftrial，得到一組新的C′、Φ′值，然后作為新的參數(shù)帶入有限元進行試算，當計算正好收斂時，也即Ftrial再稍大一些(數(shù)量級一般為10-3)，計算便不收斂，對應的Ftrial被稱為坡體的最小安全系數(shù)，此時土體達到臨界狀態(tài)，發(fā)生剪切破壞。

安全系數(shù)FS的搜索過程如圖1示。由圖1可知，折減前邊坡的實際強度包線與摩爾應力圓相離，邊坡不會發(fā)生剪切向破壞。隨著折減系數(shù)Ftria的增大，折減后強度包線逐漸向摩爾應力圓靠攏。當折減系數(shù)Ftria增大到某一特定值FS時，強度包線將與摩爾應力圓相切，如圖中直線c，此時折減后邊坡的抗剪強度與邊坡實際剪應力達到臨界平衡，折減后強度包線變成極限強度包線，相應的折減系數(shù)FS即為邊坡的安全系數(shù)。

圖1 強度折減法原理

2 計算方案及數(shù)值模型

2.1 計算方案

結合生產進度安排制定邊坡穩(wěn)定性計算方案，并與極限平衡法方法進行比較。

首先，根據(jù)選擇的邊坡剖面，通過建立實體模型，并將實體模型導入FLAC，生成計算模型。

其次，根據(jù)巖性選擇計算參數(shù)，設置邊界條件。

第三步，對當前境界下邊坡的穩(wěn)定性進行模擬。

第四步，模擬采至坑底境界時邊坡的穩(wěn)定性。

第五步，采用強度折減法，模擬計算兩種狀態(tài)下各邊坡的安全系數(shù)。

2.2 數(shù)值計算模型

由于FLAC建立模型中對于網格的要求較高，此次分析中，在保證結果可靠的基礎上對邊坡模型進行了適當?shù)暮喕幚怼?/p>

（1）1號線剖面邊坡計算模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區(qū)分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發(fā)生剪切破壞，對邊坡整體穩(wěn)定性沒有影響。根據(jù)強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出1號線邊坡現(xiàn)階段下的穩(wěn)定系數(shù)。由以上分析不難得出，1號線邊坡在現(xiàn)階段邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（2） 2號線剖面邊坡計算模型。2號線現(xiàn)狀邊坡的幾何模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率較低，這從邊坡塑性區(qū)分布圖也得到驗證，圖中只有掛幫礦開采臺階頂面產生剪切破壞，對邊坡整體穩(wěn)定性沒有影響。根據(jù)強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出2號線邊坡在現(xiàn)階段下的穩(wěn)定系數(shù)。由以上分析不難得出，2號線邊坡在現(xiàn)階段邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）3號線剖面邊坡計算模型。3號線現(xiàn)狀及終了邊坡的幾何模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區(qū)分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發(fā)生剪切破壞，對邊坡整體穩(wěn)定性沒有影響。根據(jù)強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出3號線邊坡在現(xiàn)階段下的穩(wěn)定系數(shù)；在閉坑后的穩(wěn)定系數(shù)。由以上分析不難得出，3號線邊坡在現(xiàn)階段邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）4號線剖面邊坡計算模型。4號線現(xiàn)狀及終了邊坡的幾何模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區(qū)分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發(fā)生剪切破壞，對邊坡整體穩(wěn)定性沒有影響。根據(jù)強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出4號線邊坡在現(xiàn)階段下的穩(wěn)定系數(shù)；在閉坑后的穩(wěn)定系數(shù)。由以上分析不難得出，4號線邊坡在現(xiàn)階段邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區(qū)分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發(fā)生剪切破壞，對邊坡整體穩(wěn)定性沒有影響。根據(jù)強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出5號線邊坡在現(xiàn)階段下的穩(wěn)定系數(shù)；在閉坑后的穩(wěn)定系數(shù)。由以上分析不難得出，5號線邊坡在現(xiàn)階段邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（5）6號線剖面邊坡計算模型。由剪應變等值線圖可知，模擬過程中邊坡剪應變率非常低，這從邊坡塑性區(qū)分布圖也得到驗證，圖中只有個別單元發(fā)生剪切破壞，對邊坡整體穩(wěn)定性沒有影響。根據(jù)強度折減法原理，采用FLAC軟件，計算出6號線邊坡在現(xiàn)階段下的穩(wěn)定系數(shù)。由以上分析不難得出，6號線邊坡在現(xiàn)階段邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。