基于強(qiáng)度折減法的邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析

胡濤

摘? 要：針對(duì)在邊坡穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)過(guò)程中存在定量評(píng)價(jià)困難的問(wèn)題，文章以新疆黑山露天煤礦一典型邊坡為研究對(duì)象，運(yùn)用數(shù)值分析的手段對(duì)次邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，探究了邊坡的位移變形情況，基于Hoek-Brown準(zhǔn)則和強(qiáng)度折減法計(jì)算了邊坡的安全系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果推測(cè)出了邊坡潛在滑移面及整個(gè)變形破壞的發(fā)展規(guī)律。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性;安全系數(shù);數(shù)值分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TU43 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）29-0128-03

Abstract： In view of the difficulty of quantitative evaluation in the process of slope stability analysis and evaluation， this paper takes a typical slope of Heishan open pit coal mine in Xinjiang as the research object， analyzes the stability of the secondary slope by means of numerical analysis， explores the displacement and deformation of the slope， calculates the safety factor of the slope based on Hoek-Brown strength criterion and strength reduction method， and infers the safety factor. According to the calculation results， the development law of the potential slip surface and the whole deformation and failure of the slope is given.

Keywords： slope stability; safety factor; numerical analysis

引言

我國(guó)是多山的國(guó)家，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給人們的生命財(cái)產(chǎn)造成了重大的損失，邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是判斷工程建設(shè)質(zhì)量好壞和保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全的關(guān)鍵性問(wèn)題[1-3]，所以對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前在實(shí)際工程中，對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析的方法有很多種比如瑞典法[4-5]、Bishop法[6]、不平衡推力法[7]、摩根斯坦-普萊斯方法[8]等。近些年來(lái)，隨著有限元方法和強(qiáng)度折減法的迅速發(fā)展，強(qiáng)度折減法成為了邊坡穩(wěn)定性分析的重要手段[6]。傳統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算一般采用線(xiàn)性的輕度準(zhǔn)則忽略了土體本構(gòu)關(guān)系的非線(xiàn)性從而導(dǎo)致數(shù)值計(jì)算結(jié)果與真實(shí)情況之間存在偏差，在廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則中，土體的本構(gòu)關(guān)系是非線(xiàn)性的，計(jì)算過(guò)程中通過(guò)采用Hoek-Brow準(zhǔn)則可以有效減小計(jì)算偏差、提高計(jì)算精度[7]。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用數(shù)值分析軟件內(nèi)置的基于Hoek-Brow準(zhǔn)則的強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，為邊坡的治理提供依據(jù)。

1 邊坡介紹

新疆黑山露天煤礦礦區(qū)邊坡基本都為逆向邊坡，且坡度較緩，經(jīng)定性評(píng)價(jià)基本穩(wěn)定，本文選擇一有可能會(huì)發(fā)生破壞的位于礦區(qū)西北側(cè)的露幫順向坡為研究對(duì)象。

如圖1所示，邊坡表層為第四紀(jì)沖積層，厚度不均勻，下賦一層厚度均勻的炭質(zhì)泥巖，底層強(qiáng)度較好的砂巖，邊坡整體位于地下水位以上不考慮地下水對(duì)邊坡的影響，各巖土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

2 計(jì)算原理

強(qiáng)度折減法是將巖土材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力和內(nèi)摩擦角除以折減系數(shù)得以降低[9-10]，再用折減降低后新得到的參數(shù)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性的分析計(jì)算，這樣不斷降低土質(zhì)邊坡或巖質(zhì)邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)反復(fù)試算，直到其達(dá)到破壞狀態(tài)為止。強(qiáng)度折減法是利用公式（1）和（2）來(lái)調(diào)整巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c和？準(zhǔn)的。

由于巖土體是非線(xiàn)性的，在低應(yīng)力階段這種非線(xiàn)性特征越發(fā)明顯，在邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算中如果用線(xiàn)性準(zhǔn)則計(jì)算將會(huì)產(chǎn)生較大偏差，將為了減少因?yàn)檫@種巖土體非線(xiàn)性特征造成的模擬結(jié)果與實(shí)際情況之間的偏差，本次模擬將采用基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的強(qiáng)度折減法。

3 數(shù)值模型的建立

3.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

模型按實(shí)際的邊坡幾何尺寸1：1建立地質(zhì)模型，模型按照每3.6米劃分網(wǎng)格，總共為1150個(gè)網(wǎng)格，具體如圖2 所示。

3.2 邊界條件設(shè)置

模型底部設(shè)置為固定約束，即底部在XYZ三個(gè)方向上均不可發(fā)生位移;兩側(cè)設(shè)置為輥支撐，即兩側(cè)僅能沿重力方向上下發(fā)生位移。

4 結(jié)果分析

最后計(jì)算得安全系數(shù)fos=1.268，這表明邊坡在不考慮降雨、地震等外界因素影響的條件下是穩(wěn)定的。由于本次數(shù)值計(jì)算是采用基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，最后得到的變形情況均為強(qiáng)度折減試算中邊坡失穩(wěn)前的最后一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，并不是邊坡的實(shí)際變形情況。從計(jì)算結(jié)果可以推測(cè)出邊坡失穩(wěn)時(shí)所產(chǎn)生的變形破壞模式是蠕滑-拉裂破壞。

此類(lèi)邊坡破壞主要產(chǎn)生于坡度較緩的均質(zhì)的土質(zhì)或半巖質(zhì)邊坡，此邊坡下部為力學(xué)強(qiáng)度較好的泥巖和砂巖，表部為厚度較厚強(qiáng)度較弱的土層，由于邊坡下部巖性較好，所以邊坡變形時(shí)首先在表層土體向坡體臨空方向發(fā)生了剪切蠕變，形成了剪切蠕變滑動(dòng)帶，圖3為位移云圖，可以看出滑動(dòng)帶的位置（位移突變的位置說(shuō)明發(fā)生了相對(duì)位移，即為剪切滑動(dòng)帶的位置）。隨后，在淺層蠕滑變形達(dá)到一定程度時(shí)邊坡的后緣產(chǎn)生了較大的拉張應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到一定程度邊坡就會(huì)產(chǎn)生后緣拉裂，圖4顯示出的拉張塑性區(qū)即為邊坡后緣的拉裂帶（圖中A區(qū)域?yàn)槔瓘埶苄詤^(qū)）。從圖5位移矢量可以明顯看出，隨著剪切變形和后緣拉裂的進(jìn)一步發(fā)展，中部剪應(yīng)力集中區(qū)域被擾動(dòng)擴(kuò)容，潛在滑坡體下緣部位隆起，后緣明顯下沉，這些跡象表明邊坡變形進(jìn)入了累進(jìn)性破壞階段，一旦潛在滑動(dòng)面貫通則發(fā)展為滑坡。從塑性區(qū)分布范圍可以看出在邊坡失穩(wěn)前剪切塑性帶基本貫通，圖6表明此時(shí)剪切帶上的應(yīng)變?cè)隽恳呀?jīng)達(dá)到了0.026，說(shuō)明了此時(shí)坡體將會(huì)沿著剪切帶發(fā)生滑動(dòng)，造成邊坡失穩(wěn)。

總體來(lái)說(shuō)，由于數(shù)值計(jì)算得安全系數(shù)為1.268，說(shuō)明此邊坡暫時(shí)穩(wěn)定，但如果考慮到外界的不利因素要對(duì)邊坡進(jìn)行治理，就可以參照強(qiáng)度最后一次強(qiáng)度折減后的邊坡?tīng)顟B(tài)及以此推測(cè)出的變形規(guī)律進(jìn)行有針對(duì)性的治理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以礦區(qū)西北側(cè)邊坡為計(jì)算模型，運(yùn)用基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的強(qiáng)度折減法計(jì)算了邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)，根據(jù)強(qiáng)度折減的計(jì)算結(jié)果結(jié)合邊坡變形理論推測(cè)出了邊坡失穩(wěn)時(shí)的整個(gè)變形破壞規(guī)律，為滑坡防治提供了依據(jù)。這說(shuō)明基于Hoek-Brown準(zhǔn)則的強(qiáng)度折減法計(jì)算來(lái)分析邊坡的穩(wěn)定性是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃昌乾，丁恩保.邊坡工程常用穩(wěn)定性分析方法[J].水電站設(shè)計(jì)，1999，15（1）：53-58.

[2]楊劍，蔣國(guó)勇，王新軍.瑞典條分法與畢肖普法在土坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用和研究[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，18（2）：66-68.

[3]Bishop A W. The use of the slip circle in the stability analysis of slopes[J]. Geotechnique，1995，15（1）：62-65.

[4]時(shí)衛(wèi)民，鄭穎人，等.邊坡穩(wěn)定不平衡推力法的精度分析及其使用條件[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2004，26（3）：313-317.

[5]Chen Z，Morgenstern N R.. Extensions to the generalized method of slices for stability analysis [J]. Canadian Geotechnical Journal，1983，20（1）：104-109.

[6]閆超，劉松玉，籍曉蕾.一種基于強(qiáng)度折減法的次級(jí)滑動(dòng)面分析方法研究[J].巖土力學(xué)，2016，37（4）：935-942.

[7]張東東，榮華，等.基于廣義Hoek-Brown準(zhǔn)則的有限元邊坡穩(wěn)定性分析[J].甘肅水利水電技術(shù)，2019，59（12）：25-28.

[8]陳育民，徐頂平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實(shí)例[M].中國(guó)水利水電出版，2009.

[9]張倬元，王世天.工程地質(zhì)分析原理[M].地質(zhì)出版社，2009.

[10]王中達(dá)，孟慶輝，等.FLAC3D基于強(qiáng)度折減法在深基坑開(kāi)挖邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用[J].世界有色金屬，2018，19（11）：201-202.