基于ABAQUS的露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析與工程應用

張海鋒 李向陽 柴卓 張晨招

（中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心陜西總隊/西安建材地質工程勘察院有限公司，陜西西安 710003）

0 引言

隨著基建產業(yè)的快速發(fā)展，礦產資源需求越來越多，露天礦山規(guī)模也越來越大，礦山邊坡的安全運行越來越重要。對露天礦山邊坡進行穩(wěn)定性評估，是保證露天礦山正常安全生產的重要手段。

露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析的方法有多種，對于巖體結構簡單、破壞模式單一的邊坡可采用赤平投影法與極限平衡法；對于高陡復雜露天礦山邊坡，其內部結構復雜、體量大、破壞形式多樣，不易確定潛在破壞區(qū)，而數(shù)值分析法可以解決各種復雜條件的綜合性邊坡穩(wěn)定性分析評價任務。數(shù)值分析方法，由于概念明確簡單、結果直觀形象，在工程中應用的越來越多[1]。有限元數(shù)值分析法，對于邊坡失穩(wěn)時的破壞形態(tài)比較直觀，但是不能直接定量反映出邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)值，需要采用間接的判別標準進行分析。周容方等[2]通過對土質邊坡漸進破壞進行了數(shù)值分析，以邊坡的塑性應變區(qū)、位移增量等來判別邊坡的穩(wěn)定性。劉開富等[3]采用強度折減法研究了土質邊坡的穩(wěn)定性，通過對內摩擦角、粘聚力指標參數(shù)的折減，搜索破壞時的破壞面，能更真實的反映客觀實際，計算結果更準確真實。宋二祥等[4]提出以位移突變作為邊坡失穩(wěn)判別依據(jù)。鄭穎人等[5]提出以有限元分析不收斂作為邊坡破壞失穩(wěn)的判別依據(jù)。劉金龍等[6]采用塑性區(qū)貫穿作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)。對于露天礦山邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)標準目前并不統(tǒng)一，不同的標準結果有差異，因而在露天礦山邊坡穩(wěn)定性分析時應綜合考慮不同標準下安全系數(shù)差異，綜合評價露天礦山邊坡的穩(wěn)定性。

本文以某露天礦山高邊坡為例，通過基于ABAQUS 的數(shù)值分析，采用強度折減法，以各級邊坡臺階處的位移突變、坡體內的塑性區(qū)貫穿、有限元分析時計算收斂與否作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)，分析三種判據(jù)條件下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的差異，同時對該礦山邊坡進行安全性評估。

1 強度折減法基本原理

強度折減法采用對材料的粘聚力、內摩擦角進行折減試算，直到破壞為止，以破壞時的折減系數(shù)作為穩(wěn)定性安全系數(shù)的方法。

折減系數(shù)表示為：

式中，c、φ為巖土體材料本身的粘聚力、內摩擦角指標參數(shù)；c m、φ m為巖土體所發(fā)揮出來的粘聚力、內摩擦角指標參數(shù)；F r為折減系數(shù)。

計算中通過不同折減系數(shù)Fr對巖土體材料的c、φ進行折減試算，直到巖土體達到破壞狀態(tài)為止。坡體達到破壞狀態(tài)的標準為：位移突變；塑性區(qū)貫穿；計算不收斂。

2 強度折減法在ABAQUS中的實現(xiàn)

強度折減法是對c、φ進行折減降低，導致部分單元應力屈服，這些單元沿著某個面發(fā)生貫穿，即巖土體發(fā)生滑動破壞，邊坡失穩(wěn)

ABAQUS 中通過溫度場進行模擬這過程，具體實現(xiàn)過程見ABAQUS 強度折減法流程圖[7][8]，如圖1所示。

圖1 ABAQUS強度折減法流程圖

3 邊坡的穩(wěn)定性分析與評價

3.1 工程概況

根據(jù)該礦區(qū)邊坡的形態(tài)，按位置、邊坡級數(shù)，礦區(qū)邊坡分為四部分7 個典型剖面。文中選取其中一個典型邊坡剖面進行分析。邊坡高約36m，呈三級邊坡，每級邊坡高約12m，坡度約60°，坡間平臺寬約6m。邊坡安全等級為Ⅲ級，邊坡設計安全系數(shù)為1.15～1.10。

3.2 巖土材料參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場勘測資料，邊坡巖體主要為中等風化灰?guī)r，巖體力學性質指標如表1所示。

表1 巖土體力學性質指標

計算模型及網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 計算模型及網(wǎng)格劃分

取一級、二級、三級坡頂為特征點，記為A、B、C點。

3.3 邊坡穩(wěn)定性分析與評價

（1）邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

上述三種判別依據(jù)（計算收斂與否、特征點位移拐點、塑性貫通）下，進行邊坡穩(wěn)定性分析。

①以位移拐點為邊坡失穩(wěn)判據(jù)

從圖3、圖4 可以看出，A、B、C 點位移變化規(guī)律相同，在折減系數(shù)為1.0 處開始，位移增加速度加快，當折減系數(shù)達到1.14 時，A、B、C 點的位移出現(xiàn)急劇變化，快速變大，邊坡已失去穩(wěn)定性，達到破壞狀態(tài)。通過分析位移變化過程，折減系數(shù)為1.14 是位移變化的一個拐點。以A、B、C 點處的位移拐點為邊坡失穩(wěn)判別依據(jù)，圖中F=1.14 時判定坡體達到臨界破壞狀態(tài)。因此，邊坡的安全系數(shù)K=1.14。

圖3 特征點水平位移-折減系數(shù)曲線

圖4 特征點豎向位移-折減系數(shù)曲線

②以塑性區(qū)連通為邊坡失穩(wěn)判據(jù)

塑性區(qū)的發(fā)展變化隨折減系數(shù)的變化規(guī)律，如圖5 所示。開始階段塑性應變區(qū)位于各級臺階坡腳處，隨著強度的降低，塑性應變區(qū)范圍在擴大，逐步向上延伸，最終塑性應變區(qū)逐漸連通，坡體沿貫穿的塑性應變區(qū)處發(fā)生破壞。

圖5 塑性區(qū)發(fā)展隨折減系數(shù)的變化規(guī)律

通過分析塑性應變區(qū)發(fā)展隨折減系數(shù)的變化，可以發(fā)現(xiàn)，折減系數(shù)為1.138 時塑性應變區(qū)在各級臺階坡腳處形成，折減系數(shù)1.166 時，各級臺階的塑性應變區(qū)逐漸互相連通，折減系數(shù)1.180 時塑性應變區(qū)連通。F=1.180 時坡體達到破壞狀態(tài)，邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.18。

③以計算不收斂為邊坡失穩(wěn)判據(jù)

計算過程中發(fā)現(xiàn)，計算終止時，折減系數(shù)為1.180。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.18。

綜上所述，采用上述三種失穩(wěn)判據(jù)確定的邊坡安全系數(shù)介于1.14～1.18之間。

（2）邊坡滑動面確定和穩(wěn)定性評價

邊坡穩(wěn)定計算中，邊坡的潛在破壞面與邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)直接相關。邊坡位移增量云圖，如圖6所示。通過增量位移變化可以確定滑動面的位置。

圖6 位移等值線云圖

根據(jù)上述三種邊坡失穩(wěn)判據(jù)（位移拐點、塑性貫通、計算收斂與否）確定的邊坡安全系數(shù)介于1.14～1.18 之間?；痉显O計要求的安全系數(shù)1.10～1.15。因此，綜合判斷該露天礦山邊坡穩(wěn)定。

3.4 邊坡穩(wěn)定性評價存在的問題

在強度折減法判斷邊坡失穩(wěn)的極限狀態(tài)時，目前的三種判別依據(jù)（計算收斂與否、特征點位移拐點、塑性貫通）存在以下問題，計算收斂與否和單元類型、計算算法等多種因素有關；特征點、特征位移、塑性區(qū)貫通等的選擇判斷因人而異。因而，在分析時應綜合考慮這三個依據(jù)標準下的安全系數(shù)，綜合評價邊坡的穩(wěn)定性。

4 結論

（1）特征點位移拐點、塑性貫通、計算收斂與否均可作為邊坡失穩(wěn)的判別依據(jù)。

（2）三種邊坡失穩(wěn)判據(jù)確定的邊坡安全系數(shù)介于1.14～1.18之間，差別不大。

（3）該露天礦山邊坡安全系數(shù)滿足設計要求，該露天礦山邊坡整體穩(wěn)定。

（4）三種邊坡失穩(wěn)判據(jù)下的結果存在差異，對露天礦山邊坡穩(wěn)定性評價時需綜合考慮。