離心加載法在邊坡穩(wěn)定性分析中的應用

c在邊坡穩(wěn)定性分析中的應用
                                                      李澤，董馳峰
    （內(nèi)蒙古大唐國際錫林浩特礦業(yè)有限公司勝利東二號露天煤礦，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）
    摘要：基于離心加載法的原理，應用RFPA-Centrifuge軟件對某露天礦邊坡的變形及破壞過程進行了數(shù)值試驗研究，再現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)的動態(tài)過程。根據(jù)數(shù)值試驗所得出的模擬結果，分析得出了該邊坡最危險滑動面的形成機制，為邊坡失穩(wěn)的預測及防治提供科學依據(jù)。
    關鍵詞：邊坡；離心加載法；邊坡穩(wěn)定性；RFPA-Centrifuge；數(shù)值試驗；最危險滑動面
    中圖分類號：TD 824.7文獻標識碼：Ｂ文章編號：１６７１－９８１６（２０10）S1－００12－０4
    1·引言
    人類遇到的邊坡種類繁多，如山區(qū)的自然邊坡、水庫河流岸坡、土建挖方工程邊坡、露天礦及采石場的邊坡等。各種邊坡均有其自身特點。
    露天礦邊坡主要有以下特點：邊坡較高，常達數(shù)百米；走向較長，常達幾公里。如撫順西露天煤礦、阜新海州露天煤礦的設計采深分別達480 m和360 m，走向長分別為6.4 km和4.0 km。因而露天礦邊坡揭露的巖層多，邊坡各部分地質(zhì)條件差異大，變化復雜。
    露天煤礦邊坡巖石主要是沉積巖，層理明顯，軟弱夾層較多，巖石強度較低。我國有些露天煤礦的土質(zhì)邊坡較高，斷層、節(jié)理等較發(fā)育，構造復雜。至于排土場邊坡，則是由破碎的巖石和表土堆積而成。
    露天礦邊坡變形破壞的形式主要是滑坡。露天煤礦的滑坡主要沿層面、軟弱夾層，其次是沿斷層、節(jié)理發(fā)生?；瑒用嫦虏窟€往往切斷巖層。沿層面、軟弱夾層、斷層的滑動面較明顯，而沿節(jié)理與切斷巖層部分的滑動面則不明顯。露天金屬礦的滑坡常沿節(jié)理、斷層，有時亦沿層面發(fā)生。
    露天礦邊坡是開挖工程形成的邊坡，邊坡巖體較破碎，而且一般不加維護，因而易受風化作用的影響。露天礦采場每日頻繁地進行爆破作業(yè)，邊坡上常有運輸設備運行，因而邊坡常受震動影響。而且運輸設備重量越來越大，臺階上載荷有日益增大的趨勢。
    露天礦最終邊坡由上至下是逐漸形成的，上部和下部的服務年限不同。上部邊坡可達幾十年，下部邊坡則為十幾年或幾年，最底下的臺階邊坡在采礦結束后即可報廢。未到界的邊坡是臨時性的，其服務年限較短。至于排土場邊坡，其空間位置大都隨排土工程的推進而經(jīng)常變化。
    露天礦邊坡的不同地段要求達到的穩(wěn)定程度不同：當邊坡上部地表有重要建筑物，不允許發(fā)生變形時，要求的穩(wěn)定程度最高；邊坡上有站場、運輸路線、下部有開采作業(yè)時，要求的穩(wěn)定程度亦較高；對生產(chǎn)無甚影響，且邊坡上無建筑設施時，穩(wěn)定程度可低些，甚至不考慮其穩(wěn)定性。
    隨著人類工程活動日益頻繁，規(guī)模日益增大，滑坡已成為全球性的主要地質(zhì)災害之一。為了更有效地預防和整治滑坡，就必須對其發(fā)生的機理和發(fā)展變化的基本規(guī)律進行深入細致地研究。以往人們曾進行過大量現(xiàn)場調(diào)查、勘探、觀測和試驗工作，對滑坡產(chǎn)生的條件、因素、動態(tài)規(guī)律的認識，以及有效防治措施等，都積累了豐富的經(jīng)驗。但是現(xiàn)場實體試驗由于投資巨大、費時費力、重現(xiàn)性差，較難進行破壞性試驗，而且有些現(xiàn)象在現(xiàn)場也難以觀察。因此，在滑坡機理的研究上，許多研究人員建立與現(xiàn)場相似的物理模型來進行室內(nèi)模型試驗研究[1]。本文的目的是應用數(shù)值試驗方法，通過分析試驗結果，得出邊坡巖體破壞的發(fā)生機理以及最危險滑動面的形成機制，以為今后的理論研究提供參考依據(jù)。
    2 ·RFPA-Centrifuge基本原理[2，3]
    離心加載法中的安全系數(shù)是超載儲備安全系數(shù)，即將載荷（主要是自重）增大K倍后，坡體達到極限平衡狀態(tài)。按此定義有：
                
    RFPA-Centrifuge就是將細觀基元的自重以線性關系、按一定步長逐漸增加，每增加一次，有限元計算程序?qū)⑦M行迭代計算，尋找外力與內(nèi)力的平衡，同時進行破壞分析，直至邊坡宏觀破壞，求得數(shù)值模型的滑動破壞面，以獲得最大破壞單元數(shù)的計算步作為邊坡失穩(wěn)的臨界點，計算相應的安全系數(shù)。安全系數(shù)定義為模型失穩(wěn)時單元自重與初始單元自重的比值：
                
    式中，S為基元破壞數(shù)最大時的加載步數(shù)，Δ為步長，γ為自重。
    3·應用實例
    根據(jù)某露天礦采場邊坡的某一地質(zhì)分區(qū)實際條件建立如圖1所示的初始數(shù)值模擬模型（亮度高表示彈性模量大），計算至36步時邊坡破壞。本研究采用的步長Δ為0.01，則K=1.358。從模擬得出的一系列應變帶云圖可以看出，滑坡的發(fā)生并不是一蹴而就，而是在不斷尋求力學平衡的過程中，經(jīng)過微裂隙發(fā)生、擴展直至貫通的過程。
               
    圖2中的a、b、c為計算過程中幾個典型的應變帶云圖。其中圖2 a表示部分巖體單元的剪應力超過其抗剪強度發(fā)生破壞而產(chǎn)生局部小裂隙；圖2 b表示剪應力超過巖體單元抗剪強度的巖體單元增多而使小裂隙擴展并逐漸連通；圖2 c則表示大面積巖體單元的裂隙貫通而形成滑面，滑坡發(fā)生。
                
    位移場（圖3）反映了巖體變形、位移情況，明顯反映出滑體及滑面的具體形狀，與剪應變帶變化云圖反映出的滑面形狀基本一致；滑體上部近似圓弧滑面，滑體下部沿弱層滑動。
    由各個計算步時坡頂面及坡面的位移曲線的變化可以看出，起初在坡頂面和坡面各巖體單元的位移都保持較好的連續(xù)性，如圖4和圖5中的a、b、c，當滑坡發(fā)生時，滑體的水平位移和下沉都較明顯，并且各巖體單元的位移量顯示出相對的非線性，并且在滑坡發(fā)生時坡體部分巖體位移產(chǎn)生突變現(xiàn)象。

    4·與剛體極限平衡法的對照
    為了驗證該數(shù)值試驗的正確性，本文采用工程中廣泛應用的剩余推力法對邊坡的穩(wěn)定性進行計算，求得的安全系數(shù)為1.32，和數(shù)值試驗結果相差0.03；圖6所示為最危險滑動面的位置，其滑面形狀和數(shù)值試驗結果（圖2和圖3）有較好的相似性。
                 
    5·結論
    （1）RFPA-Centrifuge試驗說明，是經(jīng)過微裂隙發(fā)生、擴展直至貫通逐漸形成的，滑坡前邊坡巖體的位移呈相對穩(wěn)態(tài)增加，直到相鄰兩點間的位移發(fā)生突變，滑坡發(fā)生。
    （2）基于離心加載法，應用RFPA2D模擬了邊坡失穩(wěn)的整個動態(tài)過程，其結果與剩余推力法基本一致，說明RFPA-Centrifuge模擬邊坡失穩(wěn)非常直觀，可以作為評價邊坡穩(wěn)定性的一種有效手段。
    參考文獻：
    ［1］任偉中，陳浩.滑坡變形破壞機理和整治工程的模型試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2005，24（12）：2 137-2 141.
    ［2］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.人民交通出版社，2005，24（12）：2 137-2 141.
    ［3］唐春安，唐烈先，李連崇，等.巖土破裂過程分析RFPA離心加載法［J］.巖土工程學報，2007，29（1）：71-76.