岩质边坡稳定性计算范文

《金属矿山杂志》2014年第七期

1计算参数选取

要准确地判断边坡稳定性，不管是运用通常的极限平衡法还是有限元等其他的数值算法，都必须获取边坡岩体相关的强度参数，因此强度参数的获取对边坡岩体工程的变形预测和稳定性评价就显得至关重要，为此设计了完善的现场测试和室内试验。

1．1现场测试现场测试包括声波检测、数字钻孔摄像工作和地表结构面调查。声波检测对岩体波速进行测量以此得到该段岩体完整性系数，2号孔声波检测结果见表1。数字式全景钻孔摄像对钻孔进行孔内摄像，以查明边坡的地质情况以及钻孔内的岩体节理裂隙、构造迹象、主要岩层结构面以及断裂破碎带等，并对其进行分析和统计，2号孔摄像局部结果见图2。地表结构面调查对出露地表的不连续面进行产状和密度测量，结合数字钻孔摄像的测量结果确定优势结构面及其产状和密度，50°∠70°节理裂隙照片见图3。

1．2室内试验室内试验分为岩块物理试验和岩块力学试验。岩块物理试验包括密度、重度、含水率试验和吸水性试验，获得了中风化片麻岩的密度、重度、天然含水率和自然吸水率等基本物理参数。岩块力学试验包括单轴抗压强度试验、三轴压缩强度试验和结构面直接剪切强度试验，获得了片麻岩的弹性模量、泊松比、单轴抗压强度，三轴抗压强度和剪切强度等基本力学参数。片麻岩试样见图4，片麻岩三轴压缩应力－应变试验曲线见图5。本次进行了1个试样的剪切试验，分别进行4次抗摩擦试验，对应的正应力大小依据工程实际和结构面情况分为1．5、2．9、4．6和6．0MPa。试验后结构面见图6，根据试验后破坏岩样可以看出，试件的最终破坏按试件结构面破坏。图7为结构面剪切应力－剪切变形曲线。

1．3计算参数确定以岩块的试验成果和已有的岩石力学参数为基础，综合以上岩体基本质量指标BQ计算、Hoek－Brown经验方程估算和折减系数法等3种取值方法，充分考虑岩体节理裂隙，断裂构造等因素的影响，给出建议采用的西边坡岩体力学参数和结构面参数分别见表2和表3。

2计算结果与讨论

2．1FLAC3D计算结果FLAC3D有限差分模型共建有70213个单元，23876个节点。在本次数值模拟中使用了节点速度约束条件，约束模型四周及底部的节点速度值，完全约束Y方向的节点速度，即按平面应变问题分析该问题，坡面为自由边界。为考虑产状为52°∠70°优势结构面的影响，计算中岩体力学模型为Ubiquitous－Joint模型，该模型是Mohr－Coulomb弹塑性模型的衍生模型，充分考虑了因岩体中存在层面而导致的显著各向异性。目前，强度折减法主要应用于Mohr－Coulomb准则，本研究将进一步推广其在Ubiquitous－joint准则中的应用。利用自编的FISH程序实现了强度折减法在力学模型Ubiquitous－joint中运用，在强度折减法实施过程中，同时对岩石黏聚力、内摩擦角和结构面黏聚力、内摩擦角进行折减。计算收敛准则为不平衡力比率［11］(节点平均内力与最大不平衡力的比值)满足10－5的求解要求，自编强度折减系数的精度为0．01。根据自编强度准则求得西边坡安全系数为1．98，计算结果如图8～图10所示。由图8～图10可知，边坡破坏时的最大剪应变增量为4．53×10－3，位于坡脚处。边坡破坏以岩石剪切屈服和结构面滑移破坏为主，塑性区由坡脚延伸到坡顶部，形成贯通的塑性区，滑坡前缘以岩石的剪切屈服破坏为主，后缘以结构面剪切滑移破坏为主，后缘顶部出现拉伸破坏，边坡破坏时的最大位移为0．173m，位于靠近坡脚的边坡表面。综合图8～图10可知，边坡的潜在破坏模式为前缘滑动牵引后缘拉伸破坏。

2．2UDEC计算结果UDEC离散元模型共建有87724个单元，52407个节点。在本次数值模拟中使用了节点速度约束条件，即约束模型四周及底部的节点速度值，坡面为自由边界。计算中考虑1组结构面的影响，即产状为52°∠70°优势结构面，如图1所示。计算中岩石力学模型为Mohr－Coulomb弹塑性模型，节理力学模型为Coulombslip模型。根据UDEC自带的强度折减程序计算的边坡安全系数为2．02。边坡破坏时的最大位移为0．148m，与FLAC3D的计算结果相差不大，最大位移同样位于靠近坡脚的边坡表面。边坡失稳破坏时，滑坡后缘节理发生明显错动，最大错动位移达0．066m。边坡破坏同样是前缘岩体剪切屈服和后缘结构面滑移破坏，边坡前缘岩体首先发生剪切屈服破坏。塑性区分布图如图11所示，潜在滑动面如图12所示。

2．3极限平衡计算结果采用简化Bishop法计算岩质边坡折减滑动破坏，简化Bishop法是英国著名土力学专家A．W．Bishop［12］提出的边坡稳定计算方法，被认为是计算圆弧滑动面安全系数最好的方法，学者［13］把简化Bishop法推广到非圆弧滑动面安全系数的求解上，用于非圆弧岩质边坡极限平衡分析。运用加拿大RocScience公司开发的SLIDE软件计算西边坡的安全系数。针对极限平衡无法计算结构面影响下边坡的安全系数，提出运用薄层材料来模拟结构面，从而利用SLIDE软件计算出优势结构面作用下西边坡的安全系数，解决了极限平衡无法计算结构面存在的情况下边坡的安全系数的问题。计算结果如图13、图14所示，圆弧搜索和非圆弧搜索计算的边坡安全系数分别为2．131和2．046。2．

3讨论

通过上述3种方法的计算结果可知，仅考虑1组节理影响的情况下，有限差分法、离散单元法以及极限平衡法的计算结果具有一致性，3种方法计算的边坡安全系数相差不大，极限平衡法计算结果略大于离散单元法，有限差分法的计算结果最小。其原因是有限差分计算中采用的是Ubiquitous－Joint模型，计算中节理的间距为0，这样就加大了节理对边坡稳定性的不利影响，造成计算结果偏于保守。3种方法计算的西边坡的潜在破坏模式也是一致的，都是前缘岩石剪切屈服和后缘结构面滑移破坏，近似牵引式滑坡。从计算效率上来说，本研究所提的极限平衡法效率要远大于其他2种方法，而自编强度折减程序的有限差分方法的计算效率又要大于离散单元法。从3种软件的适用范围上来说，FLAC3D(有限差分法)仅能求解含有1组结构面的问题，SLIDE(极限平衡法)对于求解含有1组结构面的问题较为方便，若含有多组结构面，就不易运用该软件，UDEC(离散单元法)适用于多组结构面的情况。

4结论

(1)矿山西边坡的潜在破坏模式为前缘岩石剪切屈服和后缘结构面滑移破坏。(2)针对含1组优势结构面的岩质边坡，有限差分法、离散单元法和极限平衡法的计算结果具有一致性。(3)用薄层材料模拟结构面，进而根据极限平衡法计算出含1组结构面的岩质边坡的安全系数的方法是可行的，并且该方法的计算效率要远大于其他方法。

作者：王剑陈从新郑允单位：中国地质大学(武汉)资源学院中国科学院武汉岩土力学研究所