三维有限元法强度折减法在某岩质边坡加固中的应用.pdf

第 2 4卷第 9期 2 0 1 5年 9月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo1 2 4， NO 9 S e p 201 5 三维有限元法强度折减法 在某岩质边坡加 固中的应用 母传伟，何方维，裴 恒 ( 中冶沈勘秦皇岛工程技术有限公司，河北 秦皇 岛 0 6 6 0 0 1 ) 摘要 ：高大岩质边坡 的稳定性对其 下部 建筑 物和工业 场地 的安全 至关重 要 ， 有限元 强度折减 法数 值模拟分析岩质边坡破 坏机制是一条对岩质边坡稳定性进行可靠分析 的有 效方法 。文 章结合强 度折减理 论的有限元应力分析法对柏泉选 厂西边坡 的开挖支 护过程进 行 了数 值模 拟 ， 能够科 学分析边 坡 的变 形破 坏机制及演变过程 。该方法把锚 杆等支挡结构 的共 同作用 和地下 水 的影 响统一 考虑 ， 从而 可 以验 证边坡 加 固措施 的合理性 ， 与其他方法相 比实用性更 强 。边坡稳 定模 拟分析 所依据 的岩土 物理力 学参数来 自工 程地质勘察报告 ， 数据真实可靠 ， 分析结 果切合 实际 。边坡 稳定性 分析结 果直接 指导 边坡加 固设计 ， 根据 边坡 岩体应力 情况调整锚杆规格和布局 ， 从 而使边坡 加固措施 更加安全可靠 、 经济合理 。 关键 词 ：有 限元法 ；岩 质边 坡 ；数值 模拟与分析 ； 边坡稳定性 中图分类号 ：T U4 5 7 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 4 - 4 0 5 1 ( 2 0 1 5 ) 0 9 0 1 3 7 - 0 4 Nu me r ic a l s im u l a t io n a n d a n a l y s is o f h ig h r o c k s l o pe b a s e d o n t h e f in it e e l e me n t me t ho d M U Chua n - we i， H E Fa ng - we i。 DEI He n g ( S h e n k a n Qi n h u a n g d a o E n g i n e e r i n gTe c h n o l o g y C o ，Lt d ， C h in a Me t a l l u r g ic a l Gr o u p Co r p o r a t i o n，Qi n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 1 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Th e s t a b il it y o f h ig h r o c k s l o p e is v e r y imp o r t a n t t O t h e s a f e t y o f it s l o we r b u il d in g a n d indu s t r ia l s it e Simul a t ion an d a na l ys is o n f a il u r e me c h a nis m of r oc k s l o pe by f in it e e l e me nt s t r e ng t h r e d u c t io n me t h o d is a n e f f e c t iv e wa y o f a n a l y s is o n r e l ia b l e s t a b il it y o f r o c k s l o p e I n t h is s t u d y ， f in it e e l e me n t s t r e s s a n a l y s is me t h o d wh ic h c o m b in e d wit h s t r e n g t h r e d u c t io n t h e o r y wa s u s e d t O n u me r ic a l l y s imul a t e e xc a v a t io n a nd s u ppo r t pr o c e s s e s in we s t s l ope o f Ba iq ua n I r o n or e mine，a n d c a n s c ie n t if ic a l l y a n a l y z e me c h a n is m o f d e f o r ma t io n a n d f a il u r e a n d e v o l u t io n p r o c e s s o f s l o p e Th is is a mo r e p r a c t ic a l me t h o d in wh ic h in t e r a c t io n o f s u p p o r t in g a n d r e t a in in g s t r u c t u r e s u c h a S a n c h o r e t c a n d t h e e f f e c t o f g r o u n d wa t e r a r e s y n t h e t ic a l l y c o n s id e r e d， a n d c a n v e r if y r a t io n a l it y o f s l o p e r e in f o r c e me n t me a s u r e s Th e p h y s ic s a n d me c h a n ic s in d e x o f s o il a n d r o c k a c c o r d e d in s imu l a t in g a n d a n a l y z in g o n s t a b il it y o f s l o p e a r e f r o m e ngine e r ing g e ol o gic a l in ve s t ig a t io n r e p or t a nd mo r e r e l ia b l e，a nd t he a na l ys is r e s u l t is p r ac t ic ab l e The a n a l y s i s r e s u l t o f s l o p e s t a b i l it y c a n b e a p p l ie d t O g u i d e d ir e c t l y s t r e n g t h e n i n g d e s i g n o f s l o p e ， t O a d j u s t s i z e a n d l a y o u t o f a n c h o r s in a c c o r d in g wit h s t r e s s c o n d it io n o f r o c k s l o p e ， t O ma k e r e in f o r c e me n t me a s u r e s o f s l o pe t o be mo r e s a f e， r e l ia bl e， e c o nomic a n d r e a s on a bl e Ke y w o r d s ： f in it e e l e me n t me t h o d ； r o c k s l o p e ； n u me r ic a l s imu l a t io n a n d a n a l y s is ；s t a b il it y o f r o c k s l o p e 均匀土质边坡 可以通过优化方法搜 寻潜在滑 移面 ， 其 稳定 性 分 析 方 法 有 滑 移线 场 法 、 极 限 分 析 法 、 极 限 平 衡 法 。 由于 岩 质 边 坡 内 部 蕴 含 各 种 构 收稿 日期 ：2 0 1 4 0 9 1 0 作者简介 ：母传伟( 1 9 7 O 一) ， 男 ， 教 授级高 工， 中冶沈勘 秦皇 岛工程 技术 有限公 司矿山设 计院 副院长 ， 总 工程师 ， 主要研 究方 向为采 矿 与总 图运输 。E ma i l ： 1 2 2 3 3 5 7 1 6 q q c o rn。 造 ， 比如节理 、 裂 隙、 结 构层 、 断 裂带 等 ， 从 而 产生 大量 不联 系 结 构 面 ， 而 且 结 构 面 构 造 和 性 质 各 异 ， 采用常规极 限平 衡法 只能求 出边坡 应力 和位 移 ， 但难 以找到潜 在 滑移 面 ， 计 算不 出安 全 系数口 。 传统方法进行的岩质边坡稳定性分析结 果就很难 跟实际相符 。本文依据 工程地质勘察所 提供 的数 据资料 ， 采用有 限元 法对边 坡 的开 挖支 护过程 进 行数值模拟 ， 结 合有 限元强度 折减 理论 对边坡 变 1 3 8 中 国 矿 业 第2 4 卷 形破 坏 机 制 及 其 演 变 进 行 分 析 ， 模 拟 与 分 析 采 用 的软件为 mi d a s GTS ， 研究加 固前高边坡岩体位移 和内力变化 ， 同时对加 固后 的边坡 进行稳 定性 分 析计 算 ， 验 证 对 该 边 坡 采 用 锚 杆 喷 混 加 固 是 否 合 理 。 1 工程概 况 拟分析的边坡 为河北钢铁集 团柏 泉铁矿新建 磨矿 仓西 侧边 坡 ， 位 于 承德 市 平 泉 县西 。工 程 场 地 属低 中山侵蚀沟谷斜坡地貌 ， 沟谷南北走 向， 谷底 地势南高北低 ， 磨矿仓建 于山谷西侧 山坡 上， 磨矿 仓西侧为开挖 的山体 岩质边坡 。岩质边 坡开挖高 度 1 7 3 5 m， 边坡坡脚约 6 5 8 O 。 。坡顶表层为第 四系覆盖 层 ， 主要 成 份 为 崩 落 的岩 石 堆 积 物 ， 含 有 少量 的粉 土 ， 岩石 主 要 为黑 云 角 闪 斜 长 片麻 岩 。该 边坡 所在 区域 无大 的 地 质构 造 和 断 层 穿过 ， 但 其 受 尚义一平泉深断裂影 响， 边坡节理裂隙较发育 。由 于边坡采用爆破崩岩和机械开挖 ， 岩体完整性受破 坏 程度较 大 ， 多处 顺 坡 节 理 发 育 ， 在崖 壁 上 存 在 多 处 危岩 。 2地质 条件 2 1 工程地质条件 开挖山体岩质边坡 未见断层存在 。根据工程 地质 调查 ， 场地 内 出 露 地 层 主 要 有 ： 第 四系 全 新 统 耕 植 填 土 ( Q4 p d) 、 素 填 土 ( Q 4 m1 )厚 度 0 3 0 5 m、 含 碎 块 石 粉 质 黏 土 ( Q4 e l 4 - d 1 ) 粒 径 5 0 1 5 0 mm、 基底 为太 古界 黑云 角闪斜 长片 麻岩 ( Ar s ) 。 节 理裂 隙 极 发 育 ， 主 要 以构 造 节 理 为 主 ， 风 化 节理裂隙较少， 非构造节理裂 隙面平直光滑 ， 沿长、 延 深在 1 2 3 0 m， 节 理 面未 见有 矿 物 变质 泥 化 现 象 ， 及铁 锰 质 充 填 物 。节 理 形 式 以 剪 节 理 为 主 ， 顺 坡 节理 发育 ， 逆坡 节 理 较 少 。 由于 边 坡爆 破 作 业 造 成节理裂隙相互交错 ， 岩体被切割成大小不等 的结 构 体 。 区 内地 震动 峰 值 加 速 度 为 0 0 5 g ， 对 应 的 抗 震 设 防烈度为 6 。 。 2 2 水文 地质 条件 1 ) 地 表 水 。调 查 期 间 属 于秋 季 ， 未 见 地 表 水 。 开挖 的岩 质 边 坡 顶 部 山 体 植 被 欠 发 育 。少 量 降雨 将渗到岩体， 可能会对边坡构成冲刷破坏 。 2 ) 地下水 。场地 内地下 水主要为 断层 破碎带 的构造裂隙水和山体基岩风化裂隙水。 2 3 边 坡稳 定性分 析 该 边坡存 在发 育 危 岩 ， 主 要 为 裂 隙切 割 的 小结 构体、 大结构体以及破碎的小岩块组成。坡面不规 整 ， 存在 多 处 凹 向坡 面 的 凹坑 和 突 出坡 面 的岩 石 ， 易引发掉块或局部塌落现象 。根据 节理赤平投影 图 ， 对边 坡结 构 面进 行 了抽 样 统 计 ， 从 抽 样 调 查 的 主控结构体的稳定性分析结果可知， 结构体存在滑 动可能性， 安全 系数 不满足要求 ， 围岩压力使结构 体暂时处于稳定状态 ， 在长期外界荷载扰动作用和 雨 水入 渗及静 水压 力 作 用下 ， 结构 面 内摩擦 力 将 会 减弱， 造成结构体滑 动， 进而引发坡 面的牵连滑动 而使边坡失稳 。 对 该边坡 选 取 两 段 1 0 m 范 围 内 的 结 构 面 组 数 ， 在 0 2 0 4 m平 均 间距 范 围 内结构 面组 数 8 1 2 组 ， 结构 面 结 合程 度 差 ， 结 构 面 类 型 主 要 为 裂 隙 和裂隙块状结构， 岩体较为破碎 。 2 4 边 坡稳定 性评 价与 边坡加 固措 施 评 价认 为该边 坡 安全 等 级 为 2级 ， 岩 体基 本 质 量 等级 为 和 V； 结 构 面 节 理 裂 隙发 育 ， 节 理 面 结 合差 ， 坡 面 凹凸不 平 ； 危害属 于危 岩、 掉块或 局部 滑塌 。 建 议加 固措 施 ： 对 该 边 坡 削 坡 和 分 台 阶 放 坡 ， 使整体坡度不大于 6 0 。 ； 进行坡面修整 ， 清理坡面危 岩及可能下滑的主控结构体； 对局部 凹坑进行浆砌 石贴坡 面补 砌 ； 全 坡面锚 杆 喷砼挂 网封 闭 。 3 有 限元 计算模 型 的建立 通过计算边坡各点 的安全系数来判断高边坡 的稳定 性 ， 为边坡 开挖 和 加 固 提供 理 论 指 导 。有 限 元计算 模 型 如 图 1所 示 。模 型 沿 X 方 向长