边坡稳定性分析

边坡稳定性分析

边坡稳定分析是土壤学的一个经典领域。极端平衡法是土壤肥力稳定分析的之一。极限平衡分析方法是将在滑动趋势范围内的边坡岩体沿某一滑动面切成若干竖条或斜条,在分析条块受力的基础上建立整个滑动岩体的力或力矩平衡方程,并以此为基础确定边坡的稳定安全系数。相对于边坡稳定性分析中的数值分析法,极限平衡法出现较早,发展较为成熟,在国内外的工程中多次使用。目前常用的二维极限平衡分析方法有:瑞典法(亦称作Fellenious法)、简化Janbu法、Bishop简化法、严格Janbu法、Morgenstern-Price法等,区别主要在于条间力假设。这些方法都是假定滑体各分条块在某种条件下在剪切面上都达到极限平衡状态,并将超载倍数或强度折减系数定义为边坡稳定的安全系数。Autobank软件可对土坝、堤防、涵洞、水闸等进行详细的分析计算,渗流、变形、应力、稳定计算一体化,各个计算阶段无缝结合。直接应用AutoCAD图形,全部图形化界面,操作简便,最大限度地提高工作效率;并且内部采用有限元技术和先进计算方法,使用内置的瑞典条分法、毕肖普算法、摩根斯顿法可对边坡稳定性进行计算对比。因此,本研究利用Autobank软件对水厂铁矿北采场边坡进行建模,在允许范围内变化其上下坡角的大小,通过Autobank软件中的三种算法算出各个情况下的安全系数,并做以对比分析。以此来分析坡角变化对边坡整体稳定性的影响,并针对现场工况寻找最优的上下坡角配比。1研究区地质特征水厂铁矿床位于迁安铁矿区北区西矿带上复向斜的东北端,复向斜由北山向斜、旧水厂背斜、南山向斜组成。褶皱轴北东端翘起,向南西倾伏,区内构造断裂发育,大小断层有40余条。矿区处于构造侵蚀类型的中低山地区,地势特征西南高,东北低。西部最高峰为将军墓岭,标高332.90m,采坑底标高-136.38m,地貌单元属低山丘陵地貌。矿区出露地层主要有:侏罗系砾岩、泥岩及火山熔岩,太古界迁西群组麻岩(黑云混合片麻岩组和辉石黑云斜长片麻岩组),第四系残坡积土。火山熔岩位于侏罗系后城组(J2h)的底部,与下覆的太古界地层为不整合接触关系,为似层状、透镜状至不规则状,厚度变化大,1线西南220m处至21线出露的火山熔岩为似层状、不规则状,9线以南30m处为透镜状,其它地段缺失。砾岩组以砾岩为主。灰白色,角砾状结构,层状结构。角砾成分主要有各种片麻岩,沉积岩、火山岩组成,硅质胶结,局部铁质胶结。地表岩石风化强烈,裂隙较发育,各向异性,RQD值62～88%,平均RQD值78%;线裂隙率0.13～0.21%,平均线裂隙率0.17%。泥岩组以泥岩为主。紫红色,泥质结构,中厚层状构造。岩心完整,多呈长柱状。失水后迅速干裂粉化,易破碎;遇水后迅速软化和膨胀,变成泥状。裂隙发育一般,各向异性,RQD值61～79%,平均RQD值70%;线裂隙率0.16～0.17%,平均线裂隙率0.17%。辉石黑云斜长片麻岩组以辉石黑云斜长片麻岩、辉石角闪黑云斜长片麻岩、黑云斜长片麻岩、石榴黑云变粒岩为主。灰白色-灰绿色,中粗粒结构,弱片麻状构造。岩心较完整,局部破碎。节理裂隙发育,各向异性,RQD值39～74%,平均RQD值62%;线裂隙率0.1～0.27%,平均线裂隙率0.17%。黑云混合片麻岩组以黑云混合片麻岩为主,浅部风化强烈,深部较完整,除风化裂隙外,裂隙发育一般,各向异性。RQD值45～93%,平均RQD值66%;线裂隙率0.13～0.34%,平均线裂隙率0.20%。浅部含风化裂隙水。第四系堆积物及人工填土由分布于采坑两帮范围地表的坡残积土及人工废石等组成,结构松散,含孔隙水且透水。通过现场取得的各类岩石样品的室内物理力学试验,得出如表1所示的边坡岩体的物理力学参数取值表。水厂铁矿地区属于地震活动多发地区,天然地震与爆破同时发生的可能性极小,因此,只在整体边坡稳定性计算中考虑天然地震,按7°地震烈度考虑,取水平地震影响系数为0.05。2角梯度对角稳定性的影响研究2.1坡脚角度及边坡模型本研究分别选取43、45、47°进行边坡剖面稳定性计算(项目在水厂铁矿北采场该段边坡进行边坡坡角开挖试验,监测从43～47°坡角的岩石应力情况。因此,本论文中模拟计算选取43、45、47°,跨度2°进行计算,具有代表性并有针对性,最后利用该次研究成果与监测数据作对比)。首先在Autobank中建立模型,为上下角均为43°(即为上下角均为43°),而后在模型中改变其坡脚角度(45°、47°)分别进行计算,如图2-1。边坡极限平衡分析采用瑞典法、毕肖普法和摩根斯顿法三种方法,利用Autobank软件建模。自重情况下,利用三种不同的极限平衡分析法计算43°坡脚的安全系数,如图2-2。由于露天矿边坡是非永久性边坡,而且是逐步形成的,最终边坡形成后保留的时间短,这些因素决定了边坡容许安全系数不必过大。考虑到露天矿边坡为岩质边坡,因此全部计算以摩根斯顿法为依据,其它方法为辅。通过边坡角的设置,利用瑞典法、毕肖普法、摩根斯顿法分别计算出45°、47°边坡角时的安全系数,整理对比如表2。如上表2所示,仅在自重应力作用下时,在坡脚变化对边坡稳定性有一定的影响,并且随着坡脚角度的增加使得稳定性慢慢下降,三种分析方法中均可得此规律,可以得出边坡角对边坡坡面的整体稳定性是有一定的影响的。2.2最佳边坡角确定通过对下边坡角的变化,利用瑞典法、毕肖普法、摩根斯顿法计算得出边坡在两种工况下的安全系数,整理对比分析如表3。通过表3可以看出,当上边坡角固定为(1)节中筛选出的最佳度数43°时,变化下边坡角角度同样对边坡整体稳定性造成影响。水和地震导致边坡极限平衡分析得出的结果较单纯自重工况下低,说明影响其边坡整体的稳定性。计算结果以摩根斯顿法为主,根据现场的需要,在水和地震的影响下选取安全系数在1.200以上的上下边坡角,可以从表3中看出,43/47°最为合适。3确定边坡制作系数3.1本次计算的剖面重点在西帮扩帮区域边坡坡底最低标高为-440m,边坡变化情况局部较大,应进行边坡角修正;对其他分区边坡变化较小的区域进行稳定性验算,可采用原设计边坡角。3.2通过多方案的优化计算,并综合考虑矿区地质构造、岩层性质和水文地质条件等因素,依据边坡设计规范规定的边坡安全系数最小应大于1.166。3.3边坡稳定性的两个主要影响因素:水和地震。从计算结果可以看出,水和地震对