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 066001)



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 066001)

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。

有限元法；岩质边坡；数值模拟与分析； 边坡稳定性

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[1-3]。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形破坏机制及其演变进行分析，模拟与分析采用的软件为midas 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[4-7]。

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17～35m，边坡坡脚约65～80°。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—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 (Q4pd )、素填土(Q4ml) 厚度0.3～0.5m、含碎块石粉质黏土(Q4el+dl)粒径50～150mm、基底为太古界黑云角闪斜长片麻岩(Ars)。

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 1.2～3.0m，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0.05g，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1.0m范围内的结构面组数，在0.2～0.4m平均间距范围内结构面组数8～12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Ⅳ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60°；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方向长度为240m，沿Y方向深度为100m，沿Z方向高度为50余米。混凝土喷混为板单元厚度0.15m，锚杆直径为0.025m。根据地质勘察资料，土层最上边一层为含碎石粉质黏土，第二层为强风化黑云角闪斜长片麻岩，第三层为中风化黑云角闪斜长片麻岩，最下层为微风化黑云角闪斜长片麻岩。

边坡开挖结合场地地质条件及当地施工经验，采用多级放坡开挖，每级边坡高度不大于10m，设置2m安全平台，单级坡比不大于2∶1，总坡度不大于60°，开挖从坡顶开始，由高到低顺序开挖，严禁逆作法施工。

边坡靠帮后，对可能滑动的较大岩块进行清理和主动防护钢丝网(SNS柔性防护网)进行临时防护，锚杆深度5m(岩体裂隙发育破碎位置，穿透破碎带，锚固在稳定岩体上)，锚杆间距10m(岩体破碎地段，适当加密，锚固在稳定岩体上)，视现场条件适当调整，并加强边坡检测，确保施工安全。喷混及锚杆模拟如图1所示。

该边坡工程地质和水文条件参考地质勘察报告，模型参数选用地勘资料提供数值，具体见表1。

表1 岩土主要物理力学指标参考值表

4 有限元计算模型的分析

由于岩体结构的复杂性，任何模拟软件都不可能绝对精确地模拟出岩体结构特征。岩质边坡稳定与否主要受结构面控制，岩体破坏一般应该发生在其抗剪强度最弱之处。[1]因此，本构模型能否真实地反映岩石物理力学性质、节理裂隙及主控结构面等情况，是判断计算模型分析结果是否准确的主要因素。本次计算分析依据的岩石物理力学参数和节理裂隙统计资料直接来自现场勘察，能够真实可靠地反映岩体结构特征，利用有限元强度折减法对边坡进行模拟，计算模型着重考虑起主要作用的结构面或节理组。岩质边坡受力多为压剪切状态，具有很强的塑性特征，采用塑性力学破坏机理可以更好地描述其变形破坏特征。本文结合工程实践，采用弹塑性有限元法和强度折减理论相结合的方法，利用模拟与分析软件midas GTS对边坡的破坏机理进行了数值模拟，通过软件求解边坡安全系数，在岩体结构面处能够模拟出结构面的不连续性，使分析结果更加切合实际。该方法同时考虑了地下水、边坡开挖和锚杆加固的共同作用，分析结果更加真实，实用性更强。

本次模拟分为三个工况，分别是：边坡在自然条件下的稳定性分析；边坡在放坡开挖之后的稳定性分析；边坡经过喷锚支护后的稳定性分析。

4.1 边坡在自然条件下的稳定性分析

边坡在自然条件下位移应变云图见图2。

通过分析，边坡在自然状态下安全系数为0.6016，已存在明显的滑动面，最大剪应变集中区即为滑动面，尤其在坡脚处剪应力达到最大值。从边坡有限元分析云图看出，坡体后部主要以竖向位移为主，但坡体前部出现了明显的水平位移，尤其是在坡脚略上的部位，水平位移更明显，边坡有滑动趋势。

4.2 边坡在放坡开挖之后的稳定性分析

边坡在放坡开挖之后位移应变云图见图3。

图1 开挖进行喷锚支护边坡稳定分析的有限元模型

图2 自然条件下总位移云图

图3 放坡开挖之后总位移云图

放坡开挖之后，边坡的安全系数为1.3828，较开挖之前明显提高。从云图可以看出放坡开挖后，仍然存在明显的滑动面，故需要进一步做喷锚支护处理。

4.3 边坡经过喷锚支护后的稳定性分析

边坡经过喷锚支护后位移应变云图见图4、图5。

图4 喷锚支护后总位移云图

图5 喷混应力云图

由分析结果可见，喷锚支护后的边坡安全系数为2.1203，整体位移连续且数值较小，锚杆轴力最大出现在滑移面处，与实际情况符合。可以考虑将出现轴力较大的锚杆进行适当调整，增加锚杆长度，或者加密锚杆，从而降低单根锚杆轴力。

5 结论

结合强度折减理论的有限元应力分析法对边坡的开挖支护过程进行数值模拟，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，与其他方法相比具有更强的实用性。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有效、经济合理。

[1] 郑颖人，赵尚毅，邓卫东.岩质边坡破坏机制有限元数值模拟分析[J].岩石力学与工程学报，2003,22(12)：1943-1952.

[2] 张军涛，谢建斌，姚激.岩质边坡稳定性的有限元分析和数值模拟[J].云南水力发电，2006,22(2):31-34.

[3] 赵尚毅，郑颖人，时卫民，等.用有限元强度折减法求边坡稳定安全系数[J].岩石力学与工程学报.2002,24(3)：343-346.

[4] 李亮辉，于飞，王平，等.顺层岩质路堑边坡稳定性有限元分析[J].岩石力学与工程学报，2004,23(增1)：4473-4477.

[5] 张林洪.结构面抗剪强度的一种确定方法[J].岩石力学与工程学报，2001,20(1):114-117.

[6] 朱维申,任伟中.船闸边坡节理岩体锚固效应的模型和应力场的岩体稳定分析的期望滑移路径方法[J].岩石力学与工程学报，2002,21(2)：151-157.

[7] 朱维申，张玉军.三峡船闸高边坡节理岩体稳定分析及加固方案初步研究[J].岩石力学与工程学报，199615(4)：305-311.

Numerical simulation and analysis of high rock slope based on the finite element method

MU Chuan-wei，HE Fang-wei，DEI Heng

(Shenkan Qinhuangdao Engineering &Technology Co.，Ltd.，China Metallurgical Group Corporation，Qinhuangdao 066001，China)

The stability of high rock slope is very important to the safety of its lower building and industrial site.Simulation and analysis on failure mechanism of rock slope by finite element strength reduction method is an effective way of analysis on reliable stability of rock slope.In this study，finite element stress analysis method which combined with strength reduction theory was used to numerically simulate excavation and support processes in west slope of Baiquan Iron ore mine，and can scientifically analyze mechanism of deformation and failure and evolution process of slope.This is a more practical method in which interaction of supporting and retaining structure such as anchor etc.and the effect of groundwater are synthetically considered，and can verify rationality of slope reinforcement measures.The physics and mechanics index of soil and rock accorded in simulating and analyzing on stability of slope are from engineering geological investigation report and more reliable，and the analysis result is practicable.The analysis result of slope stability can be applied to guide directly strengthening design of slope，to adjust size and layout of anchors in according with stress condition of rock slope，to make reinforcement measures of slope to be more safe，reliable，economic and reasonable.

finite element method；rock slope；numerical simulation and analysis；stability of rock slope

2014-09-10

母传伟(1970-)，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-mail：122335716@qq.com。

TU457

A

1004-4051(2015)09-0137-04