含有结构面岩石边坡抗滑稳定性模拟分析

2021-10-30李璐璐李守巨

黑龙江科学 2021年20期

王畅，李璐璐，李守巨

(1.大连海阳渔业工程规划设计研究有限公司，辽宁大连 116024； 2.大连理工大学工程力学系，辽宁大连 116024)

1 概述

岩石边坡的整体抗滑稳定性分析是边坡设计和施工的核心问题之一，在矿山工程、水利水电工程和建筑过程中，经常会遇到完整和带有结构面的岩石边坡的抗滑稳定性计算和评估问题。影响岩石边坡稳定性的因素包括：岩石的基本力学特性内聚力和内摩擦角；岩体结构面的产状及内聚力和内摩擦角；地下水的赋存状态和渗流特性；岩体的初始应力场和地震作用等。赵尚毅系统地介绍了采用有限元强度折减方法进行岩石边坡抗滑稳定性计算方法[1]。李守巨研究了地震作用下岩石边坡抗滑稳定性计算方法[2]。结合某岩石边坡工程案例，采用有限元方法模拟计算岩石边坡塑性区随安全系数增加的不断扩展过程，求得边坡极限状态下的安全系数；分析岩体内结构面的赋存状态对岩石边坡安全系数的影响。

2 完整岩石边坡抗滑稳定性分析

采用有限元数值计算方法，分析计算岩石边坡的安全系数是通过采用岩石抗剪强度指标折减方法来实现的。

CF=C/F

(1)

φF=arctan[tanφ/F]

(2)

式中，F为边坡的安全系数，C为岩石的内聚力，φ为岩石的内摩擦角，CF为折减后岩石的内聚力，φF为折减后岩石的内摩擦角。边坡安全系数的确定过程是通过不断增加安全系数F，直到有限元模拟计算不收敛为止。算例1如图1所示，为均质无结构面完整岩石边坡。边坡高度110 m，边坡角53°，弹性模量80 GPa，泊松比0.25，岩石密度2 500 kg/m3，岩石内聚力0.6 MPa，内摩擦角45°。有限元数值计算是在软件ANSYS17.0版本上完成的。有限元模型设定为平面应变类型，计算宽度1 m。ANSYS17.0版本已经不再支持PLANE82类型的单元及Drucker- Prager屈服准则，GUI无法定义该种单元及其属性，只能通过APDL完成。为了分析岩体的弹塑性区域分布特性，采用APDL语言定义岩层为二维实体单元类型：ET,1,PLANE82 ! 定义边坡岩石单元为二维实体单元。KEYOPT,1,3,2 ! 定义边坡岩石单元为平面应变类型。

图1 均质岩石边坡(1)极限状态(安全系数 F=3.30)的塑性区分布Fig.1 Distribution of plastic zone of homogeneous rock slope(1) in limited state (F=3.30)

从图1中可以看出，无结构面的完整岩石边坡极限状态下滑弧的形态近似为圆弧，并且滑弧通过边坡的坡脚，其安全系数为3.30。

3 含有结构面边坡抗滑稳定性模拟分析

算例2如图2所示，为含有结构面的岩石边坡。岩石的基本力学参数与算例1相同，结构面与岩石边坡平行，距离边坡10 m，内聚力0.0 MPa，摩擦系数0.5。定义结构面的相邻两条线为标准接触形式。

图2 含有结构面岩石边坡(2)极限状态(安全系数 F=2.25)的塑性区分布Fig.2 Distribution of plastic zone of rock slope with structure face(2) in limited state (F=2.25)

从图2中可以看出，由于结构面的存在，使得边坡的安全系数从3.30下降到2.25，安全系数下降了32%；极限状态下滑移面的形状不再是圆弧状。算例3如图3所示，为含有结构面的岩石边坡。岩石的基本力学参数与算例2相同，结构面与岩石边坡平行，距离边坡20 m。

从图3中可以看出，由于结构面的存在，使得边坡的安全系数从3.30下降到2.38，安全系数下降了28%。比较算例2与算例3可以看出，结构面的位置对边坡安全系数有较明显的影响。算例4如图4所示，为含有结构面的岩石边坡。岩石的基本力学参数与算例1相同，结构面与岩石边坡接近垂直，内聚力0.0 MPa，摩擦系数0.5。