基于力学试验和三维模拟下的破碎岩体边坡稳定性分析

孙 贝，王 鹰，田 闯

(中冀建勘集团有限公司，河北 石家庄 050200)

0 引言

边坡稳定性问题一直以来都受到国内外学者的大量关注，近年来很多学者对其进行了大量研究。例如：冯文凯[1]等研究了高烈度地震区节理裂隙发育的岩质边坡的稳定性，同时提出了采用残余变形率对露天台阶式组合边坡的地震裂变累计的研究规律；黄亮[2]采用非线性有限元分析法和多重网格法对水电站边坡进行的大量的研究，研究结果显示开挖对边坡浅层的安全影响较小，深层的影响较大。本文采用力学试验和三维数值计算的方法对破碎岩体边坡稳定性进行综合分析。

1 工程概况

某矿山为石灰岩矿山，该矿山处于西南某地区，常年受降雨影响，该地区岩体节理裂隙发育，岩体呈现出大量破碎现场，又因为该矿山为沉积岩，岩体中存在很多的软弱结构层，其中以部分泥岩、页岩居多。该地区的地质条件在后期的生产中受开采条件的影响，边坡时常有浮石冒落，边坡岩体呈现出极不稳定的特点。为满足现场施工生产，科学指导现场的安全施工，需对该破碎边坡进行稳定性分析。

2 力学试验

根据现场实际情况，该矿山的岩质边坡节理裂隙发育，后期在岩浆岩的入侵下，岩体变的支离破碎，且该地区降雨量丰富，在大气降水的影响下，水流沿着岩体裂隙浸入到岩体中，对岩体产生了不同程度的破坏，组成岩体的岩石在水的作用下，发生了不同程度的变化，因此需对该破碎岩体的岩性特征进行力学测试。通过现场采样并通过切割机将岩样切割成块，如图1所示，而后进行力学试验，试验结果如图2所示。

图1 试验前准备的样本

图2 单轴抗压试验曲线(部分图件)

由图2可知，岩石物理力学性质存在很大的差异，各个方向的岩石性质均不一样，且试验过程中出现4次破坏状态，同时出现了4次峰值，由此可知，岩石具有极强的不均质性。同时根据图2可知该岩石的单轴极限抗压强度约为60.02 Mpa，弹性模量为约为19.76 GPa。

3 岩体的质量评价

根据非煤露天矿边坡工程技术规范》(GB 51016-2014)，将试验所得的数据以及规范中不同条件下的节理裂隙的相应参数对边坡岩体的质量进行综合评价。经计算得到该破碎岩体的相应参数，如表1所示。

表1 破碎岩体边坡物理力学参数

4 破碎岩体边坡的变形规律

由于FLAC3D数值模拟软件通常被应用在工程地质问题之中，是目前最常用的研究地质条件的软件之一，具有较大的权威性，因此本文采用FLAC3D数值模拟软件对破碎岩体边坡的变形规律进行研究。模拟中采用摩尔-库伦弹塑性[3-4]本构模型，对边坡进行分析。

4.1 自然状态的边坡的位移分析

根据现场的时间工程地质条件，采用FLAC3D数值模拟软件建立三维地质边坡计算模型，并对边坡的水平位移和边坡的最大主应力进行计算，研究在自然状态和暴雨两种条件下的边坡的应力应变特征。

从图3可以看出，露天台阶边坡水平位移方向指向临空面，单位为正，最大水平位移约为11.71 mm，主要集中在台阶坡面处，边坡整体未出现大的位移。

图3 自然状态下边坡水平形变量

4.2 暴雨条件下边坡的位移分析

从图4可以看出，边坡开挖结束后，在暴雨工况下，岩体受降雨和渗流作用的影响，力学强度降低，出现水平方向的最大位移量约为11.84 mm，方向指向坡外，单位为正，与自然工况相比在暴雨作用下台阶坡面水平位移增加了0.13 mm，主要集中在台阶坡面处，边坡整体未出现大的位移。

图4 暴雨状态下边坡水平形变量

5 边坡安全系数计算

5.1 极限平衡法的原理

边坡安全系数的计算采用极限平衡法的Slide数值摸软件进行，其原理为：

露天矿开采形成的最终台阶形边坡的的力学解析图如图5所示，安全系数的计算方法为：

图5 台阶形边坡力学解析图

(1)

(2)

式中：l表示BC间的距离，将式(1)带入式(2)，可得：

(3)

滑体自重W可表示为：

(4)

(5)

类似折线形边坡，取

(6)

利用式(1)～式(3)可得台阶形边坡的安全系数F、最不利的滑面倾角α0及最小安全系数Fmin。

5.2 模拟结果

暴雨对边坡的影响主要表现在以下几个方面：

(1)降雨使土体的水膜加厚，使得土颗粒的距离增加，土体的抗剪强度变低；

(2)降雨使得土体的c,φ值降低；

(3)降雨对边坡表面有冲击作用；

本次在用Slide分析边坡稳定性的时候，首先考虑的是土体的c,φ值得降低，以及地下水的影响，图6中“w”是根据现场实际测得的，根据大气降水以及岩石节理裂隙条件综合判定的水的渗流深度。模拟中除了考虑水的影响，同时考虑了降雨荷载对边坡的影响，模拟结果如图6所示。

图6 暴雨状态下最大主应力分布图

根据图6可知，在暴雨工况下，荷载主要为土体的自重荷载和暴雨荷载，该边坡可能滑动面主要出现在第二级台阶处。剖面的最小安全系数约为1.8。

综上所述，该边坡在降雨条件下，边坡整体处于稳定性状态，但边坡在坡面台阶处存在明显位移，说明该边坡受降雨影响，边坡局部会发生冒落或局部发生坍塌事件。

因此需采取相应措施对边坡进行维护，例如对较破碎地方进行挂网或在边坡底部修筑安全挡墙，以防止冒落的碎石威胁到现场的生产安全。

6 结语

本文针对某矿山露天采场终了岩质破碎边坡进行稳定性分析，旨在为矿山的安全生产做出科学指导，其主要结论如下所示：

(1)边坡岩体的物理力学性质存在很大的差异，且在降雨条件下更是如此。岩石在试验过程中出现4次破坏状态，同时出现了4次峰值，由此可知，岩石具有极强的不均质性。

(2)根据试验结果可知该岩石的单轴极限抗压强度约为60.02 Mpa，弹性模量为约为19.76 GPa。

(3)露天台阶边坡水平位移方向指向临空面，单位为正。岩体受降雨和渗流作用的影响，力学强度降低，出现水平方向的最大位移量约为11.84 mm，方向指向坡外，单位为正，与自然工况相比在暴雨作用下台阶坡面水平位移增加了0.13 mm，主要集中在台阶坡面处，边坡整体未出现大的位移。

(4)在暴雨工况下，荷载主要为土体的自重荷载和暴雨荷载，该边坡可能滑动面主要出现在第二级台阶处。剖面的最小安全系数约为1.8。

(5)建议矿山采取挂网或在边坡底部修筑安全挡墙的措施对边坡进行维护，以确保采场的生产安全。