基于ABAQUS的露天矿山边坡稳定性分析与工程应用

2023-08-04张海锋李向阳柴卓张晨招

新疆有色金属 2023年5期

张海锋李向阳柴卓张晨招

（中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队/西安建材地质工程勘察院有限公司，陕西西安 710003）

0 引言

随着基建产业的快速发展，矿产资源需求越来越多，露天矿山规模也越来越大，矿山边坡的安全运行越来越重要。对露天矿山边坡进行稳定性评估，是保证露天矿山正常安全生产的重要手段。

露天矿山边坡稳定性分析的方法有多种，对于岩体结构简单、破坏模式单一的边坡可采用赤平投影法与极限平衡法；对于高陡复杂露天矿山边坡，其内部结构复杂、体量大、破坏形式多样，不易确定潜在破坏区，而数值分析法可以解决各种复杂条件的综合性边坡稳定性分析评价任务。数值分析方法，由于概念明确简单、结果直观形象，在工程中应用的越来越多[1]。有限元数值分析法，对于边坡失稳时的破坏形态比较直观，但是不能直接定量反映出边坡的稳定性安全系数值，需要采用间接的判别标准进行分析。周容方等[2]通过对土质边坡渐进破坏进行了数值分析，以边坡的塑性应变区、位移增量等来判别边坡的稳定性。刘开富等[3]采用强度折减法研究了土质边坡的稳定性，通过对内摩擦角、粘聚力指标参数的折减，搜索破坏时的破坏面，能更真实的反映客观实际，计算结果更准确真实。宋二祥等[4]提出以位移突变作为边坡失稳判别依据。郑颖人等[5]提出以有限元分析不收敛作为边坡破坏失稳的判别依据。刘金龙等[6]采用塑性区贯穿作为边坡失稳的判别依据。对于露天矿山边坡失稳的判别依据标准目前并不统一，不同的标准结果有差异，因而在露天矿山边坡稳定性分析时应综合考虑不同标准下安全系数差异，综合评价露天矿山边坡的稳定性。

本文以某露天矿山高边坡为例，通过基于ABAQUS 的数值分析，采用强度折减法，以各级边坡台阶处的位移突变、坡体内的塑性区贯穿、有限元分析时计算收敛与否作为边坡失稳的判别依据，分析三种判据条件下边坡稳定安全系数的差异，同时对该矿山边坡进行安全性评估。

1 强度折减法基本原理

强度折减法采用对材料的粘聚力、内摩擦角进行折减试算，直到破坏为止，以破坏时的折减系数作为稳定性安全系数的方法。

折减系数表示为：

式中，c、φ为岩土体材料本身的粘聚力、内摩擦角指标参数；c m、φ m为岩土体所发挥出来的粘聚力、内摩擦角指标参数；F r为折减系数。

计算中通过不同折减系数Fr对岩土体材料的c、φ进行折减试算，直到岩土体达到破坏状态为止。坡体达到破坏状态的标准为：位移突变；塑性区贯穿；计算不收敛。

2 强度折减法在ABAQUS中的实现

强度折减法是对c、φ进行折减降低，导致部分单元应力屈服，这些单元沿着某个面发生贯穿，即岩土体发生滑动破坏，边坡失稳

ABAQUS 中通过温度场进行模拟这过程，具体实现过程见ABAQUS 强度折减法流程图[7][8]，如图1所示。

图1 ABAQUS强度折减法流程图

3 边坡的稳定性分析与评价

3.1 工程概况

根据该矿区边坡的形态，按位置、边坡级数，矿区边坡分为四部分7 个典型剖面。文中选取其中一个典型边坡剖面进行分析。边坡高约36m，呈三级边坡，每级边坡高约12m，坡度约60°，坡间平台宽约6m。边坡安全等级为Ⅲ级，边坡设计安全系数为1.15～1.10。

3.2 岩土材料参数

根据现场勘测资料，边坡岩体主要为中等风化灰岩，岩体力学性质指标如表1所示。

表1 岩土体力学性质指标

计算模型及网格划分，如图2所示。

图2 计算模型及网格划分

取一级、二级、三级坡顶为特征点，记为A、B、C点。

3.3 边坡稳定性分析与评价

（1）边坡稳定安全系数

上述三种判别依据（计算收敛与否、特征点位移拐点、塑性贯通）下，进行边坡稳定性分析。

①以位移拐点为边坡失稳判据

从图3、图4 可以看出，A、B、C 点位移变化规律相同，在折减系数为1.0 处开始，位移增加速度加快，当折减系数达到1.14 时，A、B、C 点的位移出现急剧变化，快速变大，边坡已失去稳定性，达到破坏状态。通过分析位移变化过程，折减系数为1.14 是位移变化的一个拐点。以A、B、C 点处的位移拐点为边坡失稳判别依据，图中F=1.14 时判定坡体达到临界破坏状态。因此，边坡的安全系数K=1.14。