离心加载法在边坡稳定性分析中的应用

c在边坡稳定性分析中的应用
                                                      李泽，董驰峰
    （内蒙古大唐国际锡林浩特矿业有限公司胜利东二号露天煤矿，内蒙古锡林浩特026000）
    摘要：基于离心加载法的原理，应用RFPA-Centrifuge软件对某露天矿边坡的变形及破坏过程进行了数值试验研究，再现了边坡失稳的动态过程。根据数值试验所得出的模拟结果，分析得出了该边坡最危险滑动面的形成机制，为边坡失稳的预测及防治提供科学依据。
    关键词：边坡；离心加载法；边坡稳定性；RFPA-Centrifuge；数值试验；最危险滑动面
    中图分类号：TD 824.7文献标识码：Ｂ文章编号：１６７１－９８１６（２０10）S1－００12－０4
    1·引言
    人类遇到的边坡种类繁多，如山区的自然边坡、水库河流岸坡、土建挖方工程边坡、露天矿及采石场的边坡等。各种边坡均有其自身特点。
    露天矿边坡主要有以下特点：边坡较高，常达数百米；走向较长，常达几公里。如抚顺西露天煤矿、阜新海州露天煤矿的设计采深分别达480 m和360 m，走向长分别为6.4 km和4.0 km。因而露天矿边坡揭露的岩层多，边坡各部分地质条件差异大，变化复杂。
    露天煤矿边坡岩石主要是沉积岩，层理明显，软弱夹层较多，岩石强度较低。我国有些露天煤矿的土质边坡较高，断层、节理等较发育，构造复杂。至于排土场边坡，则是由破碎的岩石和表土堆积而成。
    露天矿边坡变形破坏的形式主要是滑坡。露天煤矿的滑坡主要沿层面、软弱夹层，其次是沿断层、节理发生。滑动面下部还往往切断岩层。沿层面、软弱夹层、断层的滑动面较明显，而沿节理与切断岩层部分的滑动面则不明显。露天金属矿的滑坡常沿节理、断层，有时亦沿层面发生。
    露天矿边坡是开挖工程形成的边坡，边坡岩体较破碎，而且一般不加维护，因而易受风化作用的影响。露天矿采场每日频繁地进行爆破作业，边坡上常有运输设备运行，因而边坡常受震动影响。而且运输设备重量越来越大，台阶上载荷有日益增大的趋势。
    露天矿最终边坡由上至下是逐渐形成的，上部和下部的服务年限不同。上部边坡可达几十年，下部边坡则为十几年或几年，最底下的台阶边坡在采矿结束后即可报废。未到界的边坡是临时性的，其服务年限较短。至于排土场边坡，其空间位置大都随排土工程的推进而经常变化。
    露天矿边坡的不同地段要求达到的稳定程度不同：当边坡上部地表有重要建筑物，不允许发生变形时，要求的稳定程度最高；边坡上有站场、运输路线、下部有开采作业时，要求的稳定程度亦较高；对生产无甚影响，且边坡上无建筑设施时，稳定程度可低些，甚至不考虑其稳定性。
    随着人类工程活动日益频繁，规模日益增大，滑坡已成为全球性的主要地质灾害之一。为了更有效地预防和整治滑坡，就必须对其发生的机理和发展变化的基本规律进行深入细致地研究。以往人们曾进行过大量现场调查、勘探、观测和试验工作，对滑坡产生的条件、因素、动态规律的认识，以及有效防治措施等，都积累了丰富的经验。但是现场实体试验由于投资巨大、费时费力、重现性差，较难进行破坏性试验，而且有些现象在现场也难以观察。因此，在滑坡机理的研究上，许多研究人员建立与现场相似的物理模型来进行室内模型试验研究[1]。本文的目的是应用数值试验方法，通过分析试验结果，得出边坡岩体破坏的发生机理以及最危险滑动面的形成机制，以为今后的理论研究提供参考依据。
    2 ·RFPA-Centrifuge基本原理[2，3]
    离心加载法中的安全系数是超载储备安全系数，即将载荷（主要是自重）增大K倍后，坡体达到极限平衡状态。按此定义有：
                
    RFPA-Centrifuge就是将细观基元的自重以线性关系、按一定步长逐渐增加，每增加一次，有限元计算程序将进行迭代计算，寻找外力与内力的平衡，同时进行破坏分析，直至边坡宏观破坏，求得数值模型的滑动破坏面，以获得最大破坏单元数的计算步作为边坡失稳的临界点，计算相应的安全系数。安全系数定义为模型失稳时单元自重与初始单元自重的比值：
                
    式中，S为基元破坏数最大时的加载步数，Δ为步长，γ为自重。
    3·应用实例
    根据某露天矿采场边坡的某一地质分区实际条件建立如图1所示的初始数值模拟模型（亮度高表示弹性模量大），计算至36步时边坡破坏。本研究采用的步长Δ为0.01，则K=1.358。从模拟得出的一系列应变带云图可以看出，滑坡的发生并不是一蹴而就，而是在不断寻求力学平衡的过程中，经过微裂隙发生、扩展直至贯通的过程。
               
    图2中的a、b、c为计算过程中几个典型的应变带云图。其中图2 a表示部分岩体单元的剪应力超过其抗剪强度发生破坏而产生局部小裂隙；图2 b表示剪应力超过岩体单元抗剪强度的岩体单元增多而使小裂隙扩展并逐渐连通；图2 c则表示大面积岩体单元的裂隙贯通而形成滑面，滑坡发生。
                
    位移场（图3）反映了岩体变形、位移情况，明显反映出滑体及滑面的具体形状，与剪应变带变化云图反映出的滑面形状基本一致；滑体上部近似圆弧滑面，滑体下部沿弱层滑动。
    由各个计算步时坡顶面及坡面的位移曲线的变化可以看出，起初在坡顶面和坡面各岩体单元的位移都保持较好的连续性，如图4和图5中的a、b、c，当滑坡发生时，滑体的水平位移和下沉都较明显，并且各岩体单元的位移量显示出相对的非线性，并且在滑坡发生时坡体部分岩体位移产生突变现象。

    4·与刚体极限平衡法的对照
    为了验证该数值试验的正确性，本文采用工程中广泛应用的剩余推力法对边坡的稳定性进行计算，求得的安全系数为1.32，和数值试验结果相差0.03；图6所示为最危险滑动面的位置，其滑面形状和数值试验结果（图2和图3）有较好的相似性。
                 
    5·结论
    （1）RFPA-Centrifuge试验说明，是经过微裂隙发生、扩展直至贯通逐渐形成的，滑坡前边坡岩体的位移呈相对稳态增加，直到相邻两点间的位移发生突变，滑坡发生。
    （2）基于离心加载法，应用RFPA2D模拟了边坡失稳的整个动态过程，其结果与剩余推力法基本一致，说明RFPA-Centrifuge模拟边坡失稳非常直观，可以作为评价边坡稳定性的一种有效手段。
    参考文献：
    ［1］任伟中，陈浩.滑坡变形破坏机理和整治工程的模型试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（12）：2 137-2 141.
    ［2］郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理［M］.人民交通出版社，2005，24（12）：2 137-2 141.
    ［3］唐春安，唐烈先，李连崇，等.岩土破裂过程分析RFPA离心加载法［J］.岩土工程学报，2007，29（1）：71-76.