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《金屬礦山雜志》2014年第七期

1計算參數選取

要準確地判斷邊坡穩定性，不管是運用通常的極限平衡法還是有限元等其他的數值算法，都必須獲取邊坡巖體相關的強度參數，因此強度參數的獲取對邊坡巖體工程的變形預測和穩定性評價就顯得至關重要，為此設計了完善的現場測試和室內試驗。

1．1現場測試現場測試包括聲波檢測、數字鉆孔攝像工作和地表結構面調查。聲波檢測對巖體波速進行測量以此得到該段巖體完整性系數，2號孔聲波檢測結果見表1。數字式全景鉆孔攝像對鉆孔進行孔內攝像，以查明邊坡的地質情況以及鉆孔內的巖體節理裂隙、構造跡象、主要巖層結構面以及斷裂破碎帶等，并對其進行分析和統計，2號孔攝像局部結果見圖2。地表結構面調查對出露地表的不連續面進行產狀和密度測量，結合數字鉆孔攝像的測量結果確定優勢結構面及其產狀和密度，50°∠70°節理裂隙照片見圖3。

1．2室內試驗室內試驗分為巖塊物理試驗和巖塊力學試驗。巖塊物理試驗包括密度、重度、含水率試驗和吸水性試驗，獲得了中風化片麻巖的密度、重度、天然含水率和自然吸水率等基本物理參數。巖塊力學試驗包括單軸抗壓強度試驗、三軸壓縮強度試驗和結構面直接剪切強度試驗，獲得了片麻巖的彈性模量、泊松比、單軸抗壓強度，三軸抗壓強度和剪切強度等基本力學參數。片麻巖試樣見圖4，片麻巖三軸壓縮應力－應變試驗曲線見圖5。本次進行了1個試樣的剪切試驗，分別進行4次抗摩擦試驗，對應的正應力大小依據工程實際和結構面情況分為1．5、2．9、4．6和6．0MPa。試驗后結構面見圖6，根據試驗后破壞巖樣可以看出，試件的最終破壞按試件結構面破壞。圖7為結構面剪切應力－剪切變形曲線。

1．3計算參數確定以巖塊的試驗成果和已有的巖石力學參數為基礎，綜合以上巖體基本質量指標BQ計算、Hoek－Brown經驗方程估算和折減系數法等3種取值方法，充分考慮巖體節理裂隙，斷裂構造等因素的影響，給出建議采用的西邊坡巖體力學參數和結構面參數分別見表2和表3。

2計算結果與討論

2．1FLAC3D計算結果FLAC3D有限差分模型共建有70213個單元，23876個節點。在本次數值模擬中使用了節點速度約束條件，約束模型四周及底部的節點速度值，完全約束Y方向的節點速度，即按平面應變問題分析該問題，坡面為自由邊界。為考慮產狀為52°∠70°優勢結構面的影響，計算中巖體力學模型為Ubiquitous－Joint模型，該模型是Mohr－Coulomb彈塑性模型的衍生模型，充分考慮了因巖體中存在層面而導致的顯著各向異性。目前，強度折減法主要應用于Mohr－Coulomb準則，本研究將進一步推廣其在Ubiquitous－joint準則中的應用。利用自編的FISH程序實現了強度折減法在力學模型Ubiquitous－joint中運用，在強度折減法實施過程中，同時對巖石黏聚力、內摩擦角和結構面黏聚力、內摩擦角進行折減。計算收斂準則為不平衡力比率［11］(節點平均內力與最大不平衡力的比值)滿足10－5的求解要求，自編強度折減系數的精度為0．01。根據自編強度準則求得西邊坡安全系數為1．98，計算結果如圖8～圖10所示。由圖8～圖10可知，邊坡破壞時的最大剪應變增量為4．53×10－3，位于坡腳處。邊坡破壞以巖石剪切屈服和結構面滑移破壞為主，塑性區由坡腳延伸到坡頂部，形成貫通的塑性區，滑坡前緣以巖石的剪切屈服破壞為主，后緣以結構面剪切滑移破壞為主，后緣頂部出現拉伸破壞，邊坡破壞時的最大位移為0．173m，位于靠近坡腳的邊坡表面。綜合圖8～圖10可知，邊坡的潛在破壞模式為前緣滑動牽引后緣拉伸破壞。

2．2UDEC計算結果UDEC離散元模型共建有87724個單元，52407個節點。在本次數值模擬中使用了節點速度約束條件，即約束模型四周及底部的節點速度值，坡面為自由邊界。計算中考慮1組結構面的影響，即產狀為52°∠70°優勢結構面，如圖1所示。計算中巖石力學模型為Mohr－Coulomb彈塑性模型，節理力學模型為Coulombslip模型。根據UDEC自帶的強度折減程序計算的邊坡安全系數為2．02。邊坡破壞時的最大位移為0．148m，與FLAC3D的計算結果相差不大，最大位移同樣位于靠近坡腳的邊坡表面。邊坡失穩破壞時，滑坡后緣節理發生明顯錯動，最大錯動位移達0．066m。邊坡破壞同樣是前緣巖體剪切屈服和后緣結構面滑移破壞，邊坡前緣巖體首先發生剪切屈服破壞。塑性區分布圖如圖11所示，潛在滑動面如圖12所示。

2．3極限平衡計算結果采用簡化Bishop法計算巖質邊坡折減滑動破壞，簡化Bishop法是英國著名土力學專家A．W．Bishop［12］提出的邊坡穩定計算方法，被認為是計算圓弧滑動面安全系數最好的方法，學者［13］把簡化Bishop法推廣到非圓弧滑動面安全系數的求解上，用于非圓弧巖質邊坡極限平衡分析。運用加拿大RocScience公司開發的SLIDE軟件計算西邊坡的安全系數。針對極限平衡無法計算結構面影響下邊坡的安全系數，提出運用薄層材料來模擬結構面，從而利用SLIDE軟件計算出優勢結構面作用下西邊坡的安全系數，解決了極限平衡無法計算結構面存在的情況下邊坡的安全系數的問題。計算結果如圖13、圖14所示，圓弧搜索和非圓弧搜索計算的邊坡安全系數分別為2．131和2．046。2．

3討論

通過上述3種方法的計算結果可知，僅考慮1組節理影響的情況下，有限差分法、離散單元法以及極限平衡法的計算結果具有一致性，3種方法計算的邊坡安全系數相差不大，極限平衡法計算結果略大于離散單元法，有限差分法的計算結果最小。其原因是有限差分計算中采用的是Ubiquitous－Joint模型，計算中節理的間距為0，這樣就加大了節理對邊坡穩定性的不利影響，造成計算結果偏于保守。3種方法計算的西邊坡的潛在破壞模式也是一致的，都是前緣巖石剪切屈服和后緣結構面滑移破壞，近似牽引式滑坡。從計算效率上來說，本研究所提的極限平衡法效率要遠大于其他2種方法，而自編強度折減程序的有限差分方法的計算效率又要大于離散單元法。從3種軟件的適用范圍上來說，FLAC3D(有限差分法)僅能求解含有1組結構面的問題，SLIDE(極限平衡法)對于求解含有1組結構面的問題較為方便，若含有多組結構面，就不易運用該軟件，UDEC(離散單元法)適用于多組結構面的情況。

4結論

(1)礦山西邊坡的潛在破壞模式為前緣巖石剪切屈服和后緣結構面滑移破壞。(2)針對含1組優勢結構面的巖質邊坡，有限差分法、離散單元法和極限平衡法的計算結果具有一致性。(3)用薄層材料模擬結構面，進而根據極限平衡法計算出含1組結構面的巖質邊坡的安全系數的方法是可行的，并且該方法的計算效率要遠大于其他方法。

作者：王劍陳從新鄭允單位：中國地質大學(武漢)資源學院中國科學院武漢巖土力學研究所