露天采场边坡稳定性的有限元数值模拟分析

王昌 WANG Chang；周宗红 ZHOU Zong-hong

（昆明理工大学国土资源工程学院，昆明 650093）

（Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

0 引言

边坡是由各种不同成因类型、不同地质作用的岩体所组成的复杂介质，又具有类型不同、规模不一、方位各异的地质不连续面，呈现明显的非均匀性和各向异性。在边坡稳定性分析中，有必要掌握其受力状态，分析其应力应变，从而估计边坡的破坏发展，边坡的失稳可能是由局部地区应力达到强度极限，变形增大而逐步发展的。

随着计算机飞速发展，数值计算方法如离散单元法[1-2]，刚体一弹簧元法[3]，块体单元法[4-6]等方法在边坡稳定性分析中得到了普遍的应用。有限元法能适应各种边界条件和几何形态变化，能考虑岩体的非均质和不连续性，还能考虑非线性应力应变关系，因而它是一种边坡稳定性分析的有用工具。有限元法在边坡领域的应用也越来越广泛[7-8]。本文根据内蒙某金矿露天边坡的工程地质特征，通过有限元软件Phase2建模，利用强度折减法进行边坡稳定性模拟分析，对于露天边坡的灾害防治具有理论和实际意义。

1 边坡稳定性的有限元分析

1.1 岩体力学参数 根据某金矿露天边坡稳定性的1000线工程地质剖面作为分析剖面。根据金矿露天边坡岩体的分布特点，以及拟露天开挖后的情况，本分析考虑了 11 种岩性，即 b1、b2-1、b2-2、b3-1、b3-2、b3-3、b4、h3、花岗岩、中风化层、第四系，其力学性质如表1所示。

表1 露天采场边坡矿岩力学参数

1.2 计算模型 按照坑底标高1204m，建立B1有限元分模型（模型中左边为南边坡、右边为北边坡，边坡角均为44°，如图1所示），模型边界条件为：坡面为自由面，边坡两侧端面水平方向固定，底部垂直方向固定，原岩应力场为自重应力场。采用最大拉应力判据，结合Mohr-Coulumb屈服准则来确定边坡开挖后的可能出现的拉剪破坏范围，以此来分析浩尧尔忽洞金矿露天边坡的稳定性状况。

图1 B1有限元分模型

1.3 模拟计算结果分析

1.3.1 破坏区分析 B1模型坡体的破坏区主要为拉应力破坏区和剪切破坏区（图2为B1模型的最大剪应变与拉剪破坏区域图）。B1模型拉应力破坏区主要分布在坡顶的第四系和中风化层中，右（南）边坡中少延伸到灰岩（h3）中，最大深度从坡顶开始向下延伸约100m；剪切破坏区主要分布在坡顶的中风化层、灰岩（h3），花岗岩中，最大深度在右（南）边坡灰岩（h3）中，从坡顶开始向下延伸约300m，坡脚也存在少量剪切破坏区。从破坏区分析可知，随着边坡坑底的不断下移，拉应力破坏区和剪切破坏区范围从坡顶不断向坡内延伸，坡面中部逐渐开始出现破坏区。

图2 B1模型的最大剪应变与拉剪破坏区域图

1.3.2 滑动机理分析 图3和图4为B1模型北边坡强度折减法计算安全系数的过程，从强度折减系数F取值为1.19、1.37和1.75情况下的计算出边坡内最大剪应变发展状况来看，可以得出边坡变形破坏的首要部位将为坡脚，其次为坡顶，滑面形状为近似圆弧形，其变形破坏机理为：坡脚剪切破坏区逐步向上发展，坡顶剪切破坏区逐步向坡体内延伸，当坡脚与坡顶的破坏区连通时，边坡产生整体破坏，滑动模式为圆弧滑动。

图3 B1模型北边坡F=1.37时最大剪应变分布图

图4 B1模型北边坡F=1.75时最大剪应变分布

2 结论

①从破坏区分析可知，随着边坡坑底的不断下移，拉应力破坏区和剪切破坏区范围从坡顶不断向坡内延伸，坡面中部逐渐开始出现破坏区。②根据模型北边强度折减法，从强度折减系数F取值为1.37和1.75情况下的计算出边坡内最大剪应变发展状况来看，可以得出边坡变形破坏的首要部位将为坡脚，其次为坡顶，滑面形状为近似圆弧形。③边坡变形破坏机理为：坡脚剪切破坏区逐步向上发展，坡顶剪切破坏区逐步向坡体内延伸，当坡脚与坡顶的破坏区连通时，边坡产生整体破坏，滑动模式为圆弧滑动。

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