双强度折减法在矿山地质边坡稳定性分析中的应用研究

王 玺

（1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014）

自1970年代国际权威专家提出有限元强度折减法理论以来，国内的大量行业相关学者都行进了有关学术研究。我们在进行勘察中的岩土稳定性分析工作时，就会发现这两个强度的参数各自的强度储备也有着极大不同。由此，本次研究将在前人的基础上，尝试将双强度折减法这种分析方法应用在软件Ansys中，这是一种专业大型有限元分析设计软件。将最大限度发挥出双强折减法应用在地质结构介质破裂原因分析的优势，最终达到既能自动获取分析的地块边坡滑动面，又可以求出对应的稳定性系数及安全因素系数的最终研究成果的目的[1]。

1 双强度折减法的应用原理

内摩擦角和内聚力如何发挥作用和顺序的先后程度存在不同，如果边坡的滑动面岩土体发生微小的滑动时，c、ϕ也必将会产生一定程度上的衰减，但是c和ϕ的衰减变化程度与速度的存是本质上存在不同的。因此，我们在使用强度折减法进行稳定性的分析时，应该使用不相同的折减系数，就是双折减系数[2，3]。

双强度折减法就是在有限元的计算里把岩土体的强度参数（c、ϕ）都会逐步的调整到合适数值然后降低到可以破坏的数值状态后才会停止。即通过将c、ϕ这两个值同时除以折减系数Fc及Fϕ，得出一组全新的强度参数值c′、ϕ′，再用得出的值导入Ansys之后开始有限元的分析与计算工作，程序就会反复的进行计算直至最终程序自动依据计算的结果到破坏面结果（应该变化突出变化的地带）。能对此变化的过程进行表达的计算的公式就是：

经过计算后我们可以得出双强度参数的数值应该可以对应高边坡发生失稳的现象时实际的强度特点。

2 矿山地质边坡工程地质情况实例

2.1 工程概况

这次我们研究的边坡实例位于太行山脉，地处高原，地势高，以高山为主，此边坡的主要岩性是由碳酸盐构成的均质岩为主要的成分。此边坡的高度为20.+m，经过实地测量后得出坡脚α约为80°，然后我们再对照相似的试验得出的测试值和相关行业的规范，得出此次的矿山地质边坡岩体重度为γ为28.5kN/m³，泊松比μ的数值为0.4，弹性的模量E数值应该为40GPa。

2.2 有限元数值模拟计算结果的对比分析

通过对本例高陡均质岩坡（α约为75°）下有限元数值模拟结果进行对比分析，能够发现：

此实例的地质边坡应用传统的单一强度的折减法进行分析，及双强度的折减法这两种不同的算法时它的X方向的位移云图，同时与塑性的变形云图是大致相同的，但是我们也能从这两种不同的算法的计算结果得出的X方向的最大位移与最大的塑性应变是有一定不同的（见表1）：双强度的折减法在计算过程中得出的X方向最大的位移值，与最大的塑性应变的数值都比传统使用的单一强度的折减法的数值小，比如X方向的最大位移小0.003m，最大的塑性应变值小0.157×10-3。我们通过研究分析数值认为，这两种分析的算法都是能有利反映出岩土体的稳定性中的强度储备数值的，但是双强度的折减法相比更能准确将摩阻力进行反映因此对此实例里的边坡稳定性分析有更大的贡献，如果内摩擦的角折减速度变得缓慢，内聚力就算快速发生崩解此边坡也会继续恒定。就像在本例中坡脚的较大（α约为80°）在均质的岩坡中，摩阻力仍会充分的发挥自身作用，之后才会让内聚力成为补充的才能发挥其自身的最大抗滑能力。

表1 双强度折减法及单一强度折减法的计算结果比较表

3 高边坡稳定性分析应用双强度折减法对矿山地质勘察工作的意义

一般情况下，当我们正式开展矿山地质勘察工作之前必须要进行必要的前期准备工作，首先要对矿山的结构和周边的地质情况等一系列因素有全面的了解，掌握了这些数据之后在进行实地勘探工作，就会尽可能的避免发生一些影响工作进度的问题。而且，在进行矿山地质勘察的过程中，我们必须严格遵守相应规范方法进行矿产资源储量预测工作，预防在后续的矿产资源开采过程中，出现资源急剧下降的问题。结合矿产的实际地质情况做出对应的合理的、较为科学的措施，才能有效保障找矿工作和后续开采生产工作顺利进行。因此，如何取得矿产地的准确的实际地质情况尤为重要，山东作为多山地的资源储量丰富的省份，在勘探工作中经常会面对高边坡的地质情况，在对矿山边坡的稳定性进行分析时采用双强折减法就可以使我们的分析工作最终得到科学详实的最终数据，并且做出准确的判断[4]。与此同时，掌握Ansys分析软件的应用，也会对我们全方位的分析自然资源情况提供科学合理的辅助，在此基础上建立合理科学化的资源监督系统，掌握矿产资源的消耗速度和剩余的储备量，也有利于工作人员掌握先进的勘察设备和理念，与时代相适应。

4 结语

我们在进行矿山边坡的稳定性分析工作时，如果加入双强度的折减法来进行分析边坡的是否稳定，即可以使得出的分析成果更加能对c、ϕ彼此的系数安全的储备开展准确的正确的反应，也会让我们能将全面静力的平衡、岩土的非线性的应力与应变的关系、应变相容性充分的满足。而且，我们分析稳定性时进行边坡的系数是否安全的研究成果探究时，也无需假设破裂的滑动表面的基础位置和表面形状，也不须进行区分，只要使用Ansys这种可以进行有限元分析的软件程序就可以自然而然得到滑动的表面的数据，尤其是能有效对高边坡的破坏面发展、起裂、发展滑动的过程进行跟踪监测，这是对边坡的稳定性研究工作十分有意义的。矿山地质边坡的稳定性研究取得进展，可以使我们在后续地质勘探工作中取得质量的良好控制，结合实际的工作情况，保证工程的良好实施。