基于ABAQUS的矿坑边坡稳定性数值模拟研究

卢艺伟，蒋先平

（中国有色金属长沙勘察设计研究院有限公司，长沙 410117）

废弃露天矿坑是露天开采活动结束后产生的废弃地[1]，遗留矿坑边坡的稳定性问题一直都是岩土工程界非常重要并且难以解决的问题[2]。目前，对边坡工程进行稳定性分析，通过计算结果采取合理的治理措施，把边坡失稳造成的危害降到最低限度，提高边坡支护的经济性，这是岩土工程界必须考虑的问题[2]。刘圆圆等[3]利用改进的Newmark 方法探讨了高陡岩质边坡的稳定性，王海强等[4]结合极限平衡分析法和离散元数值模拟法，评价了某高边坡的现状稳定性，为边坡治理提供了数值依据。数值模拟方法能分析出岩体内部真实的受力状态，能分析岩体从变形到破坏的发展全过程，能考虑长期卸荷作用对矿坑边坡稳定性的影响。当前，可采用数值分析的方式，使其与传统方法相互验证[5-6]。

1 基于ABAQUS 的矿坑边坡稳定性分析原理

1.1 基本说明

长沙恒大童世界乐园地块矿坑边坡的稳定性分析采用数值模拟软件对各分段的边坡进行模拟，通过模拟边坡受自重、坑内水位上升等因素的影响，分析边坡的变形及塑性区发展情况[7-8]。

1.2 摩尔-库伦模型

摩尔（M）-库伦（C）模型是一种理想弹塑性模型，它综合了胡克定律和库伦破坏准则。它有5 个参数，控制弹性行为的2 个参数是弹性模量E和泊松比μ，控制塑性行为的3 个参数是有效黏聚力c、有效内摩擦角φ和剪胀角ψ。摩尔-库伦模型的表达式为：

式中：[D]为三角形单元的刚度矩阵，它表征应力σ与应变ε的相互关系；B为应变转换矩阵。

1.3 基本假定

计算分析基本假定如下：地层材料采用M-C 准则计算；地层和材料的应力、应变均在弹塑性范围内变化；不考虑地下水渗流的影响。

2 长沙恒大童世界乐园地块的矿坑边坡稳定性分析及防治建议

2.1 边坡概况

该区段矿坑岩质边坡坡面裸露，顶部边缘有植被覆盖，坡长约为180 m，坡高为38 ～49 m，边坡倾向由213°～257°渐变，上部坡角外倾80°～86°，下部坡脚外倾50°～71°，坡面溶蚀现象严重，溶洞口可见碎石块及土体，160 ～168 m处顶部有溶沟，坡脚有堆积物，溶洞处有水流出，节理裂隙发育。裂隙L1和裂隙L2结构面较粗糙，张开度为2～3 mm，局部钙质胶结，延伸长度为10～15 m，其属于硬性结构面。该区段赤平投影图如图1 所示，结构面产状统计结果如表1 所示。结构面结合程度一般，其属于硬性结构面，因此该段边坡可能产生楔形体破坏。

图1 矿坑边坡赤平投影图

表1 岩体结构面产状

2.2 实体建模

为了分析该区域边坡的稳定性，结合场地地质钻孔剖面图，基于工程地质剖面图，建立矿坑岩质边坡的典型三维实体模型。岩土体采用M-C 本构模型，建立实体模型。结合区域层面及裂隙面与边坡结合情况，对相应实体区域进行划分。相应区域物理力学参数采用的数据如表2 所示。

表2 物理力学参数

2.3 数值模拟分析

2.3.1 位移云图

从图2、图3 可以看出，该区域边坡的水平方向最大位移为2.267 mm，竖直方向最大位移为5.292 mm。

图2 矿坑边坡水平位移云图

图3 矿坑边坡竖向位移云图

2.3.2 等效塑性应变云图

从图4、图5 可以看出，层理面或裂隙面处塑性变形较大，可观察到塑性区局部发展。综合边坡的位移和塑性区发展情况，可以判断该区域边坡在目前的荷载条件下处于欠稳定状态，与赤平投影法得到的稳定性结论相同。

图4 矿坑边坡等效塑性应变云图一

图5 矿坑边坡等效塑性应变云图二

2.4 长沙恒大童世界乐园地块的矿坑边坡防治建议

边坡治理高度为34.00 ～49.00 m，边坡岩体类型为Ⅲ类，坡度为-10°～48°，先清除上部危岩体，上部采用锚索环梁结合全长粘结型锚杆的支护型式，下部采用锚索锚墩结合全长粘结型锚杆的支护型式，锚索成孔直径为150 mm，长为15 ～25 m，间距为6 m 或9 m，倾角为20°，全长粘结型锚杆成孔直径为110 mm，锚杆钢筋直径为32 mm，长为9 m 或 6 m，间距为3 m，倾角为15°，喷射混凝土面板厚度为100 mm，网筋规格为Φ8 mm@200 mm×200 mm。

3 结论

本文基于有限元分析软件ABAQUS，采用M-C模型，以长沙恒大童世界乐园地块的矿坑边坡为例，进行数值模拟分析，并对比赤平投影法。研究表明，ABAQUS 数值模拟分析方法得到的结论与赤平投影法得到的结论相同，有限元方法能有效地应用于工程实践中。根据数值分析，该段边坡处于欠稳定状态，应先清除上部危岩体，再采取环梁锚索+全粘结性锚杆等支护方式保证边坡的整体稳定。本文的分析结果能一定程度上降低工程造价，为实际工程后期治理提供计算模型依据，具有较强的工程指导 意义。