斜交斷層作用下邊坡穩定性ANSYS分析

劉貴生 李明 鄭杰

摘 要：基于Drucker-Prager（D-P）屈服準則，借助ANSYS分析軟件，采用力和位移的收斂標準作為破壞判據，研究某露天礦F3斷層對邊坡穩定性的影響，進行邊坡應力應變有限元分析，分析結果表明隨著剝采工程逐漸向北發展，端幫邊坡與F3斷層間距離逐漸減小，F3斷層對邊坡的影響越來越大，邊坡穩定性也逐漸降低。

關鍵詞：ANSYS；有限元；邊坡；F3斷層

邊坡穩定性分析是巖土工程中的重要研究課題，在土木工程、水利工程中都具有廣泛的應用。因此，如何做好邊坡變形破壞的預測預報工作是十分必要的。最基本、最重要是要做好邊坡的穩定性分析，以便為將來的邊坡設計、施工、除險加固做指導工作。

目前國內外對邊坡穩定性的定量確定性分析方法主要是極限平衡法和數值分析法。

本文基于大型 ANSYS 有限元軟件，采用D-P屈服準則，將巖質邊坡概化為均質的巖土體，通過對巖土體的抗剪強度進行局部折減，研究了邊坡的漸進破壞過程，分析應力應變規律，直到滿足節點位移突變和迭代步數突變的失穩判據，從而得到邊坡的穩定性安全系數。

1 邊坡工程概況

本文中所研究區域為某露天礦西北幫F3斷層區。西北幫巖體內存在的構造結構面有兩種：斷層和節理，它們對邊坡的巖體強度有著重要的影響。其中，F3斷層為一級構造結構面，對邊坡穩定造成重大危害，其它均為次一級別的構造結構面。

2 邊坡穩定性數值模擬

2.1 剖面的選取

對于像邊坡這樣縱向很長的實體，計算模型可以轉化為平面應變問題。假定邊坡所承受的外力不隨Z軸變化，位移和應變都發生在自身平面內。兩側邊界水平位移為零，下側邊界豎向位移為零。

針對露天礦斜交斷層邊坡，分別選取4600線剖面邊坡和4800線剖面邊坡，建立計算模型如圖1、圖2所示，表1為實驗獲得的巖體物理力學指標。

2.3 4600線剖面邊坡穩定性計算

通過ANSYS數值模擬，得到模型4600的應力、應變圖。

圖3為模型4600的最大位移圖可以看出，坡肩處巖土體表現的位移最大，且以沉降為主，斷層上盤巖體明顯比下盤巖體位移量大，都向煤層與斷層交界部位移動，致使F3斷層和2煤交界處易產生應力集中。

同時，模型4600的邊坡應力變化彈塑性區域分布如圖4所示，由于在坡腳和斷層與2煤交界處應力集中，塑性區域主要分布在F3斷層整層及坡腳附近，斷層已經完全破壞，但塑性區并沒有貫通，說明邊坡處于穩定狀態。

可以看出，總體位移，均是在坡體上部，即坡肩處巖土體表現的位移最大；可以看出滑體的潛在移動方向和滑動面，滑體有明顯的沿斷層-1煤頂板弱層向坡外移動趨勢。

模型4800的邊坡應力變化塑性區域分布如圖6所示，塑性區域分布在F3斷層及坡腳附近，已經從坡底貫通到坡頂，邊坡處于不穩定狀態。其破壞模式為沿F3斷層和1煤頂板弱層以剪切形式發生滑移，形成塑性流變區域，即邊坡破壞面。

通過對西北幫邊坡數值模型的分析，可以得出4800剖面邊坡處于不穩定狀態，極易發生邊坡失穩現象。其破壞形式為：沿F3斷層和1煤頂板弱層以剪切形式發生滑移。

3 結論

本文基于有限元理論，應用ANSYS軟件對露天礦西北幫F3斷層區邊坡穩定性進行了模擬研究，對比分析了不同位置（4600剖面和4800剖面）邊坡的應力分布特征、位移分布特征及變形破壞特征，揭示了滑坡機理。小結如下：

（1） 按照ANSYS計算邊坡的失穩判據，4600剖面邊坡在斷層附近表現出塑形變形，但未貫通，處于穩定狀態；4800剖面邊坡發生了貫通性的塑性變形，處于不穩定狀態，其破壞形式為沿F3斷層和1煤頂板弱層以剪切形式發生滑移。

（2） 位移場表明，4600剖面和4800剖面邊坡斷層上盤巖體和下盤巖體均發生一定程度的相對錯對，但4800剖面尤為明顯，且其位移主要面向采空區域，而4600剖面斷層上盤的位移主要指向斷層和弱層相交處。

參考文獻

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作者簡介

劉貴生（1962-），男，遼寧省阜新縣人，本科，阜新礦業（集團）有限責任公司高級工程師。