三維有限元法強度折減法在某巖質邊坡加固中的應用

母傳偉，何方維，裴 恒(中冶沈勘秦皇島工程技術有限公司，河北 秦皇島 066001)

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三維有限元法強度折減法在某巖質邊坡加固中的應用

母傳偉，何方維，裴 恒
(中冶沈勘秦皇島工程技術有限公司，河北 秦皇島 066001)

高大巖質邊坡的穩定性對其下部建筑物和工業場地的安全至關重要，有限元強度折減法數值模擬分析巖質邊坡破壞機制是一條對巖質邊坡穩定性進行可靠分析的有效方法。文章結合強度折減理論的有限元應力分析法對柏泉選廠西邊坡的開挖支護過程進行了數值模擬，能夠科學分析邊坡的變形破壞機制及演變過程。該方法把錨桿等支擋結構的共同作用和地下水的影響統一考慮，從而可以驗證邊坡加固措施的合理性，與其他方法相比實用性更強。邊坡穩定模擬分析所依據的巖土物理力學參數來自工程地質勘察報告，數據真實可靠，分析結果切合實際。邊坡穩定性分析結果直接指導邊坡加固設計，根據邊坡巖體應力情況調整錨桿規格和布局，從而使邊坡加固措施更加安全可靠、經濟合理。

有限元法；巖質邊坡；數值模擬與分析； 邊坡穩定性

均勻土質邊坡可以通過優化方法搜尋潛在滑移面，其穩定性分析方法有滑移線場法、極限分析法、極限平衡法。由于巖質邊坡內部蘊含各種構造，比如節理、裂隙、結構層、斷裂帶等，從而產生大量不聯系結構面，而且結構面構造和性質各異，采用常規極限平衡法只能求出邊坡應力和位移，但難以找到潛在滑移面，計算不出安全系數[1-3]。傳統方法進行的巖質邊坡穩定性分析結果就很難跟實際相符。本文依據工程地質勘察所提供的數據資料，采用有限元法對邊坡的開挖支護過程進行數值模擬，結合有限元強度折減理論對邊坡變形破壞機制及其演變進行分析，模擬與分析采用的軟件為midas GTS，研究加固前高邊坡巖體位移和內力變化，同時對加固后的邊坡進行穩定性分析計算，驗證對該邊坡采用錨桿噴混加固是否合理[4-7]。

1 工程概況

擬分析的邊坡為河北鋼鐵集團柏泉鐵礦新建磨礦倉西側邊坡，位于承德市平泉縣西。工程場地屬低中山侵蝕溝谷斜坡地貌，溝谷南北走向，谷底地勢南高北低，磨礦倉建于山谷西側山坡上，磨礦倉西側為開挖的山體巖質邊坡。巖質邊坡開挖高度17～35m，邊坡坡腳約65～80°。坡頂表層為第四系覆蓋層，主要成份為崩落的巖石堆積物，含有少量的粉土，巖石主要為黑云角閃斜長片麻巖。該邊坡所在區域無大的地質構造和斷層穿過，但其受尚義—平泉深斷裂影響，邊坡節理裂隙較發育。由于邊坡采用爆破崩巖和機械開挖，巖體完整性受破壞程度較大，多處順坡節理發育，在崖壁上存在多處危巖。

2 地質條件

2.1 工程地質條件

開挖山體巖質邊坡未見斷層存在。根據工程地質調查，場地內出露地層主要有：第四系全新統耕植填土 (Q4pd )、素填土(Q4ml) 厚度0.3～0.5m、含碎塊石粉質黏土(Q4el+dl)粒徑50～150mm、基底為太古界黑云角閃斜長片麻巖(Ars)。

節理裂隙極發育，主要以構造節理為主，風化節理裂隙較少，非構造節理裂隙面平直光滑，沿長、延深在 1.2～3.0m，節理面未見有礦物變質泥化現象，及鐵錳質充填物。節理形式以剪節理為主，順坡節理發育，逆坡節理較少。由于邊坡爆破作業造成節理裂隙相互交錯，巖體被切割成大小不等的結構體。

區內地震動峰值加速度為0.05g，對應的抗震設防烈度為6°。

2.2 水文地質條件

1)地表水。調查期間屬于秋季，未見地表水。開挖的巖質邊坡頂部山體植被欠發育。少量降雨將滲到巖體，可能會對邊坡構成沖刷破壞。

2)地下水。場地內地下水主要為斷層破碎帶的構造裂隙水和山體基巖風化裂隙水。

2.3 邊坡穩定性分析

該邊坡存在發育危巖，主要為裂隙切割的小結構體、大結構體以及破碎的小巖塊組成。坡面不規整，存在多處凹向坡面的凹坑和突出坡面的巖石，易引發掉塊或局部塌落現象。根據節理赤平投影圖，對邊坡結構面進行了抽樣統計，從抽樣調查的主控結構體的穩定性分析結果可知，結構體存在滑動可能性，安全系數不滿足要求，圍巖壓力使結構體暫時處于穩定狀態，在長期外界荷載擾動作用和雨水入滲及靜水壓力作用下，結構面內摩擦力將會減弱，造成結構體滑動，進而引發坡面的牽連滑動而使邊坡失穩。

對該邊坡選取兩段1.0m范圍內的結構面組數，在0.2～0.4m平均間距范圍內結構面組數8～12組，結構面結合程度差，結構面類型主要為裂隙和裂隙塊狀結構，巖體較為破碎。

2.4 邊坡穩定性評價與邊坡加固措施

評價認為該邊坡安全等級為2級，巖體基本質量等級為Ⅳ和Ⅴ；結構面節理裂隙發育，節理面結合差，坡面凹凸不平；危害屬于危巖、掉塊或局部滑塌。

建議加固措施：對該邊坡削坡和分臺階放坡，使整體坡度不大于60°；進行坡面修整，清理坡面危巖及可能下滑的主控結構體；對局部凹坑進行漿砌石貼坡面補砌；全坡面錨桿噴砼掛網封閉。

3 有限元計算模型的建立

通過計算邊坡各點的安全系數來判斷高邊坡的穩定性，為邊坡開挖和加固提供理論指導。有限元計算模型如圖1所示。模型沿X方向長度為240m，沿Y方向深度為100m，沿Z方向高度為50余米。混凝土噴混為板單元厚度0.15m，錨桿直徑為0.025m。根據地質勘察資料，土層最上邊一層為含碎石粉質黏土，第二層為強風化黑云角閃斜長片麻巖，第三層為中風化黑云角閃斜長片麻巖，最下層為微風化黑云角閃斜長片麻巖。

邊坡開挖結合場地地質條件及當地施工經驗，采用多級放坡開挖，每級邊坡高度不大于10m，設置2m安全平臺，單級坡比不大于2∶1，總坡度不大于60°，開挖從坡頂開始，由高到低順序開挖，嚴禁逆作法施工。

邊坡靠幫后，對可能滑動的較大巖塊進行清理和主動防護鋼絲網(SNS柔性防護網)進行臨時防護，錨桿深度5m(巖體裂隙發育破碎位置，穿透破碎帶，錨固在穩定巖體上)，錨桿間距10m(巖體破碎地段，適當加密，錨固在穩定巖體上)，視現場條件適當調整，并加強邊坡檢測，確保施工安全。噴混及錨桿模擬如圖1所示。

該邊坡工程地質和水文條件參考地質勘察報告，模型參數選用地勘資料提供數值，具體見表1。

表1 巖土主要物理力學指標參考值表

4 有限元計算模型的分析

由于巖體結構的復雜性，任何模擬軟件都不可能絕對精確地模擬出巖體結構特征。巖質邊坡穩定與否主要受結構面控制，巖體破壞一般應該發生在其抗剪強度最弱之處。[1]因此，本構模型能否真實地反映巖石物理力學性質、節理裂隙及主控結構面等情況，是判斷計算模型分析結果是否準確的主要因素。本次計算分析依據的巖石物理力學參數和節理裂隙統計資料直接來自現場勘察，能夠真實可靠地反映巖體結構特征，利用有限元強度折減法對邊坡進行模擬，計算模型著重考慮起主要作用的結構面或節理組。巖質邊坡受力多為壓剪切狀態，具有很強的塑性特征，采用塑性力學破壞機理可以更好地描述其變形破壞特征。本文結合工程實踐，采用彈塑性有限元法和強度折減理論相結合的方法，利用模擬與分析軟件midas GTS對邊坡的破壞機理進行了數值模擬，通過軟件求解邊坡安全系數，在巖體結構面處能夠模擬出結構面的不連續性，使分析結果更加切合實際。該方法同時考慮了地下水、邊坡開挖和錨桿加固的共同作用，分析結果更加真實，實用性更強。

本次模擬分為三個工況，分別是：邊坡在自然條件下的穩定性分析；邊坡在放坡開挖之后的穩定性分析；邊坡經過噴錨支護后的穩定性分析。

4.1 邊坡在自然條件下的穩定性分析

邊坡在自然條件下位移應變云圖見圖2。

通過分析，邊坡在自然狀態下安全系數為0.6016，已存在明顯的滑動面，最大剪應變集中區即為滑動面，尤其在坡腳處剪應力達到最大值。從邊坡有限元分析云圖看出，坡體后部主要以豎向位移為主，但坡體前部出現了明顯的水平位移，尤其是在坡腳略上的部位，水平位移更明顯，邊坡有滑動趨勢。

4.2 邊坡在放坡開挖之后的穩定性分析

邊坡在放坡開挖之后位移應變云圖見圖3。

圖1 開挖進行噴錨支護邊坡穩定分析的有限元模型

圖2 自然條件下總位移云圖

圖3 放坡開挖之后總位移云圖

放坡開挖之后，邊坡的安全系數為1.3828，較開挖之前明顯提高。從云圖可以看出放坡開挖后，仍然存在明顯的滑動面，故需要進一步做噴錨支護處理。

4.3 邊坡經過噴錨支護后的穩定性分析

邊坡經過噴錨支護后位移應變云圖見圖4、圖5。

圖4 噴錨支護后總位移云圖

圖5 噴混應力云圖

由分析結果可見，噴錨支護后的邊坡安全系數為2.1203，整體位移連續且數值較小，錨桿軸力最大出現在滑移面處，與實際情況符合。可以考慮將出現軸力較大的錨桿進行適當調整，增加錨桿長度，或者加密錨桿，從而降低單根錨桿軸力。

5 結論

結合強度折減理論的有限元應力分析法對邊坡的開挖支護過程進行數值模擬，能夠科學分析邊坡的變形破壞機制及演變過程。該方法把錨桿等支擋結構的共同作用和地下水的影響統一考慮，從而可以驗證邊坡加固措施的合理性，與其他方法相比具有更強的實用性。邊坡穩定模擬分析所依據的巖土物理力學參數來自工程地質勘察報告，數據真實可靠，分析結果切合實際。邊坡穩定性分析結果直接指導邊坡加固設計，根據邊坡巖體應力情況調整錨桿規格和布局，從而使邊坡加固措施更加安全有效、經濟合理。

[1] 鄭穎人，趙尚毅，鄧衛東.巖質邊坡破壞機制有限元數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報，2003,22(12)：1943-1952.

[2] 張軍濤，謝建斌，姚激.巖質邊坡穩定性的有限元分析和數值模擬[J].云南水力發電，2006,22(2):31-34.

[3] 趙尚毅，鄭穎人，時衛民，等.用有限元強度折減法求邊坡穩定安全系數[J].巖石力學與工程學報.2002,24(3)：343-346.

[4] 李亮輝，于飛，王平，等.順層巖質路塹邊坡穩定性有限元分析[J].巖石力學與工程學報，2004,23(增1)：4473-4477.

[5] 張林洪.結構面抗剪強度的一種確定方法[J].巖石力學與工程學報，2001,20(1):114-117.

[6] 朱維申,任偉中.船閘邊坡節理巖體錨固效應的模型和應力場的巖體穩定分析的期望滑移路徑方法[J].巖石力學與工程學報，2002,21(2)：151-157.

[7] 朱維申，張玉軍.三峽船閘高邊坡節理巖體穩定分析及加固方案初步研究[J].巖石力學與工程學報，199615(4)：305-311.

Numerical simulation and analysis of high rock slope based on the finite element method

MU Chuan-wei，HE Fang-wei，DEI Heng

(Shenkan Qinhuangdao Engineering &Technology Co.，Ltd.，China Metallurgical Group Corporation，Qinhuangdao 066001，China)

The stability of high rock slope is very important to the safety of its lower building and industrial site.Simulation and analysis on failure mechanism of rock slope by finite element strength reduction method is an effective way of analysis on reliable stability of rock slope.In this study，finite element stress analysis method which combined with strength reduction theory was used to numerically simulate excavation and support processes in west slope of Baiquan Iron ore mine，and can scientifically analyze mechanism of deformation and failure and evolution process of slope.This is a more practical method in which interaction of supporting and retaining structure such as anchor etc.and the effect of groundwater are synthetically considered，and can verify rationality of slope reinforcement measures.The physics and mechanics index of soil and rock accorded in simulating and analyzing on stability of slope are from engineering geological investigation report and more reliable，and the analysis result is practicable.The analysis result of slope stability can be applied to guide directly strengthening design of slope，to adjust size and layout of anchors in according with stress condition of rock slope，to make reinforcement measures of slope to be more safe，reliable，economic and reasonable.

finite element method；rock slope；numerical simulation and analysis；stability of rock slope

2014-09-10

母傳偉(1970-)，男，教授級高工，中冶沈勘秦皇島工程技術有限公司礦山設計院副院長，總工程師，主要研究方向為采礦與總圖運輸。E-mail：122335716@qq.com。

TU457

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1004-4051(2015)09-0137-04