含有結構面巖石邊坡抗滑穩定性模擬分析

王 暢，李璐璐，李守巨

(1.大連海陽漁業工程規劃設計研究有限公司，遼寧 大連 116024； 2.大連理工大學工程力學系，遼寧 大連 116024)

1 概述

巖石邊坡的整體抗滑穩定性分析是邊坡設計和施工的核心問題之一，在礦山工程、水利水電工程和建筑過程中，經常會遇到完整和帶有結構面的巖石邊坡的抗滑穩定性計算和評估問題。影響巖石邊坡穩定性的因素包括：巖石的基本力學特性內聚力和內摩擦角；巖體結構面的產狀及內聚力和內摩擦角；地下水的賦存狀態和滲流特性；巖體的初始應力場和地震作用等。趙尚毅系統地介紹了采用有限元強度折減方法進行巖石邊坡抗滑穩定性計算方法[1]。李守巨研究了地震作用下巖石邊坡抗滑穩定性計算方法[2]。結合某巖石邊坡工程案例，采用有限元方法模擬計算巖石邊坡塑性區隨安全系數增加的不斷擴展過程，求得邊坡極限狀態下的安全系數；分析巖體內結構面的賦存狀態對巖石邊坡安全系數的影響。

2 完整巖石邊坡抗滑穩定性分析

采用有限元數值計算方法，分析計算巖石邊坡的安全系數是通過采用巖石抗剪強度指標折減方法來實現的。

CF=C/F

(1)

φF=arctan[tanφ/F]

(2)

式中，F為邊坡的安全系數，C為巖石的內聚力，φ為巖石的內摩擦角，CF為折減后巖石的內聚力，φF為折減后巖石的內摩擦角。邊坡安全系數的確定過程是通過不斷增加安全系數F，直到有限元模擬計算不收斂為止。算例1如圖1所示，為均質無結構面完整巖石邊坡。邊坡高度110 m，邊坡角53°，彈性模量80 GPa，泊松比0.25，巖石密度2 500 kg/m3，巖石內聚力0.6 MPa，內摩擦角45°。有限元數值計算是在軟件ANSYS17.0版本上完成的。有限元模型設定為平面應變類型，計算寬度1 m。ANSYS17.0版本已經不再支持PLANE82類型的單元及Drucker- Prager屈服準則，GUI無法定義該種單元及其屬性，只能通過APDL完成。為了分析巖體的彈塑性區域分布特性，采用APDL語言定義巖層為二維實體單元類型：ET,1,PLANE82 ! 定義邊坡巖石單元為二維實體單元。KEYOPT,1,3,2 ! 定義邊坡巖石單元為平面應變類型。

圖1 均質巖石邊坡(1)極限狀態(安全系數 F=3.30)的塑性區分布Fig.1 Distribution of plastic zone of homogeneous rock slope(1) in limited state (F=3.30)

從圖1中可以看出，無結構面的完整巖石邊坡極限狀態下滑弧的形態近似為圓弧，并且滑弧通過邊坡的坡腳，其安全系數為3.30。

3 含有結構面邊坡抗滑穩定性模擬分析

算例2如圖2所示，為含有結構面的巖石邊坡。巖石的基本力學參數與算例1相同，結構面與巖石邊坡平行，距離邊坡10 m，內聚力0.0 MPa，摩擦系數0.5。定義結構面的相鄰兩條線為標準接觸形式。

圖2 含有結構面巖石邊坡(2)極限狀態(安全系數 F=2.25)的塑性區分布Fig.2 Distribution of plastic zone of rock slope with structure face(2) in limited state (F=2.25)

從圖2中可以看出，由于結構面的存在，使得邊坡的安全系數從3.30下降到2.25，安全系數下降了32%；極限狀態下滑移面的形狀不再是圓弧狀。算例3如圖3所示，為含有結構面的巖石邊坡。巖石的基本力學參數與算例2相同，結構面與巖石邊坡平行，距離邊坡20 m。

從圖3中可以看出，由于結構面的存在，使得邊坡的安全系數從3.30下降到2.38，安全系數下降了28%。比較算例2與算例3可以看出，結構面的位置對邊坡安全系數有較明顯的影響。算例4如圖4所示，為含有結構面的巖石邊坡。巖石的基本力學參數與算例1相同，結構面與巖石邊坡接近垂直，內聚力0.0 MPa，摩擦系數0.5。

圖3 含有結構面巖石邊坡(3)極限狀態(安全系數 F=2.38)的塑性區分布Fig.3 Distribution of plastic zone of rock slope with structure face(3) in limited state (F=2.38)

圖4 含有結構面巖石邊坡(4)極限狀態(安全系數 F=3.30)的塑性區分布Fig.4 Distribution of plastic zone of rock slope with structure face(4) in limited state (F=3.30)

從圖4中可以看出，當結構面與邊坡近似垂直時，邊坡的安全系數基本不受影響，極限狀態下滑移面的形狀仍然是圓弧狀。

4 結論與討論

有限元數值模擬結果表明，完整巖石邊坡滑弧的形態近似為圓弧，且滑弧通過邊坡的坡腳。巖石邊坡內結構面的位置和產狀對巖石邊坡的安全系數有明顯的影響，當巖體結構面與邊坡近似平行時，如果結構面位于完整的巖石滑弧范圍之內，會降低邊坡的整體抗滑穩定性，當結構面與邊坡近似垂直時，邊坡的安全系數基本不受影響。