雙強(qiáng)度折減法在礦山地質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究

王 璽

（1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014）

自1970年代國際權(quán)威專家提出有限元強(qiáng)度折減法理論以來，國內(nèi)的大量行業(yè)相關(guān)學(xué)者都行進(jìn)了有關(guān)學(xué)術(shù)研究。我們?cè)谶M(jìn)行勘察中的巖土穩(wěn)定性分析工作時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)強(qiáng)度的參數(shù)各自的強(qiáng)度儲(chǔ)備也有著極大不同。由此，本次研究將在前人的基礎(chǔ)上，嘗試將雙強(qiáng)度折減法這種分析方法應(yīng)用在軟件Ansys中，這是一種專業(yè)大型有限元分析設(shè)計(jì)軟件。將最大限度發(fā)揮出雙強(qiáng)折減法應(yīng)用在地質(zhì)結(jié)構(gòu)介質(zhì)破裂原因分析的優(yōu)勢(shì)，最終達(dá)到既能自動(dòng)獲取分析的地塊邊坡滑動(dòng)面，又可以求出對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)及安全因素系數(shù)的最終研究成果的目的[1]。

1 雙強(qiáng)度折減法的應(yīng)用原理

內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力如何發(fā)揮作用和順序的先后程度存在不同，如果邊坡的滑動(dòng)面巖土體發(fā)生微小的滑動(dòng)時(shí)，c、?也必將會(huì)產(chǎn)生一定程度上的衰減，但是c和?的衰減變化程度與速度的存是本質(zhì)上存在不同的。因此，我們?cè)谑褂脧?qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性的分析時(shí)，應(yīng)該使用不相同的折減系數(shù)，就是雙折減系數(shù)[2，3]。

雙強(qiáng)度折減法就是在有限元的計(jì)算里把巖土體的強(qiáng)度參數(shù)（c、?）都會(huì)逐步的調(diào)整到合適數(shù)值然后降低到可以破壞的數(shù)值狀態(tài)后才會(huì)停止。即通過將c、?這兩個(gè)值同時(shí)除以折減系數(shù)Fc及F?，得出一組全新的強(qiáng)度參數(shù)值c′、?′，再用得出的值導(dǎo)入Ansys之后開始有限元的分析與計(jì)算工作，程序就會(huì)反復(fù)的進(jìn)行計(jì)算直至最終程序自動(dòng)依據(jù)計(jì)算的結(jié)果到破壞面結(jié)果（應(yīng)該變化突出變化的地帶）。能對(duì)此變化的過程進(jìn)行表達(dá)的計(jì)算的公式就是：

經(jīng)過計(jì)算后我們可以得出雙強(qiáng)度參數(shù)的數(shù)值應(yīng)該可以對(duì)應(yīng)高邊坡發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象時(shí)實(shí)際的強(qiáng)度特點(diǎn)。

2 礦山地質(zhì)邊坡工程地質(zhì)情況實(shí)例

2.1 工程概況

這次我們研究的邊坡實(shí)例位于太行山脈，地處高原，地勢(shì)高，以高山為主，此邊坡的主要巖性是由碳酸鹽構(gòu)成的均質(zhì)巖為主要的成分。此邊坡的高度為20.+m，經(jīng)過實(shí)地測量后得出坡腳α約為80°，然后我們?cè)賹?duì)照相似的試驗(yàn)得出的測試值和相關(guān)行業(yè)的規(guī)范，得出此次的礦山地質(zhì)邊坡巖體重度為γ為28.5kN/m3，泊松比μ的數(shù)值為0.4，彈性的模量E數(shù)值應(yīng)該為40GPa。

2.2 有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比分析

通過對(duì)本例高陡均質(zhì)巖坡（α約為75°）下有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，能夠發(fā)現(xiàn)：

此實(shí)例的地質(zhì)邊坡應(yīng)用傳統(tǒng)的單一強(qiáng)度的折減法進(jìn)行分析，及雙強(qiáng)度的折減法這兩種不同的算法時(shí)它的X方向的位移云圖，同時(shí)與塑性的變形云圖是大致相同的，但是我們也能從這兩種不同的算法的計(jì)算結(jié)果得出的X方向的最大位移與最大的塑性應(yīng)變是有一定不同的（見表1）：雙強(qiáng)度的折減法在計(jì)算過程中得出的X方向最大的位移值，與最大的塑性應(yīng)變的數(shù)值都比傳統(tǒng)使用的單一強(qiáng)度的折減法的數(shù)值小，比如X方向的最大位移小0.003m，最大的塑性應(yīng)變值小0.157×10-3。我們通過研究分析數(shù)值認(rèn)為，這兩種分析的算法都是能有利反映出巖土體的穩(wěn)定性中的強(qiáng)度儲(chǔ)備數(shù)值的，但是雙強(qiáng)度的折減法相比更能準(zhǔn)確將摩阻力進(jìn)行反映因此對(duì)此實(shí)例里的邊坡穩(wěn)定性分析有更大的貢獻(xiàn)，如果內(nèi)摩擦的角折減速度變得緩慢，內(nèi)聚力就算快速發(fā)生崩解此邊坡也會(huì)繼續(xù)恒定。就像在本例中坡腳的較大（α約為80°）在均質(zhì)的巖坡中，摩阻力仍會(huì)充分的發(fā)揮自身作用，之后才會(huì)讓內(nèi)聚力成為補(bǔ)充的才能發(fā)揮其自身的最大抗滑能力。

表1 雙強(qiáng)度折減法及單一強(qiáng)度折減法的計(jì)算結(jié)果比較表

3 高邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)用雙強(qiáng)度折減法對(duì)礦山地質(zhì)勘察工作的意義

一般情況下，當(dāng)我們正式開展礦山地質(zhì)勘察工作之前必須要進(jìn)行必要的前期準(zhǔn)備工作，首先要對(duì)礦山的結(jié)構(gòu)和周邊的地質(zhì)情況等一系列因素有全面的了解，掌握了這些數(shù)據(jù)之后在進(jìn)行實(shí)地勘探工作，就會(huì)盡可能的避免發(fā)生一些影響工作進(jìn)度的問題。而且，在進(jìn)行礦山地質(zhì)勘察的過程中，我們必須嚴(yán)格遵守相應(yīng)規(guī)范方法進(jìn)行礦產(chǎn)資源儲(chǔ)量預(yù)測工作，預(yù)防在后續(xù)的礦產(chǎn)資源開采過程中，出現(xiàn)資源急劇下降的問題。結(jié)合礦產(chǎn)的實(shí)際地質(zhì)情況做出對(duì)應(yīng)的合理的、較為科學(xué)的措施，才能有效保障找礦工作和后續(xù)開采生產(chǎn)工作順利進(jìn)行。因此，如何取得礦產(chǎn)地的準(zhǔn)確的實(shí)際地質(zhì)情況尤為重要，山東作為多山地的資源儲(chǔ)量豐富的省份，在勘探工作中經(jīng)常會(huì)面對(duì)高邊坡的地質(zhì)情況，在對(duì)礦山邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)采用雙強(qiáng)折減法就可以使我們的分析工作最終得到科學(xué)詳實(shí)的最終數(shù)據(jù)，并且做出準(zhǔn)確的判斷[4]。與此同時(shí)，掌握Ansys分析軟件的應(yīng)用，也會(huì)對(duì)我們?nèi)轿坏姆治鲎匀毁Y源情況提供科學(xué)合理的輔助，在此基礎(chǔ)上建立合理科學(xué)化的資源監(jiān)督系統(tǒng)，掌握礦產(chǎn)資源的消耗速度和剩余的儲(chǔ)備量，也有利于工作人員掌握先進(jìn)的勘察設(shè)備和理念，與時(shí)代相適應(yīng)。

4 結(jié)語

我們?cè)谶M(jìn)行礦山邊坡的穩(wěn)定性分析工作時(shí)，如果加入雙強(qiáng)度的折減法來進(jìn)行分析邊坡的是否穩(wěn)定，即可以使得出的分析成果更加能對(duì)c、?彼此的系數(shù)安全的儲(chǔ)備開展準(zhǔn)確的正確的反應(yīng)，也會(huì)讓我們能將全面靜力的平衡、巖土的非線性的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系、應(yīng)變相容性充分的滿足。而且，我們分析穩(wěn)定性時(shí)進(jìn)行邊坡的系數(shù)是否安全的研究成果探究時(shí)，也無需假設(shè)破裂的滑動(dòng)表面的基礎(chǔ)位置和表面形狀，也不須進(jìn)行區(qū)分，只要使用Ansys這種可以進(jìn)行有限元分析的軟件程序就可以自然而然得到滑動(dòng)的表面的數(shù)據(jù)，尤其是能有效對(duì)高邊坡的破壞面發(fā)展、起裂、發(fā)展滑動(dòng)的過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，這是對(duì)邊坡的穩(wěn)定性研究工作十分有意義的。礦山地質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究取得進(jìn)展，可以使我們?cè)诤罄m(xù)地質(zhì)勘探工作中取得質(zhì)量的良好控制，結(jié)合實(shí)際的工作情況，保證工程的良好實(shí)施。