基于ABAQUS的露天礦山邊坡穩定性分析與工程應用

張海鋒 李向陽 柴卓 張晨招

（中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊/西安建材地質工程勘察院有限公司，陜西西安 710003）

0 引言

隨著基建產業的快速發展，礦產資源需求越來越多，露天礦山規模也越來越大，礦山邊坡的安全運行越來越重要。對露天礦山邊坡進行穩定性評估，是保證露天礦山正常安全生產的重要手段。

露天礦山邊坡穩定性分析的方法有多種，對于巖體結構簡單、破壞模式單一的邊坡可采用赤平投影法與極限平衡法；對于高陡復雜露天礦山邊坡，其內部結構復雜、體量大、破壞形式多樣，不易確定潛在破壞區，而數值分析法可以解決各種復雜條件的綜合性邊坡穩定性分析評價任務。數值分析方法，由于概念明確簡單、結果直觀形象，在工程中應用的越來越多[1]。有限元數值分析法，對于邊坡失穩時的破壞形態比較直觀，但是不能直接定量反映出邊坡的穩定性安全系數值，需要采用間接的判別標準進行分析。周容方等[2]通過對土質邊坡漸進破壞進行了數值分析，以邊坡的塑性應變區、位移增量等來判別邊坡的穩定性。劉開富等[3]采用強度折減法研究了土質邊坡的穩定性，通過對內摩擦角、粘聚力指標參數的折減，搜索破壞時的破壞面，能更真實的反映客觀實際，計算結果更準確真實。宋二祥等[4]提出以位移突變作為邊坡失穩判別依據。鄭穎人等[5]提出以有限元分析不收斂作為邊坡破壞失穩的判別依據。劉金龍等[6]采用塑性區貫穿作為邊坡失穩的判別依據。對于露天礦山邊坡失穩的判別依據標準目前并不統一，不同的標準結果有差異，因而在露天礦山邊坡穩定性分析時應綜合考慮不同標準下安全系數差異，綜合評價露天礦山邊坡的穩定性。

本文以某露天礦山高邊坡為例，通過基于ABAQUS 的數值分析，采用強度折減法，以各級邊坡臺階處的位移突變、坡體內的塑性區貫穿、有限元分析時計算收斂與否作為邊坡失穩的判別依據，分析三種判據條件下邊坡穩定安全系數的差異，同時對該礦山邊坡進行安全性評估。

1 強度折減法基本原理

強度折減法采用對材料的粘聚力、內摩擦角進行折減試算，直到破壞為止，以破壞時的折減系數作為穩定性安全系數的方法。

折減系數表示為：

式中，c、φ為巖土體材料本身的粘聚力、內摩擦角指標參數；c m、φ m為巖土體所發揮出來的粘聚力、內摩擦角指標參數；F r為折減系數。

計算中通過不同折減系數Fr對巖土體材料的c、φ進行折減試算，直到巖土體達到破壞狀態為止。坡體達到破壞狀態的標準為：位移突變；塑性區貫穿；計算不收斂。

2 強度折減法在ABAQUS中的實現

強度折減法是對c、φ進行折減降低，導致部分單元應力屈服，這些單元沿著某個面發生貫穿，即巖土體發生滑動破壞，邊坡失穩

ABAQUS 中通過溫度場進行模擬這過程，具體實現過程見ABAQUS 強度折減法流程圖[7][8]，如圖1所示。

圖1 ABAQUS強度折減法流程圖

3 邊坡的穩定性分析與評價

3.1 工程概況

根據該礦區邊坡的形態，按位置、邊坡級數，礦區邊坡分為四部分7 個典型剖面。文中選取其中一個典型邊坡剖面進行分析。邊坡高約36m，呈三級邊坡，每級邊坡高約12m，坡度約60°，坡間平臺寬約6m。邊坡安全等級為Ⅲ級，邊坡設計安全系數為1.15～1.10。

3.2 巖土材料參數

根據現場勘測資料，邊坡巖體主要為中等風化灰巖，巖體力學性質指標如表1所示。

表1 巖土體力學性質指標

計算模型及網格劃分，如圖2所示。

圖2 計算模型及網格劃分

取一級、二級、三級坡頂為特征點，記為A、B、C點。

3.3 邊坡穩定性分析與評價

（1）邊坡穩定安全系數

上述三種判別依據（計算收斂與否、特征點位移拐點、塑性貫通）下，進行邊坡穩定性分析。

①以位移拐點為邊坡失穩判據

從圖3、圖4 可以看出，A、B、C 點位移變化規律相同，在折減系數為1.0 處開始，位移增加速度加快，當折減系數達到1.14 時，A、B、C 點的位移出現急劇變化，快速變大，邊坡已失去穩定性，達到破壞狀態。通過分析位移變化過程，折減系數為1.14 是位移變化的一個拐點。以A、B、C 點處的位移拐點為邊坡失穩判別依據，圖中F=1.14 時判定坡體達到臨界破壞狀態。因此，邊坡的安全系數K=1.14。

圖3 特征點水平位移-折減系數曲線

圖4 特征點豎向位移-折減系數曲線

②以塑性區連通為邊坡失穩判據

塑性區的發展變化隨折減系數的變化規律，如圖5 所示。開始階段塑性應變區位于各級臺階坡腳處，隨著強度的降低，塑性應變區范圍在擴大，逐步向上延伸，最終塑性應變區逐漸連通，坡體沿貫穿的塑性應變區處發生破壞。

圖5 塑性區發展隨折減系數的變化規律

通過分析塑性應變區發展隨折減系數的變化，可以發現，折減系數為1.138 時塑性應變區在各級臺階坡腳處形成，折減系數1.166 時，各級臺階的塑性應變區逐漸互相連通，折減系數1.180 時塑性應變區連通。F=1.180 時坡體達到破壞狀態，邊坡穩定性安全系數K=1.18。

③以計算不收斂為邊坡失穩判據

計算過程中發現，計算終止時，折減系數為1.180。邊坡穩定性安全系數K=1.18。

綜上所述，采用上述三種失穩判據確定的邊坡安全系數介于1.14～1.18之間。

（2）邊坡滑動面確定和穩定性評價

邊坡穩定計算中，邊坡的潛在破壞面與邊坡穩定性安全系數直接相關。邊坡位移增量云圖，如圖6所示。通過增量位移變化可以確定滑動面的位置。

圖6 位移等值線云圖

根據上述三種邊坡失穩判據（位移拐點、塑性貫通、計算收斂與否）確定的邊坡安全系數介于1.14～1.18 之間。基本符合設計要求的安全系數1.10～1.15。因此，綜合判斷該露天礦山邊坡穩定。

3.4 邊坡穩定性評價存在的問題

在強度折減法判斷邊坡失穩的極限狀態時，目前的三種判別依據（計算收斂與否、特征點位移拐點、塑性貫通）存在以下問題，計算收斂與否和單元類型、計算算法等多種因素有關；特征點、特征位移、塑性區貫通等的選擇判斷因人而異。因而，在分析時應綜合考慮這三個依據標準下的安全系數，綜合評價邊坡的穩定性。

4 結論

（1）特征點位移拐點、塑性貫通、計算收斂與否均可作為邊坡失穩的判別依據。

（2）三種邊坡失穩判據確定的邊坡安全系數介于1.14～1.18之間，差別不大。

（3）該露天礦山邊坡安全系數滿足設計要求，該露天礦山邊坡整體穩定。

（4）三種邊坡失穩判據下的結果存在差異，對露天礦山邊坡穩定性評價時需綜合考慮。