斜交斷層作用下邊坡穩(wěn)定性ANSYS分析

劉貴生 李明 鄭杰

摘 要：基于Drucker-Prager（D-P）屈服準(zhǔn)則，借助ANSYS分析軟件，采用力和位移的收斂標(biāo)準(zhǔn)作為破壞判據(jù)，研究某露天礦F3斷層對邊坡穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行邊坡應(yīng)力應(yīng)變有限元分析，分析結(jié)果表明隨著剝采工程逐漸向北發(fā)展，端幫邊坡與F3斷層間距離逐漸減小，F(xiàn)3斷層對邊坡的影響越來越大，邊坡穩(wěn)定性也逐漸降低。

關(guān)鍵詞：ANSYS；有限元；邊坡；F3斷層

邊坡穩(wěn)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(yīng)用。因此，如何做好邊坡變形破壞的預(yù)測預(yù)報工作是十分必要的。最基本、最重要是要做好邊坡的穩(wěn)定性分析，以便為將來的邊坡設(shè)計、施工、除險加固做指導(dǎo)工作。

目前國內(nèi)外對邊坡穩(wěn)定性的定量確定性分析方法主要是極限平衡法和數(shù)值分析法。

本文基于大型 ANSYS 有限元軟件，采用D-P屈服準(zhǔn)則，將巖質(zhì)邊坡概化為均質(zhì)的巖土體，通過對巖土體的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行局部折減，研究了邊坡的漸進(jìn)破壞過程，分析應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，直到滿足節(jié)點位移突變和迭代步數(shù)突變的失穩(wěn)判據(jù)，從而得到邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。

1 邊坡工程概況

本文中所研究區(qū)域為某露天礦西北幫F3斷層區(qū)。西北幫巖體內(nèi)存在的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面有兩種：斷層和節(jié)理，它們對邊坡的巖體強(qiáng)度有著重要的影響。其中，F(xiàn)3斷層為一級構(gòu)造結(jié)構(gòu)面，對邊坡穩(wěn)定造成重大危害，其它均為次一級別的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。

2 邊坡穩(wěn)定性數(shù)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(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問題。假定邊坡所承受的外力不隨Z軸變化，位移和應(yīng)變都發(fā)生在自身平面內(nèi)。兩側(cè)邊界水平位移為零，下側(cè)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(xué)指標(biāo)。

2.3 4600線剖面邊坡穩(wěn)定性計算

通過ANSYS數(shù)值模擬，得到模型4600的應(yīng)力、應(yīng)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(xiàn)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(chǎn)生應(yīng)力集中。

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

可以看出，總體位移，均是在坡體上部，即坡肩處巖土體表現(xiàn)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(yīng)力變化塑性區(qū)域分布如圖6所示，塑性區(qū)域分布在F3斷層及坡腳附近，已經(jīng)從坡底貫通到坡頂，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)。其破壞模式為沿F3斷層和1煤頂板弱層以剪切形式發(fā)生滑移，形成塑性流變區(qū)域，即邊坡破壞面。

通過對西北幫邊坡數(shù)值模型的分析，可以得出4800剖面邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象。其破壞形式為：沿F3斷層和1煤頂板弱層以剪切形式發(fā)生滑移。

3 結(jié)論

本文基于有限元理論，應(yīng)用ANSYS軟件對露天礦西北幫F3斷層區(qū)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)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(yīng)力分布特征、位移分布特征及變形破壞特征，揭示了滑坡機(jī)理。小結(jié)如下：

（1） 按照ANSYS計算邊坡的失穩(wěn)判據(jù)，4600剖面邊坡在斷層附近表現(xiàn)出塑形變形，但未貫通，處于穩(wěn)定狀態(tài)；4800剖面邊坡發(fā)生了貫通性的塑性變形，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其破壞形式為沿F3斷層和1煤頂板弱層以剪切形式發(fā)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(fā)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(qū)域，而4600剖面斷層上盤的位移主要指向斷層和弱層相交處。

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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(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司高級工程師。