海州礦南幫邊坡三維數(shù)值分析

喬云航

（1.遼寧有色勘察研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室東北中心，遼寧 沈陽 110013）

通過對海州礦南幫邊坡呈現(xiàn)的變形破壞機制分析，這里的巖體質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)出非常明顯的不均一性?；诓牧暇恍越嵌冗M行分析，通過三維地質(zhì)力學模型來完成對南幫邊坡所具有的應(yīng)力場分布特征進行模擬，從而更貼近實際情況。

本文研究中主要是基于有限元軟件ANSYS來實現(xiàn)南幫邊坡的模型仿真，進行三維數(shù)值模擬分析，從而可以對應(yīng)力變形分布進行剖析[1，2]?；趶姸日蹨p法實現(xiàn)對安全系數(shù)的計算。

當前基于有限元分析方法對邊坡安全系數(shù)進行計算主要有滑面搜索法和強度折減法這兩種計算方法[3,4]。強度折減法的主要思路是：確定初始折減系數(shù)，然后對巖土體初始強度參數(shù)折減，公式為：

在邊坡模型中輸入折減后的參數(shù)，從而進行有限元計算，如果程序呈現(xiàn)收斂狀態(tài)，那么說明巖土體處于穩(wěn)定狀態(tài)；接著增大折減系數(shù)F，當程序開始不收斂的時候，就可以確定折減次數(shù)F即為巖土體的安全系數(shù)。

1 建模思路

在進行三維數(shù)值模型構(gòu)建過程中，由于需要模擬的區(qū)域條件比較復雜，我們基于分區(qū)簡化思路進行建模。把需要模擬的邊坡劃分為E5-E10、E10-E15、E5-EW0-W5和E15-E26四個區(qū)域，具體劃分見下圖2所示，接下來我們分別對4個區(qū)域模擬分析。

2 巖土參數(shù)

其他學者已經(jīng)針對海州礦北幫邊坡展開比較多的巖體力學性質(zhì)研究，在研究過程中也針對一些主要層位展開了原位測試；在進行建模分析前，對南幫邊坡進行了實地勘察及測試，通過參閱相關(guān)的勘察報告以及相關(guān)文獻資料中記載的巖體物理力學參數(shù)，最終確定了模型穩(wěn)定性分析的輸入數(shù)值，這些數(shù)值如表1所示。

表1 海州露天礦南幫三維分析巖土參數(shù)取值表

3 邊坡三維數(shù)值模擬分析

圖1 E5-EW0-W5有限元模型及網(wǎng)格劃分圖

構(gòu)建三維模型，模型所具有的尺寸信息為，長度為S500-SN0為500m，寬度為剖面E5-E10為500m，模型高度350m，標高-150m～+200m；下面圖3是E5-E10區(qū)域平面圖，接著對模型進行網(wǎng)格劃分，最終確定了有限元網(wǎng)格，具體信息如圖2所示。

對有限元模型進行計算分析，下面圖就是對E5-E10區(qū)域計算得到位移云圖：

圖2 E5-E10 x位移云圖

圖3 E5-E10 y位移云圖

通過模型分析計算得到的云圖可以得知，研究的區(qū)域邊坡變形發(fā)生在標高+50m～-50m，通過進一步分析可知，主要是因為煤層自然或者是中間層開采導致的這一結(jié)果，需要針對這一區(qū)域加強監(jiān)測并制定有效防護措施。

4 總結(jié)

對海州礦南幫邊坡呈現(xiàn)的變形破壞機制分析，這里的巖體質(zhì)量在空間上呈現(xiàn)出非常明顯的不均一性。把海州礦南幫研究區(qū)劃分為E5-E10、E10-E15、E5-EW0-W5和E15-E26四個區(qū)域，本文研究中主要是基于有限元軟件ANSYS來實現(xiàn)南幫邊坡的模型仿真，由于需要模擬的區(qū)域條件比較復雜，我們基于分區(qū)簡化思路進行建模，進行三維數(shù)值模擬分析，從而可以對應(yīng)力變形分布進行剖析，得到研究區(qū)域的應(yīng)力分布特征。