基于有限元法的礦山邊坡滑裂災害探討

楊 葳

（深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司，廣東 深圳 518023）

礦體邊坡失穩(wěn)會帶來非常嚴重的后果，而想要做好邊坡滑落的防治工作，必須首先對其穩(wěn)定性和可靠度進行分析，找出邊坡失穩(wěn)的原因所在，才能做到對癥下藥。對于礦山邊坡滑裂情況進行分析的方法有很多，比較常見的就是極限平衡理論和有限元法，以有限元法為例，相比較傳統(tǒng)分析方法，優(yōu)勢更加明顯，充分滿足各種應(yīng)力的平衡條件，能夠?qū)崿F(xiàn)對于邊坡實際滑裂面的有效模擬，從而得到準確有效的分析結(jié)果。

1 邊坡穩(wěn)定可靠度研究意義

任何一種礦體邊坡都會因為自重、外部荷載等因素的影響，在其內(nèi)部產(chǎn)生相應(yīng)的剪切應(yīng)力，雖然土體本身具備一定的抗剪強度，但是如果剪切應(yīng)力超過礦體抗剪強度，則會引發(fā)礦體的剪切破壞，破壞區(qū)域達到一定程度，就可能引發(fā)滑裂災害問題。自然界中存在的滑裂現(xiàn)象多數(shù)是由自然災害引發(fā)的，如暴雨、礦震等。在我國遼闊的土地中，山地占據(jù)了相當大的比重，滑坡災害容易發(fā)生，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)同樣會遭遇邊坡穩(wěn)定性問題，一旦出現(xiàn)邊坡滑裂災害，可能帶來嚴重后果，對群眾的生命財產(chǎn)安全造成威脅，做好邊坡穩(wěn)定可靠度的研究，對其失穩(wěn)問題進行預測，配合相應(yīng)礦山邊坡加固措施，保證邊坡的穩(wěn)定性和可靠性，有著非常重要的現(xiàn)實意義[1]。

2 礦山邊坡滑裂災害分析中的強度折減法

強度折減法屬于有限元法的一種，將其應(yīng)用到礦山邊坡滑裂分析中，有著非常明顯的優(yōu)勢：首先，能夠針對礦區(qū)復雜地形地貌以及地質(zhì)邊坡進行計算，提升計算的準確性；其次，在利用強度折減法進行邊坡穩(wěn)定性分析的過程中，考慮了到礦體結(jié)構(gòu)關(guān)系和變形對于應(yīng)力的影響；相比較傳統(tǒng)方法，強度折減法可以對邊坡滑裂過程和滑移面形狀進行模擬，為分析研究提供便利；最后，在對安全系數(shù)進行求解時，不僅不需要對滑移面的形狀進行假定，也不需要進行條分處理。

具體來講，需要關(guān)注三個基本概念：一是屈服準則?？梢赃x擇理想彈性模型以及Drucker-Prager屈服準則，其本身同時考慮了主應(yīng)力和靜水壓力對于屈服強度的影響，在面對多種土體材料時，都能夠達到預期效果，適用性更強，應(yīng)用效果好，對于分析人員而言，在礦體穩(wěn)定性分析中運用相應(yīng)的Drucker-Prager屈服準則，能夠在保證分析效率的前提下，獲得有效的分析成果。在Drucker-Prager屈服準則中，經(jīng)過了相應(yīng)的MIses修正，除去基本參數(shù)外，還加入了靜水壓力分量可能產(chǎn)生的影響，構(gòu)建起了其與屈服強度的相互關(guān)系；二是安全系數(shù)。安全系數(shù)是決定邊坡穩(wěn)定可靠度的關(guān)鍵所在，對應(yīng)的計算公式為：

三是有限元分析的強度折減法，將上述公式兩側(cè)同時除以K，可以得到：

公式中的φ代表內(nèi)摩擦角，c代表粘聚力。

在實際操作中，通過對系數(shù)K的逐步調(diào)整，可以得到不同數(shù)值的c′、φ′，將其帶入到有限元程序中對邊坡進行反復分析，待其達到臨界狀態(tài)時，K值為礦體邊坡滑裂的安全系數(shù)。

在運用強度折減法來對邊坡穩(wěn)定性進行分析的過程中，同樣存在有兩個缺點，一是礦體邊坡滑裂面本身的位置會隨著土體參數(shù)的變化而變化，這也是運用該方法得到的礦體邊坡滑裂面并不會總是與實際情況相符；二是因為邊坡達到臨界破壞狀態(tài)的影響因素眾多，很多時候?qū)嶋H上都無法得到合理的邊坡安全系數(shù)。因此，在實際應(yīng)用中，需要技術(shù)人員做好強度折減法的合理應(yīng)用，最好能夠通過與其他方法的相互配合來保證分析結(jié)果的準確性[2]。

3 計算分析

一是瑞典圓弧法。這種方法是傳統(tǒng)礦山邊坡穩(wěn)定性分析中一種比較常見的方法，簡單來講，就是在面對均質(zhì)粘性土坡時，如果其因為應(yīng)力的作用出現(xiàn)滑動，則會產(chǎn)生與圓弧類似形態(tài)的滑動面。從方便分析的角度，將滑動面上存在的礦體假設(shè)為剛性體，在忽略礦體內(nèi)部各種力相互作用的情況下，將礦體邊坡的滑裂問題定義為應(yīng)變問題。在分析的過程中，可以從圓弧滑動面上，選擇相應(yīng)的滑動體，將其看作是與整體脫離的個體，則此時邊坡的抗滑力值等于土體抗剪強度Tf和滑弧AED長度L的乘積，則瑞典圓弧法的基本公式為：安全系數(shù)K=抗滑力矩/滑動力矩=Mr/Ms＞1。將其應(yīng)用到該工程中，可以實現(xiàn)對有負載不均勻礦山邊坡以及截面邊坡穩(wěn)定性的計算；二是天漢設(shè)計軟件。選擇最新版的軟件，在軟件中輸入工程地質(zhì)勘查分析中得到的各項參數(shù)，經(jīng)過相應(yīng)的軟件程序運作后，就能夠得到相應(yīng)的計算分析圖，最終滑弧安全深度計算結(jié)果如表1所示。

表1 滑弧安全深度計算

三是有限元分析ABAQUS。利用相應(yīng)的有限元分析程序，構(gòu)建無任何支護狀況下的邊坡模型和位移矢量圖。

結(jié)果對比：對比上述三種方法得到的礦山邊坡滑裂安全系數(shù)，瑞典圓弧法得到的安全系數(shù)為0.509，天漢設(shè)計軟件得到的安全系數(shù)為0.543，有限元分析ABAQUS法得到的安全系數(shù)為0.437，可以看出人工計算出的安全系數(shù)和專業(yè)設(shè)計軟件計算出的結(jié)果并不存在很大差異。

4 結(jié)語

礦山邊坡滑落安全性分析應(yīng)該得到礦山工程設(shè)計人員的高度重視，而經(jīng)過對比分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)邊坡滑裂計算方法與設(shè)計軟件計算出的安全系數(shù)并沒有很大差異，可以將其作為穩(wěn)定系數(shù)參考。

利用傳統(tǒng)極限平衡法和設(shè)計軟件，并不能很好地獲取邊坡應(yīng)力、變形分布及其發(fā)展趨勢等相關(guān)信息，從保證邊坡安全的角度，在針對礦山邊坡穩(wěn)定性分析的過程中，需要在運用極限平衡法簡略計算的基礎(chǔ)上，以有限元法作為補充分析，獲取更加完善細致的信息。而從工程技術(shù)人員的角度，在邊坡施工環(huán)節(jié)，如果遇到建設(shè)方提出相應(yīng)的邊坡修改意見，需要提前做好相應(yīng)的穩(wěn)定性計算，以保證礦山施工的穩(wěn)定性，減少安全隱患的發(fā)生。