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。