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标题

基于强度折减法的边坡稳定性数值分析

范文

胡涛

摘? 要：针对在边坡稳定性分析评价过程中存在定量评价困难的问题，文章以新疆黑山露天煤矿一典型边坡为研究对象，运用数值分析的手段对次边坡进行了稳定性分析，探究了边坡的位移变形情况，基于Hoek-Brown准则和强度折减法计算了边坡的安全系数，根据计算结果推测出了边坡潜在滑移面及整个变形破坏的发展规律。

关键词：边坡稳定性;安全系数;数值分析

中图分类号：TU43 文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：2095-2945（2020）29-0128-03

Abstract： In view of the difficulty of quantitative evaluation in the process of slope stability analysis and evaluation， this paper takes a typical slope of Heishan open pit coal mine in Xinjiang as the research object， analyzes the stability of the secondary slope by means of numerical analysis， explores the displacement and deformation of the slope， calculates the safety factor of the slope based on Hoek-Brown strength criterion and strength reduction method， and infers the safety factor. According to the calculation results， the development law of the potential slip surface and the whole deformation and failure of the slope is given.

Keywords： slope stability; safety factor; numerical analysis

引言

我国是多山的国家，滑坡等地质灾害时有发生，给人们的生命财产造成了重大的损失，边坡稳定性问题是判断工程建设质量好坏和保证人民生命财产安全的关键性问题[1-3]，所以对边坡稳定性的分析研究具有很重要的现实意义。目前在实际工程中，对边坡稳定性分析的方法有很多种比如瑞典法[4-5]、Bishop法[6]、不平衡推力法[7]、摩根斯坦-普莱斯方法[8]等。近些年来，随着有限元方法和强度折减法的迅速发展，强度折减法成为了边坡稳定性分析的重要手段[6]。传统的数值计算一般采用线性的轻度准则忽略了土体本构关系的非线性从而导致数值计算结果与真实情况之间存在偏差，在广义Hoek-Brown准则中，土体的本构关系是非线性的，计算过程中通过采用Hoek-Brow准则可以有效减小计算偏差、提高计算精度[7]。本文结合工程实例，采用数值分析软件内置的基于Hoek-Brow准则的强度折减法计算边坡的稳定性安全系数，为边坡的治理提供依据。

1 边坡介绍

新疆黑山露天煤矿矿区边坡基本都为逆向边坡，且坡度较缓，经定性评价基本稳定，本文选择一有可能会发生破坏的位于矿区西北侧的露帮顺向坡为研究对象。

如图1所示，边坡表层为第四纪冲积层，厚度不均匀，下赋一层厚度均匀的炭质泥岩，底层强度较好的砂岩，边坡整体位于地下水位以上不考虑地下水对边坡的影响，各岩土体物理力学参数见表1所示。

2 计算原理

强度折减法是将岩土材料的抗剪强度参数黏聚力和内摩擦角除以折减系数得以降低[9-10]，再用折减降低后新得到的参数进行边坡稳定性的分析计算，这样不断降低土质边坡或岩质边坡的抗剪强度参数反复试算，直到其达到破坏状态为止。强度折减法是利用公式（1）和（2）来调整岩土体的强度指标c和？准的。

由于岩土体是非线性的，在低应力阶段这种非线性特征越发明显，在边坡的稳定性计算中如果用线性准则计算将会产生较大偏差，将为了减少因为这种岩土体非线性特征造成的模拟结果与实际情况之间的偏差，本次模拟将采用基于Hoek-Brown准则的强度折减法。

3 数值模型的建立

3.1 模型建立及网格划分

模型按实际的边坡几何尺寸1：1建立地质模型，模型按照每3.6米划分网格，总共为1150个网格，具体如图2 所示。

3.2 边界条件设置

模型底部设置为固定约束，即底部在XYZ三个方向上均不可发生位移;两侧设置为辊支撑，即两侧仅能沿重力方向上下发生位移。

4 结果分析

最后计算得安全系数fos=1.268，这表明边坡在不考虑降雨、地震等外界因素影响的条件下是稳定的。由于本次数值计算是采用基于Hoek-Brown准则的强度折减法计算边坡的稳定性安全系数，最后得到的变形情况均为强度折减试算中边坡失稳前的最后一个稳定状态，并不是边坡的实际变形情况。从计算结果可以推测出边坡失稳时所产生的变形破坏模式是蠕滑-拉裂破坏。

此类边坡破坏主要产生于坡度较缓的均质的土质或半岩质边坡，此边坡下部为力学强度较好的泥岩和砂岩，表部为厚度较厚强度较弱的土层，由于边坡下部岩性较好，所以边坡变形时首先在表层土体向坡体临空方向发生了剪切蠕变，形成了剪切蠕变滑动带，圖3为位移云图，可以看出滑动带的位置（位移突变的位置说明发生了相对位移，即为剪切滑动带的位置）。随后，在浅层蠕滑变形达到一定程度时边坡的后缘产生了较大的拉张应力，当拉应力达到一定程度边坡就会产生后缘拉裂，图4显示出的拉张塑性区即为边坡后缘的拉裂带（图中A区域为拉张塑性区）。从图5位移矢量可以明显看出，随着剪切变形和后缘拉裂的进一步发展，中部剪应力集中区域被扰动扩容，潜在滑坡体下缘部位隆起，后缘明显下沉，这些迹象表明边坡变形进入了累进性破坏阶段，一旦潜在滑动面贯通则发展为滑坡。从塑性区分布范围可以看出在边坡失稳前剪切塑性带基本贯通，图6表明此时剪切带上的应变增量已经达到了0.026，说明了此时坡体将会沿着剪切带发生滑动，造成边坡失稳。

总体来说，由于数值计算得安全系数为1.268，说明此边坡暂时稳定，但如果考虑到外界的不利因素要对边坡进行治理，就可以参照强度最后一次强度折减后的边坡状态及以此推测出的变形规律进行有针对性的治理。

5 结束语

本文以矿区西北侧边坡为计算模型，运用基于Hoek-Brown准则的强度折减法计算了边坡的稳定性安全系数，根据强度折减的计算结果结合边坡变形理论推测出了边坡失稳时的整个变形破坏规律，为滑坡防治提供了依据。这说明基于Hoek-Brown准则的强度折减法计算来分析边坡的稳定性是可行的。

参考文献：

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[2]杨剑，蒋国勇，王新军.瑞典条分法与毕肖普法在土坡稳定分析中的应用和研究[J].盐城工学院学报（自然科学版），2005，18（2）：66-68.

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[4]时卫民，郑颖人，等.边坡稳定不平衡推力法的精度分析及其使用條件[J].岩土工程学报，2004，26（3）：313-317.

[5]Chen Z，Morgenstern N R.. Extensions to the generalized method of slices for stability analysis [J]. Canadian Geotechnical Journal，1983，20（1）：104-109.

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[8]陈育民，徐顶平.FLAC/FLAC3D基础与工程实例[M].中国水利水电出版，2009.

[9]张倬元，王世天.工程地质分析原理[M].地质出版社，2009.

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