顺层岩质边坡变形破坏规律的分析解联库1,杨小聪1,杨天鸿2,唐春安2,郭利杰1(11北京矿冶研究总院,北京 100044; 21东北大学资源与土木工程学院,沈阳 110004)摘 要:使用RFPA 边坡版有限元分析程序分析含软弱结构面的顺层岩质边坡的变形破坏情况。

结果表明,边坡的破坏主要是沿滑动面附近的软弱结构面萌生并扩展,含多组软弱结构面的顺层岩质边坡下沉曲线具有呈阶梯式变化的特征。

这对在安全位置监测边坡位移变化从而了解整个边坡的变形破坏有积极意义。

关键词:采矿工程;顺层边坡;RFPA 边坡版;软弱结构面;阶梯式变化中图分类号:TD85416 文献标识码:A 文章编号:1001-0211(2007)02-0075-05收稿日期:2006-11-24基金项目:三峡大学防灾减灾实验室开放基金资助项目(2002ZS03)作者简介:解联库(1972-),男,陕西兴平市人,工程师,硕士,主要从事边坡稳定性分析及采矿工程等方面的研究。

岩体经过漫长地质演化作用,在其内部形成大量断层、节理、层理等地质弱面。

这些地质弱面对岩质边坡的变形破坏以及边坡的稳定起着明显地控制作用[1-4]。

由于结构面是控制岩石变形、破坏的主要因素,因此,在岩质边坡稳定性分析中,准确考虑结构面的影响是十分重要的。

因为岩体本身结构的复杂性,其软弱结构面分布十分复杂,但大多都具有一定的规律性。

其往往是成组分布,多组交叉。

在评价结构面对边坡变形及边坡稳定性的影响时,要特别注意结构面的产出状态与边坡面的相互关系。

冯君等[5-6]采用多层结构模型,对影响顺层岩质边坡稳定性的部分因素进行了分析,给出了顺层边坡的定义。

张菊明等[7]从动力学角度对层状岩体边坡的稳定性进行研究,丰富了边坡稳定性研究的内容。

郑颖人等[8]利用有限元强度折减法对节理岩质边坡进行稳定性分析,为节理岩质边坡稳定分析开辟了新的路径。

刘小丽等[9]采用机动位移法和能量系数对含多个柔软夹层的岩体边坡的稳定性进行评价,并用极限平衡法验证该方法的可行性,为边坡稳定分析提供了一种新的便捷、有效方法。

利用能够分析岩石破坏过程的RFPA 边坡版有限元程序,对顺层岩质边坡的变形破坏及稳定性进行分析。

通过对含软弱结构面的顺层岩质边坡变形破坏进行分析,发现边坡的破坏主要是沿滑动面附近软弱结构面进行的,得到了一些新颖的和有意义的结论。

1 RFPA 边坡版分析程序简介所用的RFPA 边坡版是可以分析岩质边坡变形破坏过程的有限元强度折减程序。

其可以考虑岩石材料的非均匀性,首先把岩石离散成适当尺度的细观基元,按照给定的Weibull 统计分布函数对这些基元的力学性质进行赋值,这些细观基元可以借助有限元法来计算其受载条件下的位移和应力,破坏准则选用摩尔-库仑准则和最大拉应力准则,可以考虑岩石材料的剪切破坏和拉伸破坏[10]。

RFPA 边坡版分析程序采用有限元强度折减法,就是在弹塑性有限元计算中将岩土体强度参数逐渐降低直到其产生破坏,程序可以自动根据其弹塑性计算结果得到边坡的动态破坏过程及自动搜索破坏时滑动面。

RFPA 边坡版中稳定性系数的定义和传统的弹塑性有限元边坡稳定性系数的定义在本质上是一致的,不同之处在于传统的弹塑性有限元法破坏准则采用摩尔-库仑屈服准则,只考虑了材料的剪切破坏,而RFPA 边坡版中考虑了材料的非均匀性,破坏准则选用摩尔-库仑准则和最大拉应力准则,可以考虑材料的剪切破坏和拉伸破坏,可以动态模拟岩体的渐进破坏过程,使得RFPA 边坡版在岩石材料破坏机理的分析上更为全面。

RFPA 边坡版中基元在理想单轴受力状态下满足的剪切损伤与拉伸损伤本构关系如图1所示,图1中:f c 0-基元的单轴抗压强度;E c 0-基元的最大压缩主应力达到其单轴抗压强度时对应的最大压缩第59卷 第2期2007年5月有 色 金 属Nonferrous M etalsVol 159,No 12 M ay 2007主应变;f cr -基元残余抗压强度;E t u -基元的极限拉伸应变;G -极限应变系数(E tu =G @E t 0);K -基元的残余强度系数(f cr =K @f c 0,并且假定f tr =K @f t 0);f t 0-基元的单轴抗拉强度;f tr -基元初始拉伸损伤时的残余强度;E t 0-弹性极限所对应的拉伸应变,该应变可以叫做拉伸损伤应变阀值。

基元在三维应力状态下的本构模型及参数关系,在文献[11]中有全面系统介绍。

图1 基元单轴应力状态下的弹性损伤本构关系F ig 11 Elastic damag e constitutive law of elementsubjected to uniax ial str ess2 具有一条软弱结构面的岩质边坡如图2所示,具有一条软弱结构面的岩质边坡,结构面倾角45b ,贯通率100%。

边界条件为左右边界水平约束,底部边界固定约束,其余边界为自由边界。

只研究边坡在重力作用下随强度折减稳定性问题。

岩体以及结构面计算物理力学参数见表1。

图2 具有软弱结构面的岩质边坡F ig 12 Rock slope w ith w eak structure surface表1 物理力学参数计算取值T able 1 M echanics parameters of numerical model材料名称弹性模量/M Pa 泊松比重度/(kN #m -3)内聚力/M Pa 内摩擦角/(b )岩体100000122511038结构面10013170113226211 具有一条软弱结构面的岩质边坡破坏模式通过RFPA 边坡分析程序计算,此边坡的安全系数为1104,与通过极限平衡法求得该边坡的安全系数11041基本一致。

计算求得滑动面及位移矢量图分别见图3和图4。

图3和图4表明边坡的变形破坏主要是沿软弱结构面发生。

边坡底部剪应力较大(亮度较高),而软弱结构面的强度较低,故破坏面首先在软弱结构面的底部出现,然后破坏面沿软弱结构面继续向上发展,最后破坏面贯通,软弱结构面以上的坡体产生整体滑移失稳破坏(详见图3)。

(a)-初期剪应力图;(b)-滑动破坏面出现;(c)-滑动破坏面贯通图3 剪应力图F ig 13 Plot of shearstress图4 边坡位移矢量图Fig 14 D i splacement vectorg raph o f slope212 具有一条软弱结构面的岩质边坡的变形规律图5为边坡临近破坏时坡顶下沉曲线图,曲线图中竖直部分为滑动面所在位置。

从图5可以清晰地看出,滑动面前部分竖直方向位移较大,表明滑动面沿软弱结构面贯通后滑体产生整体滑移。

在软弱结构面上拉一条竖直直线,研究这条直线所在位置水平位移变化情况(如图3C 所示)。

从图6可以发现,滑动面以上破坏部分整体水平位移较大,以下部76有 色 金 属 第59卷分水平位移非常小。

这些充分说明滑体的破坏模式是沿结构面滑移破坏,软弱结构面是控制边坡滑移模式的主要因素。

图5 坡顶下沉曲线F ig 15 Sinking curv e in the crest ofslope图6 边坡水平方向位移曲线F ig 16 Curve of hor izontal displacement3 具有两组软弱结构面的岩质边坡如图7所示,一岩质边坡,含2组方向不同的软弱结构面,贯通率为100%。

第1组软弱结构面倾角75b ,平均间距5m 。

第2组软弱结构面倾角30b ,平均间距5m 。

边界条件为左右边界水平约束,底部边界固定约束,其余边界为自由边界,研究边坡在重力作用下随强度衰减稳定性问题。

岩体以及结构面计算物理力学参数见表2。

图7 具有两组软弱结构面的岩质边坡Fig 17 Rock Slope wit h double groups of w eakstructure surface表2 物理力学参数计算取值T able 2 M echanics parameters of numerical model材料名称弹性模量/M Pa 泊松比重度/(kN #m -3)内聚力/M Pa 内摩擦角/(b )岩体1000001252511038第1组结构面2000013517011224第2组结构面2000013517011224311 具有两组软弱结构面的岩质边坡破坏模式通过有限元强度折减,计算求得的安全系数为214。

因坡脚处剪应力比较大,首先在坡脚处产生剪切破坏,破坏沿软弱结构面向上扩展,接着在坡顶产生拉伸破坏,然后破坏沿软弱结构面向下发展。

当破坏继续发展到一定程度,就会在坡脚和坡顶分别出现宏观破裂带,最终上下宏观破裂带贯通,岩体发生整体滑移破坏,同时出现第二条破裂带。

可见滑动破坏面是由坡脚处的剪切破坏带和坡顶处的拉伸破坏带贯通形成的宏观裂纹组成,宏观裂纹主要沿软弱结构面萌生、发展并最终贯通,裂纹附近的软弱结构面对裂纹发展起主导作用。

边坡破坏过程如图8所示,从图8可以发现,软弱结构面是控制边坡滑移模式的主要因素。

(a)-滑动破坏面发展;(b)-滑动破坏面完全贯通;(c)-边坡失稳破坏;(d)-边坡失稳后续节理倾倒破坏图8 RFPA -Slope 模拟得到的边坡的破坏过程Fig 18 Failure mode of rock slope w ith double g roups of weak structure sur face (obtained with rfpa -slope)77第2期 解联库等:顺层岩质边坡变形破坏规律的分析312 具有两组软弱结构面的岩质边坡的变形规律图9和图10分别是边坡接近破坏时坡顶下沉和水平位移变化曲线。

从图9可清晰看出,首先坡顶主滑动面前水平位置下沉位移较大,其次是主滑动面后的曲线呈阶梯式变化,表现为主滑动面后的软弱结构面之间也产生下沉且幅度依次减弱,说明边坡主滑动面后地表下沉也受软弱结构面影响。

图9 边坡接近破坏时坡顶下沉曲线F ig 19 Sinking curve in cr est near slope breaking down图10 边坡水平方向位移曲线Fig 110 Curve of ho rizontal displacement为研究边坡在水平方向位移变化情况,在边坡上划定一条竖直直线,见图8(a),观察这条直线所在位置单元的水平位移。

从图10可以发现,主滑动面以上部分水平位移变化较大,其以下部分水平位移非常小,表明在边坡破坏初始,滑动面所处位置变形比较大,但边坡滑动体整体此时尚未产生大的滑动。

4 结论软弱结构面对边坡的变形破坏及边坡稳定起着明显地控制作用。

使用RFPA 边坡版分析程序对含软弱结构面的岩质边坡变形破坏进行分析,获得以下几点结论和认识。