基于强度折减法的边坡动力稳定性研究.pdf
第3 3 卷第4 期 爆破 V 0 1 3 3N o 4 2 0 1 6 年1 2 月B L A S T I N G D e e .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j 。i s s n .1 0 0 1 - 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 4 .0 2 7 基于强度折减法的边坡动力稳定性研究 费鸿禄,苑俊华 辽宁工程技术大学爆破技术研究院,阜新1 2 3 0 0 0 摘要基于强度折减法,利用有限元软件A N S Y S 建立二维边坡模型,采用P l a n e 8 2 单元进行网格划分,并 对可能出现的滑坡体细化网格,研究爆破荷载作用下的边坡动力稳定性。以计算不收敛作为边坡失稳的判 定准则,求得边坡静力安全系数为2 .3 6 ;以边坡坡底节点位移突变作为边坡动力失稳的判定准则,求得爆破 动荷载作用下的边坡动力安全系数为2 .2 4 。模拟结果表明给定边坡在当前爆破动荷载作用下,其动力安 全系数相对于静力安全系数降低了5 .0 8 %。通过对坡底节点位移时程曲线的变化规律进行研究发现,随着 边坡抗剪强度参数的折减,边坡坡底节点的水平最大位移也在缓慢增加,主要是由于边坡强度折减造成的塑 性位移增加。 关键词爆破荷载;强度折减法;有限元软件A N S Y S ;位移时程曲线;边坡安全系数 中图分类号T D 2 3 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 1 4 0 0 6 S t u d yo fS l o p eD y n a m i cS t a b i l i t yb a s e d o nS t r e n g t hR e d u c t i o nM e t h o d F E IH o n g l u .Y U A NJ u n h u a I n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gB l a s t i n g ,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ,F u x i n12 3 0 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h es t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d .t h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y SW a su s e dt oe s t a b l i s ht w o . d i m e n s i o n a ls l o p em o d e l ,b ym e s h i n gt h es l o p em o d e lw i t hP l a n e 8 2e l e m e n t ,a n dr e f i n i n gt h eg r i da tt h ep o t e n t i a l l a n d s l i d eb o d y ,b yw h i c ht h es l o p es t a b i l i t yu n d e rb l a s t i n gl o a d i n gw a ss t u d i e d .T a k i n gt h en o n c o n v e r g e n to fc a l c u l a t i o na sac r i t e r i o nf o rj u d g i n gt h ei n s t a b i l i t yo ft h es l o p e ,t h es l o p es a f e t yf a c t o ru n d e rs t a t i cl o a di s2 .3 6 .T a k i n gd i s p l a c e m e n tm u t a t i o no ft h es l o p eb o t t o mn o d ea st h ec r i t e r i o nf o rj u d g i n gt h ed y n a m i ci n s t a b i l i t yo ft h es l o p e ,t h es l o p e s a f e t yf a c t o ru n d e rb l a s t i n gd y n a m i cl o a di s2 .2 4 .T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t .c o m p a r e dw i t l lt h es t a t i cs a f e t y f a c t o r ,t h ed y n a m i cs t a b i l i t ys a f e t yf a c t o ro ft h eg i v e ns l o p ed e c r e a s e sb y5 .3 6 %u n d e rt h ec u r r e n tb l a s t i n gd y n a m i c l o a d .I na d d i t i o n ,t h r o u g ht h er e s e a r c ho nt h ec h a n g el a wo ft h ed i s p l a c e m e n tt i m e h i s t o r yc u r v eo fs l o p eb o t t o m n o d e ,i ti sf o u n dt h a tw i t ht h er e d u c t i o no ft h es h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fs l o p e ,t h em a x i m u mh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h en o d ea tt h eb o t t o mo ft h es l o p ei sa l s oi n c r e a s i n g ,w h i c hi sm a i n l yd u et ot h ep l a s t i cd i s p l a c e m e n ti n c r e a s i n gc a u s e db yt h es t r e n g t hr e d u c t i o no ft h es l o p e . K e yw o r d s b l a s t i n gl o a d ;s t r e n g t hr e d u c t i o nm e t h o d ;f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eA N S Y S ;d i s p l a c e m e n tt i m e h i s t o - r yc u r v e ;s l o p es a f e t yf a c t o r 收稿日期2 0 1 6 1 0 3 1 作者简介费鸿禄 1 9 6 3 一 ,男,教授、博士、博士生导师,从事工程 爆破和地下工程方面的教研, E - m a i l f e i h o n g l u 1 6 3 . t o m o 通讯作者苑俊华 1 9 8 9 一 ,男,辽宁工程技术大学,工程力学专业, 硕士研究生,从事爆破动力学方面的研究 E m a i l D h 9 0 1 2 0 9 q q .t o m 。 爆破荷载作用下边坡的稳定性问题是一个普遍 存在的问题,边坡在爆破动荷载作用下必然发生变 化,原因主要有两个方面‘1 | 一方面,爆破动载荷的 直接作用导致边坡岩体下滑力增大,从而可能出现 边坡动力失稳;另一方面,爆破振动对边坡岩体造成 万方数据 第3 3 卷第4 期 费鸿禄,苑俊华基于强度折减法的边坡动力稳定性研究 1 4 1 损伤 松动破坏 ,使岩体的结构、构造以及强度发 生变化,造成边坡岩体发生局部或整体层裂而形成 边坡岩体松动带,使岩体的自稳能力降低 边坡抗 滑力减小 。 边坡动力响应规律和破坏机制的研究作为边坡 动力稳定分析的基础,是不可或缺的重要组成部分。 目前,国内外对爆破载荷作用下的边坡稳定性的研 究主要采用拟静力法,相似模拟分析以及有限元分 析法,如HIL i n g 和AHDC h e n g 利用拟静力法对 沿节理面滑动的岩体进行了地震稳定分析和永久位 移计算[ 2o ;DVG r i f f i t h s 等利用条分法或弹塑性数值 计算法分析评价顺层岩质边坡稳定性旧o ;郑允等出 一种计算岩质边坡爆破开挖情况下边坡安全系数的 节点拟静力法,通过节点拟静力法可确定爆破荷载 作用下边坡潜在滑动面的位置、破坏模式以及安全 系数[ 4 1 ;范刚,张建经等设计制作2 个含泥化夹层的 顺层岩质边坡模型,并完成大型振动台试验,对加速 度放大效应进行了研究“ 1 ;黄小武等通过室内混凝 土边坡模型试验,对爆破载荷作用下的岩质边坡动 力特性进行了研究,分析了预裂缝和延期爆破对边 坡动力响应的影响M 1 ;姜彤,刘远征等对不同频率 和波形的地震波作用下,边坡的变形时程响应进行 研究,发现地震波频率的高低对边坡的累积变形影 响较大o ;陈鹏辉,楼晓明等采用动力有限元法分 析爆破过程中边坡的稳定性随时间变化情况,提出 应根据边坡时程安全系数及边坡滑面单元是否同时 发生整体破坏等条件综合评价边坡稳定性旧1 ;胡英 国等采用基于L S D Y N A 二次开发的累计损伤仿真 技术,对预裂爆破开挖方式和光面爆破开挖方式的 开挖全过程进行定量的损伤数值仿真,得到了不同 开挖方式下岩石高边坡损伤演化规律一o ;余海兵等 采用T C .4 8 5 0 爆破测试仪对峨眉黄山石灰岩露天 矿进行了振动测试,得到开采时爆破振动的传播规 律及其对矿山边坡稳定性的影响,提出了相应的减 震措施和建议[ 1 叫;罗周全等基于爆破等效动力荷载 理论,研究了某石灰石矿山在不同装药结构条件下 采场爆破开挖对边坡动力稳定性的影响,得到了采 用间隔装药技术可有效控制爆破开挖对采场边坡稳 定性的动力影响的结论“。 对于爆破载荷作用下的边坡稳定性模拟研究, 前人主要通过时程分析和边坡动力响应来研究边坡 稳定性变化,虽然能得到边坡节点位移、速度等的响 应规律,并定性的得到边坡稳定性降低得结论,但对 于定量的分析动力载荷作用下的边坡稳定安全系 数,研究却较少。基于强度折减法,结合在黑龙江达 连河露天矿实测的边坡坡脚地震波数据,利用A N S Y S 有限元软件,建立与所测台阶边坡相似的边坡 模型,并成功将地震力和重力耦合到边坡模型。模 拟过程应用了强度折减法和时程分析法的基本原 理,并将动力分析结果和静力分析结果相对比,研究 了爆破荷载作用下的边坡稳定安全系数的变化,对 类似工程具有一定的指导作用,以供参考。 1 模拟边坡稳定性的基本原理 1 .1 强度折减法的节本原理 基于A N S Y S 的边坡的安全系数模拟中,采用的 是折减系数法n2 。。强度折减系数法的具体计算步 骤为首先选取初始折减系数F ,对边坡岩体的抗剪 强度参数粘聚力c 和内摩擦角p 进行折减,折减后 的粘聚力c ’、内摩擦角p ’分别为 c , 号 1 t 唧’ 半 2 然后将折减后的参数输入,进行有限元计算,当 计算不收敛时的折减系数,即是边坡的安全系数。 采用有限元强度折减法分析边坡稳定性的一个关键 问题是如何根据有限元计算结果来判别边坡是否处 于整体破坏状态。虽然以强度折减法为基础的弹塑 性有限元数值方法在边坡稳定性分析中得到了广泛 应用,但目前尚缺乏统一的失稳评判标准,目前,边 坡失稳破坏的标准有如下几种3 | 1 以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整 体失稳的标志。 2 以塑性区 或者等效塑性应变 从坡脚到坡 顶贯通作为边坡整体失稳的标志。 3 岩体破坏标志应当是滑动岩体无限移动, 此时土体滑移面上应变和位移发生突变且无限 发展。 需要指出的是边坡滑动面塑性区贯通是边坡失 稳破坏的必要条件,但不是充分条件4 | 。岩体整体 破坏的标志应是滑体出现无限移动,此时滑移面上 的应变或者位移出现突变,因而可将有限元数值计 算是否收敛或者滑面上节点塑性应变和位移突变作 为岩体破坏的依据。本文的边坡静力模拟分析,将 以边坡计算不收敛作为边坡失稳的判定条件;爆破 地震波荷载作用下的边坡稳定性模拟分析,将以坡 底节点的水平位移 亦可采用坡顶垂直位移,但应 注意所选节点在滑坡体范围内 突变作为边坡失稳 的判定条件。 万方数据 1 4 2爆破 2 0 1 6 年1 2 月 1 .2 时程分析法的基本原理 时程分析法是2 0 世纪6 0 年代逐步发展起来的 抗震分析方法,用以进行超高层建筑的抗震分析和工 程抗震研究等。通过输入地面加速度记录进行积分 求解,以求得整个时间历程的地震反应的方法。通过 输入地震波加速度时程曲线,由初始状态开始,一步 一步地逐步积分,直至地震作用终了。通过积分运 算,求得地震波作用期间结构的内力和变形状态随时 间变化的全过程,并以此进行结构抗震承载力验算和 变形验算,对结构的变形及稳定性做出评判。 在进行A N S Y S 数值模拟时程分析时,必须采 用加速度作为动力荷载输入5 | ,而本次爆破振动测 试得到的全是速度波形,因此必须将其转化成加速 度波形。另外,水平地震波对边坡稳定性的影响,要 远大于垂直地震波的影响,边坡坡脚处爆破振动对 整个边坡的影响最大。因此,本文选择坡脚处某次 有代表性的实测水平径向速度波形进行模拟。 2 基于强度折减法的边坡稳定性模拟 2 .1 边坡静力稳定安全系数的模拟 为了简化计算,本文将边坡岩体看做均质各向同 性材料,并将计算模型简化为平面应变问题,采用 D r u c k e r P r a g e r 屈服准则u6 | 。根据现场实测数据,建 立如图1 所示的边坡模型,坡角为4 5 。,坡高1 0m ,单 元编号为P l a n e 8 2 ,两端采用水平约束,底端采用固定 端约束,并在坡底以及可能出现的塑性区进行了加 密[ 1 7 .1 引。边坡岩体的抗剪强度参数如表1 所示。 表1 边坡岩体抗剪强度参数 T a b l e1S h e a rs t r e n g t hp a r a m e t e r so fs l o p er o c km a s s 图1 边坡模型 F i g .1S l o p em o d e l 当F 2 .3 6 时,计算不收敛,可以判定,无外力 情况下,边坡安全系数为2 .3 6 ,此时的边坡塑性区 云图如图2 所示,通过观察可以发现,塑性区并未完 全贯通,这说明了塑性区贯通作为判断边坡失稳的 充分条件是不可靠的。 图2 边坡塑性区图 F i g .2T h ep l a s t i cz o n eo ft h es l o p e 2 .2 爆破地震波作用下边坡动力安全系数模拟 本人所采用的地震波是在黑龙江达连河露天矿 台阶边坡坡脚处测得,爆破区距边坡坡脚处7 0m , 一次最大起爆量2 4 0k g ,根据所测得爆破地震波速 度波形,采用自编程序转化为加速度波形,用于A N S Y S 数值模拟的时程分析【19 | ,如图3 所示,爆破地 震波的作用时间为3S 。地震波从边坡底部输入,加 速度荷载作用在节点上,如图4 所示,另外,还必须 考虑重力荷载的作用,以研究边坡在地震波载荷和 重力载荷的共同作用下,边坡失稳的规律。 p ∞ ● 暑 ≤ 魁 瑙 口 口 1 斗 *圳 k 肌M ~ 00 .51 .O1 .52 .O2 .53 .O 时间,s 图3 水平加速度时程曲线 F i g .3 H o r i z o n t a la c c e l e r a t i o nt i m e h i s t o r ycurve 图4 加速度荷载施加图 F i g .4 T h el o a d i n go fa c c e l e r a t i o n 在用A N S Y S 加载地震波时,进行的是时程分 析,无法准确找到塑性区贯通的时间点,而且计算的 进行,并不存在不收敛的情况,故本文将以边坡底部 节点 编号为5 2 ,已在图4 中标出 的水平位移 这 也考虑到边坡坡脚处首先出现塑性变形 是否发生 突变作为边坡失稳的判定依据。随着折减系数的增 加,节点水平位移如图5 所示。 2 O 5 O 5 0 ● ● o 加 o 万方数据 第3 3 卷第4 期费鸿禄,苑俊华基于强度折减法的边坡动力稳定性研究 1 4 3 O O .0 0 0 2 一O .0 0 0 4 一O .0 0 0 6 一O .0 0 0 8 一O .0 0 1 0 一0 .0 0 1 2 一O .0 0 1 4 一O .0 0 1 6 一O .0 0 1 8 一O .0 0 2 0 0 一O .0 0 1 一O .0 0 2 一O .0 0 3 0 .0 0 4 一O .0 0 5 0 .0 0 2 O O .0 0 2 - 0 .0 0 4 - 0 .0 0 6 一O .0 0 8 - 0 .0 1 0 - 0 .0 1 2 - 0 .0 1 4 一O .0 1 6 - 0 .0 3 0 O 0 .51 .O1 .5 2 .O 2 .53 .0 T /m e /s a F 1 .2 7 0O .51 .01 .52 .02 .53 .O i v /m e /s c F I .7 3 OO .51 .01 .52 .O2 .53 .O T /m e /s e F 2 .1 2 OO .51 .O1 .52 .O2 .53 .O T /m e l s g F 2 .2 0 O { 一O .0 0 2 弋一o .0 0 4 童一O .0 0 6 量一0 .0 0 8 连一0 .0 1 0 - 0 .0 1 2 0 一O .0 0 5 - 0 .0 1 0 - 0 .0 1 5 一O .0 2 0 OO .51 .01 .52 .O2 .53 .0 T i m e /s b F I .5 4 OO .51 .O1 .52 .02 .53 .O n m e /s d F 2 .0 4 OO .51 .01 .52 .02 .53 .0 T i m e /s f F 2 .1 8 吕 裔一0 . { 曼- o o 呈一o . q 头一o . n m e /s h F - 2 .2 2 1 1 f m e /sT i m e l s i F 2 .2 4 j F 2 .2 8 图5 不同折减系数下坡底节点的位移曲线图 F i g .5D i s p l a c e m e n tc u r v e so ft h es l o p eb o t t o mn o d ew i t hd i f f e r e n tr e d u c t i o nc o e f f i c i e n t s 0、Nn∞吧e口Ⅵo盘∞一勺。咤 H罱、Nn∞屯。皇畸o 4曲一啷0吣 茸、No呵。矗-o 4胁州勺J闷 葺、Nn∞唧。口蚺。盘∞一勺._闷 茸\Nn o屯。口-o 4∞一智.J瓷 O 5 O 5 O 5 0 5 O 1 1 2 2 2 2 O O O O O O 0 O O O O O O O 一 一 一 一 一 一 一 _茸、Nn∞智。盎Ⅵo盘∞州勺J门 0 2 4 6 8 O 2 4 6 O O O O l l 1 1 O O O O O O O O 一 一 一 一 一 一 一 一 _口、Nn∞qo口Ⅵo盘∞一q.H嘲 万方数据 爆破2 0 1 6 年1 2 月 荷载的施加时间为3S ,绘制节点水平最大位移 出了以下几点结论 随折减系数的增加而变化的曲线如图6 所示。 目 滁 遵 * * 壮 图6 坡底节点最大水平位移随折减系数增加而变化曲线 F i g .6 T h em a x i m u md i s p l a c e m e n to ft h es l o p eb o t t o m n o d ew i t ht h ei n c r e a s eo ft 1 1 er e d u c t i o nf a c t o r 通过观察图 5 、图 6 可知,在爆破载荷的作 用下,边坡尚未失稳时,边坡坡底的节点水平位移在 迅速达到一定值后,将在该值附近震荡。随着边坡 岩体抗剪强度参数的折减,边坡坡底节点的水平最 大位移也在缓慢增加,相对于边坡失稳时的骤降,变 化幅度很小。 另外,从图 5 、图 6 可以观察到,随着边坡强 度参数的折减,位移时程曲线的震荡越来越不明显, 坡底节点的水平位移最大值增大的速率却明显加 快,考虑到每次施加的是同一地震波,可以判定,坡 底节点位移增加的主要原因是由于边坡强度折减造 成的塑性位移增加。 边坡在折减系数达到2 .2 4 时,坡底节点水平最 大位移骤然增加,位移时程曲线将不再在一个定值 附近震荡,而是会持续的增大,根据其位移时程曲线 的走向,如果计算时间增加,其位移会继续增加,只 是会越来越缓,如果继续增大折减系数达到2 .2 8 , 其位移时程曲线已经近似呈凸型发展,坡底节点位 移变化会更加的明显。可以判定,边坡在折减系数 为2 .2 4 时,已经处于失稳状态,即边坡在爆破载荷 的作用下,其动力安全系数为2 .2 4 ,边坡安全系数 降低了5 .0 8 %。 3结语 利用A N S Y S 软件,通过将强度折减法和时程分 析法相结合,求得了边坡静力安全系数和动力安全 系数,并随着边坡岩体抗剪强度参数的折减,对边坡 坡底节点的水平位移响应结果进行了分析研究,得 1 当强度折减达到一定值后,边坡坡底质点 的位移时程曲线将不再在一个定值附近震荡,而是 会持续的增大,其坡底节点水平最大位移发生突变, 这说明边坡已经失稳,此时的强度折减系数即为边 坡动力安全系数。这就在数值上得到了爆破荷载作 用下的边坡动力安全系数,验证了爆破载荷作用下 边坡稳定性降低的结论,并给出了边坡安全系数降 低的百分比。 2 地震波载荷作用下,随着边坡强度参数的 折减,坡底节点水平最大位移也在不断增加,主要原 因是由于边坡强度折减造成的塑性位移增加。 3 为了简化计算,建立了二维的边坡模型,而 且只输入了对边坡稳定性影响更大的水平地震波, 但边坡稳定分析是一个三维问题,如果能建立三维 模型,并输入三向地震波进行模拟,效果会更好,结 果也会更有说服力。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]钟冬望,吴亮,陈浩.爆炸荷载下岩质边坡动力特 性试验及数值分析研究[ J ] .岩石力学与工程学报, 2 0 1 0 ,2 9 S 1 2 9 6 4 - 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