顺层岩质边坡变形破坏规律的分析.pdf

第5 9 卷第2 期 20 07 年5 月 有色金属 N o r l f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 9 ，N o ．2 M a v2 0 0 7 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 1 ．北京矿冶研究总院，北京 10 0 0 4 4 ； 2 ．东北大学资源- 9 土木工程学院，沈阳 110 0 0 4 摘要使用R F P A 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；R F P A 边坡版；软弱结构面；阶梯式变化 中图分类号T D 8 5 4 ．6文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 7 0 2 0 0 7 5 ～0 5 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L l 叫J 。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L 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 J 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L 8 j 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 小丽等旧J 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R F P A 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 收稿日期2 0 0 6 1 I 一2 4 基金项目三峡大学防灾减灾实验室开放基金资助项目 2 0 0 2 Z S 0 3 作者简介解联库 1 9 7 2 一 ，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。 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。 1R F P A 边坡版分析程序简介 所用的R F P A 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W e i b u l l 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 坏准则选用摩尔一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H oJ 。R F P A 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。 R F P A 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 采用摩尔一库仑屈服准则，只考虑了材料的剪切破 坏，而R F P A 边坡版中考虑了材料的非均匀性，破 坏准则选用摩尔一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R F P A 边坡版在岩石材 料破坏机理的分析上更为全面。 R F P A 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 中正。一基元的单轴抗压强度；e 。o 一基元的最大 压缩主应力达到其单轴抗压强度时对应的最大压缩 万方数据 7 6有色金属第5 9 卷 主应变；疋，一基元残余抗压强度；￡。一基元的极限 拉伸应变；叩～极限应变系数 ￡。。 叩￡。o ；A 一基 元的残余强度系数 厶 A 正o ，并且假定 ， A o ；六。一基元的单轴抗拉强度；厶一基元初始拉 伸损伤时的残余强度；e 。o 一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 [ 1 1 ] 中有全面系统介绍。 厶 ／ f c r ．t ，／ 匕 。厶 8 ∞ 6 - 厶 图1基元单轴应力状态下的弹性损伤本构关系 F i g ．1 E l a s t i cd a m a g ec o n s t i t u 、t i v el a wo fe l e m e n t s u b j e c t e dt ou n i a x i a ls t r e s s 2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4 5 。，贯通率1 0 0 ％。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 i g ．2 R o c ks l o p ew i t hw e a ks t r u c t u r es u r f a c e 表I 物理力学参数计算取值 T a b l e1M e c h a n i c sp a r a m e t e r so fn u m e r i c a lm o d e l 材料弹性模泊松 重度 内聚力内摩擦 名称量／M P a 比 ／ k N m ．3 ／M P a 角／ 。 岩体1 0 0 0 00 ．22 51 ．03 8 结构面 1 0 0 ．31 70 ．1 3 22 6 2 ．1 具有一条软弱结构面的岩质边坡破坏模式 通过R F P A 边坡分析程序计算，此边坡的安全 系数为1 ．0 4 ，与通过极限平衡法求得该边坡的安全 系数1 ．0 4 1 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 一初期剪应力图； b 一滑动破坏面出现； c 一滑动破坏面贯通 图3 剪应力图 F i g ．3 P l o to fs h e a rs t r e s s 图4 边坡位移矢量图 F i g ．4D i s p l a c e m e n tv e c t o r g r a p ho fs l o p e 2 ．2 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3 C 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 万方数据 第2 期解联库等顺层岩质边坡变形破坏规律的分析7 7 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。 E 点 涟 辽 厦 椒 _ } 删 剥 X 图5 坡顶下沉曲线 F i g ．5S i n k i n gc u r v ei nt h ec r e s to fs l o p e 乓 褪 型 枷 I } | | 1 k 图6 边坡水平方向位移曲线 F i g ．6 C u r v eo fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t 3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1 0 0 ％。第1 组软弱结构面倾 角7 5 。，平均间距5 m 。第2 组软弱结构面倾角3 0 。， 平均间距5 m 。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 F i g ．7 R o c kS l o p ew i t hd o u b l eg r o u p so fw e a k s t r u c t u r es u r f a c e 表2 物理力学参数计算取值 T a b l e2M e c h a n i c sp a r a m e t e r so fn u m e r i c a lm o d e l 3 ．1 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 2 ．4 。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 一滑动破坏面发展； b 一滑动破坏面完全贯通； c 一边坡失稳破坏； d 一边坡失稳后续节理倾倒破坏 图8R F P A 。S l o p e 模拟得到的边坡的破坏过程 F i g ．8 F a i l u r em o d eo fr o c ks l o p ew i t hd o u b l eg r o u p so fw e a ks t r u c t u r es u r f a c e o b t a i n e dw i t hr f p a s l o p e 万方数据 7 8 有色金 属第5 9 卷 3 ．2 具有两组软弱结构面的岩质边坡的变形规律 图9 和图1 0 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。 t J 图9 边坡接近破坏时坡顶下沉曲线 F i g ．9 S i n k i n gc u r v ei nc r e s tn e a rs l o p eb r e a k i n gd o w n 一2 9 0一2 4 0- 1 9 0一【4 - 9 0 4 0l 图l O 边坡水平方向位移曲线 F i g ．1 0 C u r v eo fh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n t 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1 0 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R F P A 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。 1 R F P A 边坡版分析程序考虑了岩质材料的 非均匀性，破坏准则选用摩尔一库仑准则和最大拉 应力准则，可以考虑岩质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R F P A 边坡版在岩质材料破坏机理的分析上更为全面，适 合进行岩质边坡变形破坏分析及稳定性分析。 2 通过使用R F P A 边坡版分析程序对具有单 一软弱结构面、含两组软弱结构面的顺层岩质边坡 的变形破坏规律进行分析，发现边坡的破坏面都是 主要沿滑动面附近的软弱结构面发展，可见滑动面 附近的软弱结构面对边坡破坏起主导作用。 3 含多组软弱结构面的顺层岩质边坡，坡顶主 滑动面前水平位置下沉较多。主滑动面后的下沉曲 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 面后的地表下沉也受软弱结构面影响。这对通过在 安全位置设立位移监测从而了解整个边坡的位移变 化情况有着积极意义。 4 含多组软弱结构面的顺层岩质边坡，主滑动 面后所在位置位移变化同滑体所在位置位移变化之 间的关系以及其影响因素还有待进行深入研究，有 待实践检验。 参考文献 [ 1 ] 杨天鸿．解联库，王善勇，等．抚顺西露天矿北帮边坡治理工程效果初步评价[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 5 ，2 4 1 1 1 8 4 1 1 8 4 6 ． [ 2 ] 卢世宗．我国露天矿山边坡研究的基本情况与展望[ J ] ．金属矿山，1 9 9 9 ，2 7 9 9 6 1 0 ． [ 3 ] 黄洪波．层状岩质边坡的稳定性研究[ D ] ．杭州浙江大学，2 0 0 3 2 7 ． [ 4 j 李树森，任光明．左三胜．层状结构岩体顺层斜坡失稳机理的力学分析[ j ] ．地质灾害与环境保护，1 9 9 5 ，6 2 2 4 2 9 ． [ 5 ] 冯君，吕和林，李安洪．顺层岩质边坡开挖模型试验及稳定性影响因素分析[ J ] ．工程地质学报，2 0 0 5 ，1 3 3 2 9 5 2 9 9 ． [ 6 ] 冯君，吕和林，李安洪．顺层岩质边坡稳定性影响因素分析[ J ] ．四川建筑科学研究，2 0 0 5 ，3 1 4 7 8 8 0 ． [ 7 ] 张菊明，王思敬．层状岩体边坡滑动稳定的三维动力学分析[ J ] ．工程地质学报，1 9 9 4 ，2 3 1 1 2 ． [ 8 ] 郑颖人，赵尚毅，邓卫东．用有限元强度折减法进行节理岩质边坡稳定性分析[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 3 ，2 2 2 2 5 4 2 6 0 ． 下转第1 0 4 页，C o n t i n u e dO nP ．1 0 4 ●2 3 4 5 6 7 8 9 0 ， 2 3 4 5 6 万方数据 ， 1 0 4有色金属第5 9 卷 R e v i e wo nP o l l u t i o nA s s e s s m e n to fH e a v yM e t a l s H NY a n ，既D e - w e n ，C H A IL i y u a n ，P E N GB i n g ，W A N GY u n y a h ，M I NX i a o b o D e p a r t m e n to fE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，C o l l e g eo fM e t a l l u r g i c a lS c i e n c e E n g i n e e r i n g ， C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed i f f e r e n ta s s e s s m e n tm e t h o d sa n dm o d e l sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e di nt h r e ea s p e c t so fw a s t ew a t e r ， s e d i m e n ta n ds o i lp o l l u t e db yh e a v ym e t a l ，t h ea p p l i e ds c o p ea n dd i s a d v a n t a g eo fd i f f e r e n ta s s e s s i n gm e t h o d sa n d m o d e l sa r ea st h ek e yp o i n t s ．I ti si n d i c a t e db yt h ec o m p a r i s o na n a l y s i st h a tt h eb i o e v a l u a t i o ni sm o r ei d e a la n d s u i t a b l ef o rp r e d i c t i n gz o o l o g ye f f e c tt o w a r dt h ec o m p l i c a c ya n du n c e r t a i n t yo fh e a v ym e t a lp o l l u t i o n ． K e y w o r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；h e a v ym e t a lp o l l u t i o n ；r e v i e w ；a s s e s s i n gm e t h o d ；b i o e v a l u a t i o n 上接第7 8 页，C o n t i n u e df r o mP ．7 8 [ 9 ] 刘小丽，周德培．有软弱夹层岩体边坡的稳定性评价[ J ] ．西南交通大学学报，2 0 0 2 ，3 7 4 3 8 2 3 8 6 [ 1 0 ] 唐春安，王述红，傅字方．岩石破裂过程数值试验[ M ] ．北京科学出版社，2 0 0 3 4 8 5 8 ． [ 1 1 ] 朱万成．混凝土断裂过程的细观数值模型及其应用[ D ] ．沈阳东北大学，2 0 0 1 3 3 4 0 ． A n a l y s i so nD i s t o r t i o nD i s c i p l i n a r i a no fR o c kB e d d e dS l o p e X ／EL i a n ．妇1 ，Y A N GX i a o - c o n 9 1 ，Y A N GT i a n h o n 9 2 ，T A N GC h u n a n 2 ，G U OL i - j i e l 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g M e t a l l u r g y ，B e 2 j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o lo fR e s o u r c ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g11 0 0 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h ed i s t o r t i o np r o c e s so ft h er o c kb e d d e ds l o p ew i t hw e a ks t r u c t u r es u r f a c ei sa n a l y z e db yR F P A - s l o p e l i m i t e de l e m e n tp r o c e d u r e ．I ti sa c q u i r e dt h a tt h ed e s t r o yo ft h es l o p ea p p e a r sa n de x p a n d sa l o n gt h ew e a k s t r u c t u r es u r f a c en e a rs l i d i n gs u r f a c e ，t h es i n k i n gc u r v eo fr o c kb e d d e ds l o p ew i t hg r o u p so fw e a ks t r u c t u r e s u r f a c ep r e s e n t st h ed i v e r s i f i c a t i o no fr a n k ，a si sa c t i v e l ys i g n i f i c a n c ef o rl e a r n i n gt h ed i s t o r t i o no fw h o l es l o p e t h r o u g hd e t e c t i n gd i s p l a c e m e n tc h a n g eo fr o c ks l o p ei ns e c u r es i t e s ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；r o c kb e d d e ds l o p e ；R F P A - 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