陕北某煤矿工业场地黄土高边坡FLAC3D模拟分析

摘要：通过对陕北某煤矿工业场地黄土高边坡进行详细勘察和大量取样分析，获得一系列有用的边坡岩土工程参数。在分析黄土高边坡可能破坏类型及相应机理的基础上，在ANSYS中建立坡体的数值模拟模型，经过转换将模型导入FLAC3D进行后处理，对开挖后黄土高边坡的塑性变形进行了模拟分析，得到了一些有意义的结果。

关键字：黄土高边坡变形FLAC 3D模拟分析

中图分类号：X752文献标识码：A文章编号：

1 工程概况

陕北某煤矿工业场地由于建设需要开挖斜坡形成黄土高陡边坡。然而，由于黄土自身特点，黄土高边坡出现变形、破坏，危机工业场地及其建筑物的安全，为此，需要对其进行加固、整治。

现场调查、勘查表明，研究区黄土高边坡，沿场地宽220~250m，顺坡长约300m，最大高度约90m，坡向345°，从上到下主要由马兰黄土（Q3eol）和离石黄土（Q2eol）组成，离石黄土中夹古土壤层，坡体范围内未见基岩出露。

工业场地设计文件中，该边坡将被开挖成10级台阶状，而煤矿主斜井井口位于开挖后边坡的坡脚，其稳定性直接影响煤矿的正常开采，故有必要对该开挖后的边坡进行稳定性评价。

2 边坡可能的破坏类型及机理分析

黄土具有独特的物质结构、力学性质及其所处的特殊的地理环境，使得黄土边坡常出现剥落、冲刷、落水洞、坍塌（滑塌）、崩塌、滑坡等灾害类型[1]。经过现场详细调查、勘察，研究边坡的主要变形破坏类型为剥落、拉裂滑塌、坡面冲刷，甚至会发生整体的滑动破坏。

剥落、拉裂滑塌、坡面冲刷均为坡面变形破坏，影响范围有限，危害性不大。此处仅讨论坡体整体滑动——滑坡的破坏机理。

研究边坡可能形成滑坡的原因主要是坡体结构，由于边坡中有多层古土壤分布，边坡开挖后，若遇强降雨，雨水入渗坡体，会使坡体强度降低，坡体容重增加，并形成动、静水压力，使得坡体稳定性大幅度降低，最后在外部振动或其他诱因的作用下发生整体破坏。

3 边坡FLAC3D模拟分析

鉴于ANSYS网格划分功能强大，用ANSYS建立数值模拟模型，导入FLAC3D进行后处理。

本次数值建模的原则是：①计算所用坐标系垂直方向为Z轴，水平方向为X轴。②采用摩尔——库仑本构模型。模型边界不考虑水平构造应力作用，只考虑自重应力作用。③初始地应力为自重地应力场，垂直应力σｙ=γH，水平应力由岩土体泊松关系确定。④不考虑地下水及地震的影响。⑤边界条件为水平方向做X方向约束，垂直方向做Z方向约束，开挖面为自由面。

建立模型如图1所示。模型的尺寸（长×宽×高）为300×230m×90m。模型共有7919个节点，37031个单元。坡体主要由马兰黄土、离石黄土及古土壤组成，由于土体的弹性和塑性变形发展复杂，且还取决于应力路径和应力历史，很难准确预测，故将土体简化成理想的弹塑性材料，计算采用理想弹塑性本构模型，满足摩尔—库仑屈服准则，依据研究区域内的钻孔资料及土体力学参数结果，取模型为近似理想的弹塑性模型[2]。其中：

式中，—最大主应力（压应力为负值）；—最小主应力；—内摩擦角；—粘结力。

图1边坡坡体网格和区域划分示意图 图2边坡开挖后x方向位移

依据研究区域的地质资料与土的试验结果，确定研究区土体物理力学参数（表1）。

表1 模型物理力学参数表

①边坡开挖x方向位移分析：由图2可知，开挖初期，水平位移随开挖深度的增加而增大，说明由于土体卸荷产生的土体回弹应力差异随开挖深度的增加而增大，坡体最大位移出现在坡体下部，这表明坡体下部产生了较大的水平应力差，且这里的应力变化最为强烈，在坡顶出现了与开挖面成反向的水平位移，这是由于卸荷导致的土体回弹造成了坡产生的低水平应力。边坡在开挖过程中，边坡坡体顶部x方向发生了一定的位移，位移量为5.58×10-3m，属正常卸荷回弹。

②边坡开挖z方向位移分析：由图3可知，开挖初期，竖直方向的位移总体上以自重力控制，开挖卸荷后产生一定应力回弹量，z方向上有1.35×10-2m左右的回弹量，属于开挖卸载后的正常回弹。

③边坡开挖塑性区分析：由图4可知，开挖后边坡发生塑性剪切破坏区域和拉伸破坏区域是零星分布的，不存在大面积贯通塑性屈服区域，说明设计坡形合理，边坡整体稳定。

图3 边坡开挖后z向位移 图4边坡开挖塑性区分布图

④边坡开挖最大主应力分析：由图5可知，边坡应力场主要表现为自重应力场特征，垂直应力从上到下逐渐增加，但水平应力有局部应力集中的迹象，对以后开挖边坡侧向位移会起到一定的推动作用。边坡在开挖过程中，边坡由初始的压应力规律分布，逐渐变化为坡体内部压应力逐渐增大，坡脚处小范围拉应力集中。在开挖后，垂直应力依然是从上到下逐渐增加，但是水平应力已经逐步表现出了应力集中的现象，在坡脚处已经出现了小范围的拉应力集中现象，这就有可能导致拉裂滑塌破坏。

⑤边坡开挖前后的稳定性分析：由图6可知，用强度折减法得出开挖后的边坡稳定性系数为1.37，边坡整体稳定。

图5 边坡开挖后最大主应力 图6 边坡开挖后的稳定性

4 结论

通过对研究区黄土高边坡的破坏类型和FLAC3D数值模拟模型分析，有以下认识和结论：

（1）研究边坡可能发生的破坏类型有：剥落、坡面冲刷、滑塌及滑坡四种；

（2）边坡开挖过程中和开挖后x和z方向的位移属正常卸荷回弹，塑性区破坏区零星分布，不贯通，边坡整体稳定；

（3）边坡开挖过程中和开挖后水平拉应力在坡脚位置有集中现象，有可能导致拉裂滑塌破坏，应予以重视；

（4）用强度折减法得出开挖后的边坡稳定性系数为1.37，边坡整体稳定。

参考文献：

[1]王念秦，罗东海，姚勇.铁路黄土高边坡变性破坏机理及稳定性研究[J].铁道工程学报，2009（7）：10-14.

[2]宋民崇，余云燕，赵德安，等. FLAC 软件在边坡稳定性分析中的应用[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版），2009，12：24-27.

作者简介：李明，1987年出生，男，地质工程专业在读硕士研究生。