煤矸石山边坡稳定性分析

发表时间:2015/10/14   来源:《工程建设标准化》2015年6月   作者:杨丽娜1 满朝晖2
[导读] (1.陕西创元建筑设计院有限公司,陕西,西安,710001) (2.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,陕西,西安,710077) 采用改变边坡几何形状并在滑裂面底部位置修建挡土墙的方法进行加固,有效的提高了山体的安全性。

1.陕西创元建筑设计院有限公司,陕西,西安,710001)
(2.中国煤炭科工集团西安研究院有限公司,陕西,西安,710077)

【摘  要】本文结合桑树坪煤矿煤矸石山综合治理工程,对边坡的稳定性进行了分析。为了准确评价桑树坪煤矿煤矸石山的稳定性,利用有限元分析软件ABAQUS对煤矸石山的边坡进行了稳定性分析,确定了山体边坡的潜在滑裂面位置及其对应的最小安全系数,为了保证边坡的稳定性,采用改变边坡几何形状并在滑裂面底部位置修建挡土墙的方法进行加固,有效的提高了山体的安全性。
【关健词】煤矸石山;稳定性分析;ABAQUS;治理措施
        山体边坡稳定性的研究一直是国内外专家研究的重点课题,因为山体稳定性直接关系到边坡的安全性和经济性。边坡稳定性分析主要有两个任务:对山体边坡的稳定性做出正确合理的评价;对边坡的合理设计与治理措施提出科学的设计依据[1]。
1.桑树坪煤矿煤矸石山概况
        桑树坪煤矿矸石山位于黄土沟谷中,空间上呈锥形,平面上近似呈矩形,东南部位于黄土沟谷的沟口,西北部可继续向内延伸。整座矸石山矸石约900万m3,长约600m,宽约300m。矸石山山顶海拔638m,沟底海拔470m。
        煤矸石山的岩土体结构特征自上而下分别为矸石颗粒、黄土和中细砂岩。根据收集到的未排矸前黄土沟的原始地形线和煤矸石堆积区地质勘探柱状图,第四系黄土平均厚度约3.5m,以此推断第四系黄土与中细砂岩之间的地质界限。表层为0.3~1.0m的残坡积土,底部为强风化~中等风化中细砂岩。
2.边坡稳定性分析方法
2.1极限平衡条分法
        对于粘性土边坡稳定的分析,比较简单而实用的方法是条分法。条分法的计算原理是假定滑裂面,将滑裂面以上的土体划分成若干垂直状土条,对作用于各土条上的力建立力矩平衡方程,求出在极限平衡状态下边坡的安全系数,并找出最危险滑裂面的位置及相应的安全系数[2]。
2.2滑移线场法
        滑移线法以平衡方程、屈服条件和应力边界条件为基础,分析滑移体塑性区的受力和位移的分布,最终求出极限荷载。将土体视为理想的弹塑体且塑性变形要比弹性变形大,在不考虑土体的变形和强度变化条件下,将土体分成塑性区和刚性区。假定塑性区内各点都处于极限平衡状态,在假定的边界条件下,塑性区内各点建立静力平衡方程,用特征线法求解由此形成的一组偏微分方程组。在简单的边界条件和土质分布条件下用特征线法可解得有限的闭合解,得到的特征线就是该边坡的滑移线,其中一组就是滑裂面[3]。滑移线法也存在一定的不足,滑移线场只是建立在应力平衡的基础上,未考虑土体的应力-应变关系。
2.3数值分析法
        进行数值分析土体稳定性时,关键要将有数值分析的结果与传统的极限平衡法进行比较。一般在应用有限单元法分析时分为以下两种方法,第一种方法是以滑裂面应力分析为基础的,首先在边坡中假设一个潜在滑裂面,根据计算后的应力分布,得到该滑裂面上各点的应力水平,然后利用加权平均法计算安全系数。第二种方法是建立在强度折减基础上的,原理是将土体的强度参数c和φ值同时除以一个安全系数F,得到折减后的参数c'和φ',并将它们作为新的材料参数再进行计算,当坡体达到极限平衡状态时,可得到临界滑动面,对应的F即为最小安全系数。
3.数值分析
3.1 强度折减法
        与极限平衡理论相比,强度折减法中需要的特别参数有土的弹性模量E、剪胀角ψ和泊松比υ,其中E 和ψ的取值对安全系数Fs的影响非常小,但υ值的大小会直接影响到边坡内塑性区的分布情况[4]。强度折减法是由Zienkiewicz等最早提出的,将抗剪强度折减系数定义为在外荷载保持不变的条件下,边坡内岩土体所能提供的最大抗剪强度与外荷载在边坡内所产生的实际剪应力的比值。在极限情况下,当假定边坡内所有土体抗剪强度相同时,抗剪强度折减系数就与传统意义上的边坡整体稳定安全系数Fs相同,与极限平衡法中的稳定安全系数在概念上也是一致的。折减后的抗剪强度指标ce和φe可由下式计算得到:

        计算中,假设不同的强度折减系数Fr,根据折减后的强度指标进行有限元分析,以此检验计算是否收敛。在计算过程中不断的增加强度折减系数,当达到临界破坏时,这时的强度折减系数就是边坡的稳定安全系数Fs。
        下面就采用强度折减法来分析桑树坪煤矿煤矸石山边坡的稳定性,通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟,确定临界滑动面和安全系数。
3.2 数值模拟
1、计算参数的确定
        本次数值模拟采用有限单元分析软件ABAQUS对桑树坪煤矸石山剖面进行了计算,主要目的是确定临界滑裂面和其对应的安全系数。考虑到山体在雨季或暴雨状态下有可能发生较大的变形,故分别分析了天然和雨季饱和两种工况下边坡的稳定性,在暴雨或长期降雨状态下,煤矸石重度取饱和重度,分析时选用Mohr-Coulomb强度准则,有关计算参数见表3.1。
表3.1  数值模拟选用参数

2、模型的建立
(1)首先定义一个场变量,本模型将其取为强度折减系数Fr;
(2)定义随场变量变化的材料模型参数;
(3)分析开始前给定场变量的大小,并对模型施加自身重力荷载,建立平衡应力状态,为了防止在分析开始就发生破坏,可将Fr取个较小值,即增加煤矸石的初始强度,本模型中取为0.5;
(4)分析开始时,在每个分析步中线性增加Fr,本模型中Fr=0.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75,2;
(5)分析至数值不收敛时计算终止,对计算结果进行后处理分析,按照失稳评价标准确定临界滑裂面与安全系数Fs。
3、滑裂面的确定
首先观察天然状态模型的塑性区在分析过程中的变化,分别将分析步中开始出现塑性区t=0.1484时和最终塑性区贯通时的PEMAG(积分点上的等效塑性应变)提取出来,如图3.2和图3.3。

        为了确定滑裂面的准确位置,可以采用位移增量的原理来确定,即通过计算终止时的最后一个增量步的位移增量来判断滑裂面的位置,最后将增量等值线云图绘制出来,此时可以很容易的确定两种工况滑裂面的位置。
4、安全系数的确定
        在确定了滑裂面位置后,可以通过场变量与土体x方向的水平位移的关系来确定此时所对应的安全系数,两种工况分析后场变量FV1随位移U1的变化关系见图3.4及图3.5。

        根据天然状态的曲线图3.4可知,如果以数值计算终止来评价边坡稳定性,对应的FV1=1.07,即安全系数Fs=1.07;如果以位移的拐点即顶部节点水平位移的拐点来评价稳定性的话,则Fs=0.98,最终安全系数取为0.98。对于饱和状态下边坡的稳定安全系数,由图3.5可知,该工况的变化曲线不是很规则,但是可以根据曲线的走势近似的确定为FV1=0.93,即安全系数Fs=0.93,比天然状态的安全系数要小,边坡不稳定。
5、稳定性综合评价
        ABAQUS数值模拟表明,桑树坪煤矿煤矸石山天然状态时的整体稳定性较好,山体发生整体破坏的可能性不大,但较易发生浅部松散表层的滑落现象。在雨季或暴雨情况时,煤矸石浸水饱和,强度指标降低,这种工况的边坡稳定性差,极易沿滑裂面产生滑坡灾害,所以,应对边坡采取一定的防护措施,本项煤矸石山治理工程主要采取在山体坡脚处修筑挡土墙的措施,即在坡脚处和滑裂面底部分别修筑重力式挡土墙和扶壁式挡土墙;同时,将危险坡面的几何形态由自然堆积坡面变为多级平台形式,增加了坡面的整体稳定性。
4.结论
(1)数值模拟分析得到的边坡的最危险滑裂面的位置在天然和饱和两种工况下没有太大差异,但天然工况时Fs=0.98,而饱和工况时Fs=0.93,显然饱和工况下由于煤矸石浸水饱和后的强度指标c和φ值有所降低,使得边坡的稳定性要较天然工况差。
(2)边坡坡脚处最先出现塑性区,发生应力集中现象,表明坡脚处是灾害发生时最早出现变形的位置,这与实际情况相符。
(3)为了保证山体的稳定性,必须采取一定的防护措施,如修筑拦挡结构、改变坡面的几何形式等方法。
参考文献:
[1]刘祖典.黄土力学与工程[M].西安:陕西科学技术出版社,1997
[2]钱家欢,殷宗泽.土工原理与计算[M].北京:中国水利水电出版社,1996
[3]郝艳红.节理岩质边坡变形破坏的数值模拟分析[D].沈阳:东北大学,2007
[4]Karl Terzaghi, Ralph B Peck. Soil Mechanics in Engineering Practice[M]. New York:JohnWiley & Sons,1967
作者简介:
杨丽娜(1985~),女,甘肃天水人,毕业于西安建筑科技大学岩土工程专业,硕士学位,主要从事建筑结构设计、岩土工程专业研究等工作。

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