软弱夹层基底排土场边坡稳定性研究

张 春 赵武鹍 熊其欢

(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

软弱夹层基底排土场边坡稳定性研究

张 春1，2赵武鹍1，2熊其欢1，2

(1.金属矿山安全与健康国家重点实验室；2.中钢集团马鞍山矿山研究院有限公司)

基于FLAC3D数值模拟软件，以马钢南山矿排土场为例,应用强度折减法，模拟排土场在规划设计前、边坡参数调整之后以及加高扩容过程中边坡安全系数的变化趋势和坡底位移场演化规律。结果表明:在规划设计前，排土场安全系数低于规范值，边坡处于不稳定状态，其破坏模式主要以深层次滑动为主；在边坡参数调整之后，排土场整体、局部都处于稳定状态，排土场破坏模式主要以浅层滑动为主，塑性区分布范围较小；堆高扩容后，塑性区分布范围以及基底的水平和竖向位移值虽出现一定的增大趋势，边坡仍处于稳定状态，这主要是由于采取了调整边坡参数以及在坡脚铺垫渗透性良好的大块石等措施，降低了边坡坡度和其地下水位线，增强了其稳定性。

强度折减法 位移场 安全系数 塑性区分布

排土场基底承载能力是影响软基底排土场整体稳定的决定因素。排土场地基如由基岩组成，其承载能力很高，不会引起排土场的失稳；如果地基是软弱岩层，如腐殖土、强风化岩土层或黏性土、砂黏土等构成，则基底土层在排土体荷载作用下，产生很大的压缩变形[1]，直至被侧向挤出，形成波状隆起，从而导致软基底排土场的整体失稳。基底土层的厚度和结构，对排土场的稳定性和边坡变形规模有重大影响。软基地基排土场整体失稳的显著特征：在变形初期，排土场下沉，排土场前方地基土层存在纵向的强烈挤压区，表现为土层隆起，地面出现裂缝和微凸起等现象。

1 安全系数的定义

1975年Zienkiewicz等人首次在弹塑性有限元中引入了强度折减系数的概念，从而发展了土坡稳定性分析的强度折减弹塑性有限元法。该方法对于某一假定的强度折减系数Ftrial将土的实际强度参数c和φ按照下式同时折减：

(1)

(2)

以此对边坡进行弹塑性有限元法(或有限差分法)计算[2]，如果根据一定的失稳判据确定边坡达到极限平衡状态，则与此相对应的强度折减系数就是总体的安全系数，否则对于新假定的折减系数重复计算，直至边坡达到临界极限平衡状态。

求解边坡的安全系数时，可以采用如下3种判断标准来确定极限状态[3]：

(1)坡面顶部节点最大位移在固定时步前后位移速率连续加速(即位移收敛准则)。

(2)固定时步前后速率差连续大于某比例(即速度收敛准则)。

(3)广义剪应变或塑性应变贯通。

2 计算模型与参数

模型离散时，共划分了2 406 个节点，1 119 个单元，见图1。岩土体力学强度参数见表1。基岩视为刚体，不对其进行折减，仅对排土场散体物料以及基岩之间的软弱夹层进行折减。

图1 计算模型示意

表1 岩土体力学强度参数

3 模型边界

模型范围：X轴方向(横向)0 m

力学边界只考虑由自重引起的初始地应力场，不考虑其他力。模型左边界、右边界以及底边界的应力由初始应力场计算达到平衡时自动确定。

4 数值模拟结果分析

4.1 规划设计前

规划设计前的剪切应变增量图、塑性区分布图、位移图见图2。可以看出:边坡总体处于不稳定状态，这主要是由于一方面排土场基底存在一定厚度的第四世纪土，在基岩与排土场物料之间形成了一定厚度的软弱夹层，抗剪强度较低，容易导致沿基底接触面发生滑坡，排土场破坏模式主要以深层次滑动为主[4]，另一方面主要是由于排土场上游的水位比较高，导致排土场内部整体水位线比较高；孔隙水压力比较大，抗剪强度变低，边坡容易发生失稳，图2(b)的塑性分布可以显示以上变化。

图2 规划设计前排土场边坡稳定性

4.2 边坡参数调整后

边坡参数调整(主要是调整边坡坡度)之后的剪切应变增量图、塑性区分布图见图3。可以看出：排土场通过坡脚铺垫渗透性良好的大块石之后，边坡的安全系数均满足规范要求的安全值，表明排土场整体、局部都处于稳定状态，排土场破坏模式主要以浅层滑动为主。

4.3 加高扩容后

高村采场紧邻排土场的下游，为节约占地，将在原有的排土场基础上进行加高扩容，经过加高扩容后的边坡应力变化见图4。可以看出，剪切应变没有出现明显的变化[5]，边坡安全系数有一定程度降低，塑性区也由+170，+140 m平台台阶逐渐向下发展，说明加高扩容后导致边坡体内应力场发生了变化，但边坡仍处于稳定状态。

图3 边坡参数调整后排土场边坡应力变化

图4 加高扩容后排土场边坡稳定性应力变化

由于排土场基底存在一定厚度的软弱土，为模拟加载对其位移产生的影响，在排土场顶部、底部软弱夹层中心处设立2个位移监测点(图1)，以反映加载过程中坡顶、地基的沉降变化，见图5。

图5 加高扩容后排土场边坡位移变化

可以看出：边坡中心部位位移矢量垂直向下,边坡中上部位移矢量大体与边坡面平行,故其边坡后部主要表现为沉降变形,前部为剪切破坏,最大位移发生在坡脚处,边坡上部位移较小;堆载后引起的最大水平位移约6 cm，最大沉降位移近17 mm。台阶顶部先发生沉降之后又隆起，但总体呈沉降趋势，基底Z向位移土体同样如此，单X向水平位移不断增大，说明基底的土体有向外挤出的趋势，形成波状隆起，地面出现裂缝和微凸起等现象。

5 结 论

(1)在规划设计之前，排土场安全系数低于规范值，其破坏模式主要以深层次滑动为主；在边坡参数调整之后，排土场整体、局部都处于稳定状态，排土场破坏模式主要以浅层滑动为主，塑性区分布范围较小。

(2)堆高扩容后，塑性区分布范围以及基底的水平和竖向位移值虽出现一定的增大趋势，地面出现隆起现象，但边坡仍处于稳定状态，采取调整边坡参数以及在坡脚铺垫渗透性良好的大块石等措施，降低地下水水位，增强其稳定性。

[1] 宋二祥.土工结构安全系数的有限元计算[J].岩土工程学报,1997,19(2):1-7.

[2] 郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用[J].岩石力学与工程学报,2004,23(19):3381-3388.

[3] 郑颖人,赵尚毅.用有限元强度折减法求滑(边)坡支挡结构的内力[J].岩石力学与工程学报,2004,23(20):3552-3558.

[4] 郑颖人,赵尚毅.边(滑)坡工程设计中安全系数的讨论[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1937-1940.

[5] 郑颖人,赵尚毅.岩土工程极限分析有限元法及其应用[J].土木工程学报,2005,38(1):91-98,104.

2014-08-27)

张 春(1985—)，男，助理工程师,硕士,243000 安徽省马鞍山市西塘路666号。