基于MidasGTS NX的边坡稳定性分析及加固研究

2020-08-05王鹏飞

世界有色金属 2020年10期

王鹏飞

（中国恩菲工程技术有限公司, 北京 100038）

1 前言

某古矿遗址于1973年露天采场剥离时被发现，是迄今世界上规模最大、内含最丰富的古铜矿遗址，1982年经国务院批准为全国重点文物保护单位并修建了遗址博物馆。博物馆西邻露天采坑东帮，随着开采的进行，东帮出现变形并有发展趋势，导致博物馆出现地表塌陷、裂缝，墙体开裂等现象。为了保护古矿遗址使边坡能够处于稳定状态，本文通过Midas/GTS NX软件进行数值模拟计算，对原始边坡及加固边坡进行稳定性分析，计算安全系数，探讨加固方案对边坡稳定性的影响。

2 工程地质情况

2.1 地质概况

古矿遗址位于露天采坑东侧，遗址保护围墙距离边坡最小距离约30m。露天采坑东帮坡顶标高+53m，坡底标高-52m，边坡高度约105m，平均坡度约41°，边坡中上部较陡，下部稍缓，岩体主要分为强风化花岗闪长斑岩岩组、中风化花岗闪长斑岩岩组和弱风化花岗闪长斑岩岩组，通过工程岩体质量分级确定，边坡各岩组均属于Ⅲ类或Ⅳ类岩体，岩体质量普遍较差。边坡东帮典型剖面图见图1。

图1 矿坑东帮典型剖面图

露天坑东侧深部早年间出现了多起无证越界开采的行为，采矿后的空区未做及时处理，采场遗留有大小不等的空洞，破坏了地下围岩的原岩应力分布，随着采空区上覆岩层的逐渐断裂、跨落，引起顶部地表岩层的塌陷及周边岩层的开裂。

2.2 岩土体的物理力学性质

岩体是由岩块和结构面组成的地质结构体，岩体的力学性质是岩块和结构面力学性质的综合反映。岩体力学参数可以通过岩块的力学参数、岩体节理状况等进行换算求得估算值，通过工程实践验证其结果是可靠的。对矿山统计的大量物理力学试验参数换算计算得到矿岩体力学参数见表1。

3 边坡稳定性分析

3.1 MidasGTS NX软件概述

Midas GTS NX是一款针对岩土领域研发的通用有限元分析软件，该软件界面简洁，有强大的前、后处理功能的岩土材料模型库，能分析大部分岩土体的初始应力状态及复杂工况，最大化的反应实际发生情况。支持静力分析、动力分析、渗流分析、应力-渗流耦合分析、固结分析、施工阶段分析、边坡稳定分析等多种分析类型，适用于地铁、隧道、边坡、基坑、桩基、水工、矿山等各种实际工程的准确建模与分析，并提供了多种专业化建模助手和数据库。

表1 矿坑主要岩体物理力学参数

3.2 强度折减法的基本原理

Midas GTS NX的边坡稳定分析采用的是基于有限元分析的强度折减法（SRM）。此法基本原理是岩土体材料的强度参数内聚力c和内摩擦角φ同时除以强度折减系数Fr，得到一组新的强度参数值cr和φr；其表达式为：

计算中通过不断增加Fr，使用折减后的材料参数进行有限元试算，在计算不收敛或边坡达到临界破坏时的强度折减系数即为边坡稳定安全系数。

3.3 本构模型的选择

计算边坡稳定性基于理想弹塑性模型，屈服准侧选取Mohr-Coulomb破坏准则，其表达式为：

式中I1和J2分别是应力张量第一不变量和应力偏量第二不变量；θ是应力罗德角。

软件采用Mohr-Coulomb模型需输入4个参数，即控制弹性行为的：弹性模量（E）和泊松比（μ），控制塑性行为的：效粘聚力c和内摩擦角φ。

3.4 数值模拟方案

第一步计算初始地应力条件下边坡的稳定性，第二步增加格构锚杆、格构长锚索及锚索预应力后再进行计算。利用软件的强度折减法理论计算对比边坡加固前后的应力、应变变化及边坡安全系数。

3.5 边坡计算模型

根据典型剖面的坡体结构特征利用AUTOCAD建立近似二维模型，模型长300m，高158m（含坡顶建筑物8m），分为三个地层区域，预设格构锚杆与格构锚索。本文主要对比分析边坡加固前、后的边坡稳定性，此次模型中不考虑深部采空区的不利影响。将二维模型导入到Midas软件并进行布尔运算，采用格栅网格法以“四边形+三角形”的方式生成有限元模型，共生成10044个网格单元。边坡计算模型见图2。