边坡开挖过程存在的卸荷效应

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收稿日期：2006-06-27

作者简介：侯琴(1979-)，女，山西省岢岚县，武汉科技大学中南分校城建学院教师。

（武汉科技大学中南分校 城建学院，湖北 武汉 430223）

摘 要：本文以露天矿高边坡开挖工程实际的施工程序为依据，运用数值模拟的方法对边坡开挖在不同工况下的应力情况进行对比分析，研究高边坡开挖应以卸荷岩体力学分析的合理性。

关键词：高边坡；卸荷效应；有限元；数值模拟；应变

引言

我国是世界上最大的发展中国家，已经成为目前世界上具有最大规模资源开发工程和土木建设工程的国家，这样经常不可避免的需要开挖岩土体，形成大量工程边坡，而边坡工程完成的好坏，对于主体工程的正常运转又起着至关重要的作用。常见的边坡工程问题主要有两类：一类是自然坡体由于地质力学等原因造成的天然滑坡；另一类是由于主体工程开挖，造成天然边坡中原始地应力的重分布而导致的边坡失稳滑动。在各类边坡工程中如：露天采矿、铁路、公路等，往往由于其复杂的地质结构而成为边坡工程中的重点与难点，并经常成为影响主体工程成败的关键因素。对于开挖岩石高边坡工程，人们最为关注的是坡体开挖后的稳定性分析评价以及据此而采取相应的治理整治措施，他直接涉及到生产效益和人类生产活动的安全问题[1]。

目前，大多数计算分析采用常规的加载力学试验参数、模型和方法，这与实际的开挖工程，特别是露天矿边坡开挖过程中产生的卸荷力学条件完全不同，其本质是由于计算模型与工程力学性态不一致造成的。

本文以一露天矿高边坡的开挖设计为例，选择能够反映坡体内应力与位移分布状况的有限元数值分析方法，通过在加、卸载两种不同工况下开挖的数值计算对比分析来研究边坡岩体在考虑开挖过程和不考虑开挖过程两种工况下坡体应力特征，以此来论证高边坡开挖应以卸荷岩体力学分析的合理性。

1 工程地质条件[2]

此高边坡地层分区属天山兴安地层区―兴安分区―西乌旗小区，在本地层分区中含有：石炭系（C2）粉砂岩、上侏罗统兴安岭群(J3xh)砂岩、下白垩统白音华组(Klb)砂岩、第三系及第四系上覆土层。露天矿区内地质构造较简单，总体呈向斜盆状，未发现断裂及火成岩侵入煤系地层的地质构造。

2 开挖边坡参数选取

选取地层没有缺失，开挖深度最大的东端帮做边坡加、卸荷对比分析。其中东端帮，风化带厚72.84m，在风化带以下没有发现软弱层，地层倾角小接近水平，没有断层、裂隙等大型构造出现。按岩体风化程度划分地层，并根据大量的室内及现场试验研究成果，同时考虑边坡受力特点，确定了各层初始岩体力学参数如下表：

边坡开挖区端帮相距4Km，其中西端帮开挖深度240m，东端帮开挖深度250m。矿区东西端帮之间4Km的部分将全部开挖,如此巨大模型的建立将浪费大量的机时,并考虑分析问题的方便,可将东西端帮在不影响分析问题精度情况下进行缩减,并将开挖过程分为四个开挖载荷步，其边坡平面模型图为：

3 边坡不考虑开挖和考虑开挖过程有限元计算结果对比分析[3]

3.1 计算模型

在不考虑开挖影响的条件下，只需分析边坡在去掉被开挖岩体后的受力及位移情况。单元类型采用二维四节点单元（solid42），在不考虑开挖影响时其单元划分总数为2495个；而对于考虑开挖过程的边坡有限元计算，坡体单元划分总数为3282个。两种工况下均选择弹塑性本构模型及Drucher-Prager屈服条件，计算域的两侧和底部均采用法向约束条件。

整个计算过程只考虑坡体在自身重力作用下应力情况，而不考虑构造应力和外部载荷的影响。

3.2 边坡在两种工况下的应力分析：

考虑开挖过程影响时，边坡应力状态会随着开挖过程的进行而变化，开挖完成后的边坡应力状态和不考虑边坡开挖过程应力等值线图为图2～图5，具体分析如下：

（1）边坡x向、y向应力在边坡体内的分布趋势一致，但其应力值发生了变化，考虑开挖过程的影响比不考虑开挖过程影响时的x向、y向应力均增大20Kpa左右，增大2％；比较x向、y向应力值，y向应力值比x向应力值大一个数量级，这是由于没有考虑构造应力的影响而竖向应力起主导作用。

（2）图2及图3表明，边坡剪应力最大值出现在坡脚处，考虑开挖过程的边坡剪应力最大值为1.11Mpa，不考虑开挖过程影响的边坡最大剪应力为1.08Mpa，即考虑开挖过程影响的边坡剪应力值比不考虑开挖影响的边坡剪应力值大30Kpa，增大2.7％。

（3）比较边坡岩体第一主应力等值线图4和图5表明：考虑开挖影响的坡体第一主应力最小值为-8.4Kpa，而不考虑开挖影响的坡体第一主应力的最小值为-41.8Kpa。如果存在继续开挖或者其他别的不利因素的影响，考虑开挖影响的坡体将比不考虑开挖影响的坡体首先出现拉应力区，这对边坡的稳定极为不利。

综上所述，边坡开挖在考虑边坡开挖过程影响的边坡体在开挖完成后坡体内的应力趋势与不考虑边坡开挖过程的坡体内部应力趋势相似，但其值不同，特别是考虑开挖过程的坡体由于开挖施工的影响，在坡体开挖坡面较早出现拉应力区，对边坡的稳定产生极为不利的影响。（1）考虑边坡开挖过程的工况实际就是以卸荷岩体力学来研究边坡开挖时的坡体应力情形；而不考虑开挖过程的工况就是以加载岩体力学来研究边坡开挖问题。通过数值模拟结果的对比分析反映了：以卸荷岩体力学方法来处理边坡开挖问题与以加载岩体力学的方法处理边坡开挖问题，其结果不一致，而前者更接近于实际情况，也更加具有合理性。

（2）岩体在加载和卸荷条件下，其力学特性是有本质的差别的，高边坡岩体的开挖具有卸荷岩体的特性，传统采用加载条件下的力学模型来进行边坡岩体开挖模拟不符合其力学特性，而应该运用卸荷岩体力学理论建立计算模型，并结合能反映开挖过程的计算软件得到边坡开挖的力学特性，进而为工程建设服务。

（3）目前，卸荷岩体力学尚处在初期发展阶段，本文仅是对卸荷岩体力学与加载岩体力学在开挖工程中对比分析的初步尝试，所涉及的内容需进一步研究和完善。

参考文献

[1]崔政权,李宁.边坡工程―理论与实践最新发展[M].北京：中国水利水电出版社,1999.

[2]内蒙古自治区西乌珠穆沁旗白音华煤田二号露天矿工程地质勘探报告.2004(10).

[3]徐平,盛谦.考虑开挖卸荷效应的边坡稳定性数值分析[J].岩石力学与工程学报,1998(17）.