CN108595878A - 一种边坡失稳机制判定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种边坡失稳机制判定方法，该方法根据边坡的三维数值模型，基于强度折减法和边坡渐进破坏理论，并依据边坡破坏理论和边坡宏观变形特征将边坡任意点稳定性划分为稳定、基本稳定、欠稳和失稳四个阶段，通过对比分析不同折减系数条件下滑体各区段稳定性的演化特征，得到边坡的失稳机制。该方法可以对滑坡灾害进行科学的诱因分析，并为边坡加固提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及边坡的失稳机制判定领域，尤其涉及斜坡软弱基底排土场边坡的失稳机制判定领域。
背景技术
近几年来，我国露天矿业开采工作逐渐演变为大规模和大型化，作为露天矿山接纳废石的场所，排土场是露天矿组织生产不可缺少的一项永久性工程建筑。由于露天矿山周围地质、地理以及气候等条件的影响，使得斜坡软弱基底的存在成为排土场边坡失稳的一个重要诱因。然而，存在斜坡软弱基底的排土场边坡失稳破坏特征复杂，塑性指标在边坡破坏过程中无明显规律，与不存在斜坡软弱基底的排土场边坡失稳破坏特征不同。
目前，边坡失稳机制的判定方法中，通常将塑性破坏贯通整个滑带作为边坡失稳的临界状态，根据表征塑性破坏的指标在滑带上的蔓延扩展规律分析边坡的失稳机制。当此种方法应用于斜坡软弱基底排土场边坡失稳机制分析时，在其失稳破坏过程中，软弱带作为滑坡启动诱因几乎同时产生塑性破坏，塑性区在软弱带贯通，但边坡并未立即失稳，导致所用塑性指标失效；另外，边坡滑动决定部位塑性破坏前，塑性指标的蔓延扩展无明显规律，导致所用指标无法清晰显示斜坡软弱基底排土场边坡的失稳机制。
发明内容
发明所要解决的技术问题
鉴于目前判定边坡失稳机制的缺点和不足，本发明提出了一种边坡的失稳机制判定方法，该方法可以对滑坡灾害进行科学的诱因分析，并为边坡加固提供理论依据。
用于解决技术问题的方案
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种边坡失稳机制判定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)建立所述边坡的三维数值分析模型
(2)确定失稳临界位移值SF
利用强度折减法确定出所述边坡的滑面位移值Smin；
在待判定边坡的剖面上设置多个监测点，确定不同折减系数i条件下各监测点k的位移Ski以及位移增量ΔSki＝Ski-Sk(i-1)；其中，i-1为与所述折减系数i相邻的、且比i小的折减系数；
若存在监测点k满足ΔSki≥ΔSk(i-1)+ΔSk(i-2)，则确定临界折减系数iF＝i；其中，i-2为与所述折减系数i间隔1个折减系数、且比i小的折减系数；
若监测点k满足则监测点k为滑体监测点k’；其中，im＝max(i)，即最大折减系数；
根据滑体监测点k’，确定临界位移值
(3)确定不同折减系数条件下边坡的稳定性云图
利用所述步骤(2)确定的临界位移值SF以及所述模型计算出的边坡内任意点a的塑性破坏情况和速度值，对所述边坡任意点a的稳定性进行划分，并得到不同折减系数条件下边坡的稳定性云图；
(4)根据所述步骤(3)的结果，对比分析不同折减系数条件下边坡稳定性的演化特征，判定边坡失稳机制。
进一步地，所述步骤(1)包括：根据工程地质勘察及力学试验结果，建立所述边坡的FLAC3D三维数值分析模型，并根据所述模型的水平位移图，在所述模型中沿所述边坡的主滑方向设置剖面。
进一步地，所述步骤(2)中的强度折减法具体为，将岩土层的强度指标同时除以所述折减系数i，得到一组新的参数进行数值计算，从而模拟边坡从自然状态直至完全破坏时的不同情形。
进一步地，所述折减系数i从1开始，以0.01为公差逐渐递增或递减；所述折减系数递增终止条件为边坡的最大不平衡力比不小于10-5，递减终止条件为边坡的最大不平衡力比不大于10-5。
进一步地，所述岩土层的强度指标为内摩擦角φ、粘聚力c。
进一步地，所述步骤(2)中滑面位移值Smin的具体确定方式为：据强度折减后所述边坡的剪应变增量云图，确定边坡滑面，并标出所述边坡滑面的轮廓线；将所述轮廓线与强度折减后边坡位移等值线图进行比较，与滑面轮廓线基本重合的位移等值线所对应的位移值S即为滑面位移值Smin。
进一步地，所述监测点至少包括所述边坡的斜率变化处，和/或所述边坡与所述边坡中平台的交界处。
进一步地，所述步骤(3)中稳定性划分的依据为：
1)若所述边坡任意点a没有正在剪切破坏，且其速度值小于10-5m/时步，则该任意点a的稳定性为稳定，即该点a处于稳定阶段；
2)若所述边坡任意点a正在剪切破坏，但其速度值小于10-5m/时步，则该任意点a的稳定性为基本稳定，即该点a处于基本稳定阶段；
3)若所述边坡任意点a速度值不小于10-5m/时步，但位移值小于SF，则该任意点a的稳定性为欠稳，即该点a处于欠稳阶段；
4)若所述边坡任意点a位移值不小于SF，则该任意点a的稳定性为失稳，该点a处于失稳阶段。
进一步地，所述步骤(4)具体为：
1)若随着折减系数的增大，从坡脚到坡顶，边坡滑体各区段稳定性依次减弱，则失稳机制为牵引式失稳机制；
2)若随着折减系数的增大，从坡顶到坡脚，边坡滑体各区段稳定性依次减弱，则失稳机制为推动式失稳机制；
3)若随着折减系数的增大，滑体坡中某区段滑体稳定性首先减弱，继而该区段到坡顶区段稳定性依次减弱，该区段到坡脚区段稳定性依次减弱，则失稳机制为复合式失稳机制。
进一步地，所述方法应用于斜坡软弱基底排土场边坡。
有益效果：
本发明提出的边坡失稳机制判定方法，可以对滑坡灾害进行科学的诱因分析、并获得较为准确的边坡失稳判定结果，从而为边坡加固提供理论依据。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本发明的示例性实施例，并且用于解释本发明所公开的方法。
图1边坡的FLAC3D数值模型图
图2边坡的剖面位置图
图3边坡的滑面轮廓图
图4边坡上监测点分布图
图5不同折减系数条件下边坡的稳定性云图
附图标记列表
1-剖面；2-滑面轮廓线
具体实施方式
为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
下面结合具体某排土场边坡的工程实例对本发明进一步详细说明，给出的实施方式仅是为了说明本发明，而非为了限制本发明的范围。
依据《边坡工程勘察规范》(YS5230-1996)及《土工试验规程》(SL237-1999)，对待测定排土场边坡进行系统的勘查、试验及调查测绘。勘查结果显示，该排土场排土置于一倾斜角度约15°的中风化片麻岩上，排土与基岩之间存在层厚为2m的软弱带，各岩土层物理力学参数如表1所示。
表1排土场各岩土层物理力学参数统计表
首先，根据勘查结果及力学实验结果，建立排土场的FLAC3D数值模型如图1所示。
需要说明的是：
在本实施方式中优选使用FLAC3D软件进行数值模拟分析。FLAC3D(ThreeDimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua)是美国Itasca公司开发的三维快速拉格朗日分析程序，该程序能较好地模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时，发生破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失稳以及模拟大变形。虽然FLAC3D对于模拟地质材料的分析存在诸多优点。但本发明中所使用的数值分析软件不限于此，只要能够计算并呈现本实施方式中所需的各种参数的数值分析软件即可，例如：ANSYS，ABAQUS，MARC，GEOSLOPE等。
另外，本实施方式中所涉及的强度折减法，其是将强度折减技术与数值模拟方法相结合，其基本原理是：将岩土层(体)的强度指标(优选为内摩擦角φ、粘聚力c)同时除以一个折减系数i，得到一组新的参数进行数值计算，从而模拟排土场边坡从自然状态直至完全破坏时的各种情形(模拟边坡在不同发展时期的应力、位移、速度、塑性破坏情况等的变化情况)。
本实施方式中折减系数以1作为初始值，以0.01为公差逐渐递增或递减。对力学参数中的内摩擦角φ、粘聚力c进行折减。
对FLAC3D本身计算精度和运行模型所需时间的综合考虑，本实施方式中折减系数的递增终止条件优选为边坡的最大不平衡力比不小于10-5，递减终止条件为边坡的最大不平衡力比不大于10-5。
根据强度折减后(此时的折减系数为边坡模型完全破坏时对应的折减系数，因为此时最容易判断滑坡范围)数值模型中的水平位移图，在边坡位移最大区域内沿主滑方向设置剖面，在本实施方式中，剖面1设置在如图2中所示的位置。
其次，确定失稳临界位移值SF，详细步骤如下：
1)根据强度折减后(此时的折减系数为边坡模型完全破坏时对应的折减系数)排土场边坡的剪应变增量云图，得到的滑面轮廓线2如图3中所示；将滑面轮廓线2与强度折减后(折减系数与前述剪应变增量云图对应的折减系数一致)排土场的位移等值线图进行比较，与滑面轮廓线2基本重合的位移等值线所对应的位移值S即为滑面位移值Smin＝1.0m；
2)在剖面1上设置如图4所示的监测点，优选地，至少在边坡中应力、位移或塑性破坏可能变化较大的位置(例如：边坡的斜率变化处、所述边坡与所述边坡中平台的交界处)设置监测点；计算并导出不同折减系数i条件下各监测点k的位移Ski见表2所示。
表2不同折减系数条件下各监测点位移(m)
本实施方式中折减系数初始值为1，以0.01为公差逐渐递增，直至最大折减系数1.28。由于说明书篇幅所限，本发明省略了折减系数1.21之前的位移数据。下述表2和表3基于同样的考虑，进行了同样的处理，特此说明。
3)根据表2，计算各监测点k在不同折减系数i条件下的位移增量ΔSki，并将计算结果统计于表3中。
位移增量ΔSki的计算公式为：ΔSki＝Ski-Sk(i-1)；其中，i-1为与所述折减系数i相邻的、且比i小的折减系数。
表3不同折减系数条件下各监测点位移增量(m)
4)确定临界折减系数iF：
根据表3，计算ΔSki＝ΔSk(i-1)-ΔSk(i-2)的值(其中，i-2为与所述折减系数i间隔1个折减系数、且比i小的折减系数)统计于表4中。
表4临界折减系数确定表
从表4中可以看出，当i＝1.24时，存在监测点k满足ΔSki≥ΔSk(i-1)+ΔSk(i-2)，则iF＝1.24。
5)确定滑体监测点
再根据表2中的数据显示，im＝1.28，满足Sk1，28≥1.0m的监测点有监测点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和13，即监测点1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11和13为滑体监测点。
6)确定临界位移值SF
从表2中可以看出，当折减系数i＝iF＝1.24时，滑体监测点的最小值为0.577m，即SF＝0.577m。
再者，利用塑性破坏、速度以及失稳临界位移值SF将边坡任意点稳定性划分为稳定、基本稳定、欠稳和失稳四个阶段，并得到不同折减系数条件下边坡的稳定性云图如图5所示。
其中，排土场稳定性划分依据为：
1)若排土场边坡任意点a没有正在剪切破坏，且其速度值小于10-5m/时步，则该点a的稳定性为稳定，即该点a处于稳定阶段；
2)若排土场边坡任意点a正在剪切破坏，但其速度值小于10-5m/时步，则排土场边坡任意点a的稳定性为基本稳定，即该点a处于基本稳定阶段；
3)若排土场边坡任意点a速度值不小于10-5m/时步，但位移值小于SF＝0.577，则排土场边坡任意点a的稳定性为欠稳，即该点a处于欠稳阶段；
4)若排土场边坡任意点a位移值不小于SF＝0.577，则排土场边坡任意点a的稳定性为失稳，即该点a处于失稳阶段。
最后，通过对比分析折减系数依次增大时，排土场边坡稳定性的演化特征发现：由于斜坡软弱基底的存在，排土场边坡软弱层在未折减时，其塑性区已经贯通。随着折减系数的增大，塑性破坏首先在排土场边坡坡脚处展开，继而排土坡顶处产生塑性破坏，滑坡后缘形成。并且边坡坡脚首先失稳，坡中、坡顶随之依次失稳。这种现象说明，随着折减系数的增加，从坡脚到坡顶，排土场边坡滑体各区段稳定性依次减弱，排土场边坡失稳机制为牵引式失稳机制。
以上已经描述了本发明的实施方式，上述说明是示例性的，并非穷尽性的。在不偏离所说明的实施方式的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释实施方式的原理或实际工程应用，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的实施方式。
Claims (10)
1.一种边坡失稳机制判定方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)建立所述边坡的三维数值分析模型
(2)确定失稳临界位移值SF
利用强度折减法确定出所述边坡的滑面位移值Smin；
在待判定边坡的剖面上设置多个监测点，确定不同折减系数i条件下各监测点k的位移Ski以及位移增量ΔSki＝Ski-Sk(i-1)；其中，i-1为与所述折减系数i相邻的、且比i小的折减系数；
若存在监测点k满足ΔSki≥ΔSk(i-1)+ΔSk(i-2)，则确定临界折减系数iF＝i；其中，i-2为与所述折减系数i间隔1个折减系数、且比i小的折减系数；
若监测点k满足则监测点k为滑体监测点k’；其中，im＝max(i)，即最大折减系数；
根据滑体监测点k’，确定临界位移值
(3)确定不同折减系数条件下边坡的稳定性云图
利用所述步骤(2)确定的临界位移值SF以及所述模型计算出的边坡内任意点a的塑性破坏情况和速度值，对所述边坡任意点a的稳定性进行划分，并得到不同折减系数条件下边坡的稳定性云图；
(4)根据所述步骤(3)的结果，对比分析不同折减系数条件下边坡稳定性的演化特征，判定边坡失稳机制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)包括：
根据工程地质勘察及力学试验结果，建立所述边坡的FLAC3D三维数值分析模型，并根据所述模型的水平位移图，在所述模型中沿所述边坡的主滑方向设置剖面。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的强度折减法具体为，将岩土层的强度指标同时除以所述折减系数i，得到一组新的参数进行数值计算，从而模拟边坡从自然状态直至完全破坏时的不同情形。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述折减系数i从1开始，以0.01为公差逐渐递增或递减；所述折减系数递增终止条件为边坡的最大不平衡力比不小于10-5，递减终止条件为边坡的最大不平衡力比不大于10-5。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述岩土层的强度指标为内摩擦角φ、粘聚力c。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中滑面位移值Smin的具体确定方式为：
据强度折减后所述边坡的剪应变增量云图，确定边坡滑面，并标出所述边坡滑面的轮廓线；将所述轮廓线与强度折减后边坡位移等值线图进行比较，与滑面轮廓线基本重合的位移等值线所对应的位移值S即为滑面位移值Smin。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述监测点至少包括所述边坡的斜率变化处，和/或所述边坡与所述边坡中平台的交界处。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)中稳定性划分的依据为：
1)若所述边坡任意点a没有正在剪切破坏，且其速度值小于10-5m/时步，则该任意点a的稳定性为稳定，即该点a处于稳定阶段；
2)若所述边坡任意点a正在剪切破坏，但其速度值小于10-5m/时步，则该任意点a的稳定性为基本稳定，即该点a处于基本稳定阶段；
3)若所述边坡任意点a速度值不小于10-5m/时步，但位移值小于SF，则该任意点a的稳定性为欠稳，即该点a处于欠稳阶段；
4)若所述边坡任意点a位移值不小于SF，则该任意点a的稳定性为失稳，该点a处于失稳阶段。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)具体为
1)若随着折减系数的增大，从坡脚到坡顶，边坡滑体各区段稳定性依次减弱，则失稳机制为牵引式失稳机制；
2)若随着折减系数的增大，从坡顶到坡脚，边坡滑体各区段稳定性依次减弱，则失稳机制为推动式失稳机制；
3)若随着折减系数的增大，滑体坡中某区段滑体稳定性首先减弱，继而该区段到坡顶区段稳定性依次减弱，该区段到坡脚区段稳定性依次减弱，则失稳机制为复合式失稳机制。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于：所述方法应用于斜坡软弱基底排土场边坡。
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