摘 要：基于Drucker-Prager（D-P）屈服准则，借助ANSYS分析软件，采用力和位移的收敛标准作为破坏判据，研究某露天矿F3断层对边坡稳定性的影响，进行边坡应力应变有限元分析，分析结果表明随着剥采工程逐渐向北发展，端帮边坡与F3断层间距离逐渐减小，F3断层对边坡的影响越来越大，边坡稳定性也逐渐降低。

关键词：ANSYS；有限元；边坡；F3断层

边坡稳定性分析是岩土工程中的重要研究课题，在土木工程、水利工程中都具有广泛的应用。因此，如何做好边坡变形破坏的预测预报工作是十分必要的。最基本、最重要是要做好边坡的稳定性分析，以便为将来的边坡设计、施工、除险加固做指导工作。

目前国内外对边坡稳定性的定量确定性分析方法主要是极限平衡法和数值分析法。

本文基于大型 ANSYS 有限元软件，采用D-P屈服准则，将岩质边坡概化为均质的岩土体，通过对岩土体的抗剪强度进行局部折减，研究了边坡的渐进破坏过程，分析应力应变规律，直到满足节点位移突变和迭代步数突变的失稳判据，从而得到边坡的稳定性安全系数。

1 边坡工程概况

本文中所研究区域为某露天矿西北帮F3断层区。西北帮岩体内存在的构造结构面有两种：断层和节理，它们对边坡的岩体强度有着重要的影响。其中，F3断层为一级构造结构面，对边坡稳定造成重大危害，其它均为次一级别的构造结构面。

2 边坡稳定性数值模拟

2.1 剖面的选取

对于像边坡这样纵向很长的实体，计算模型可以转化为平面应变问题。假定边坡所承受的外力不随Z轴变化，位移和应变都发生在自身平面内。两侧边界水平位移为零，下侧边界竖向位移为零。

针对露天矿斜交断层边坡，分别选取4600线剖面边坡和4800线剖面边坡，建立计算模型如图1、图2所示，表1为实验获得的岩体物理力学指标。

2.3 4600线剖面边坡稳定性计算

通过ANSYS数值模拟，得到模型4600的应力、应变图。

图3为模型4600的最大位移图可以看出，坡肩处岩土体表现的位移最大，且以沉降为主，断层上盘岩体明显比下盘岩体位移量大，都向煤层与断层交界部位移动，致使F3断层和2煤交界处易产生应力集中。

同时，模型4600的边坡应力变化弹塑性区域分布如图4所示，由于在坡脚和断层与2煤交界处应力集中，塑性区域主要分布在F3断层整层及坡脚附近，断层已经完全破坏，但塑性区并没有贯通，说明边坡处于稳定状态。

可以看出，总体位移，均是在坡体上部，即坡肩处岩土体表现的位移最大；可以看出滑体的潜在移动方向和滑动面，滑体有明显的沿断层-1煤顶板弱层向坡外移动趋势。

模型4800的边坡应力变化塑性区域分布如图6所示，塑性区域分布在F3断层及坡脚附近，已经从坡底贯通到坡顶，边坡处于不稳定状态。其破坏模式为沿F3断层和1煤顶板弱层以剪切形式发生滑移，形成塑性流变区域，即边坡破坏面。

通过对西北帮边坡数值模型的分析，可以得出4800剖面边坡处于不稳定状态，极易发生边坡失稳现象。其破坏形式为：沿F3断层和1煤顶板弱层以剪切形式发生滑移。

3 结论

本文基于有限元理论，应用ANSYS软件对露天矿西北帮F3断层区边坡稳定性进行了模拟研究，对比分析了不同位置（4600剖面和4800剖面）边坡的应力分布特征、位移分布特征及变形破坏特征，揭示了滑坡机理。小结如下：

（1） 按照ANSYS计算边坡的失稳判据，4600剖面边坡在断层附近表现出塑形变形，但未贯通，处于稳定状态；4800剖面边坡发生了贯通性的塑性变形，处于不稳定状态，其破坏形式为沿F3断层和1煤顶板弱层以剪切形式发生滑移。

（2） 位移场表明，4600剖面和4800剖面边坡断层上盘岩体和下盘岩体均发生一定程度的相对错对，但4800剖面尤为明显，且其位移主要面向采空区域，而4600剖面断层上盘的位移主要指向断层和弱层相交处。

参考文献

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作者简介

刘贵生（1962-），男，辽宁省阜新县人，本科，阜新矿业（集团）有限责任公司高级工程师。