流固耦合作用下含缓倾软弱夹层边坡稳定及参数敏感性研究_杨启帆.pdf

Series No.560February 2023 金 属 矿 山METAL MINE 总 第560 期2023 年第 2 期收稿日期 2022-10-16基金项目 国家自然科学基金重点项目(编号:U1802243);武汉科技大学重大科技项目培育类创新团队(编号:2018TDX01)。作者简介 杨启帆(1998),女,硕士研究生。通信作者 胡 斌(1974),男,教授,博士,博士研究生导师。安全与环保流固耦合作用下含缓倾软弱夹层边坡稳定及参数敏感性研究杨启帆1,2 胡 斌1,2 马利遥1,2 刘 霁1,2 王泽祺1,2 曹建军1,2(1.武汉科技大学资源与环境工程学院,湖北 武汉 430081;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081)摘 要含缓倾软弱夹层岩质边坡中,存在应力场、渗流场等多场相互作用。由于不同区域缓倾软弱夹层形成的地质条件和组成成分不同,导致软弱夹层力学参数各异,在渗流场和应力场耦合作用下软弱夹层力学性质相对于自然状态亦会产生变化,因此流固耦合作用下缓倾软弱夹层参数特征的研究成为边坡稳定性分析与治理工作中需要进一步研究的问题。为探求流固耦合作用下含缓倾软弱夹层典型相关参数对岩坡稳定性的影响程度,以四川省金顶黄山石灰石矿山边坡为研究对象,基于强度折减法和流固耦合理论对边坡进行稳定性分析,选取软弱夹层倾角、厚度、内摩擦角及黏聚力设计正交试验,并采用极差分析和单因素分析法对各参数在边坡稳定性分析中的敏感性进行研究。研究结果表明:在流固耦合作用下,软弱夹层厚度越大、黏聚力越高,边坡稳定性不一定越好;软弱夹层倾角越小、内摩擦角越大,边坡越趋向于稳定。关键词 流固耦合 缓倾软弱夹层 正交试验 边坡稳定性 敏感性分析 中图分类号TD854.6 文献标志码A 文章编号1001-1250(2023)-02-196-07DOI 10.19614/ki.jsks.202302027Stability and Parameter Sensitivity Study of Slope with Softly Dipped Interlayer under Fluid-Structure InteractionYANG Qifan1,2 HU Bin1,2 MA Liyao1,2 LIU Ji1,2 WANG Zeqi1,2 CAO Jianjun1,2(1.School of Resources and Environmental Engineering,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081,China;2.Hubei Key Laboratory for Efficient Utilization and Agglomeration of Metallurgical Mineral Resources,Wuhan 430081,China)Abstract There are multi-field interactions such as stress field and seepage field in the rock slope with gently dipping soft interlayer.Due to the different geological conditions and compositions of the gently dipping weak interlayers in different re-gions,the mechanical parameters of the weak interlayers are different.The research on the parameter characteristics of the gen-tly sloping weak interlayer under the action has become a problem that needs further research in the slope stability analysis and governance.In order to explore the influence degree of typical parameters of soft interlayers with gentle dip on rock slope stabil-ity under the action of fluid-solid coupling,the slope of Huangshan Limestone Mine in Jinding,Sichuan Province was taken as the research object.Based on the strength reduction method and the fluid-solid coupling theory,the stability of the slope is ana-lyzed,and the inclination angle,thickness,internal friction angle and cohesion of the weak interlayer are selected to design the orthogonal test,and the range analysis and single factor analysis are used to study the sensitivity of each parameter in the slope stability analysis.The research results show that:under the action of fluid-structure interaction,the greater the thickness and the higher the cohesion of the weak interlayer,slope stability is not necessarily better;the smaller the inclination angle and the greater the internal friction angle of the weak interlayer,the more stable the slope is.Keywords fluid-structure interaction,slowly tilted weak interlayer,orthogonal test,slope stability,sensitivity analysis 在中国西南地区二叠系沉积石灰岩地层中,存在着厚度通常为 1030 cm 的缓倾炭质泥岩软弱夹层、691缓倾炭质页岩软弱夹层1,此类软弱夹层呈区域性分布2,其内部结构疏松,颗粒间连接力薄弱。西南地区降雨丰沛,软弱夹层经受雨水反复浸泡疏干,吸水膨胀、失水收缩长期循环,进而导致软弱夹层崩解破坏,力学性能极低,该类软弱夹层往往会成为边坡致滑的优势结构面3-7。软弱夹层中存在应力场与渗流场交互作用,流固耦合在两者相互作用下形成,在影响边坡稳定的因素中,流固耦合问题是众多学者研究的重点和难点8。由于不同区域缓倾软弱夹层形成的地质条件和组成成分不同,从而软弱夹层相关参数(倾角、厚度、内摩擦角、黏聚力等)存在差别,在渗流场和应力场耦合作用下软弱夹层力学性质相对于自然状态亦会产生变化,因此流固耦合作用下缓倾软弱夹层参数特征的研究成为边坡稳定性分析与治理工作中需要进一步研究的问题9-10。许多学者对于单因素作用下含软弱夹层岩质边坡稳定性的影响做了长期大量研究,李亚鹏、边疆、陈权川等11-13通过对软弱夹层参数的敏感性分析,确定边坡稳定性受各参数的影响程度。对于边坡稳定性受流固耦合作用的影响方面,众多学者在相关领域进行了深入研究,探索出值得后人借鉴的研究方法,如肖秀丽14从多孔介质渗流理论出发,将所建立的流固耦合渗流有限元模型应用于土坝并进行坝坡稳定性分析;刘垭均15依托具体工程实例,基于强度折减法与流固耦合在有限元软件上的结合,得到不同工况下的边坡安全系数并分析了边坡材料参数对于边坡安全系数的影响;张晨等16运用流固耦合有限元方法,以实际工程为原型分析了该边坡的长期稳定性并提出优化方法。以上研究表明,现阶段大多数文献主要集中在以下两方面,一为单因素作用下缓倾软弱夹层参数对边坡稳定性的敏感程度分析,二为基于流固耦合作用下的边坡稳定性研究,但是对于流固耦合作用下含缓倾软弱夹层边坡稳定性研究比较缺乏。鉴于此,本研究通过正交试验设计,利用有限差分软件 FLAC3D对简化的含缓倾软弱夹层岩坡模型进行稳定性系数计算13,17,对流固耦合作用下的计算结果分别运用极差分析和单因素敏感性分析,确定缓倾软弱夹层参数敏感性权重排序,为考虑流固耦合作用下含缓倾软弱夹层边坡稳定性防控与治理提供有效参考依据和指导。1 基本原理1.1 基于 FLAC3D的强度折减法本文主要通过 FLAC3D采用强度折减法计算流固耦合作用下含缓倾软弱夹层矿山边坡稳定性系数,根据四川省金顶黄山石灰石矿山现场采样进行力学试验所得到的物理力学指标,对坡体材料的黏聚力 c和内摩擦角 进行折减,使得坡体内部产生符合屈服准则的区域,即塑性区。当塑性区贯通时,表明坡体发生了不可逆转的塑性流动破坏,此时折减系数即为边坡稳定性系数 F13,其表达式为c=c/F,(1)tan=tan/F.(2)在 FLAC3D中采用二分法对抗剪强度参数 c 和 进行折减,且参数折减的精度与 FLAC3D默认的收敛标准(或称相对收敛标准)有关。在数值计算过程中,定义无量纲值 R 确定收敛标准,其表达式如式(3)所示。随着计算的进行,体系最大不平衡力逐渐趋向于零,取 RDCA,即 4 个典型参数对边坡稳定性的影响程度排序为:倾角内摩擦角黏聚力厚度。根据各因素水平极差值可知,当软弱夹层倾角为 10,内摩擦角为27,黏聚力为 25 kPa,厚度为 0.22 m 时,边坡稳定性最好,即该正交试验中最优水平组合为 B1D4C4A3。各因素各水平稳定性系数均值如图 7 所示。根据各影响因素各水平稳定性系数均值图可以推断出,尽管流固耦合作用下软弱夹层厚度对边坡稳定性影响程度最小,但是由图 7(a)可以看出,并非软弱夹层厚度越大,边坡越稳定。当厚度超过某个临界范围991 杨启帆等:流固耦合作用下含缓倾软弱夹层边坡稳定及参数敏感性研究 2023 年第 2 期表 5 各因素极差分析结果Table 5 The results of the range analysis of various factors项目ABCDK1j7.770 012.460 06.900 06.590 0K2j8.570 08.530 08.130 07.850 0K3j8.940 06.690 06.690 08.900 0K4j8.180 05.780 09.390 010.120 0k1j1.942 53.115 01.725 01.647 5k2j2.142 52.132 52.032 51.962 5k3j2.235 01.672 51.672 52.225 0k4j2.045 01.445 02.347 52.530 0极差 Rj0.292 51.670 00.675 00.882 5最优方案A3B1C4D4时,边坡稳定性降低,这是因为软弱夹层经受雨水长期浸泡,随着软弱夹层厚度增加,其含水量增大,软弱夹层出现泥化状态,具有较高的塑性,其力学性能降低,从而使边坡稳定性变差。由图 7(b)知,随着软弱夹层倾角逐渐变小,边坡稳定性趋向于更高状态。由图 7(c)知,随着软弱夹层黏聚力的增加,边坡稳定性可能减小也可能增加,根据文献10,13,17研