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摘要：边坡稳定性问题一直是露天矿山工程领域的一个重要研究内容，而边坡稳定性评价结果的正确与否直接关系到露天矿作业人员及设备的安全及正常、持续生产。边坡工程是一项系统工程，其稳定性受诸如地层岩性、地质构造、岩体结构、地下水等多种因素影响，其变形破坏机制极为复杂，尤其是顺层岩质边坡。本文应用东北大学岩石破裂与失稳中心唐春安教授研发的RFPA-SRM数值分析软件，以元宝山露天煤矿东帮边坡为工程实例，对露天矿顺层岩质边坡的稳定性进行数值试验研究，分析研究其变形破坏特征，确定其潜在滑坡模式，为边坡稳定性控制措施提出提供依据。
关键词：露天矿；顺层岩质边坡；稳定性；滑坡模式；强度折减法；数值试验
一、.RFPA主要功能
1.2岩石中的应力分析应力分析是工程设计中的基础，对于复杂的、大型的岩土工程尤其如此。一般来讲，解析理论只能得到几种简单围岩结构中应力场的理论解。即使是简单几何形状的巷道断面，如椭圆端面巷道，其应力分布的表达式也极其复杂。而许多岩体中的开挖工程，涉及到比椭圆断面更为复杂的断面结构。虽然通过特殊的简化方法我们也能得到一些复杂问题的近似解，但从工程应用来说，寻求一种比解析方法更方便得到的复杂结构中的应力场是十分必要的。这种必要性还表现在岩体介质往往是层状的，充满结构面，甚至是非均匀的。解析理论对这种具有复杂结构的介质将显得无能为力。
1.3岩石热应力与热开裂分析当岩石经受高温作用时，将产生热膨胀。当这种膨胀遭到阻碍时，便在岩石中产生热应力。不仅如此，由于岩石是由各种矿物颗粒组成的非均匀介质，各种非均匀介质的热尾性质不一样，因此在岩石经受高温时，将因为组成岩石介质矿物颗粒的热膨胀差异而产生内应力。当内应力达到一定程度时，就会诱发岩石介质的破裂，即岩石的热开裂。
1.3岩石破裂过程中的流固耦合分析通常岩石力学的流固耦合问题可分为三类：一是固体与流体耦合；二是固体与热耦合；三是热与流体耦合。目前，RFPA系统仅包括固体与流体耦合作用的模拟，可分析的问题包括：①岩石破裂过程中渗流性能的演化规律；②岩体破裂过程中水力梯度、流速的变化规律；③渗透作用力的分布及其对岩体变形、损伤的影响和相互作用。
在本文的模型中，基于以下基本假设：（1）岩石介质为带有残余强度的弹脆性材料，其加载和卸载过程的力学行为符合弹性损伤理论，（2）最大拉伸强度准则和MohrCoulomb准则作为损伤阈值对单元进行损伤判断，（3）材料细观结构的力学参数，按Weibull分布进行赋值，以引入非均匀性式反映了某种岩石细观非均匀性分布的情况。
1.4岩石的细观本构关系及基本方程
岩石的本构关系在一定情况下可以用岩石的应力-应变全过程来描述。在理论方面，已经做了不少工作，但大多是经验形式的。近些年来，材料的损伤力学有了很大发展，人们逐渐认识到当材料受载变形，在宏观裂纹出现前，损伤已经影响了材料与结构的强度和寿命。20世纪70年代末期，Lemaitre等从损伤力学的角度，考虑到材料损伤的过程，提出了连续损伤力学的概念，并建立了一组损伤模型：
下面给出了RFPA中用到的基本方程及其计算中的破坏原理。
平衡方程：
在模型中，非均匀材料由大量的参数互有差异的细观单元组成，在单轴应力状态下，考察单元应力水平后，确定以下三种基本状态：
（1）弹性状态：当或者σ3>-ft，单元处于弹性状态，式中fc为抗压强度，ft为抗拉强度，为摩擦角。
（2）断裂状态：当拉应变达到极限拉应变（ε-εtu）时，单元完全丧失承载能力和刚度，其弹性模量赋予小值，画黑形成裂纹单元。
（3）裂纹闭合状态：当裂纹单元的压应变达到极限压应变（ε-ctu）时，裂纹处于闭合状态，单元弹性模量随着压应力的增加而增高。
二、工程概况
露天矿采场东帮勘察所见边坡岩体组成，自上而下由第四系、侏罗系地层组成。第四系松散砂砾石可视为均质连续的岩体，其厚度占整个边坡高度的25.26％。表层为3-5m厚的亚粘土、其余为冲积、洪积圆砾、河泥砾为主，地层厚为46m～61m，平均厚53.5m。侏罗系地层控制到元宝山含煤组地层7煤底板以下，该套地层以泥岩、碳质泥岩、砂岩、砂砾岩、煤为主。层厚控制150-172m，平均厚161m。泥岩占30.33%；砂岩、占30.2%；煤占28.75%；碳质泥岩占10.72%。该区域煤层以马尾状分布，与岩石互层沉积，形成层状岩体结构，岩性较软，岩层倾角3～9°，力学强度低。边坡内赋存多个顺倾弱层于各台阶上出露，其特点是以泥岩和炭质泥岩为主，遇水泥化，强度低。总体上可划为4个弱层。露天区内的充水因素主要为大气降水、第四系潜水疏干残余水涌水、煤系砂岩孔隙裂隙含水层涌水。由于地下水的影响，导致边坡岩土体强度及弱层强度进一步降低，形成了边坡稳定的不利因素。整体上看，元宝山露天煤矿东帮边坡第四系地层厚度大、涌水量大、岩层破碎，使得工程地质条件更加复杂。
2.1.边坡稳定性数值试验
地层赋存条件建立边坡的数值模型。其边界条件为：模型的两侧为位移约束，即水平位移为0；模型底部固定不动，相当于固定支座提供的约束；加载方式为自重加载。由于F1断层距离边坡较远，其影响不予考虑。
通过数值试验，再现了东帮边坡失稳的动态过程。经计算，其稳定系数为1，表明稳定性较差，边坡到界后极易发生滑坡。可以通过分析边坡失稳过程中的位移分布特征和变形破坏特征来探讨滑坡机理。
2.2位移分布特征
边坡失稳过程中的位移等值线云图和位移矢量场演变过程图描述了边坡从变形到破坏的整个动态过程。上部岩体在自重作用下发生以沉降为主的变形，挤压下部岩体沿着弱层向临空面滑动，当位移达到一定程度时，滑坡发生；在这一过程中，经历了裂缝发生、扩展和贯通阶段；滑移模式为以4#弱层为底界面，剪切圆弧为侧边界的切层-顺层滑动；滑体沿3#弱层亦发生一定程度的错动，说明3#和4#弱层是控制边坡稳定性的重要因素。
2.3变形破坏特征
边坡失稳过程中的声发射特征，表明边坡岩体破坏方式有两种类型，边坡顶面附近岩体以张拉破坏为主，而下部即弱层附近岩体则以剪切破坏为主；在失稳过程中，坡体内岩土体破坏范围逐渐增加，增至一定范围后，发生滑坡。
三、结语
随着城市建设规模的不断扩大，土地资源的日益紧张，对丘陵山区土地资源的利用日益增多，丘陵山区作为建筑场地，经常遇到边坡的稳定性分析，并需得出科学的结论。某山区建筑场地爆破施工整平期间形成人工岩质陡坡，部分边坡因爆破影响，岩体产生松动，边坡的稳定性直接影响边坡上部拟建建筑物及场地的稳定性。
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