°。由于PFC3D建模的特殊性，结合地质勘查结果，考虑到砂 岩、砂质泥岩和砂岩形成的岩体，及其之间裂隙尺度，将颗粒(ball)半径设为0.6~0.9m的正 太分布。
[0019] 由于边坡正对两帮均在相同地质条件下，所以使用同一模型进行边坡构造。顺层 情况下坡脚坐标为(X，z) = (300m，10m)，坡角从40°~80°的边坡坡面。逆层情况下坡脚坐标为 &，2) = (0!11，10111)，坡角从40°~80°的边坡坡面。竖直方向（2方向）0~10111高度的颗粒模拟边坡 下部岩层与坡体之间的相互作用，考虑到实际情况，限制了这部分颗粒的水平运动能力(实 际代表的是边坡下覆岩层）。
[0020] 模型边界条件：当顺层时x=0m和z=0m面固定，其余边界自由；当逆层时x=300m和z= 〇m面固定，其余边界自由。同时为了表现该模型边缘与外界岩体接触的实际效果，设固定面 的摩擦系数为平均值0.5。
[0021]为了模拟向斜左翼分层构造和水平方向存在的裂隙发育，根据发育的特征使用 PFC3D中的JSET来模拟这些构造。JSET命令可以模拟岩体中节理等软弱面。表层黄土和碎石 中不存在裂隙发育，不设施JSET。在模型z方向的10~250m区域(左翼岩体所在位置）内设置 JSET。对于向斜左翼的模拟，考虑到实际情况和计算量的因素，设置构造面间岩层水平方向 厚度为l〇m(每隔10m-个构造面），倾斜角87°高度10~250m。对于水平裂隙的模拟，根据勘察 所得，设距地表50~100m，裂隙间距为5m;距地表100~150m，裂隙间距为10m;距地表150~ 210m，裂隙间距为20m。分层的层间和水平裂隙间的法向和切向连接强度为0,岩体内部的法 向和切向连接强度为l〇8Pa，其摩擦系数均为0.5。
[0022]在PFC3D中使用JSET划分模型后，将分割模型中颗粒。"cluster"用以表示具有一 定整体性的岩体，g卩表示岩体中的大块岩石。颗粒之间的连接线为"Contact Bonds"，表示 颗粒已连接作为整体。不同岩石块(cluster)之间不存在Contact Bonds，即表示两块完全 分离。使用JSET模拟岩石间的裂隙优势在于可以体现裂隙之间的摩擦力和机械咬合力，进 而使模拟更接近于实际。
[0023] 对于逆层脚条件下不同坡角时边坡的稳定性进行分析。从40°~80°时的边坡裂隙可知， 其裂隙的发展具有一定的规律性。当坡角在40°时，裂隙集中在坡顶下部岩体，且形成的裂 隙均沿向斜构造面(87°)发展。这样的裂隙形成是由于形成边坡时，边坡外部岩体挖除，坡 内岩体失去约束应力释放;同时由于岩体岩性不同，应力释放产生的变形不同，造成坡顶下 部岩体的裂隙。
[0024] 坡角为50°时，裂隙主要集中在坡面附近，裂隙发展深度较浅。形成原因是坡角的 增大且岩体倾向逆层，使坡面附近岩体在重力作用下有沿坡面向下滑动的趋势，这样的趋 势造成了裂隙。裂隙不但有急倾斜的，由于岩体外倾翘起，开始出现水平裂隙。这时应力释 放产生的裂隙基本消失，边坡附近岩体由于重力和构造面作用的破坏逐渐增强。60°的边坡 破坏继承了 50°边坡的趋势，裂隙范围更大，深入坡面更深。
[0025] 在70°时，岩体所受上覆岩层传来的重力作用较强，岩体倾向逆层且中部岩体较下 部更为破碎，所以在边坡的中部形成了较大的变形区。之所以出现在边坡中下部是因为下 部急倾斜岩体沿倾向较为完整，并未发生断裂，限制了变形区域。如果下部岩体与上部岩体 同样破碎，那么这个变形区应在边坡下部出现。在80°时，较大变形区向坡角发展，岩体向外 突出，形成明显的裂隙。这时边坡是极其不稳定的。
[0026]分析从40°~80°时的边坡位移可知，在各坡角形成的边坡内，白色虚线倾斜度基本 不变，而只是随着坡角的增加向坡角处靠近。这一方面说明该倾斜度受坡角的影响不大(可 能是由于坡角较大的缘故），另一方面说明了岩体位移原因由应力释向重力作用转变。 [0027]顺层与逆层进行对比说明。从40°~80°的裂隙发展规律与逆层相同，但是程度有所 不同。由于倾斜87°岩层的重力作用在逆层时对岩体外倾是有利的，而在顺层时抑制岩体的 外倾。所以直至坡角较为60°时仍未出现明显的边坡内部裂隙，这期间裂隙位置变化与逆层 时相同。70°时坡角上部岩体出现了明显的沿着87°构造面的裂隙，贯穿坡面中下部。80°时 坡面中下部岩体有明显的突出形成，边坡变得极不稳定。对位移来说，坡角小于70°时，边坡 内部岩体位移没有明显的分布规律，仅由于重力作用坡面附近和坡顶岩体向下运动。大于 70°时，由于中下部岩体产生较大变形，形成裂隙，才出现了明显的位移分界线。
[0028]综上所述可得到:岩层的重力作用在逆层时对岩体外倾是有利的，而在顺层时抑 制岩体的外倾。在该地质条件且相同坡角条件下顺层较逆层更为稳定。大变形裂隙区的出 现位置与岩体构造形式有很大关系。对于该实际工程而言，顺层时其坡角不应大于60°，逆 层时坡角不应大于50°。
【主权项】
1. 一种确定边坡坡角的方法，其特征在于，为了解在由急倾斜且具有水平裂隙发育岩 体形成顺层和逆层的边坡时，不同坡角对于边坡稳定性的影响，使用基于颗粒流理论的 PFC3D进行了模拟;其包括如下步骤:利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续和连续性的 岩体构造形式；构建了坡角为40°、50°、60°、70°和80°的顺层和逆层边坡，并对边坡的稳定 性进行了模拟;本发明可用于确定露天矿边坡的合理坡角。2. 根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，考虑到岩土体形成过程是由于风 化、沉积等作用使颗粒在竖直方向从下到上逐层堆积形成的，并经过自然压实的过程，使用 下落法构造模型。3. 根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，该边坡地质剖面模型X方向长 300m，高z方向300m;地质条件复杂，从左向右分层较多，且岩性不同，平均倾角达87° ;由于 PFC3D建模的特殊性，结合地质勘查结果，考虑到砂岩、砂质泥岩和砂岩形成的岩体，及其之 间裂隙尺度，将颗粒bal 1半径设为0.6~0.9m的正太分布。4. 根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，由于边坡正对两帮均在相同地质 条件下，所以使用同一模型进行边坡构造;顺层情况下坡脚坐标为(x，z) = (300m，10m)，坡角 从40°~80°的边坡坡面;逆层情况下坡脚坐标为(x，z) = (0m，10m)，坡角从40°~80°的边坡坡 面;竖直方向z方向0~10m高度的颗粒模拟边坡下部岩层与坡体之间的相互作用，考虑到实 际情况，限制了这部分颗粒的水平运动能力。5. 根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，模型边界条件：当顺层时x=0m和z =0m面固定，其余边界自由；当逆层时x=300m和z=0m面固定，其余边界自由；同时为了表现该 模型边缘与外界岩体接触的实际效果，设固定面的摩擦系数为平均值0.5。6. 根据权利要求1所述的构建边坡模型，其特征在于，为了模拟向斜左翼分层构造和水 平方向存在的裂隙发育，根据发育的特征使用PFC3D中的JSET来模拟这些构造;表层黄土和 碎石中不存在裂隙发育，不设施JSET;在模型z方向的10~250m区域内设置JSET;对于向斜左 翼的模拟，考虑到实际情况和计算量的因素，设置构造面间岩层水平方向厚度为l〇m，倾斜 角87°高度10~250m;对于水平裂隙的模拟，根据勘察所得，设距地表50~100m，裂隙间距为 5m;距地表100~150m，裂隙间距为10m;距地表150~210m，裂隙间距为20m;分层的层间和水平 裂隙间的法向和切向连接强度为0,岩体内部的法向和切向连接强度为l〇 8Pa，其摩擦系数 均为0.5。
【专利摘要】本发明公开了一种确定边坡爆破合理高度的方法，其特征在于，为了解爆破后由急倾斜且具有水平裂隙发育岩体组成的边坡稳定性，及其内部破坏规律，最终总结出爆破高度对边坡稳定性的影响，方法使用基于颗粒流理论的PFC3D进行了模拟；利用PFC3D中的JSET和Bonds模拟了非连续和连续性的岩体构造形式；对设置了13个爆破点的6个爆破方案进行模拟；其包括如下步骤：基本模型的建立，爆破模型的建立；本发明可用于确定边坡爆破合理高度。
【IPC分类】G06F17/50, G01N33/24
【公开号】CN105699627
【申请号】CN201610175388
【发明人】王尧, 崔铁军, 李莎莎
【申请人】辽宁工程技术大学
【公开日】2016年6月22日
【申请日】2016年3月25日