Rock slope stability analysis using shear strength reduction technique (SSRT) – case histories

Abstract

Purpose. This study aims to evaluate the slope stability of open pit comprising massive and jointed rock mass. Methods. Mohr-Coulomb yield function (MC) with shear strength reduction technique (SSRT) are incorporated in finite element analysis (FEA) and four different slopes with varying geometry and geological structural features with an ultimate slope angle of 34° are analyzed using the two-dimensional FEA Program RS2D. The first slope comprises blocky rock mass; the second slope has a network of joints parallel to slope face; the third slope has a parallel joint networks dip out the slope face, and the last slope has a cross-joints network. Findings. The critical strength reduction factor (CSRF) indicates whether the slope face is stable (if CSRF ≥ 1) or not. The minimum CSRF of 0.53 (e.g. compared to 0.55 for parallel joints dip out to the slope face, 0.58 for joints parallel to slope face and 0.65 with no joint existed) is obtained with cross-joints network existed. The CSRF (e.g., CSRF = 0.49) reduces when the MC slip criterion is adopted with the jointed rock mass. Originality. This study attempts new stability indicator namely critical strength reduction factor (CSRF) embedded in shear strength reduction technique (SSRT), based on finite element (FEM) to assess the slope of open pit with respect to presence of geological discontinuities. Practical implications. The slope stability of rock mass is significant to design parameters in open pit mines. Unexpected instability is eventually costly, hazardous to personnel/machinery, disrupted to the mining operation and time-consuming. Therefore, this study Provides a methodology for the application of shear strength reduction technique (SSRT) when evaluating the slope stability of open pit mines with respect to existence of geological features. As a result, the mine planners and engineers will be able to know a head of time when and where necessary support is needed.

Мета. Дослідження стійкості укосу при відкритій розробці вугільного пласта в умовах твердих і тріщинуватих порід на основі чисельного моделювання. Методика. Функція плинності Мора-Кулона і метод зменшення опору зсуву використані разом з аналізом кінцевих елементів, причому 4 укоси з відмінностями в геометрії та геологічних структурних характеристиках (з оптимальним кутом схилу 34°) проаналізовані за допомогою двомірної програми FEA Program RS2D. Перший укіс представлений бриластою гірської породою, другий укіс покритий сіткою тріщин, паралельних поверхні укосу, третій укіс має паралельні тріщини, перпендикулярні до поверхні укосу, і останній укіс покритий сіткою пересічних тріщин. Результати. Показано, що ступінь стійкості укосу характеризується індексом зменшення критичного опору (ІЗКО) і при ІЗКО ≥ 1 укіс вважається стійким. Встановлено, що мінімальне значення ІЗКО дорівнює 0.53 (0.55 – для паралельних тріщин, перпендикулярних до поверхні укосу; 0.58 – для тріщин паралельних поверхні укосу; 0.65 – при відсутності тріщин) і відповідає укосу, який покритий сіткою пересічних тріщин. ІЗКО зменшується (наприклад, до 0.49), коли зсувне зміщення функції плинності Мора-Кулона застосовується для аналізу тріщинуватих порід. Наукова новизна. Запропоновано індекс зменшення критичного опору в якості нового індикатора стійкості, який є ключовим фактором методу зменшення опору зсуву, заснованого на методі скінченних елементів, і застосовується для виявлення геологічних несуцільностей укосу кар’єру. Практична значимість. Запропоновано метод зменшення опору зсуву при оцінці стійкості схилу в кар’єрах з урахуванням існуючих геологічних особливостей. Стійкість породного масиву є важливим фактором при проектуванні параметрів кар’єрів, а при проектуванні шахт – для вибору місць та способів кріплення.

Цель. Исследование устойчивости откоса при открытой разработке угольного пласта в условиях твердых и трещиноватых пород на основе численного моделирования. Методика. Функция текучести Мора-Кулона и метод уменьшения сопротивления сдвигу использованы вместе с анализом конечных элементов, причем 4 откоса с различиями в геометрии и геологических структурных характеристиках (с оптимальным углом склона 34°) проанализированы с помощью двухмерной программы FEA Program RS2D. Первый откос представлен глыбистой горной породой, второй откос покрыт сеткой трещин, параллельных поверхности откоса, третий откос имеет параллельные трещины, перпендикулярные к поверхности откоса, и последний откос покрыт сеткой пересекающихся трещин. Результаты. Показано, что степень устойчивости откоса характеризуется индексом уменьшения критичного сопротивления (ИУКС) и при ИУКС ≥ 1 откос считается устойчивым. Установлено, что минимальное значение ИУКС равно 0.53 (0.55 – для параллельных трещин, перпендикулярных к поверхности откоса; 0.58 – для трещин, параллельных поверхности откоса; и 0.65 – при отсутствии трещин) и соответствует откосу, который покрыт сеткой пересекающихся трещин. ИУКС уменьшается (например, до 0.49), когда сдвиговое смещение функции текучести Мора-Кулона применяется для анализа трещиноватых пород. Научная новизна. Предложен индекс уменьшения критичного сопротивления в качестве нового индикатора устойчивости, который является ключевым фактором метода уменьшения сопротивления сдвигу, основанного на методе конечных элементов, и применяется для выявления геологических несплошностей откоса карьера. Практическая значимость. Предложен метод уменьшения сопротивления сдвигу при оценке устойчивости склона в карьерах с учетом существующих геологических особенностей. Устойчивость породного массива является важным фактором при проектировании параметров карьеров, а при проектировании шахт – для выбора места и способов крепления.