（岩土工程专业论文）永平铜矿西部排土场边坡稳定性分析.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 排土场失稳将导致矿山土场灾害和重大工程事故，不仅影响到矿 山的正常生产，也将使矿山蒙受巨大的经济损失。本论文以永平铜矿 西部排土场为工程背景，对其稳定性问题进行了深入的研究。通过现 场工程地质和水文地质调查得到了坡面产状、岩层分布情况等地质信 息，在此基础上对典型区域岩土进行了物理力学性质试验研究，得到 了排土场基岩、表土层和散体物料的物理力学强度参数，并对这些参 数进行了工程处理，为下一步的滑坡力学分析提供数据基础。 目前在对排土场进行稳定性分析时多采用边坡稳定的理论，因此 迫切需要一种适合排土场特点的稳定性研究新方法。在假设分析对象 为变形体的基础上，本文尝试采用目前在岩土工程界较为成熟的 f l a c 3 d 数值模拟方法，并将其计算结果与传统极限平衡法计算所得 结果进行对比分析研究。首先选取排土场边坡的典型断面，根据地质 信息建立与实际情况基本一致的计算模型，然后分析边坡在当前排土 高度状况下变形情况、安全系数和潜在滑移面位置。结果表明在现有 堆载高度情况下，传统极限平衡法和f l a c 3 d 数值模拟方法计算所的 安全系数值均大于1 2 5 ，边坡整体上处于稳定状态。 增加排土场堆高可以提高排土场容积，但对土场稳定性提出了更 高的要求，因此需要合理的确定排土场极限堆载高度。本文采用 f l a c 3 d 数值模拟方法对排土场进行了分层堆载模拟，研究结果表明： 随着堆载高度的增加，每一分层堆载所引起的边坡水平方向和竖直方 向最大位移值都在逐渐增大；塑性区分布范围也随之逐渐扩大；安全 系数值则逐渐减小。当堆载高度增加至1 2 8 m 时，安全系数值将减小 至1 2 5 左右。根据设计规范要求，允许稳定安全系数k 值一般取1 2 5 。 因此确定排土场极限堆载高度为1 2 8m 。 关键词：排土场，f l a c 3 d 数值模拟，稳定性分析，安全系数，极限 堆载高度 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a ct t h ei n s t a b i l i t yo fw a s t ed u m pi nm i n e sw o u l dr e s u l ti nd i s a s t e r s ， w h i c hc a ni n f l u e n c en o r m a lo p e r a t i o na n de c o n o m i cb e n e f i to fm i n e s t h ew e s td u m po fy o n g p i n gc o p p e rm i n ei sc h o s e na st h es t u d i e dp r o je c t a n di t s s t a b i l i t y i sr e s e a r c h e d c o m p r e h e n s i v e l y t h eg e o l o g i c a l i n f o r m a t i o ns u c ha st h eo c c u r r e n c eo fs l o p es u r f a c e ，t h eg e o l o g i c a l p r o p e r t i e so f s t r a t aa r eo b m i n e db yt h es i t ei n v e s t i g a t i o no fe n g i n e e r i n g g e o l o g ya n dh y d r o g e o l o g y o nt h i sb a s i s ，t h ep h y s i c a l m e c h a n i c s p r o p e r t i e so fr o c ka n ds o i li nt h et y p i c a lr e g i o na r es t u d i e d p h y s i c a la n d m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so ft h eb e d r o c k , s u r f a c es o i la n dt h er o c kl u m pi n t h ed u m p i n gs i t ea r eo b t m n e d e n g i n e e r i n gd i s p o s a l sa r ed o n et ot h e s e p a r a m e t e r sw h i c hw i l lp r o v i d et h eb a s i sd a t af o rf o r w a r dm e c h a n i c s a n a l y s i s a tp r e s e n t ，t h ea n a l y s i sm e t h o d so fs l o p es t a b i l i t ya r eu s e dt os t u d y t h es t a b i l i t yo ft h ew a s t ed u m p i ti su r g e n tt oe x p l o r ean e ws c i e n t i f i c m e t h o df o rr e s e a r c ho fs t a b i l i t yw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ew a s t ed u m p b a s e do nt h eh y p o t h e s i st h a ts u b je c t sa r ed e f o r m a b l eb o d i e s ，m a t u r e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do ff l a c ui ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g f i e l di su s e d ，a n di t sr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h a to fl i m i te q u i l i b r i u m m e t h o d a tf i r s t ，t y p i c a lc r o s s s e c t i o ni nt h ed u m p i n gs i t ei ss e l e c t e d a c c o r d i n g t o g e o l o g i c a l i n f o r m a t i o nt h ec a l c u l a t i o nm o d e lt h a ti s c o n s i s t e n tw i t hp r a c t i c a lc o n d i t i o ni se s t a b l i s h e d , a n dt h ea n a l y s i so n d e f o r m a t i o n ，s a f e t yf a c t o ra n dt h ep o s i t i o no fp o t e n t i a ls l i d i n gs u r f a c eo f t h ed u m ps l o p ea tc u r r e n ts i t u a t i o ni sp e r f o r m e d i ti n d i c a t e st h a ts a f e t y f a c t o ra tc u r r e n th e i g h to b t a i n e db y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dt h a t g a i n e db yt r a d i t i o n a ll i m i te q u i l i b r i u mm e t h o db o t ha r eb i g g e rt h a n1 2 5 ， a n dt h es l o p ei sa ts t e a d ys t a t ei ni n t e g e r a u g m e n t i n gt h ed u m p i n gh e i g h ti st oi n c r e a s et h ed u m pc a p a c i t y , b u tm o r er e q u i r e m e n t sa r er a i s e dt os t a b i l i t yo ft h ed u m ps l o p e s ot h e c r i t i c a lh e i g h ts h o u l db ed e t e r m i n e dr e a s o n a b l y l a y e r e dl o a d i n gi nt h e d u m p i n gs i t ei ss i m u l a t e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o do ff l a c 3 d i t l i r e v e a l st h a tw i t h i n c r e a s i n go fl o a d i n gh e i g h tt h eb i g g e s th o r i z o n t a l d i s p l a c e m e n t a n dv e r t i c a l d i s p l a c e m e n t c a u s e d b ye v e r yl o a d i n g 1 n c r e a s e dg r a d u a l l y , t h er a n g eo fp l a s t i cz o n ee x p a n d e da n ds a f e t yf a c t o r d e c r e a s e dg r a d u a l l y w h e nl o a d i n gh e i g h ti s12 8m e t e r , s a f e t yf a c t o rw i l l r e d u c et o1 2 5 a r o u n d a c c o r d i n gt od e s i g nr e q u i r e m e n t ss a f e t yf a c t o r s h o u l db eb i g g e rt h a n1 2 5 s ot h ec r i t i c a lh e i g h to ft h ew e s td u m pi s12 8 m e t e r k e y w o r d s ：t h ew a s t ed u m p ，f l a c 3 0n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s t a b i l i t y a n a l y s i s ，s a f e t yf a c t o r , t h ec r i t i c a lh e i g h t i l i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：董敏日期：盟年生月盟日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：董效导：盟年垒月盟日 中南人学影i 卜学位论文 第一辑绪论 1 1 课题的来源 第一章绪论 永半铜矿西部排上场位于天排山两侧i i i 麓，地势总的变化足东南高西北低， 地形最高处标高4 3 3 m ，最低处标高9 0 m 。场区山体较陡峻，地形高差较大。自 永平铜矿采矿场扩帮以来，西部排士场急速堆高，再加上扩帮排出的大多足粘土， 排土场出现了两起事故： ( 1 ) 2 0 0 4 年9 月份该排土场在堆存过程中由于边坡失稳出现了排土车辆滑 到坡脚，差点造成车毁人亡的重大事故： ( 2 ) 2 0 0 5 年1 月份该排士场在排土过程中，造成了一人死亡的事故。 排土场是矿山的重大危险源，根据国家相关法律要求，对于矿山重大危险源 需要对现状进行定期稳定性分析和安全研究。该排土场的下游是铁路和农田一 旦排土场出现滑坡和泥石流，不仅影响矿山的证常生产，而且危及到下游的铁路 和农兀l ，凶此，亟需对水f 铜矿西部排土场进行稳定性分析研究，提出合理的治 理方案。为此，江西铜业股份有限公r d 委托中南大学对永平铜矿西部排- p 场安伞 稳定性进 j ：研究。 图i 1 永平铜矿西部排土场 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 边坡理论的发展和目前的研究现状 边坡工程稳定性研究始于2 0 世纪2 0 年代，最初是对于土坡稳定性的研究。 2 0 世纪2 0 年代以前，对于土坡稳定和土压力的计算，一律只计土体的内摩擦力， 并假定滑动面为平面。1 7 7 3 年，法国工程师库仑( c a c o u l o m b ) 提出了挡土墙土 压力的计算方法，标志着土力学雏形的产生。1 8 5 7 年朗肯( w j m r a n k i n e ) 在假设墙后土体各点处于极限平衡状态的基础上建立计算主动和被动土压力的 方法【l l 。库仑和朗肯在分析土压力时所采用的方法后来被推广到地基承载力和边 坡稳定分析中，形成一个体系，这就是极限平衡法。 1 9 1 6 年，贺尔汀m h u l t i n ) 和裴德逊( p e t e r s o n ) 根据大量观测论证了某些土体 ( 特别是有粘结力的土体) 在发生滑动失稳破坏时，其滑动面是与圆柱面接近的曲 面【2 1 。这就是最初的瑞典圆弧法。 3 0 4 0 年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期，瑞典学者费伦纽斯( w f e l l e n i u s ) 将最初的圆弧法推广到兼有内摩擦力和粘结力的土体稳定性计算中去，并初步探 索了最危险滑弧位置的变化规律【3 ，4 】。这一事件曾被世界著名土力学家太沙基( k t e r z a g h i ) 誉为现今岩土工程界的一个里程碑【5 】。 4 0 年代以后，不少学者致力于改进瑞典圆弧法。他们研究的方向是以下两 个方面：一方面致力于探索最危险滑弧的位置，制作数表，曲线，以减少计算工 作，如泰勒( z a y l 0 0 、毕肖普( a w b i s h o p ) 等，通过对一些特殊情况的研究，揭 示了最危险滑弧圆心位置的某些变化规律f 6 】。另一方面，有不少人研究滑裂面的 形状。1 9 4 1 年太沙基( k t e r z a g h i ) 就提出，土体破坏时的滑动面更接近对数螺旋 线【5 1 。但假定滑面为对数螺旋线，不仅计算工作更繁，而且大量计算对比表明， 似乎也没有必要。因为，安全系数k 值在真正的最危险滑面附近变化十分迟钝， 所以，利用圆弧滑面假定仍然可以获得满意的结果。不过，土体越不均质，真正 的最危险滑面偏离圆弧面越远，但在此种情况下，也并非对数螺旋线就能逼近真 实情况。 5 0 - - 6 0 年代，人们研究的主攻方向，一是如何在计算中考虑滑动土体内部 土条间的相互作用力，二是研究如何将此法推广应用至任意形状的滑动面，这一 阶段的工作，使土体稳定分析的理论和方法逐渐完善。表现在：1 9 5 4 年简布( n j a n b u ) 提出了普遍条分法的基本原理【7 8 】，将最初的圆弧法推广到任意滑面情况。 并通过假定土条间推力的作用点位置，使问题得到比较合理的解决。1 9 5 5 年， 毕肖普明确了土坡稳定安全系数的定义为【6 】： 足：兰( 1 1 ) f 式中，f ，为沿整个滑面的平均抗剪强度，f 为滑面上的平均剪应力，式( 1 1 ) 不仅使安全系数的物理意义更加明确，而且使用范围也更广，为非圆弧滑面和考 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 虑分条间作用力的各种方法提供了有利条件。1 9 6 5 年摩根斯顿( m o r g e n s t e r n ) 、 普赖斯( p r i c e ) 首先提出了“多余未知函数假定的合理性要求一【8 9 】。从而使得 分析的成果更趋合理。 1 9 7 0 年f a n g 和h i r s t 首先将塑性力学理论应用于土坡稳定分析。它的理论 基础是塑性力学的塑性位势理论，最大优点在于计算中考虑了土料的应力与应变 的关系。1 9 7 7 年k a r m 提出了土坡稳定分析的能量法，1 9 8 3 年b a k e r 和f r y d m a n 提出了土体非线形破坏的塑性极限分析的上限解法【1 0 1 ，1 9 9 5 年m i c h m o w s k 提出 了塑性极限分析的动力法，这都是对塑性极限分析理论的丰富和发展。 6 0 年代以后，我国在土坡稳定分析方法的改进方面发展较快，并在某些方 面做出了重大的贡献。 7 0 年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理一极大值原理和极小值 原理，并在1 9 8 0 年指出国外有些文献中将“极大改为“极小的错误【1 1 1 。并 同时指出，这两条原理是相辅相成的，这两条原理是指导滑坡极限分析的理论准 绳。 1 9 7 8 年张天宝提出了在确定最危险滑弧滑面位置方面较费兰纽斯的m m 线，方捷耶夫的扇形面积等经验方法更为准确的方法，并于1 9 8 0 年阐明了复合 土坡最危险滑面分布的多极值规律：( 1 ) 只有对滑出点相同的滑弧，在k 等值 曲线图中研究极值区个数才具有实际意义；( 2 ) 滑出点相同时，滑弧穿越不同土 层的组合数，一般就是理论上安全系数k 的极小值个数【l2 1 。与此同时，黄委、 阎中华亦撰文指出过类似规律【i3 1 。虽然这些规律是由比较粗糙的瑞典法导出的， 但它们的实用意义却超出了瑞典法范围。尽管对同一滑面采用不同方法计算得到 的k 值不同，但在最危险滑面分布规律方面各种方法都是基本一致的。因此， 可利用这些规律减少使用更精确的方法解题时的计算工作量。 1 9 8 1 年，孙君实利用虚功原理，根据杜兰克( d c o m c k e r ) 公设，证明了潘 家铮的极大值定理；利用模糊数学工具，建立了土坡稳定安全系数模糊函数和模 糊约束条件，并与传统的安全系数和最小安全系数相对应，提出了安全系数的模 糊解集和最小模糊解集概念。1 9 8 3 年，陈祖煜与m o r g e n s t e m 对m o r g e n s t e m p r i c e 法做了改进，从根本上解决了其数值分析的收敛问题，并减少了对土条侧向力所 做假定的随意性【1 4 】。近年来，陈祖煜在塑性极限分析法方面进行了广泛而深入 的研究【15 1 。 9 0 年代以来，随着计算机的普及，人们相继开发b i s h o p 法、j a n b u 法、 m o r g e n s t e r n p r i c e 和s p e n c e r 法等的计算程序【撼】，可用试算法随机搜索最危险滑 弧的位置，计算出所分析边坡的最小安全系数。 到目前为止，边坡稳定性分析评价方法主要经历了三个阶段，即传统的分析 评价方法阶段、数值方法分析阶段和目前采用的综合评价方法阶段。 第一阶段采用的评价方法主要是极限平衡法。该法通过潜在滑体的受力分 中南大学硕士学位论文第一章绪论 析，引入摩尔霹伦强度准则，而后根据滑体的力( 力矩) 平衡，建立边坡安全系 数表达式，进行定量评价分析【3 9 】，这种方法由于安全系数的直观性至今仍被广 泛采用。 第二阶段始于2 0 世纪6 0 年代，数值方法被引入到边坡稳定性分析中，数值 方法包括：从早期的有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ) ，有限单元法( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) 1 7 1 9 1 ，边界单元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d l 【2 0 j 到近些年出现的 主要针对岩土介质的离散元法( d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ) 2 卜2 3 1 ，关键块体理论 ( k e yb l o c kt h e o r y ) ，非连续变形分析( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 2 4 1 ， 刚体有限元法( r i g i df i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，快速拉格朗日分析法( f a s t l a g r a n g i a na n a l y s i s ，f l a c ) 2 s 】，无网格伽辽金法( e l e m e n t f r e eg a l e k i n g m e t h o d ) t 2 6 1 ，数值流形方法( n u m e r i c a lm a n i f o l dm e t h o d ) 2 7 郐1 。数值方法能从较 大范围考虑介质的复杂性，全面分析边坡的应力应变状态，有助于对边坡变形和 破坏机理的认识，较极限平衡法有很大的改进和补充。边坡与滑坡研究中的数值 分析得到了较大的发展。 有限元数值计算方法己由线性发展到高度非线性和大变形问题，由二维发展 到三维，同时可考虑粘性流变、渗流、温度、热导与应力场耦合、损伤和断裂， 以及波动与动力效应。不同数值方法的结合与耦合，目前正显示其相互互补的应 用前景，如有限元与边界元的混合，有限元与离散元的混合，有限元与无限元及 有限元与块体元的混合掣2 9 1 。 第三阶段始于本世纪7 0 年代，这个阶段的一些新理论和现代评价方法在边 坡分析中得到应用，如可靠度理论【3 0 1 、模糊数学【3 1 1 、随机过程【3 2 l 、概率论与统 计【3 3 】、灰色预测理论、混沌、分形等非线性理论【3 4 3 5 1 ，以及人工智能与神经网络 【3 6 1 、损伤力学等，显示了良好的应用前景。在边坡稳定性的非线性动力学理论 模型【3 7 1 、滑坡系统的自组织特性【3 8 , 3 9 1 、边坡变形的分形特征【4 0 4 2 1 、边坡失稳的 分岔与突变模型【4 3 1 、边坡失稳判别的灰色系统理论等方面取得了若干成果。这 些新理论和方法大大推动了边坡稳定研究的进展，但由于它们仍处于探索阶段， 仍然存在很多不足，如：滑坡系统参数的选择往往受到实际监测资料的限制，资 料自身的误差影响滑坡过程中的非线性方程的建立；对于滑坡的自组织特征，由 于边坡系统内部和外部之间的相互作用和耦合机制不清楚，难以建立模型来分析 和研究，只能通过系统的一些宏观参数( 如嫡、分维数等) 的数值分析来研究系统 的复杂性；对于分形理论，尺度的选择对无标度域规律性会有一定的影响，滑坡 系统并非简单的分维等。 这些新理论和新方法的出现反映出目前岩土工程界中研究人员正由传统的 正向思维，即牛顿时代的思维模式向不确定方向，即系统思维、反馈思维、全方 位思维( 包括逆向思维、非逻辑思维、发散思维甚至直觉思维) 发展m 】。各种新技 术、新方法、新理论的引入及其与上述评价方法的耦合仍是目前发展的总趋势。 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 排土场研究概况 1 3 1 排土场稳定性研究意义 目前我国大部分露天矿山已进入深凹开采状态，对排土场的容积需求增大， 为最大限度减少矿山排土场占地，排土场段高不断加大。合理规划排土作业，科 学管理排土工作，不仅是保证矿山安全生产的必要手段，而且对社会和生态平衡 也有着十分重要的意义1 4 5 , 4 6 1 。如果土场管理的不善造成土场失稳，导致矿山土场 灾害和重大工程事故，不仅影响了矿山的正常生产，也将使矿山蒙受巨大的经济 损失。 目前我国大部分矿山己进入深凹开采阶段，露天矿山的大型化对排土场容积 需求也越来越大。为提高矿山经济效益，减小排土场征地面积，目前许多矿山都 设法最大限度的利用排土场已有占地，增加堆高，建设超高台阶排土场 4 6 4 8 】， 排土场堆高和稳定性密切相关，若一味增加堆高，势必给矿山带来巨大的安全隐 患。因此，如何合理的确定排土场极限堆载高度已成为目前许多矿山面临的科研 难题。 1 3 2 排土场稳定性研究概况 国外的发达矿业大国都非常重视矿山生产效益。作为露天矿生产的主要环 节，排土作业已由铁路运输，汽车运输发展到大型高效的胶带运输排土，排土场 堆高也随之增大，其稳定性问题也随之而来。 欧洲和美洲国家对土场研究主要以美化环境和保护国土资源为主【4 9 删。英国 于八十年代进行了排土场复垦与风景规划，并按照英国政府批准的总体开发程 序 及 o ) s i g n ( y ) = 一l( y o ) 1 0 ( 少= o ) ( 5 ) 计算循环 三维快速拉格朗日法的计算循环如图2 3 所示。 ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 图2 3 计算循环 可以看出，无论是动态问题，还是静态问题，三维快速拉格朗同法均由运动 方程用显式方法进行求解，这使得它很容易模拟动态问题，如振动、失稳、大变 中南大学硕士学位论文 第二章边坡稳定性分析方法 形等。对显式法来说非线性本构关系与线性本构关系并无算法上的差别，对于已 知的应变增量，可很方便地求出应力增量，并得到不平衡力，就同实际中的物理 过程一样，可以跟踪系统的演化过程。此外，显式法不形成刚度矩阵，每一步计 算所需计算机内存很小，使用较少的计算机内存就可以模拟大量的单元，特别适 于在微机上操作。在求解大变形过程中，因每一时步变形很小，可采用小变形本 构关系，只需将各时步的变形叠加，即得n t 大变形。这就避免了通常大变形问 题中推导大变形本构关系及其应用中所遇到的麻烦，也使它的求解过程与小变形 问题一样。 ( 6 ) 计算步骤 利用f l a c 3 d 软件进行岩土工程数值分析的步骤一般为以下七步： 定义模型分析的目标； 产生一个物理系统的概念图； 构造和运行简单的理想化模型； 收集指定问题的数据； 准备一系列详细的模型运行； 执行模拟计算； 当前结果的解释。 具体的流程图如图2 4 所示。 1 4 中南大学硕士学位论文 第二章边坡稳定性分析方法 图2 - 4f l a c l 3 d 软件计算的流程图 2 2 3 边坡稳定性判断依据 对于确定边坡安全稳定性的标准，可以通过多个参量来描述，如安全系数k 、 监测点位移、塑性区分布情况等。在这些参量中安全系数是目前最广泛应用的标 准，它可以定量地反映边坡的稳定性，因此本文主要选用安全系数作为分析参量， 同时考虑其它参量在模拟过程中的变化情况。目前定义安全系数的方法主要有以 下几种：极限平衡法，能量法，强度折减法等，在f l a c 3 d 中采用强度折减法来 定义安全系数 6 0 , 6 1 】。抗剪强度折减系数( s s r f ：s h e a rs t r e n g t hr e d u c t i o nf a c t o r ) 定义为：在外荷载保持不变的情况下，边坡内岩体所发挥的最大抗剪强度与外荷 载在边坡内所产生的实际剪应力之比。这里定义的抗剪强度折减系数，与极限平 衡分析中所定义的边坡稳定安全系数在本质上是一致的。其原理是折减系数k 的 初始值取得足够小，以保证开始时是一个近乎弹性的问题。然后不断增加k 的值， 这时抗剪强度指标c 、逐步减小，直到某一个折减抗剪强度下整个边坡发生失 稳，即计算不收敛，则前一个步长下计算得到的趸值为边坡整体安全系数。安全 中南大学硕士学位论文第二章边坡稳定性分析方法 系数足计算公式为： 1 c ，= 二c( 2 1 8 ) k 1 矿= a r c t 锄( 吉t a n ) ( 2 1 9 ) a 式中：c 、矽为折减前抗剪强度指标； c 、矽7 为折减后抗剪强度指标。 2 2 4f l a c 3 d 在边坡应用方面的优点 f l a c 3 d 数值模拟方法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的 本构关系。同时，因为采用数值分析方法可以不受边坡不规则的几何形状和材料 的不均匀性的限制，所以，这是比较理想的分析边坡应力、变形和稳定性态的手 段。 与传统的极限平衡法相比，f l a c 3 d 数值模拟方法主要存在以下几个优点： ( 1 ) 破坏面的形状或位置不需要事先假定。破坏“自然地刀发生在土的抗 剪强度不能抵抗剪应力的地带。 ( 2 ) 由于引入变形协调的本构关系，因此也不必引入假定条件。保持了严 密的理论体系。 ( 3 ) f l a c 3 d 数值模拟方法提供了应力、变形的全部信息。 2 3 本章小结 本章首先着重讲述了用传统极限平衡法计算边坡稳定性的方法，介绍了各种 理论计算方法的简化条件和安全系数计算原理，以及计算中应注意的问题，并对 各种计算方法问的计算细节的差异及计算精度进行了比较。针对不同的边坡地质 条件和简化要求处理，工程中应该选用适合的计算方法。 随着计算机技术的快速发展，使得各种数值模拟方法开始广泛应用于边坡稳 定性分析当中。本章主要介绍了f l a c 3 d 数值分析方法的基本原理和计算步骤， 同时还介绍了采用f l a c 3 d 数值分析方法求解边坡稳定性安全系数的基本原理， 并将f l a c 3 d 数值分析方法与极限平衡法在边坡应用方面的优缺点进行了比较。 1 6 中南大学硕士学位论文第三章排土场概况及岩土体物理力学性质研究 第三章排土场概况及岩土体物理力学性质研究 3 1 排土场工程地质条件 西部排土场位于天排山西侧山麓，地势总的变化是东南高西北低，地形最高 处标高4 3 3 m ，最低处标高9 0 m ，地形高差较大，场区山体较陡峻，前部靠近污 水坝地段地势稍缓。 地貌形态以构造剥蚀为主，山形陡峻，沿东南向西北有五条沟谷，沟谷纵坡 靠近山脊处较陡，前部较为平缓，沟谷上游呈“v 一字型，下游呈“u 一字型， 沟谷中沉积有粘土和亚粘土及排土场流失下来的松散堆积物( 见图3 1 ) 。 场区山坡上灌木杂草丛生，地表几乎全部为植被所覆盖，仅局部见有中、强 风化基岩裸露。 排土场地基岩层主要为混合岩，其次为石英斑岩、变质粉砂岩、铁帽、褐铁 矿化变质砂岩、硅化干枚岩、糜棱花岗岩、蚀变混合岩化片麻岩、石榴黑云母斜 长混合片麻岩。混合岩岩石灰白色、褐灰色、灰绿色，其主要岩石为混合岩化的 黑云母斜长片麻岩，斑状结构，裂隙较发育，裂隙面有铁质薄膜，上部表层属强 中风化层，厚度0 6 0 1 2 9 m ，岩性松软，似土状，用镐可掘进，下部原岩灰绿 色，完整坚硬，须爆破方可掘进。 排土场区第四系表土分布较多，有植物层、第四系淤泥质亚粘土( q d e + a 1 ) 、 第四系坡积亚粘土( q d e ) 、第四系冲积亚粘土( q a l ) 、第四系残积亚粘土( q e l ) 。 植物层，黑、褐腐植土，松散多孔隙，植物根系发达，厚0 1 - 0 4 m ：第四系淤 泥质亚粘土分布于下游地形平缓的稻田中，灰黑色，含有较多的腐植质及少量碎 石和砂，有臭味，很湿，可塑，厚1 0 - - 2 o m ；第四系坡积亚粘土，黄褐红褐 色，含碎石约3 0 ，湿、硬塑状态，厚0 7 - 2 3 m ；第四系冲积亚粘土，黄褐 红褐色，稍湿，硬塑状态，厚1 3 1 4 5 0 m ，含碎石约2 0 ，并有淤泥质物：第 四系残积亚粘土，褐黄色，红褐色，紫红色，由花岗岩质脉体风化而成，含岩块 约2 0 0 0 ，稍湿，硬塑坚硬状态，厚0 4 0 - 5 o o m 排土场位于天排山倒转背斜的西翼倒转翼，倒转岩层及片理产状特征总的是 倾向东南，倾角陡达4 4 。 - - - 6 0 。矿区f l 、f 2 断层未穿过排土场，区内无大的 断层和断裂构造。 t 7 中南大学硕士学位论文第三章捧土场概况及岩土体物理力学性质研究 3 2 排土场水文地质条件 图3 - 1 原始地形示意图 排土场地处亚热带北缘，气候温暖湿润，3 8 月为雨季，降雨量约占全年 降雨量的7 4 ，9 月至来年2 月为旱季。 排土场区无常年地表水流，场区地表水体为排土场下游的污水库，排土场推 进至此时，污水会进入排土场坡脚。排土场区最低标高约9 0 m ，桐木江标高为 5 0 m ，矿区附近约6 0 m ，排土场不受桐木江影响。 排土场含水岩层为风化裂隙含水层和孔隙含水层。风化裂隙含水层按其风化 程度分为强、中、弱三带，平均厚5 6 m ，上部强风化带渗透系数7 1 1 0 4 c m $ ； 中风化和弱风化带水位埋深一般为2 0 - - 一3 0 m ，最深达1 1 0m ，渗透系数分别为1 9 x1 0 4 c r l f f s 、5 2 x1 0 击c 州s 。孔隙含水层水位埋深0 2 , - - , 2 8m ，补给来源为大气降 水，渗透系数2 3 3x1 0 一c m s 。 排土场区地下水以风化裂隙水为主，孔隙水次之。各含水层呈过渡接触，之 间无隔水层，存在统一的水力联系和补给、排泄条件。地下水动态受年降雨量控 制，最高水位出现在雨季，最低水位出现在旱季，且变化幅度较大，补给来源为 大气降雨。 排土场区水文地质条件属简单类型。 3 3 排土场物理力学性质试验研究 3 3 1 地基土的物理力学性质试验【6 2 】 ( 1 ) 地基土的物理性质试验 排土场区普遍覆盖一层厚度不大的第四系表土，其力学强度较低，是排土场 稳定性研究必须考虑的因素。本次研究在排土场下游采集了2 0 个地基土土样， 进行室内物理力学性质试验。地基土的物理性质试验包括测定土的容重、比重、 天然含水量、液限、塑限等，根据上述基本物理量可以计算出地基土的干容重、 孔隙比、饱和度、液性指数和塑性指数等。 本次试验地基土的物理性质指标见表3 1 。 堕奎兰堡主兰垡堡奎第三章排土场概况及岩土体物理力学性质研究 查! ：! 些叁圭盟堑墨丝丛垡坠丝墨 含 土样 水m - 湿容重干容重乃 编号 嚣 ( g 伽3 ) ( g c , 7 7 l - 3 ) 十 最 毒 l l 儿 雷 口 i u 液 限 睨 塑 限 形p w - i - 11 9 8 1 6 81 4 0 5 70 9 52 7 33 4 32 2 4o 2 2 1 1 9 w - 2 12 4 9 1 8 81 5 1 8 10 8 52 7 92 9 01 7 00 6 6 1 2 0 w - 3 12 7 41 8 1 1 4 28 20 9 12 7 13 9 02 5 1 0 1 61 3 9 ( 2 ) 地基土的力学性质试验 地基土的力学性质试验包括压缩、直剪和三轴剪切试验，测定地基土的压缩 系数、压缩模量和抗剪强度等力学指标。 本次试验地基土的力学性质指标见表3 2 。 一一 奎j ：圣些墨圭竺垄芏：丝堕垡竺竺墨 垫垫望窒 一 压缩 渗诱 老一三轴固快 磁蝴案曩簇茎系数 鬟面沥翻面厂型l 堡一 号气k p “a 虬o | 昌。墨f 鲁。饥o | m a 时f j m e p a k 一2 0 ， w - i - 29 62 0 72 4 1 3 1 2 w - 1 - 3 w - i - 4 2 6 2 2 2 70 4 63 9 0 6 8 7 x1 0 5 w - 2 - 21 0 61 6 11 2 82 8 5 w - 2 - 3 2 3 7 1 0 4 w - 2 - 4 3 0 4 1 7 60 8 12 7 2 w - 3 - 2 6 41 7 11 0 1 2 6 9 w - 3 3 3 9 3 2 0 5o 6 52 7 8 w 二3 _ 4 8 9 5 1 0 - 5 综合本次室内三轴和剪切试验结果及前人在西部排土场所做的地基土力学 性质试验成果，稳定性计算中地基土力学指标列于表3 - 3 。 1 9 塑性指数0 液性指数t 饱和度0 中南大学硕士学位论文 第三章排土场概况及岩土体物理力学性质研究 表3 - 3 地基土力学指标 ( 3 ) 有效应力与总应力 土坡稳定分析有两种力法：总应力分析法和有效应力分析法。总应力分析法 建立在不排水抗剪强度的基础上，通常用于施工过程或施工结束后短期稳定性计 算。有效应力分析法建立在排水抗剪强度的基础上，用于长期稳定性计算。 如果对一种饱和土加载且不排水，内磨擦角可假设为零，属于总应力分析法 的一种特殊情况。对于采用不排水抗剪强度的任何破坏面，孔隙水压力都应当取 零，这并不意味着孔隙水压力真的等于零，而是为了和不排水强度与破坏时的有 效应力无关这个假定一致。 总应力分析法和有效应力分析法的主要区别在于：前者不需要有关孔隙水压 力的知识，而后者需要。原则上，短期稳定性也可以按有效应力分析，长期稳定 性也可以按总应力分析，但是，这需要附加一些试验，因而不提倡。 对于饱和细粒土填筑的土坡或饱和地基上的填土土坡，用总应力法分析的短 期稳定性是比较危险的情况，原因是：加载引起孔隙压力的增大，而后，随着时 间的推移，孔隙水压力减小或者说有效应力增大。对于饱和土的开挖边坡来说， 用有效应力法分析长期稳定性是比较危险的情况，原因是：卸载引起孑l 隙压力减 小，而后，随着时间推移，孔隙水压力增大或者说有效应力减小。在某些情况下， 破坏面可能部分通过排水良好的土体，那里强度以有效应力表示较为合适；而另 一部分通过粘土，那里则用不排水强度。 3 。3 2 散体物料的物理力学性质研究【吲 ( 1 ) 散体物料的块度分布规律 排土场岩石块度分布规律是排土场稳定性研究的一项基础工作，它不仅为排 土场散体岩石直剪、三轴剪、压缩及渗透等物理力学试验提供粒度组成及参数， 而且可依据块度分布规律分析排土场岩石块度参数的变化，为研究排土场破坏模 式提供依据。为了研究西部排土场的稳定性，首先就排土场边坡散体物料的总体 组成及其分布规律进行分析研究。 幻排土场岩石粒度组成的测定 根据排土场散体物料的排放特点，可以认为：岩土物料的排放属于随机过程， 各类岩土的排放位置仅取决于剥岩工程与排土工艺及生产调度，均没有指定的不 变位置；由统计观点，可认为岩土的分布规律在排土场表面和内部是一致的，即 排土场坡面外层的岩土物料具有充分的代表性。鉴于以上两点，可以认为随着时 中南大学硕士学位论文第三章排土场概况及岩土体物理力学性质研究 间的推移，沿排土场全长，岩土物料的分布不尽相同，但在一定时期内，岩土物 料的总体分布却是一致的。 本次研究在西部排土场取2 个代表性剖面，为了便于统计，保持样品的随机 性，各剖面取样点从排土场坡顶到坡底顺序编号，等距分布，均为l o 个取样点， 采取了1 5 吨散体物料，在室内进行排土场岩石块度分布规律的分析。 目前常用的测定岩石粒度组成的方法有：筛分法、直接量测法、摄影法【6 3 1 。 筛分法和直接量测法最可靠，但工作量大。摄影法是较先进的测定方法，工作量 小。但对于细颗粒岩土含量较多时难以处理，且摄影轴难以垂直摄影平面。 本次研究选择精度高的筛分法，结合摄影法和直接量测法，来测定岩石的粒 度组成，对于较细的物料以筛分法为主，对于较粗的物料以摄影法为主，对于特 大块度则以手工测尺直接量测为主。 筛分法的筛网尺寸选择2 x 2 、5 5 、l o x l 0 、2 0 x 2 0 、4 0 4 0 、6 0 x 6 0 、 8 0 x8 0 、2 0 0 2 0 0 r a m 几种进行筛分，称重统计；摄影法采用倾斜摄影法，经过 返真、放大、复原后，进行图象分析与判读。 2 个剖面数据整理见表3 _ 4 、表3 5 ，筛分曲线见图3 2 、图3 3 。 表3 41 号剖面粒径百分含量 2 l 中南人学颁l ：学位论文第三章排十场概况及岩t 体物理力学性质研究 表3 - 52 号剖面粒径百分含量 图3 - 21 号剖面各取样点筛分曲线图 巾南人学颂j ：学位论文 第二三嚣排卜场慨况及岩t 体物理力学性质研究 b ) 排七场岩石粒度组成分析 由以上图表可知，除了在排放中的随机因素外，各块度级别沿边坡高度分布 存在着明显的规律性，由上而下，块度逐渐增大，总的趋向是小块集中在e 部， 大块在下部，中间部分各种块度参差不齐，但以中等块度居多。 山此可见，排土场岩石粒度组成是山排土场特定的生产过程决定的，诸如岩 石在j f ：挖i j 的原生节理的切割，生产爆破的破碎，装载运输过程中的破碎，排上 设备对排土场岩石的碾压，以及岩石经坡面运动后大小块度的自然分级等。 排土场_ j ：、下各部位岩石的粒度分柑是排上作业时岩石沿排土场坡面运动的 结果。排 ：作业时，排弃岩石的初始速度相同，i 丁：岩石块度大小不f r 刁，j 初始 能量不同，块度人的，初始能量大。在岩石初始速度、岩块的大小、形状、坡面 阻力等凶素的影响下，某一粒径岩石停留在排七场坡面某个部位是随机的，小块 岩行初始能节小。山f 岩块颗粒之n i j 的摩擦j 就能阻碍j 运动，【嗣而停尉存排土 场l ：部的概率就火；大块彳石山二j ：起始能量人，起动后雉以停止，洲而大瑚j 分停 留在排七场坡底。所以，岩石的粒度从坡顶到坡底逐渐增大的。这与粒径沿坡i f i f 分析i 足棚符合的。 中陌人学坝i ：学位论上第三誓排t 场慨况及柑卜体物罡 ! j 学性质研究 图3 _ 4