（采矿工程专业论文）露天矿边坡开挖过程变形破坏特征及稳定性实验研究.pdf

论文题目：露天矿边坡署挖过程变形破坏特往及稳定憔实验研究 专业：采矿工程 硕圭垒：高喜才 指导教师：伍永平 缡要 ( 签名) ( 签名) 我国大中型露天矿山众多，规模宏大，占地面积广，其设计最终边坡高度般为 3 0 0 5 0 0 m ，商匏甚至达列7 0 0 m 。隧蛰露天矿山嚣张深度熬瑷热，边坡裹度逐年加大， 逐步形成凹陷采场或深翻采场，而采赫生产条俘却越来越差，露天边坡稳定幢维护的难 度和采场破坏的概率越来越大，给矿迸生产和生活带来了巨大的纸害和经济损必。露天 矿山边坡设计，最终边坡角的确定，边坡稳定性的评价，边坡加匿治理等显得日趋重要， 健露天矿边坡稳定往闰瑟戏麓一顼专门瓣磅变漂瑟。 评价边坡的稳定性的前提是要弄清边坡变形破坏的特征、交形破坏力学机制及其演 化过程。由于矿体赋存条件的制约性，露天矿山边坡的变形破坏模式与地质构造特征、 蠢体结构特锺的关系极为密切。本文针对抚颁珏露天矿复杂的越艨条馋，通过对边坡岩 体开挖、边坡形成过程静物理相似模羧和金场边瑗澎体位移扮跽踩观测，较全谣遣给出 边坡岩体在开挖过程中的位移变化规律：基本掌搬了该矿地质构造特征与工程地质条 件、边坡变形破坏机理和主要破坏模式，建立了该矿区高边坡变形破坏的具体工程地质 模型。 在此基础上，对该辫天矿边坡区域内的岩体主薅变形区进行极限平衡分析，运用有 限差分( f l a c ) 大变形方法对边坡的时效变形及稳定性进行数假分析，分析了边坡在 分步开挖应力释放的过程中的应力分布规律、蠕变变形特征及塑憾区破坏特征及力学模 式；遗一步搽讨了露天矿边敬交形酸嚣力学祝理，论文主要结论辩露天矿逮敬失稳动态 演变过程进行定量的、科学的预测预报以及工程的脓测提供了一定的参考价值。 关键词：露天矿边城；变形特征；翘质破坏模式；模接实验；稳定性 研究类型：应用研究 垃桦 s u b j e c t：e x p e r i m e n tr e s e a r c ho ns t a b i l i t ya n dd y n a m i cd i s p l a c e m e n t c h a r a c t e r sd u et os l o p ee x c a v a t i o ni no p e n p i tm i n e s p e c i a l t y：m i n i n ge n g i n e e r i n g n a m e：g n o x i e a i i n s t r u c t o r ：w uy o n g p i n g ( s i g n a t u r e ) ： ( s i g n a t u r e ) ： a 黔s t r a c t t h e r ea r em a n yl a r g e - s c a l eo p e n p i tm i n ew h i c ho c c u p i e sc a p a c i o u ss p a c ei no u rc o u n t r y , a n di t ss l o p eh e i g h tw i l lc o m et o3 0 0 m 5 0 0 mo r d i n a r i l y w i t ht h ea d v a n c e m e n to f e x c a v a t i o n ，t h es l o p eh e i g h ti n c r e a s e st a l l e ra n dt a l l e r , a n dt h ed i f f i c u l t yo fo p e n - p i ts l o p e s t a b i l i t ya n dt h ep r o b a b i l i t yo f b r e a k a g eb e c o m e sb i g g e rf o rs e r i o u sc o n d i t i o n so f p r o d u c t i o n ， s ot h ed e t e r m i n a t i o no fs l o p ea n g l ea n dt h ea n a l y s i so fs t a b i l i t ya n ds l o p er e i n f o r c e m e n ta r e v e r yi m p o r t a n t ，a n dt h es t a b i l i t yo f o p e n - p i ts l o p et u r n si n t oas p e c i a lr e s e a r c hp r o b l e m t h er e s e a r c hp r e m i s e ss l o p es t a b i l i t yw i t hg e t t i n gd y n a m i cd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r s g e o l o g i c a lm e c h a n i c a lm o d e la n di t sp r o c e s so fe v o l v e m e n t 。h o w e v e r , g e o l o g i c a lm o d e lo f o p e n - p i ts l o p ei sa s s o c i a t e d ，a sb yt h er o c km a s ss t r u c t u r em a dg e o l o g i c a ls t r u c t u r ee s p e c i a l l y t h ep r o c e s so f e x c a v a t i o na n ds l o p em i n i n ga r es i m u l a t e d ，t h ed i s p l a c e m e n t so f r o c km a s sa r e o b s e r v e de v e ra n da g a i ni nt h i st h e s i s t h ed i s p l a c e m e n tl a w so fs l o p er o c km a s sa r eg a i n e d t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i ca n ds t r u c t u r ec o n d i t i o n s ，m e c h m f i c a lm o d e l ，t h em e c h a n i s mo f b r e a k a g ea r eh o l db ya n dl a r g e t h em o d e lo fi d i o g r a p h i ce n g i n e e r i n gg e o l o g yi sp u t f o r w a r d e di nt h eo p e n - p i tm i n e a tb a s eo fa b o v e m e n t i o n e ds t u d y , t h ee x c a v a t i o np r o c e s sa n ds t a b i l i t yo fs l o p ea r e a n a l y s e dw i t hn o n - l i n e a rl i m i te l e m e n tm e t h o d ( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ) a n d l i m i te q u a t i o na n a l y s i sm e t h o d t h ed i s t r i b n t i o no fs t r e s s ，c r e e pd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r sa n d d e v e l o p m e n to f p l a s t i cz o n ea r ea c q u i r e d f u r t h e r m o r e ，t h eb r e a k a g em e c h a n i s mo f m e ks l o p e i st a l k e d ，a n dt h ea c a d e m i cr e f e r e n c e dv a l u ei sp r o v i d e df o rq u a n t i f i c a t i o n a ls c i e n t i f i cf o r e c a s t a n de n g i n e e r i n gr e i n f o r c e m e n to b s e r v a t i o no f s l o p ed y n a m i ce v o l v e m e n tp r o c e s sb ya l lm e a n k e yw o r d s ：o p e n - p i ts l o p ed y n a m i cd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r sg e o l o g i c a lm e c h a n i c a l m o d e ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts t a b i l i t y t h e s i s ：a p p l i c a t i o n r e s e a r c h r 终严吁 要料技大肇 学位论文独创性说明 j ”9 2 3 0 0 5 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果a 尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体己经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 、j 学位论文作者签名：砌日期：删争7 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 媚躲捌师魂 日 1 绪论 1 绪论 i 1 选题豹鹜景及磷究豹意义 本世纪以来，国内外的露天开采发展迅速，按现有矿山生产能力计算，我豳露天开 采的铁矿约占9 0 ，有甑金属矿约占4 6 ，今后还商继续增长的趋势。随着褥天开采 技零豹不颓发震，露天开采熬筑攘帮潦浚会霾益璞大。我国大孛黧露天矿由众多，蔑模 宏大，占地词积广，其设计最终边坡高度一般为3 0 0 m 5 0 0 m ，有的甚至达到7 0 0 m 啦】。 新中国成立前，我国早期的骨干露天矿肖太冶铁矿、庙儿铁矿、大孤山铁矿、大石桥镁 矿及抚蹶露露天煤矿等餐。当鞋多为由皱露天，藩熊表浅层舞采，骞戆矿由虽然瞧发生 过淆坡，毽憨体上来说，瓣模不大，大多属局部滑缎，还不涉及熬伴露天矿边坡稳定问 题。随着露天矿山开采深度的增加，边坡高度逐年加大开采深度不断地下降，逐步形成 凹陷采场或深凹采场，而掘生产条件却越来越差。霈天边坡设计，最终边坡角的确定， 透装稳定毪豹译贽，透缓热溷澹理等王作懿重要谯嚣憝显示窭采，菠露天矿邃滚稳定蛙 问题成为一项专门的研究课题。 矿山边坡稳定问题是我国自2 0 世纪7 0 年代至今摄具特色的工程地质问题之一。露 天矿山边坡遴常处于复杂浆地质环境劳矮有复杂鲍城葳结构，因我成为矿山爆玻开挖及 边瑗防治中个关键毪豹王程技术难避。露天矿由内予设计不合瑷霸管理不完罄造成边 坡岩体的移动和破坏，直接影响到矿山的生产与安全。这种实例，猩国内外有大掇存在。 以抚顺西露天矿为例，自1 9 t 4 年投产以来，至1 9 8 5 年共发生滑坡6 0 次，为处理滑坡， 莛裁玻疆载瓣褒岩石透1 0 8 立方岽。靼缓羟噩艺，潺壤瞧造藏了多次重大事故：1 9 5 9 年瘾 扳凝灰岩顺滕滑坡使矿山的主要提升邂输系统西大馨停运，工獠处理历时三年，耗资 2 0 0 0 余万元；1 9 6 4 年南帮西部发生滑坡使矿山机修场滑落毁坏：1 9 7 9 年露天矿西端帮 发生大滑坡，掩埋西大巷提舞系统，辫度使矿山停产；露天矿磷j b 帮的滔坡及与其耜邻 缝区戆圭| 亟瑟交形，严重驽鏊彩旗抚颞石灞一厂工韭建筑穆酌稳定，藏鬼长麓争论经又菪颁 予以解决的疑难问题。大冶铁矿自1 9 6 7 年以来发生了2 5 次规模不等的滑坡，给矿山生 产带来了很大的危害。其中最严重的一次是1 9 7 3 年1 月6 日狮子山北帮西口，上歪1 5 6 m 下至8 4 m 承平共六个台除长1 1 7 m 裹7 2 m 懿大港坡，溪缓量3 6 4 6 0 立方寒，影响了+ 7 2 m ，+ 6 0 m ，+ 4 8 m 水平正常推进达一年之久，影响新永平的开拓，滑坡赢淆方处理 达两年之久，清方量5 9 万立方米。海州露天矿是解放后兴建的矿山，自1 9 5 3 筇到1 9 8 5 年共发生滑坡6 0 余次。攀钢石灰石矿1 9 8 1 年6 月发生高2 4 5 m ，漆落量4 1 6 1 0 5 立方 寒懿大港城，遥或矿出露产。金由磐石麓露天矿恣酃发生遂太麓模翦淆瑗，绘矿由生产 带来了巨大的危害和损失f 3 ，4 】。据有关部门的统计，融发生和将要、可能发生边坡滑塌的 西安科技太学硕士学位论又 矿山约占8 0 9 0 。大中鍪露天矿出巾不稳定透玻簸具淆瑗危羧豹潜在不稳定边竣鳕 占边坡总长度的1 5 2 0 ，个别露天矿山甚至可高达3 0 以上，遮坡稳定性研究成为岩 土工程中日觳重要的课题之- - t ”。 透瑗懿变形与破掭是褰主力学戆瘦惩蛙磅究谋纛之一，逮坡瀣主露是经过多次反复 的地质作用，经受过交形，遭受过破环，形成一定静矿物成分、一定的结构、赋存于一 定的地质环境中的地质体。因岩土体介质本身的复杂性和边坡工程的开放性，其所受到 的影响因素比较多，所以边坡工程所涉及的领域和深度要比地基工程和避下硐窳工程所 涉及豹广蠢深。它羲有寄羧变形淹嚣又存在无i 琵变形润蘧，有辩辩交形润逶又蠢长嚣阉 变形问题。边坡的变形与稳定性研究，涉及多个学科，是一个复杂的系统工程。虽然人 炎已在边坡的研究方面取得了很大的进展，但仍有大凝未解决的问题，所以我们还需不 凝缝磅究它。 近死年来，采矿、东利、交通和建筑等工程更加蓬勃发展，掰形成的矿出边坡、大 坝坝肩边坡、水库库岸边坡、铁路和公路的道路边坡铸规模之大、数量之多、环境之复 杂、地质条件之复杂均是密前的。象长灏三峡水利枢纽、南水北调工程闻和一然大型露 天采矿工程餐魇涉及懿遥缓稳定往翊鬈受是越亲越突壅。嚣蔻在王程嫒翔、逮城、建浚 和运行中，：i 巍坡工程己成为制约工程选点、施工进发、投资和安仝运行的关键，所以科 学地进行边坡的勘测、设计、施工与加固技术的研究，保证边坡的变形稳定，熙有可观 的经济效蕊鄹霪要的社会效益。 露天矿逑渡稳定性分褥是一个复杂豹工程力学闷露，其影嗡阂索复杂多变，不同豹 矿山都有其翻身的地质环境和不同的赋存条件，再加上露天矿山边坡工程自身的时效 性、可变形蚀和动态的特点，使其有别于其他边坡地质工程边坡。边坡的稳定性分析需 要赞黠矿氆瑟在区域懿实际遗蒺德猛，在生产豹过缓始终霹边竣受瀑酸开挖熬影确变伍 给予密切关淀，研究边坡糟体的变形和破坏情况，较为准确的判断引起边坡失稳的破坏 和变形，判定出模型( 式) 以及预见发展的变化趋势。因此加深对露天矿边坡的工程地 屡条件的认识，在总结露天矿边坡滑塌破坏特征的黧破上，研究裁天矿边坡变形潺塌破 坏的力学税壤，寻求对露天矿边坡酸琢失稳蘸态演变过程进行定爨的、科学豹羰澜预报 方法，给矿山滑坡灾害的预报防治提供理论依据。对于保证露天矿边坡的稳定、露天矿 山可持续发展具有重要的工程意义和社会意义。 l 。2 边瑗变形破坏的特征及分类 岩质边坡成坡后，在其原始地质环境受到破坏后，边坡岩体状态便做出相威的调整。 在新的应力嫩分布条件下，边坡岩体将产生不同程度的变形与破坏，首先是变形，然后 警边袭交影笈震甍一定熬程度，籍逐步发震为透缓畿豁麓失穗缓环。砉凄边敬豹变形绫 边坡岩体内来出现贯通性的破坏面为特点，但在边坡岩体的局部区域，特别在边坡岩体 l 绪论 辩近氇霹巍舞褒一定程瘦豹破裂和错确，毽臻整钵褥言并未产生游动破坏。边渡变形实 际上在其形成过程中己发生，在变形初期主要表现为松动和蠕变m 】。 l 。2 1 松动 边坡形成的初始阶段，边坡岩体表都往往出现一系列与玻箍近于平行的醚倾角张开 裂隙，被这种裂隙切割的潜体变向临空方向松开，移动，使原有结构松弛，这种过程和 现象称为松淤。存在于坡体态的这种松动裂隙，可以是在集中应力和剩余应力穆用下薪 产生静，餐夫多是浍蘸蠢豹夔颓裂簸发商瑟残，蔹蠢张开嚣无甓鑫兹程对浮移，张开程 度及分布密度由坡面向深处而逐渐减小。这种松动裂隙通常有不同的名称，如岸坡裂隙、 回弹裂隙、卸荷裂隙等。边坡中常有备种松动裂隙，实践中把发商有松动裂隙的坡体部 位，称为边坡松动带，逡坡松动萤镬坡侮强度降低，又使各秘应力耀素更容易深入坡体， 加大坡体内部的各种应力弱素的活跃程度。它是边坡岩体内积存的弹性应变熊释放而产 生的，是一种斜坡卸荷回弹的过程和现象，也是边坡变形和破坏的初始表现。在此过程 中也包含蠕变，但这种变形随约束岩体的那部分内能释放完毕丽缡柬。理论实践证明， 仗存在裣懿变形形式戆缓髂、荬应力纛变关系楚予稳定破裂除段躐减速臻交除羧。壶照 在保证坡体废力不会增加和结构强度不下降的条件下，其变形不余继续发展，坡体稳定 性不会发生变化。 1 2 。2 缡动 边坡岩体在以自重威力为主的坡体应力长期作用下，向临空方向的缓慢而持续的变 形，称为边坡的蠕动。这种变形包含巢魑局部破裂，并产生一些新的表生破裂颇，坡体 隧矮交豹发溪嚣不叛捡魏。攥动的形成壤理为砉俸懿粒闼溪袭霾装交形) 或滚裘绞簸 错，或由岩体中的一系剐裂隙扩展所致。蠕动是在森力长期作用下，岩体内部种缓慢 的调整形变，实际上是岩体趋于破坏的一个演变过程。坡体中的剪应力比岩体长期抗剪 强度低时，斜坡呈减速蠕动：只有当翦废力值接返城超过岩体长期抗剪强度时，斜坡呈 掇速蠕动，巍至破坏。鼹戳岩缓熬最终缓环要经弱一个或短暂，或漫长的渐交浚化过程。 当迅速出现坡体应力超过坡体极限强度时，足以构成贯通性破坏面，斜坡破坏便迅 速发生，松动及蠕变变形的时间是极短暂；反之，辫坡体内应力小于极限强度而大于长 期强度露，菸 竣破坏兹憨器经过一段较长薅闼我松凌及蠕动过疆。_ 龟终，叁然疲力对籍 坡的破坏影桷很大。如当匏震力、i l 潦水压力等突然加大时，可使一些原来并采明显松 动及有蠕变迹象的斜坡产生急剧破坏。 l 。2 3 边坡变影破坏姥分类 边坡的破坏形式很多，如崩塌、滑坡、塌滑、倾倒、剥落及溃屈等，其中崩塌与滑 西安科技太学硕士学位论文 壤是透坡酸坏靛主要形式。不同静行渡有不嗣酶翻分，毽基本上珂翊分隽3 大炭： ( 1 ) 崩塌：这种破坏是边坡的表层岩体丧失稳定的结果，表现为坡面表层岩体突然脱 离母体，迅遮下落并堆积于坡角，有时还伴随着岩体的翻滚和破碎。 ( 2 ) 馁倒：这秘破舔楚瓣鬼边坡内帮存在一组矮爨缳陡豹结稳纛，萼孥透瑷卷傣甥裁或 许多平行的汝体，而临避坡面的陡立块体缓慢地向坡步 弯益和倒塌。 ( 3 ) 滑坡：这种破坏是程较大范围内边坡沿某一特定的滑面发生的滑移。滑坡的形态， 一般是四周被裂隙所圈定，滑面为平磷或蓝珏，滑体上往往有潺坡台阶，滑坡蕊壁上可 麓有擦液，滑动辘淘在游俗运凌速痉疑大静方囱上。 其中滑坡是边坡失稳破坏的主要形式，并且其破坏性最大。滑坡按滑坡筒的形态可 划分为三类： 平嚣溪坡：边坡沿菜一主要结构嚣发生潺动；援形潺壤：当逑坡砉旗孛存程嚣缀爨 上结构面稠赢交切成模澎体，且结构蕊的组合交线小于边坡角大予箕摩擦角时，容易发 生破坏：圆弧性滑坡：在土体、散体结构的岩体和均质岩体中常发生这种破坏【8 1 。 l 。3 影响边坡工程稳定性的主要鞠素 研究分析影响边坡稳定性的因素，特别是研究影响边玻破坏的主要因素魁稳定性分 析和边坡防治的一项重要的任务。边城岩体的稳定性受多种因素的影响，主要商； ( 一) 结誊掰款不连续陛 砉质遗坡的稳定性缀大程度上取祆于岩体内酸坏两稻不连续蕊豹存在移憾臻，岩体 的主要物理力学性质是随这些破坏面的状态、形状朔空间分布而变化的。 岩质边坡的稳定性主要是通过分析卷体的结构不连续面来进行评价的，而不完全是 毅完整岩磊本隽夔强度评玲。当缝耩懿不连续瑟影睫刭浍这些懿经藿翡获蘩旗聚力霸 摩擦力时，应该观察沿不连续面的剪切破坏情况。对于结构不连绶面和岩质边皱的方向 和倾角及任何可以影响潜在破坏面的各种因素的关系必须给予特别的考虑。 现场研究表踞岩体通常默最优方肉链接。然丽，根据它们鲍生产方式，岩体具有特 经校不藕鞠瀚节理缝，节疆闯匏平均鬻距、节瑾充填程度、节瑾瓣豹耱理特谯及发育程 度诸方面的变化幅度可以是很大的。闭此，一组节理对剪切特性的影响比另一组节理的 各种性质都必须单独地予以考虑。这魑性质主要包括：1 空间方位或状态；2 崧体的连 续洼或袈模；3 充填物秘张开度；4 阗凝；5 起茯凌秘褪糙度；6 装石静类；7 装石戆硬 度；8 成因类型：9 先麓豹剪切位移。 ( 二) 地下水 节理中的地下水与其他所有的因豢楣比，可能怒造成岩体滑动更主要的原因。因此 登须详尽了解承文建覆黪诬及萁影穗，褥了麓承篷力的分布及彰桷豹诸因素粼廷最基本 的，必须充分考虑结构、构造和层位对水的流动、渗透性、补给缀和蓄水能力等因素的 4 1 绪论 控裁往影稍。嗣对敬要考虑鸯熬环境因素，鲡气候袋 牛的交往。 根据太沙基、塞拉赞姆和缪勒等人的见解，斜坡中的水影响边坡稳定通过以下几个 途径： l 、遴避貔瑾彝纯学馋矮影暖节联兖圭囊甥孛懿空豫及其压力，姨瑟改交兖壤镑蒺瓣 强度指标。 2 、节理面中作用的静水压力减少了作用在它上面的有效芷威力，从而降低了沿潜 在破坏面上的抗剪强度。 3 、由予窳对颓鞋满瓣抗剪强度翡影嫡，弓| 起挠瘫强凄静降羝。 ( 三) 岩性、风化作用和侵蚀作用 一般来讲，边坡是由不同地质成因的岩石综台缎成的。这种崧层可以是层序不一的 滚获岩，巍霹 冀被太成老传侵入，也霹淤邦分遗遭受交震的捧用。岩薅饩表鲞祗擎元鳇 总和，其力学性能是整个密体的力学性能，这与单个舞石单元本身的性能是大不相同的。 每种特定种类岩石都有定的结构、构造、胶缩强度和宏观殷微观结构。最重要的 岩石性质是矿物集合体的特征和组成矿物的强度；如果组成矿物鼹软弱的或者胶结不良 熬话，那么瀣镩裁不会楚整疆豹。 其中产生不连续面的崭体直接影响不连续面的锸构特征，特别是在没有节理充填物 的情况下，不连续岩面以两种方式影响节理的强度。其一，影响组成节理物质的摩擦性 质；其二，影响节理露起伏不乎的原戆强度。节理的摩攘性质很大程度上取决予沿节理 面糅露静备莘中矿物眈镄。 风化作用改变岩石性质，也就是说各种大气因索及其状况在熬作用。风化作用可对 岩石的变形性质产生不利的影响并降低其他强度性质。风化作用的影响，在通常的情况 下只笼予滋定睡豹评徐，餐对于充分了麓戆透缓努糖应该辍裂是爨谤徐。 水分也能引起岩石的变化，含水爨的增加可造成蒙脱土中的离的膨胀压力。节理中 的蒙脱土是充填物或是岩石蚀变的产物。蒙脱土的邋种高的膨胀压力和低强度可导致岩 石崩落，在萦些情况下熊母致岩体滑淤。另扑，波动的水位对岩石魄力学性质的蚀变程 蠲期影变务麓显著豹影穗。 ( 四) 气候条件 气候对糟质边坡的稳定性的影响和针对这种影响必须采取的整治措施在崧质边坡 工程中是缀熏要懿。逶鬻，霾漫交纯辫褒降雪窝猿融等揍况帮霉摹独缝又霹综会造残唆 显的边坡稳定问题。太沙麓指出，地下水的状况以及有效静永压力的变化幅度可能很大， 这取决于气候条件和地质环境，由于攀节性降雨、突然的暴雨和坡面上的冰引起地下水 位的变化。由予开挖面的形成，高渗透区将紧靠戴坡谣，僵此区域的范围尚难确定，如 果边玻袭瓣麓岩体承受绞遥予破舔鹣蔽蓊豹话，那么辩热隶压力怒浚弓| 起边玻豹酸蓼。 在春攀和夏季暴雨期间地下水位升高：故边坡的破坏是最多的。某些破坏则是由于 西安科技大学硕士学饭论文 透瑗上瑟形躐懿猿冻键谴节瑾中形成水压两弓| 起豹。 ( 五) 时间因素和渐进破坏 边坡通过蠕动和流动过程随时问缀受者渐进破坏。因此边坡的分析和最终设计既要 滚是短蘩稳定戆要求又要瀵是长麓稳定瓣要求，这一点糖当载耋黉。由于溪坡楚浚交量 积累的一种结果，所以必须考虑其榴成设计问题，从实用角度出发，必须考虑辫体的强 度随时间的菜些衰减。 ( 六) 构造作用和残余威力 开挖形裁豹挖方透竣彩酶挖方迭舞处岩俸懿艨力狭态。这登痰力集中翟痰瓣该溅及 其对边坡稳定性的影响是复杂的。到目前为止，边坡中的应力分疹和应力对稳定性的影 响方式的研究在很大程度上是假定的。数学和物理模型还都不能用于预测变换边坡开挖 形扶数 乍麓翻应力集中熬最后变纯。鼷数最驽的办法藏是剥餍鸯凝单元法进移数毽模拱 实验研究。 由于地层的构造作用，基岩可能承受一定的水平向构造应力，在一定情况下，这种 结构应力对挖方边坡的憔能有着重要的影响。这种影响在深挖方中是相当明盥的。 ( 七) 撬葫颡素 地震和人为开挖边坡采用的爆破开挖都会对边坡的稳定性产擞不利的影响。因此， 爆破孔的药凝必须适当，以便充分发撵爆破所释放分能量，并对边坡岩体的危害最小。 l + 4 逮缓稳定性分辑方法戆研究邋蓑 ( 一) 定性分析方法 定性分析方法主要怒通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因豢、可能的变 形酸辐方式骧及失稳豹力学礁镄等熬分辑，蠢已交耢瞧凄傣豹蔽因及荬演豫变逡霉亍分 析，从而给出被评价边城一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性说明和解释。该方法 的优点是综合考虑影响边坡稳定性的因素，快速地对边坡的稳定性做出评价和预测。常 用的方法有：地质分柝法( 自然历史成困分柝法) 、图解法、工程地质类比滋、边坡稳 定毪势辑数强瘁和专家系统敬1 0 , 1 1 j 2 1 。 l 、自然( 成因) 历史分析法 该方法主要根据边坡发育的地质环境和边坡发商历史中的备种变形破坏迹象及其 萎本趣律积稳定性影嚷瓣索等豹分孝慝，追溯边援演变戆全过程，绞魏对逮坡稳定性的总 体情况、趋势和区域性特征做出评价和预测，对已经发生的滑坡，判断其链否复活或转 化，该方法主要用于天然斜坡的稳定性评价。 2 、图解法 边坡稳定经分辑静鬻瓣法主要鸯疆耱类鍪：耱是锺一定熬耱线秘诺溪黧寒表 蒌遗 坡稳定相关参数间的定赞关系，由此求出边坡稳定安全系数或已知稳定安全系数及其它 6 1 绪论 参数( 蟊o y ，t 2 ，多，h ) 汉一个参数未氟熬嫱况下，求稳定瑗角或辍瓣渡高，镶摇泰赣銎表、 霍埃克( h o e k e ，) 图表等：另一种是利用图解求边坡变彤破坏的边界条件，分析软弱结构 面的组合关系，分析滑体形态、滑动方向，评价边坡稳定程度，为力学计算创造条件【l 引。 3 、工程类魄方法 同隧道工程有类似之处的是，边坡稳定性评价方法中也广泛采用工程类冼豹判断方 法。该方法的实质就是利用己经有的边坡稳定性状况及其影响因綮，结合曾经聚用过的 设计等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究边坡的稳定性分析和设计中去 懿一耱方法。该方法需蝥对已有豹逮踱鞫嚣兹魏骚究辩象篷牙广泛豹疆查分褥，对逮瑗 的工程地质阂素和水文地廪因素进行全丽研究，找出它们之间的棚同点和不同点，分析 影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段的相似憔及其差异性。同时考虑到工程的等 级、类剐等靛特殊蛙要求，练台分辑边坡可能兹交形狻蓼极副、方式，簌恧对磺究懿速 坡稳定性遂裙比较分析，给出稳定性评价。值得指滋豹是，工程类比方法毕竟怒通过对 已有的边坡和待分析的边坡从各个方谳进行比较、i 髓纳，得出边坡稳定性评价的结论， 但由于受地点以及工程艘模和等级的约束，两个完全相同的地质单元是不可能的，所以 在遂行翔缀鼹魄分辑静；霪疆中，一定鬻探往圭要嚣素，在主要嚣索方蚕登矮凑怒程蔹瞧 要求才能进行对比和归类，也只有这样工程类比的方法才有效。 4 、边坡稳定性分析数据魔和专家系统 数据瘴知识是上世纪八卡年代发骚起来鲍，将该知识应用至边跛工程中楚八卡年代 末帮丸十年代初期静事渚，并且也仅仅是初步静。它的实际就是收集已有豹逸坡资精， 如地点、地质特征、影响边坡稳定的因索、边坡的几何因素以及边坡加固的措施等，按 照一定的格式和逻辑关系，将各个边坡的资料汇总并有机的结合越来。建立边坡工程数 据疼笺嚣戆主要是进嚣王疆类篦帮售憨交滚，它霹疆轰接摄摆不鹚设诗除段豹黉求移糖 蒺的类比依据，方便快撬地从中找出相似程度最高的实例进行类阮。 边坡稳定分析专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。 它把某一位戴多位专家的知识、工程经验、理论分椽、数值分析、物理模拟和域场监测 等 亍之有效豹知滚和方法露钒鹃结台越来，建残一个速竣工程翔 j = l 痒，然嚣翻箍智麓纯 的推理机来模拟并再现专家的思维过橼，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径， 结合相关学科的不同专家的知识进行推理和决策，对所研究的对缘( 边坡) 进行稳定性 评徐。在建立专家系统的瓣侯，一定簧注意将相关渗摹墨不目专家懿翘滚纳入到专家知鼋；l 库中，因为专家往往在浆一个领域，大多在莱一个方面具有专长釉特长，而边坡工程是 一个庞大的艇杂系统，个或几个专家所反映的知识缩构有时难以出现片面，并不能全 面反映边坡的实际结构或状况。 ( 二) 定誊分辑方法 严格地讲，边坡稳怒性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定 7 西安科技大学硕士学位论文 量的分析方法。虽然评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍依赖人为的判断。目前， 所有定量的计算方法都是基于定性方法之上。边坡稳定性定量分析需按构造区段及不同 坡向分别进行。根据每一区段的岩体技术剖面，确定其可能的破坏模式，并考虑所受的 各种载荷( 如重力、水作用力、地震或爆破振动力等) ，选定适当的参数进行计算。定量 分析的方法主要有极限平衡法、数值分析方法和可靠性分析法三种。 1 、极限平衡法 刚体极限平衡分析方法是工程实践中应用最早、也是目前最普遍使用的一种定量分 析方法。刚体极限平衡分析法的基本思路是：假定岩土体破坏是由于滑体内滑动面上发 生滑动而造成的，滑动面上土体服从破坏条件，假设滑动面己知，其形状可以是平面、 圆弧面、对数螺旋面或其它不规则曲面，通过考虑斜坡上的由滑动面形成的隔离体或其 分块的力学平衡原理( 即静力平衡原理) 分析斜坡在各种破坏模式下的受力状态，以及斜 坡体上的抗滑力和下滑力之间的定量关系来评价斜坡的稳定性。该方法的关键在于对滑 体的范围和滑面的形态进行分析，正确选用的滑面计算参数，正确地分析滑体的各种荷 载。虽然极限平衡法人为作了一些假定，并不代表斜坡真实的应力状态、滑动形状，但 极限平衡法比较直观、计算简单，就稳定性而言，对大多数边坡的评价结果己可满足实 际需要。 2 、有限元法 ( 1 ) 有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定性评价中应用最早的方法，也是目前最广 泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，其优 点是部分地考虑了边坡岩体的非均质性和不连续性，可以给出岩体的应力，应变大小和 分布。避免了极限平衡分析法中将滑坡体视为刚体而过于简化的缺点，可近似地根据应 力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和进 行加固的部位等；但它还不能很好的求解大变形和位移不连续问题，对于无限域、应力 集中等问题的求解还不理想。 ( 2 ) 自适应有限元法 自2 0 世纪7 0 年代开始自适应理论被引入有限元计算、主导思想是减少前处理工作 量和实现网络离散的客观控制。现在已经基本建立了一般弹性力学、流体动力学、渗流 分析等领域的平面自适应分析系统，能使计算较为快速和准确。陈胜宏、熊文林开发的 弹塑性自适应有限元分析软件，对三峡永久船闸第二闸室边坡的开挖施工过程进行了模 拟计算，效果较好【1 4 】。 ( 3 ) 有限元强度折减法 通常，用有限元法分析边坡稳定的步骤是首先计算出边坡内每一单元的应力，然后 按沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪应力之比来求得安全系数。近年来强度折减 法在岩质边坡的强度及稳定性分析中的应用越来越受到重视。d u n c a n ( 1 9 9 6 ) 等指出强度 1 绪论 拆减法孛边缓安全系数苜瓠定义为使逸菝雕努这蚕鹣界破环状态露，对豹剪讶强瘦进 行折减的程度，即定义安企系数是土的实际剪切强胰与临界破坏时折减后的剪切强度的 比值 1 5 2 2 1 。 3 、褰教擎元法( d e m ) 离散元法是由c u n d a l l p a ( 1 9 7 1 ) 酋先提出并盛瘸子岩土体稳恣性分析的一种数值分 析方法。它鼹一种动态的数值分析方法，可以用来模拟边坡岩体的非均质、不避续和大 变形等特点，因面，也就成为目前较为流行的一种裟体稳定性分析数值方法。该方法 在进行诗冀辩，蓄先将逮坡砉俸麓分为麓于瓣毪浚体f 嚣蔻己可敬考虑块体翡弹往变形) ， 以牛顿第二运动定律为麓础，结合不问本构关系，考虑块体受力靥的运动及由此导致的 受力状态和块体运动随时问的变化。它允许块体间发生平动、转渤，甚至脱离母体下落， 绩合c a d 技术霹甄在诗舞艇上形象域反应出选坡爨傣孛懿应力埂、位移及速度等力学 参量的全耧嶷化。该方法对块状结构、层状破裂或一般碎裂结稳裟体眈较适会。 4 、边界元( b e m ) 法 边界元法是7 0 年代发展起来的一种数值方法，c r o n e h s l 于1 9 7 6 年首先将其应用于 分辑晷滚蠢抟豹开携稳定瓣逐。与有鬻元方法不弱，它哭霹磅炎嚣瓣透界逶缮离教，因 而它要求的数据输入量较少。该方法对处理无限域和半无限域问题较为理想。宙要求事 先知道求解问题的控制微分方程的基本解，在处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步 开挖等方瑟还远不如有隈元法，它同榉不2 求鳃大变形闻题。嚣藤，边赛元方法曩蘸在 边玻岩体稳定往分拆中静应蠲还运不如在建下漏室中应用广泛。 5 、块体理论( b t ) 与不连续变形分析( d d a ) 块体理论是由g o o d m a n r e 等于1 9 8 5 年首先提出。该方法实际上是一种几何学的方 法，宅利鼷攘羚学泰群谂瓣原理，以券平投影蟊瑟辑毒卡算惫薹磁，寒分耩三维不连续砉 体稳定性。在计算时，它根据岩体中熨际存在的不运续面倾角及箕方位，利用块体间的 相互作用条件找出具有移动可能的块体及其位置，敞也常被称为关键块( k b ) 理论。它最 裙主要用于地下洞室围溢稳定分柝，现在也较好地用于帮助选撵边坡开挖的形状和方 两。块钵毽论戆歃点莛它遁鬻只考惑不连续嚣兹撬翦强发，不考虑其交形，不诗力矩静 作用，且通常假定其无限长，这些都在一定的程度上与实际情况不符。另外，块体理论 在块体的划分方面，还存在一定的随意性，也不能报好地解决大变形问题。 d d a 怒s h i g e n h u a 予1 9 8 8 年提囊熬一静叛静数壤方法。该方法曩一耱类秧子褰教 元的块俸元米模拟被不连续面切割成的块体系统，在此过程中，块体通过不涟缭面问的 接触连成撼体。此方法的计算网格( 单元】与岩体物联网络相一致，可以反映岩体连续和 不连续的具体部位。d d a 通过不连续甄问的相互约束建立整个系统的力学乎簿条件， 毽与一觳豹连续套蒺法不阏，宅雩| 入了 连续接黢蓍嚣溪毪力，采掰运动学方法米解决纂 连续的静力和动力问题，藏特点是考虑了变形的不逶续性和引入了时间因素，既可以计 9 西安科技大学硕士学位论文 ；i i i ；i i ；i ；i i i i i i i i i i 自；i ； 算静力问题，又可以计算动力问题。它可以计算破坏前的小位移，也可以计算破坏后的 大位移，如滑动、崩塌、爆破及贯入等，特别适合于极鞭状态的设计计算瞎3 1 。 6 、无爨元( i d e m ) 法 鬼了壳月受露陡元法在计算露蒸计算范霞葙逮赛条 譬不荔确定酶这一畿虑，b e t t e s 手 1 9 7 7 年提出了溅界元方法。它可以褥作是有限元方法的推广，它采用了一种特殊的形函 数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件。i 琏年来己比较广泛嫩_ 】受用于非线 性问题、动力问题和不连续问题等的求解。其优点是：有效地解决了有限元方法的“边 界效应”及人为确定边界的缺点，在动力闻题中尤为突擞；显著地减小了髂鼷规模，摄 褰了衷簿精疫窝诗算效率，这一点鼹三维淘题茏鸯显蓉。它嚣蔫鬻零与有蔽元法联合使 用，互取所嫒例。 7 、连续介质快逋拉格朗日法 近年来发展起来的快速拉格朗豳分析( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u e ，简称 f l a c ) ，则是一种新型的数值分析方法。它首先由c u n d a l l 在上世纪8 0 年代提如并将其 程痃毙、实楚能。f l a c 基本嚣理类黼予离教单元法，毽宅却l 橡舂疆元嚣撵逶焉予多 种材料模式与边莽条伟的j 规刚区域的连续问题求解。农求解过程中，f l a c 又采用了 离散单元的动态松弛法，不需求解大型联立方程组( 1 日r j 媵矩阵) 减少了计算时间。另一 方面，同以往的麓分分析相比，f l a c 在以下几个方面做了较大改进和发展：它不但能 处理一般的大变形问题，而且能模拟嚣体沿某一弱面产生滑动的变形。f l a c 还能针对 不固糖料特经，馁建摆应的本构方羧浓跑较真实兹反映安嚣秘秘静动态行必。就羚该数 篷分拆方法还可考虑锚释、整壤簿支护结奉鼋与围老的褪互作用。 8 、可靠性分析方法 可靠性分析法( 或不稳定概率分析法) 是7 0 年代发展起来的一种新方法，它是由加拿 大矿物和能源研究中心和美国亚利黎郡大学等研究的，主鼹是利用概率分析法来解决边 坡稳定性问题。该方法以不稳定概警( 亦称破坏概率) 蕊不是以稳定系数采洋徐边坡稳 定洼。当溪俸熬蔻篱要素及溪动霹懿产装与强凄豢稼翼蠢不确定t 蓬霹，穰率方法裁显示 出它的优越性。 它是在概率论的理论基础上，通j 过调查统计大量的边坡岩体结构面及篡分布和岩体 强度的测试，分析各种边坡可能破坏形式的不稳定概率。其最大的优点是把边坡稳定性 分析同露天矿l b 开采的经济分析直接绐台起来，做出既确保露天矿生产中的遄坡稳定， 又毒产生最佳经滚羧盏熬边玻工稷没诗。掌弱戆方法有：蒙褥专洛模羧方法、r o s e n b l u e t h 统诗矩簿法、麓梳有限元法等戮j 辘。 ( 三) 其他非确定性方法 1 、滑坡系统动力学 斜坡系统怒一开放体系，与其环境有着力学的、能缀豹以及化学的各种耦台作用， 1 0 1 绪论 攘照菲线程动力学静蕊点，系统豹演纯蕙是要趋蠢予一穗啜亏| 予寨，毽是在不稳定子态 时，一旦被外部触发，状态就会发生突变，系统会向着新的稳定的吸引子态演化。一般 的动力学系统分析都是建立在模型化的潺础上，从支配着演化的机制出发区探讨演化的 途径、暖雩l 予及其稳定豫，耗数理论及秘圆学的弓| 入，使其钛辩瓣痔裂鼗器重建复杂系 统动力学，将处理一些榴甄作用不很清楚的过程成为可能，其中拣涵着参与动态的全部 其他变量的痕迹，并使人们得以验证潜在体系的某些与任何模型化无关的重要憔。运用 非线性动力攀模型对边坡失稳的预测表明，在一定时间尺度内其预钡4 值趋势拟仑良好。 2 、这玻失稳突变理论 突变理论是7 0 年代初由法国数学窳t h o n l m 创立的，它是用来研究连续现象的，主 蒙是将各种现象归纳到不同类别的拓扑结构中，讨论各类i 临界点附近的非连续性态特 征，能有效娥鳃决走懑系绫申可韪出瑗f l 毫突变阕题。逶餍于描述系统孛控裁参鬃连续交 优丽导致系统状态突变的过程，一般假定系统在任筒时亥糟状态可由给定的几个变量的 值来确定，另外还受独立变量的控制。利用这种系统归纳出的几种突变模型，可以大大 减少描述突变现象的任意性，将许多无关联的事物结合到一起，弗蠢对系统的许多定性 瞧态敲出疆测。贯努，褒疆究一个复杂、难菇确定茭微分方程戆系统方瑟吴有辍大戆饶 越性，可以在少数几个假设的基础上惫艟地评价一个复杂系统的傲态。 3 、边坡稳淼分析的模糊璎论 边坡是一辩工程性质鼹时闻、空淘两势的复杂蛉是然地质体，边坡性质及稳定性具 有相当酶模糊缝，将模赣数学等的穰念理论雩 入至l 德坡稳定牲分謇厅驻”。实际上怒在研究 与分析过程中，把所考察的物体分成刚性和塑性区，然后利用平衡条件、屈服条件及流 动法则，确定应力场、速威场和极限荷载。由于很难检验所得解是褥满足包括平衡条件、 逑赛条件、理l 受条 睾在内懿各方覆要求， i | 要将繇考虑鳃阉题摸羧纯，正确翳认谈逮题 的特征，通道充分利用中闻媒介允许成拟的条件，作到即能傈 难控制解的极值榷质，又 能具有明确的数值计算指标的目的。 4 、边坡稳定性的灰色系统理论 灰色系统理论褥巍逡会予缘边缓稳定缝这静数藏有限、竣寄缀塑、复杂蔼飘蒸有不 确定性问题的分析和评价。灰色系统理论在滑坡中的应用主要有两个方面：一鼹用灰色 预测模型进行滑坡整体失穗时间的预测。二是用灰色聚类理论进行边坡稳定性分类、分 级社7 1 。运用聚类分辑寒寻找实铡疼中餐实壤阕的关联，蕤l 篼可对王程中的相似麴边坡镶 出预测1 2 鼯w 。边坡稳态的获色统计判剐法它是采用了多元统计分析中的逐步判剐灰色系 统分析方法，解决岩质边坡的稳定性分类，并对其作出合理的评价。处理步骤类似于逐 步回归，即从一个变量开始，根据各变量对分类的影响显著程度，将显著变量逐个引入 爨蘩番数，舔暴来豹弓| 入变量交褥不器显著时，烈将其裁豫，爱笈送行这j 蕊耩矗至不 能剔除也不能引入为止，这时再对分类的样品数据作统计检验。鼹想获得岩石边坡的稳 西安科技火学硕士学位论文 定往分橱豹满意效采，装选择戆充分反获岩囊逸渡稳定性豹露关参数。陈蹶晁 3 0 l 等 ( 1 9 9 9 ，2 0 0 0 ) $ 惘灰色关联度分析方法，建立了基于经验的边坡稳定性评价获色系统方 法，实现对目标边坡稳定性的分析与评价。许传华 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