（岩土工程专业论文）煤矿岩石高边坡稳定性分析及其工程应用.pdf

摘要 摘要 边坡稳定性问题涉及矿山工程、道桥工程、水利工程和建筑工程等领域。随 着国民经济的飞速发展和对能源需求的日益增大，边坡稳定性问题已成为岩土工 程建设中的热点之一，越来越受到人们重视。边坡稳定性分析和治理已成为工程 成败的关键环节之一，如果处理不当，往往导致边坡失稳，形成滑坡和崩塌等地 质灾害。 本文针对西山煤电集团风峪沟煤矿边坡的滑坡情况。通过详细的地质勘察、 掌握第一手资料的基础上，运用定性和定量的分析方法，对所选典型剖面稳定性 进行分析。根据分析结果，设计经济合理，安全可靠的加固方式。聚丙烯混凝土 喷层具有抗渗、抗裂、抗拉等特点，可以有效抑制裂缝的产生与发展，另外纤维 混凝土喷层中的应力分布比较均匀，具有较好抗变形能力，为解决普通混凝土喷 层抗拉强度低、防渗性能差等问题，论文提出新型聚丙烯混凝土喷层并完成了室 内力学性能试验；针对风峪沟煤矿典型剖面，设计出抗滑桩、锚索与聚丙烯混凝 土喷层的加固方案。 论文根据风峪沟煤矿岩石高边坡地质分布规律及场地变形显现特征，选择典 型剖面进行分析，完成岩体力学参数试验；运用极限平衡方法不平衡力传递系数 法，计算选定边坡的稳定系数和滑动面；运用拉格朗日差分f l a c 一2 d 程序对选 定的边坡进行数值模拟，得出滑坡最危险的位莺、最大位移及稳定系数，并与传 递系数法的结果进行比较；选择合理的桩、锚索和聚丙烯混凝土喷层的力学参数， 运用f l a c - 2 d 程序计算边坡加固后效果；结合边坡位移监测结果，完成典型剖 面加固后的边坡稳定性评价。论文研究成果为矿山岩石高边坡加固提供了技术先 进、安全可靠、经济合理的支护形式。 图 5 3 】表【2 3 】参 5 6 】 关键词： 岩石高边坡；稳定性分析；聚丙烯纤维混凝土；数值模拟；工程应用 安徽理- l = 大学硕士学位论文 a b s 仃a c t t h ep r o b l e mo fs l o p es t a b i l i t yr e l a t e st of i e l da b o u tm i n ee n g i n e e r i n g ，r o a da n d b r i d g ee n g i n e e r i n g ，h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，c o n s t r u c t i o ne n g i n e e r i n ga n d s oo n a s g r a d u a li n c r e a s i n gt oe n e r g yd e m a n da n dn a t i o n a l e c o n o m i cd e v e l o p m e n t , s l o p e s t a b i l i t yh a sb e c o m eo n eo ff o c a lp o i n t sa n di sr e m a r k e db ym o r ea n dm o r ep e o p l ei n o u rg c o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dt r e a t m e n to fh i 曲 s l o p eb e c o m e so n ec r i t i c a ls e g m e n t o fe n g i n e e r i n gs u c c e s s - f a i l i ft r e a t i n gi s i n a p p r o p r i a t e ，i t r e s u l t si n s l o p e d e s t a b i l i z a t i o na n dg e o l o g i c a l c a t a s t r o p h el i k e l a n d s l i p e ，s l i d ei sf o r m e d b a s e do nd e t a i l e dg e o l o g i c a lr e c o n n a i s s a n c e ，f i r s t - h a n dd a t ai so b t a i n e da g a i n s t t h el a n d s l i d es t a t u so f f e n g y uo o uc o a lm i n es l o p eo f x i s h a ne l e c t r i cc o a lc r o u p t h e s l i d es t a b i l i t yi sa n a l y s e dt ot h et y p i c a lg r o s ss e c t i o nw es e l e c t e di nt h i sp a p e r , w h i c h u s e st h eq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v em e t h o d a ne c o n o m i cs e c u r i t yr e i n f o r c e m e n t m e t h o di sd e s i g n e do nb a s i so ft h ea n a l y s i sr e s u l t s f i s s u r ep r o d u c ea n dd e v e l o p m e n t a r e r e s t r a i n e db yp o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t es p r a y - u pt h a th a st h ef e a t u r e so f i m p e r v i o u s ，c r a c kr e s i s t a n c ea n dt e n s i l er e s i s t a n c ea n dh a st h ea n i f o r ms t r e s s d i s t r i b u t i o n , s m a l ls t r e s sv a l u ea n dg o o dn o n d e f o r m a b i l i t y d u et ot h ec o m m o n c o n c r e t e s p r a y - u p h a st h es m a l lt e n s i l e s t r e n g t ha n d b a di m p e r m e a b i l i t y , t h e p o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t es p r a y u pi sp u tf o r w a r d i n d o o rm e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t i sf i n i s h e d r e i n f o r c e d p r o g r a m m eo fa n t i s l i d ep i l e ， a n c h o r a g e c a b l ea n d p o l y p r o p y l e n ef i b e rc o n c r e t es p r a y - u pi sd e s i g n e da g a i n s tt y p es e c t i o no ff e n g y uo o u c o a lm i n e a c c o r d i n gt og e o l o g i c a lr e g u l a r i t i e so fd i s t r i b u t i o na n dp r e s e n t a t i o nc h a r a c t e ro f s i t ed e f o r m a t i o n ，t y p i c a la n a l y t i c a ls e c t i o n sa r es e l e c t e da n dp h y s i c a lm e c h a n i c a l p a r a m e t e rt e s to fr o c ki sa c c o m p l i s h e d ；s t a b i l i t yf a c t o ro fs e l e c t e ds l o p ei sc a l c u l a t e d t h r o u g ht h eu n b a l a n c e df o r c et r a n s f e rc o e f f i c i e n tm e t h o di sa p p l i e d ；b a s e so na p p l y i n g l a g r a n g i a na n a l y s i sn a m e l yt h ep r o c e d u r eo ff l a c 2 dt os i m u l a t es e l e c t e ds e c t i o n ， t h em o s td a n g e r o u sp o s i t i o n ，m a x i m u md i s p l a c e m e n ta n ds t a b i l i t yf a c t o ro fl a n d s l i d e a r eo b t a i n e da n da r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l to ft r a n s f e rc o e f f i c i e n tm e t h o d a f t e rt h e a p p r o p r i a t em e c h a n i c a lp a r a m e t e ro fp i l e ，a n c h o r a g ec a b l ea n dp o l y p r o p y l e n ef i b e r c o n c r e t es p r a y - u pi ss e l e c t e d , t h er e i n f o r c e m e n te f f e c t i v e n e s si sc a l c u l a t e dt h r o u g h h 摘要 f l a c 一2 dp r o c e d u r e r e i n f o r c e m e n ts l o p es t a b i l i t y e v a l u a t i o nc o m b i n ew i t h m o n i t o r i n gr e s u l t so fs l o p ed i s p l a c e m e n t i tt h a ti s a l la d v a n c c dt e c h n o l o g y , s a f e r e l i a b l e ，e c o n o m ya n dp r o p e rs u p p o r tf o r m a t i o n i ss u p p l i e dt ot h em i n er o c kh i g hs l o p e r e i n f o r c e m e n tb yr e s e a r c hf m d i n gi nt h i sp a p e r f i g u r e 【5 3 】t a b l e 【2 3 】r e f e r e n c e s 【5 6 】 k e y w o r d s ： r o c kh i g hs l o p e ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；p o l y a c r y l i cf i b r ec o n c r e t e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n - i i i 独创性声明 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 取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞徼堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并 表示谢意 学位论文作者签名：趁攀 日期：卫z - 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮垄三太堂有保留、使用学位论文 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 塞筮垄三太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将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，汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：施箩签字日期：驴7 年歹月g 日 1 绪论 1 i 问题的提出 1 绪论 近几十年来，随着我国基础建设的大力发展，边坡稳定性的研究及其维护显 得越来越重要。矿山、水利、交通等部门都涉及到大量的高边坡问题，而且作为 三大自然灾害( 地震、洪水和崩塌滑坡泥石流) 之一的滑坡灾害严重危机到国家财 产和人民生命的安全。联合国曾把2 0 世纪最后1 0 年作为减灾年，其中减少边坡 破坏灾害是主要内容之一，也就是说，边坡的稳定已经成为人类生存环境和生产 建设的重要问题之一 目前，我国能源开发和基础设施建设正以前所未有的速度发展。在大规模的 矿山工程、水电工程、公路工程、铁路工程等建设活动中，经常需要丌挖岩土体， 形成大量工程边坡，而构成边坡的岩土体是一种复杂的介质，它是岩块、土块、 裂隙、节理、弱面力学性质的总和。随着工程建设规模的扩大，边坡的高度也越 来越高，如澜沧江小湾水电站泄水建筑物边坡高达2 3 9 m 。清江隔河岩水利枢纽出 水口边坡最高达1 5 0 m ，拟建的溪洛渡水电站拱肩槽边坡高达2 5 0 m ，抚顺西露天矿 高边坡开挖深度已超过3 0 0 m ，这些工程边坡的稳定性状况，对整个工程的可行性、 安全性及经济性等起着重要的控制作用，如果处理不当，往往导致边坡失稳而形 成滑坡和崩塌，其后果将会给造成一定的经济的损失和人员的伤亡。 对于煤矿岩石高边坡，影响稳定性的因素总体上分为地质因素及非地质因素 两类。前者是滑坡发生的地质基础条件，后者则为滑坡的发生提供了外动力因素 和触发条件。影响边坡稳定状态的地质因素包括边坡岩体的结构特性、介质结构 特性、地下水状态、水文地质条件及地应力等：非地质因素包括大气降雨、振动、 坡脚切层开挖以及边坡下面地下开采等。现在我国煤矿的开采规模不断扩大，对 于煤矿岩石高边坡的稳定性问题就日益严重，直接危及到矿山的安全生产。以抚 顺西矿山为例，自1 9 1 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， 共削坡减载剥离岩石近一亿立方米，滑坡造成了多次重大事故，1 9 5 9 年底板凝灰 岩顺层滑坡使矿山的主要提升运输系统西大巷停运，工程处理历时三年，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，掩埋西大巷提升系统，再度使矿山停产，露天矿西北帮的滑 坡及与其相邻地区的地面变形，严重影响了抚顺石油一厂工业建筑物的稳定“。 山西省宫地矿风峪沟风并变电所场地及瓦斯抽放泵站的地质条件复杂，坐落 安徽理工大学硕士学位论文 于一古滑坡体上，该山体表层为l o r e 1 2 肌松散土体，6 8 7 泥岩，1 0 m 厚砂 岩层结构，岩层走向为顺坡向3 0 。在9 5 年建立煤矿出风口变电站时由于玎挖影 响，该边坡部分地段已经出现开裂现象，但没有造成坡体整体滑移。据介绍，2 # 采煤区开采以后，自2 0 0 5 年雨季以来，特别时9 月份以来，变电站所处位置及 周围地面及建筑物相继出现变形裂缝，局部山体出现整体滑移，滑体上部出现一 米多高的下沉量，建筑物及周围地表出现近l o o m 宽的裂缝，l o 月2 0 同在裂缝处 粘贴纸张全部开裂，变电控制室门窗大部分出现开裂变形。 为了减少和避免各种边坡失稳事故的发生，人们很早就开始了边坡的科学研 究工作，由于岩质边坡破坏形式更为隐蔽，破坏性质更为复杂，目前的理论研究 不够完善是当今岩土工程界研究的前沿、热点和难点。尽管到目前为止对岩质边 坡稳定性进行过一些研究和探讨，但仍然有许多问题尚待解决，因此对岩质边坡 稳定机理及应用丌展研究是我国大型工程建设的迫切需要，具有重要的现实意义 和理论意义，其工程应用前景也很广阔。 为此，本文针对官地矿采区岩石高边坡研究课题，方面研究矿山边坡稳定 性作用机理，提出稳定性判据，并对现状边坡稳定性进行评价；另一方面，在常 用边坡加固方案的基础上，设计新型聚丙烯纤维混凝土喷层与抗滑桩、锚索相结 合的加固方案并运用数值模拟方法，完成加固方案的稳定性分析。 1 2 国内外对边坡研究动态与现状 边坡稳定性分析过程一般步骤为：实际边坡一力学模型一数学模型一计算方 法一结论。其核心内容是力学模型、数学模型、计算方法的研究，即边坡稳定性 分析方法的研究。边坡稳定分析方法研究一直是边坡稳定性问题的重要研究内容， 也是边坡稳定研究的基础。近几年来在该领域内耿得了很多新的进展，其主要表 现在以下几个方面。 1 定性分析 定性分析方法主要是通过工程地质勘察，剖析影响边坡稳定性分析的主要因 素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制，调查已有的边坡地质体的成因及其 演化史，从而给出被评价边坡的一个稳定状况及其可能发展的定性说明和解释。 其优点是能综合考虑边坡稳定性的多种影响因素，快速地对边坡的稳定状况及其 发展趋势作出评价当前使用的定性分析方法主要有以下几种方法： 1 ) 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、边坡发育历史过程中各种变形破坏迹 2 l 绪论 象及其基本规律和稳定性影响因素等分析，追溯演变的历史过程，对边坡稳定性 的总体状况、趋势和区域性特征作出评价和预测。 2 ) 工程类比法 该方法实质上就是利用已有边坡的稳定性状况、影响因素分析以及有关设计 等方面的经验，并把这些经验应用到类似的所要研究的边坡的稳定性分析与设计 之中。它需要对已有的边坡和已有的研究对象进行广泛的调查分析，全面研究工 程地质因素的相似性和差异性，分析影响边坡变形破坏的各主导因素及发展阶段 的相似性和差异性，分析它们可能的变形破坏机制、方式等的相似性和差异性， 兼顾工程的等级、发展趋势和加固处理设计等在工程实践中，既可以进行自然 边坡间的类比，也可以进行人工边坡之间的类比，还包括在自然边坡和人工边坡 之间的类比。因而，可以说它是目前应用最广泛的一种边坡稳定性分析方法，在 工程设计中总是将它与理论计算、监控结合使用，是对工程地质力学结合集成理 论( e g m s ) 的综合体现与验证。 3 ) s m r 法脚 边坡工程的s m r 法由r o m a n a ( 1 9 8 5 ，1 9 8 8 ，1 9 9 2 ) 提出，该方法以 b i e n i a w s k i z t 的r m r 法为基础。s m r 方法岩体质量能够综合反映岩体中各种主 要特征参数对岩体稳定性的影响效果，它有助于我们认识岩体的固有特性，分析 岩体工程的稳定性，为工程设计提供重要信息。 4 ) 几何图解法旧 几何图解法是一种以极赤平投影图为基础的几何空间解析方法，如m a r k l a n d 检验法。利用极射赤平投影可以比较直观、简便地表示出边玻岩体与开挖坡面的 空间组合关系，进行边坡岩体稳定的结构分析。 5 ) 物理模拟法 岩( ) 体力学模型试验是由结构模型试验与岩石( 或土) 力学模型试验组合而 成的，即岩( 土) 体力学模型试验融结构模型试验与岩石( 或土) 力学模型试验为一 体，研究工程结构与其有关岩( 土) 体共同作用下的应力、变形机制及稳定问题。 近年来，岩( 土) 体力学模型试验在模型材料、模拟技术、试验研究诸方面得 到了广泛的发展，使其由定性分析转向定量分析，并与有限元计算配合进行工程 结构与其有关岩体共同作用下稳定性分析，成为在复杂岩体条件下研究工程稳定 的应力应变机制的重要手段，它不仅可以论证工程设计的可靠度，还可以研究工 程处理的部位和措施，与理论计算相辅相成，共同发展，故具有重大的经济效益， 还具有重要的学术意义。 3 安徽理工大学硕士学位论文 2 定量分析方法嘲 定性的分析方法是以大量的已有数据和工程经验为基础的，它无法为具体的 工程设计与施工提供量化的指导，而只有定量的分析才可能成为边坡稳定性评价 的重要依据。定量的分析方法一般要以一定的地质模型为基础，可分为极限平衡 方法和数值分析方法。 1 ) 极限平衡分析方法 极限平衡法是一种比较传统而且成熟的边坡稳定性分析方法，该方法以莫尔 一库仑的抗剪强度理论为基础，原理简单，计算方法简便、易于理解，长期以来， 在大量的边坡工程中得到了应用与实践。该方法最早由瑞典学者k e p r y y e r s s o n 与s h u l t i n ( 1 9 1 6 ) 提出，后经f e l l e n i u s ( 1 9 2 7 ) ，a w b i s h o p ( 1 9 5 0 ) s a r m a ( 1 9 6 8 ) 。j a n b u ( 1 9 7 3 ) 等一系列的改进和修正，己经发展成为一套具有广 泛适用性的理论。 2 ) 数值分析方法 数值分析方法是计算机时代的产物，它往往以一定的力学本构模型和几何模 型为基础，考虑岩土体的变形和位移特征，并依据研究对象的不同而有所差别。 从介质的连续性而言，以有限元、边界元为代表的数值方法常应用于连续介质， 而以离散元为代表的一些数值方法则常常用于非连续介质。 当前的数值分析方法主要有：有限元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、拉格朗闩有 限差分( f l a c ) 法、离散元法( d e m ) 、无界元法、块体理论( ( b t ) 以及不连续变形分 析法( ( d d a ) 等。 3 非确定性分析方法 由于边坡岩土体自身的复杂性及其对自然环境和人类工程活动的敏感相关 性，边坡稳定存在着诸多因素作用的随机性，从而形成了地质力学模型本身的不 可靠性以及各类计算参数的不确定性，加上当前存在的计算模型的多样性与缺陷 性并存的矛盾，必然要求用动态的力学与缱机理论去分析和解决问题。因此非确 定性分析方法是近年来针对边坡稳定动态性与不确定性，引用了一些新科学与理 论，从中提取出来的一种不可或缺的分析方法。它包括可靠性分析、随机过程法、 神经网络法、模糊数学法、灰色系统理论、系统工程理论、信息论、控制理论、 协同学理论、耗散结构理论以及突变理论等。 4 1 绪论 1 3 矿山边坡研究现状及存在问题 矿山开采已成资源开采的一种重要方法，开采也越来越大，需要在不同的地 下、地上开挖。最近的统计资料表明，铁矿石产量约占铁矿石总产量的9 0 ，有 色金属占5 2 ，化工矿物占7 左右。而建筑材料则近1 0 0 。随着采矿的发展， 边坡稳定性研究亦经历了不同的发展阶段。上个世纪5 0 年代为边坡稳定性研究的 起步阶段，由于当时的矿山发展水平，主要是应用传统的工程地质学和土力学理 论，研究滑坡的成因与防治措施，考虑岩质边坡的地质特性及构造效应很少，显 然这种研究具有明显的局限性。6 0 年代为我国矿山边坡稳定性研究工作的全面发 展阶段，有代表性的工作是始于6 0 年初期，由中国科学院岩土力学研究所等单位 进行的关于大冶铁矿的边坡稳定性研究，重视岩体的构造特性及其力学特性，进 行了比较系统的岩体力学性质的试验研究，包括大型现场试验及室内岩块试验， 常规力学试验及流变力学试验，岩块力学试验及结构面力学试验，动力学试验及 静力学试验等。此外，还进行了现场地应力量测、现场变形监测、物理模拟及数 值计算等工作。这在我国煤矿坡稳定性研究方面都是前所未有的，对我国岩质边 坡的稳定性研究起到了示范和推动作用。7 0 年代在煤矿岩石高边坡稳定性研究方 面有新的发现及理论突破，中国科学院地质研究所以金川露天矿为典型的工程实 例，对边坡的稳定性进行了长期全面、系统及深入的研究，其特点是在边坡稳定 性研究方面，工程地质学以及岩体力学等多学科闻的相互渗透、密切结合，强调 地质是基础及地质构造的控制作用。产生了由中国科学院地质研究所创立的岩体 工程地质力学的原理与方法。据此，并结合金川露天矿边坡的实践，建立了边坡 稳定性评价的原理与方法。这种原理和方法不但得到普遍的承认，而且得到广泛 的推广应用，对煤矿岩石高边坡稳定性研究的理论与实践来说均是重大的贡献。 8 0 年代则是边坡稳定性研究深入发展与完善阶段，其特点是建立了我国岩质边坡 变形破坏的典型地质模型、数值模拟方法的推广和c a d 技术的应用，此外还进 行了边坡稳定性可靠度分析。在工程实践方面则重视提高矿山边坡角的挖潜及采 用钻孔岩芯定向钻探技术，这些对煤矿岩石高边坡的稳定性评价都是非常有益的。 9 0 年代以来，我国煤矿的边坡稳定性研究亦取得不少新的进展，主要表现在研究、 生产与设计之间的密切相结合，且在研究评价工作中都认识到工程地质工作或第 一性地质资料的重要性，强调理论、方法和技术的一体化，在边坡稳定性评价方 面则更强调多种分析评价方法的综合。 煤矿岩石高边坡稳定性研究是始终伴随采矿始终的一个长期性研究课题，亦 5 安徽理工大学硕士学位论文 是影响或困扰矿山生产与安全是重大难题。据我国若干大中型矿山的不完全统计， 不稳定边坡或具滑坡危险的潜在不稳定边坡占边坡总长度的1 5 2 0 左右，个别 矿山甚至可高达3 0 以上，为此，对矿山边坡的稳定性进行过大量的研究。我国 的矿山开采虽然具有较长的历史，但总体上来说大规模的煤矿开采，地下矿山开 采所需的建筑物会根据不同位置设立在岩石高边坡上，边坡受自然地理条件的影 响和地下采空区的影响。对煤矿的边坡稳定性进行比较认真的研究始于上个世纪 5 0 年代，至今已近半个多世纪，其研究工作经历了由表及里，由浅入深，由经验 到理论，由定性到定量，由单一评价到综合评价，由传统理论方法到新理论、新 技术应用的发展过程，已形成独具特色 1 4 论文研究思路与内容 1 4 1 论文的研究内容 本文研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 通过对山西省官地矿风峪沟边坡现场调查，收集边坡地质构造、地层岩 性、水文地质以及变形特征等技术资料。 ( 2 ) 研究风峪沟岩质高边坡的地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质、 地震活动和风化卸荷特征，对场地进行地质评价和总体稳定性分析。 ( 3 ) 进行新型聚丙烯纤维混凝土和普通混凝土性能室内试验，掌握喷射聚丙 烯纤维混凝土与普通喷射混凝土力学性能之间的差异。 ( 4 ) 选取风峪沟边坡典型剖面，对剖面岩体进行物理力学参数试验，结合规 范规定选择合理的岩体力学强度参数，运用不平衡力传递系数法进行初步稳定性 分析 ( 5 ) 运用二维快速拉格朗日f l a c 2 d 程序对边坡典型剖面进行数值模拟， 分析边坡应力、变形、位移矢量以及塑性屈服等参数特征，对边坡的稳定性做出 进一步评价。 ( 6 ) 提出合理的支护设计方案，运甩f l a c 2 d 程序模拟加固后的典型剖面， 根据计算结果。对边坡稳定性做出综合评价。 ( 7 ) 对加固后边坡进行现场监测，对数据进行处理分析，并与f l a c 2 d 模 拟的结果进行比较，验证加固方案的合理性 6 - l 绪论 1 4 2 本文的技术路线 t 性质测试i 图i 论文技术路线 f i g 1t e c h n i c a ll i n eo f l l l ep a p e r 一7 安徽理工大学硕十学位论文 2 边坡稳定性分析方法及其常用加固方法 2 。1 边坡稳定性分析常用理论及计算方法 边坡稳定性分析是确定边坡是否处于稳定状态，是否需要对其进行加固与治 理，防止其发生破坏的重要决策依据。边坡发生破坏是一种复杂的地质灾害过程， 由于边坡内部结构的复杂性和组成边坡岩石物质的不同，造成边坡破坏具有不同 模式。对于不同的破坏模式就存在不同的滑动面。因此应采用不同的计算分析方 法来分析其稳定性。 目前用于边坡稳定性分析的方法大体上可分为定性分析方法和定量分析方法 两大类，定性分析方法包括工程类比法和图解法( 赤平极射投影、实体比例投影， 摩擦圆法等) ，定量分析方法主要有极限平衡法、极限分析法( 有限元( f e ，边界 元( b e m ) ，离散元( d e m ) 等) 及可靠度分析方法( 蒙特卡罗法和随机有限元法等) ，其 它诸如模糊数学分析法、灰色理论分析法及神经网络分析法等还处于研究阶段， 根据上述分析方法的实用性和有效性，本节将对极限平衡分析法理论详细论述。 ，极限平衡法是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理( 即静力平衡原 理) 分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及边坡滑体上的抗滑力和下滑力之自j 的关系来评价边坡的稳定性。极限平衡法是边坡稳定性分析计算的主要方法，也 是工程实践中应用最多的一种方法就极限平衡法本身，又细分成很多方法，目 前工程中用到的极限平衡稳定性分析方法有：f e l l e n i u s 法( w f e l l e n i u s ，1 9 3 6 ) 、 b i s h o p 法( a w b i s h o p ，1 9 5 5 ) 、t a y o r 法( t a y o r ，1 9 3 7 ) ，j a n b u 法( n j a n b u ， 1 9 5 4 。1 9 7 3 ) 、m o r g e n s t e r n p r i c e 法、( m o r g e n s t e r n p r i c e ，1 9 6 5 ) 、s p e n c e r 法( s p e n c e r ，1 9 7 3 ) ，s a r m a 法( s a m a ，1 9 7 9 ) 、楔形体法、平面破坏计算法、传 递系数法、以及b a k e r g a r b e r 临界滑面法( b a k e r - g a r b e r ，1 9 7 8 ) 等。在工程实践 中，主要是根据边域破坏滑动面的形态来选择极限平衡法。例如平面破坏滑动的 边坡，可以选择平面破坏计算法来计算，圆弧形破坏的滑坡可以选择f e l l e n i u s 法或b i s h o p 法来计算；复合破坏滑动面的滑坡可以采用j a n b u 法、 m o r g e n s t e r n p r i c e 法、s p e n c e r 法来计算：对于折线形破坏滑动面的滑坡可以采 用传递系数法、j a n b u 法等来分析计算；对于楔形四面体岩石滑坡可以采用楔形 体法来计算，对于受岩体控制而产生的结构复杂的岩体滑坡可选择s a r m a 法等方 法来计算，此外还可采用h o v l a n d 法和l e s h c h i n s k y 法等对滑坡进行三维极限平 衡分析。 8 2 边坡稳定分析方法及其常规加固方法 在极限平衡法的各种方法中，尽管每种分析方法都有它适用范围及假定条件， 且得出的计算公式所涉及的因素各不相同，但将它们郡归结为极限平衡法，其大 前提是相同的，所有的极限平衡法都有三个前提即： 1 滑动面上实际岩土提供的抗剪强度与作用在滑面上的垂直应力。存在如下 关系： j = f + 盯t 卸妒 ( 2 1 ) 或 s = c + ( 仃一) t a n 妒 ( 2 - 2 ) 式中：c 、滑动面的粘结力和有效粘结力； 、滑动面的内摩擦角和有效内摩擦角； 盯滑动面上的有效应力： “滑动面孔隙水压； 2 稳定安全系数的定义为沿整个滑裂面上平均抗强度与平均剪应力的比值。 f 即： f s = 2 ( 2 3 ) f 式中：f ，沿整个滑裂面上的平均抗剪强度； f 沿整个滑裂面上的平均抗剪强度； + 只沿整个滑裂面上的平均抗剪强度； 9 3 二维( 平面) 极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。 极限平衡分析除上述几点共同前提外，还具有基本相似的分析计算步骤： 1 ) 在断面上绘制滑面形状。根据滑坡外形，及滑坡中段滑面深度、坍塌情况、 破坏方式( 平面、圆弧、复合滑动等) ，推测几个可能的滑动面形。 2 ) 推定滑坡后裂缝及塌陷带的深度，计算或确定其产生的影响。 3 ) 对滑坡的滑体进行分块。分块的数目要根据滑坡的具体情况确定，般来 说应尽量使分块小些，条块数目越多，结果误差越小，此外，条块垂直或不垂直 条分要根据计算方法和岩体结构确定。 4 ) 计算滑动面上的空隙水压力，可采用地下水监测等方法确定。 5 ) 采用合适的计算方法，计算稳定系数，但原则上应采取两种或两种以上的 计算方法进行结果比较。 下面针对边坡稳定分析中常用的具有代表性的j a n b u 法和不平衡力的传递系 数法计算法做详细论述。 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 1 1 j a n b u 法原理【3 j 1 基本假设 简布( j a n b u ) 法又称普遍条分法，它适用于任意形状的滑裂面。如图2 所示土 坡滑动的一般情况，坡面是任意的，坡面上作用有各种荷载，在坡体的两侧作用 有侧向推力三。和爵，剪力乞和瓦，滑裂面也是任意的。土条恻作用力的合力作 用点连线称为推力线。在土坡断面中任取一土条，其上作用有集中荷载j p 、q 及均布荷载q ，阢为土条自重力，土条两侧作用有土条条间力e 、r 及e + 肛， r + a t ，滑裂面上的作用力篮和如图3 所示 图2 简布法计算图示 f i g 2j a n b um e t h o dc a l c u l a t i o nd i a g r a m m a t i c 为了求出一般情况下土坡稳定安全系数以及滑裂面上的应力分布，简布做了如 下假定： 1 ) 假定边坡稳定为平面应变问题。 2 ) 假定整个滑裂面上的稳定安全系数是一样 r 的，可用只= 2 。 f 3 ) 假定条上所有垂直荷载的合力 a w = 阢+ q a x + a p ，其作用线和滑裂面的交 点与的作用点为同一点。 4 ) 假定己知推力线的位置，即简单地假定土 条侧面推力成直线分布，如果坡面有超载，侧向 推力成梯形分布，推力线应通过梯形的形心：如 果无超载，推力线应选在土条下三分点附近，对 非粘性土( c = 0 ) 可在三分点处，对粘性土 一l o - 孙7 i i + r 一、 t * a t z o 一 血 图3 土条的受力分析 f i g 3g t r e s sa n a l y s i so f s o i ls t r i p e s 2 边坡稳定分析方法及其常规加同方法 ( f 0 ) ，可选在三分点以上( 被动情况) 或选在三分点以下( 主动情况) 。 2 计算公式 根据以上假定和图3 ，单位土条上作用的总垂直荷载为 p = 石a w = w 1 + q a f x + 一a p = 膨+ q + 石a p ( 2 4 ) p 2 石2 1 f 一2 尼+ q + 石 2 。4 式中：，土的容重： z 土条高度； g 土条顶部的均布荷载；其余符号见前述。 根据力及力矩平衡条件，对每一士条，有： r = 等= 軎( 口训鲥1 ( 2 5 ) y = o ：盯= p + f 一醒口 ( 2 6 ) z = 0 ：a e = a q + ( p + t ) a x t g c t - r a x ( 1 + t 9 2 口) ( 2 7 ) 肘= o ：7 = 魂+ 靠 丝d x z 口警 ( 2 - 8 ) 式中：“滑裂面上的孔隙压力。 f 中间变量，f ：垒三； 其余符号意义见前述及图3 所示 对整个边坡滑动土体总水平力平衡址= 毛一e 。将其代入式( 2 7 ) 得出： 毛一e = 多 a q + ( p + t ) a x t g a - r - x 0 + t 9 2 口) ( 2 9 ) 将式( 2 5 ) 代入上式得出： c = 瓦瓦面r s a 画x ( 1 + 丽t 9 2 c 万t ) 丽 2 1 0 ) r ，一c + + t - u ) - 罟s 秘t g g 等r l2 号普弦 。 b 将式( 2 一1 1 ) 代入式( 2 - 1 0 ) 得。 ( 2 1 2 ) 从式( 2 - 1 2 ) 可以看出等式两边均有b 项，需通过迭代法进行边坡稳定安全 系数得计算，虽然比较麻烦和烦琐，根据经验，一般在3 4 轮迭代计算即可满足 安徽理工大学硕士学位论文 要求。 j a n b u 法的精确解要利用条块底面中点的力矩平衡条件、滑块条块阃侧面力 作用线倾角以及逐步递推法来求解。 3 主要特点及适用条件 j a n b u 法计算稳定性系数的特点是计算准确但计算复杂，主要适用于复合破 坏面的边坡，既可用于圆弧滑动，也可用于非圆弧滑动( 折线滑动) 。但条块分割时 要求垂直条分。 2 1 2 不平衡力的传递系数法原型3 1 在滑体中取第i 块土条，如图4 所示，假定第i l 块土条传来的推力只刈的 方向平行于，一l 块土条的底滑面，而第f 块土条传送给第i + l 块土条的推力p 平行 于第f 块土条的底滑面。即是说，假定每一分界上推力的方向平行于上一土条的 底滑面，第i 块土条承受的各种作用力示于图4 中。将各作用力投影到底滑面上， 其平衡方程如下： 纠删吣+ q f c o s q j ) - 睁业型挚卜沼l s s j 式中：一一= c o s ( 口一t 一嘶) 一薏s i n ( 口i - i - - o c i ) 式( 2 - 1 3 ) 中第1 项表示本土条的下滑力， 第2 项表示土条的抗滑力，第3 项表示上一 土条传下零的不平衡下滑力的影响，一称 为传递系数。在进行计算分析时。需利用式 ( 2 1 3 ) 进行试算。即假定一个乓值，从边坡 顶部第l 块土条算起求出它的不平衡下滑力 只( 求鼻时，式中右端第3 项为零) ，即为第 1 和第2 块土条之间的推力。再计算第2 块土 条在原有荷载和只作用下的不平衡下滑力 只，作为第2 块土条与第3 块土条之间的推 巳谢 ( 2 1 4 ) qi - i - a ai 图示 f i g 4t h eg r a p h i co f t r a n d f e rc o e f f i c i e n t m e t h o d 力。依此计算到第胛块( 最后一块) ，如果该块土条在原有荷载及推力只一。作用下， 求得的推力只刚好为零，则所设的b 即为所求的安全系数如只不为零，贝i j i 1 2 - 2 边坡稳定分析方法及其常规加嗣方法 新设定层值，按上述步骤重新计算，直到满足只= 0 的条件为止。一般可取3 个 足同时试算，求出对应的3 个b 值，作出只f 。曲线，从曲线上找出时的只= 0 值，该b 值即为所求。 为了使计算工作更加简化，在工程单位常采用快捷的简化方法：即对每一块 士条用下式计算不平衡下滑力：不平衡下滑力= 下滑力x 最一抗滑力 由此，式( 2 - 1 3 ) 可改写成为： 只= 只( 彬s i n 口，+ q , c o s 嘶) 一i c ：f ，+ o r , c o s 口，一甜，一q fs i n 口，) f g j + 只一y 。( 2 1 5 ) 上式中，传递系数一一。改用下式计算 掣，1 = c o s ( 口h a ，) 一培竹s i n ( a - 一l 一口，) ( 2 1 6 ) 求解舔的条件仍是只= o 由此可得出一个含瓦的一次方程，故可以直接算 出层而不用试算。所得结果与前述复杂的试算方法有时相差不大，但计算却大为 简化了。 2 2 边坡常用加固方法 边坡灾害治理可以根据边坡失稳的性质、成因、规模大小、滑体厚度及危害 程度提出相应的治理工程措施。目前，滑坡治理总的原则是以预防为主，治理为 辅，力求做到防患于未然。滑坡成因复杂，各种因素主次有别，且常随外界因素 变化而变化，滑坡整治多采用综合措施，因地制宜，有主有辅，任何滑坡中，要 优先考虑排水。目前，国内外在整治滑坡实践中积累了丰富的经验，总结了一套 整治滑坡的有效措施，大致可归纳为：消除或减少地表水或地下水的作用；恢复 山体平衡条件：改善滑动带或滑坡体土壤性质，即概况起来为“避、排、挡、减、 固、植”六个字。 一 2 2 1 矿山边坡加固原则 煤矿边坡设计理论和方法是工程地质力学的重要研究内容之一。大量工程实 践和理论研究表明，一套完整的边坡设计都是以工程地质研究为基础的。只有掌 握边坡地质条件和摸清其变形破坏规律，才能有的放矢地作出优质设计。从工程 加固角度看，虽然设计上不允许出现由于工程加固的不足而引起的变形和塌方， 同样也不允许设计过于保守( 或者使边坡角过低而不再需要加固或者加固措施多 到不适当的程度) 而造成浪费。理论上，从工程地质力学综合集成理论所提出的动 - 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 态设计和综合设计思想出发，有可能较好地解决这一问题。当然，在考虑如何解 决这一问题时。一般离不开有关加固方法的研究。在具体讨论边坡加固方法之前， 有必要再次强调，这里所述的加固方法不仅涉及到通常含义上的加固手段，而且 在广义上还包括诸如削坡、排水、控制爆破等一系列有利煤矿边坡稳定的工程措 旌。一方面为确保矿山安全生产，需对不稳定边坡进行滑坡防治，另一方面，为 获得矿上开采最大经济效益，需采用较大边坡角，对潜在的不稳定边坡同样需要 进行滑坡防治。加固滑坡防治工作贯穿着煤矿设计生产始终，是一项十分重要、 经