（固体力学专业论文）倒渣场复合介质边坡稳定性分析及植物固坡研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 导师： 倒渣场复合介质边坡稳定性分析及植物固坡研究 固体力学 朱向会 郭志勇 摘要 ( 签名) 本文结合某煤矿倒渣场地，对复合介质边坡进行了地质、水文、煤矸石堆积等全面 分析，对场地边坡的破坏机理进行了研究，确定了常见的三种倒渣场破坏模式：沿倒渣 场地基软弱层滑坡、倒渣场内部滑坡和沿地基接触面滑坡；分析了倒渣场的稳定机制， 在特定的条件下推导了倒渣场的堆高计算公式。采用s a r m a 法计算了边坡的稳定安全系 数，并和先进的数值计算软件f l a c 计算出的倒渣场安全系数进行了比较。比较结果表 明，该边坡在日常状态下是基本稳定的，但在遭受长时间降雨或较大震动的时候仍会滑 动，是不安全的，对1 撑拦渣坝下方的居民区和厂矿区的安全形成潜在威胁。只有对其进 行处理才能保证拦渣坝下方的安全。同时，考虑到美化倒渣场周围的自然环境，本文采 取了国际流行的边坡加固方法：植物固坡技术。介绍了植物固坡的优点，分析了植物根 系加固边坡的力学机理，建立了植物根系加固边坡的力学模型，根据现场植物根系拉拔 试验总结出植物根系在土壤中的分布规律，计算出植物根系对土层抗剪强度的贡献，得 出摩擦型根( 浅层侧根系) 对土层的加筋作用，锚固型根( 深层垂直根系) 对土层的加 锚杆的作用，还根据实际情况得出植物固坡会对边坡产生的影响以及植物固坡的局限性 和负面影响，最后根据当地气候环境决定采取刺槐和沙棘混交来加固边坡。 关键词：稳定机制；边坡稳定性；数值计算；植物固坡 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t a b i l i t ya n a l y s i so fw a s t e - d u m pc o m p o u n dm e d i u ms l o p ea n d r e s e a r c hf o rb i o t e c h n i q u e s p e c i a l t y ：s o l i dm e c h a n i c s n a m e：z h ux i a n g h u i i n s t r u c t o r ：g u oz h i y o n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) 2 型巡丝! 兰翌! 羔丝： ， 、 ( s i g n a t u r e ) ，n l i sp a p e rc o m b i n i n go n ew a s t e - d u m p ，c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z et h ec o m p o u n dm e d i u mi n g e o l o g y ，h y d r o l o g ya n dt h ec o a lm i n ew a s t ed e p o s i t s t u d yt h eb r e a k a g em e c h a n i s mo ft h e s l o p ea n de n s u r e3k i n d so fb r e a k a g em o d e s ：s l i d ea l o n gt h ew e a kl a y e ro ft h eg r o u n d s i l l ； s l i d ei n s i d et h ew a s t e d u m p ；s l i d ea l o n gt h ei n t e r f a c eo ft h eg r o u n d s i l l a n a l y z et h es t a b i l i t y m e c h a n i s mo ft h ew a s t e - d u m p ，d e d u c et h eh e i g h tf o r m u l ao ft h ew a s t e - d u m pu n d e rc e r t a i n c o n d i t i o n s c a l c u l a t et h es a f e t yf a c t o ro ft h es l o p ei nt h ew a yo fs a r m a , a n dc o m p a r e 、析t l lt h a t o fu s i n gf l a c t h er e s u l ti st h a tt h es l o p ei ss t a b l eu n d e rd a i l yc o n d i t i o n s b u ti tw i l lb e d a n g e r o u si ft h er a i ni sh e a v ya n dl a s t sl o n go rs u f f e rb i ge a r t h q u a k e s i tw i l lt h r e a t e nt h e r e s i d e n t i a la r e aa n dp a r to ft h ec o a lm i n ei nt h ef o o to f1 4d a m w e h a v et od e a lw i t ht h ed a m i no r d e rt op r o t e c tt h er e s i d e n t i a la r e aa n dp a r to ft h ec o a lm i n e i no r d e rt ob e a u t i f yt h e e n v i r o n m e n ta r o u n dt h ew a s t e - d u m p ，b i o t e c h n i q u e ，p o p u l a ri ni n t e m a t i o n a li ns t r e n g t h e n s l o p e ，i sa d o p t e d 1 1 圮a d v a n t a g e so fb i o t e c h n i q u e h a v eb e e ni n t r o d u c e d a n a l y z et h e m e c h a n i c sm e c h a n i s mo fp l a n t sr o o ts e d e ss t r e n g t h e nt h es l o p e ，f o u n dt h em e c h a n i c sm o d e l o fp l a n t s r o o ts e d e ss t r e n g t h e nt h es l o p e ，s u m m a r i z et h ed i s t r i b u t i n gr u l eo fp l a n tr o o ts e r i e s i nt h es o i l ，w o r ko u tt h ep l a n tr o o ts e r i e sc o n t r i b u t i o ni ns o i ls h e a rs t r e n g t h ，d r a wac o n c l u s i o n t h a tr e i n f o r c ee f f e c ti sc o n s i d e r e dt h a tt h er o o ts e r i e sa c to n t ot h es o i l ；t h ea n c h o re f f e c ti s c o n s i d e r e dt h a tt h em a i nr o o ta c to n t ot h es o i l 1 1 1 el o c a l i z a t i o na n dn e g a t i v ei n f e c t i o nt h e p l a n tw i l lp r o d u c ea r ee d u c e d l a s t l yp r o p e rp l a n t sa r ec h o s e nt os t r e n g t h e nt h es l o p e a c c o r d i n gt ot h el o c a ls u r r o u n d i n g s k e yw o r d s ：s t a b i l i t ym e c h a n i s ms t a b i l i t yo fs l o p e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n b i o t e c h n i q u e t h e s i s：r e s e a r c hf o ra p p l i c a t i o n 西要料技夫学 学位论文独创性说明 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。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 其他人或集体已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。 学位论文作者签名：移匍似日期：认力7 。中t 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。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：净细令 指导教师签名：谬呷钧 谢7 苹印月功日 l 绪论 l 绪论 1 1 问题的提出 我国地域辽阔，有7 0 0 , 6 的山区，地质地理条件十分复杂，滑坡分布极为广泛。全国 各地都有不同规模的滑坡分布，是世界上自然灾害最为严重的国家之一。尤其是我国西 南、西北地区，很早以前史书上就有“山崩堵江，移山湮谷”的详细记载。据有关部门报 道，我国每年的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，正随着资源的开发而加剧。据统计， 全国每年由崩塌、滑坡、泥石流灾害造成的直接经济损失约3 0 - 4 0 亿元( 孙广忠，1 9 9 0 1 段永候等，1 9 9 3 ) ，该数字尚有逐年增加的趋势。它们的失稳破坏，有的是自然因素引 起，有的则与人类工程活动( 如采矿等) 有关，由它们引起的直接和间接经济损失，以 及由此引起的社会影响更是无法估量。 我国是一个煤炭生产和消费大国，每年的煤炭生产和消费总量均达亿吨以上。煤炭 在我国总能源结构中的比例占到7 0 e 以上。在煤炭开采和洗选加工过程中，排放出大量 的煤矸石。煤矸石是煤炭开采和加工过程中排放的废弃物，主要有三种类型：煤层开采 产生的煤矸石，由煤层中的夹矸、混入煤中的顶底板岩石如炭质泥( 页) 岩和粘土岩组 成；岩石巷道掘进( 包括井筒掘进) 产生的煤矸石，主要由煤系地层中的岩石如砂岩、 粉砂岩、泥岩、石灰岩、岩浆岩等组成：煤炭洗选时产生的煤矸石( 即洗矸) ，主要由 煤层中的各种夹石如粘土岩、黄铁矿结核等组成。煤矸石产出量一般要占到煤炭产量的 1 0 0 0 左右，约占全国工业废渣排放量的1 4 。目前我国煤矸石的积存量已达4 0 亿吨以上， 并且仍以每年1 亿吨以上的速度递增。矸石山侵占着大量的土地，其中大部分为耕地。 煤矸石是工业固体废弃物中排放和堆存量最大的一种。若不加以利用，长期堆放于 地表，不仅占用大量土地、影响自然景观、破坏小区内的生活环境，而且还会造成大气、 土壤、水体污染及衍生地质灾害的发生。大量煤矸石堆积如山，严重破坏了周围的自然 景观。国家“十一五”规划明确要求减少煤炭开采对生态环境的影响。因此，研究煤矸石 对生态环境的影响及其综合利用有着良好的社会和经济效益，并对西部少数民族聚居地 区的政治稳定和经济繁荣起到积极的作用。 1 2 研究现状 1 2 1 边坡稳定性研究现状 关于滑坡研究较早的是1 8 8 2 年瑞士的ah e i n l 发表的关于瑞士阿尔卑斯山区某处 滑坡的问题，至今已有1 2 0 多年的历史，目前正逐步发展成为- - f - j 成熟的学科。其发展 西安科技大学硕士学位论文 大致经历了三个阶段：早期对滑坡稳定性主要从土力学中极限平衡概念出发和从斜坡所 处的地质条件、作用因素的类比分析出发：5 0 年代，我国引进和发展苏联工程地质学， 继承其“地质历史分析法对滑坡稳定性的认识进入正规化、科学的轨道；8 0 年代，滑坡 稳定性研究进入了一个新的阶段。除侧重于稳定性分析方法的研究外，人们借助于数值 和物理模拟手段，在系统科学的指引下，对边坡地质体赋存环境内部应力状态、变形破 坏机制、影响稳定性作用因素等，从整体上内部作用机理等方面有了更为全面的认识和 理解( 发展高峰) 。随着生产的发展，人们发现由于滑坡地质体的复杂性、非线性、开 放性等特点，实际定量计算与实际有较大出入。又发展了可靠性分析理论，并借助于非 线性科学理论，如灰色系统科学理论、神经网络理论、分析理论、尖点突变理论、自组 织理论等，应用于解释滑坡变形过程及失稳方式和失稳时空预报等。这期间人们在研究 中提出并应用浅生时效改造理论研究并分析地质体的动态历史演化过程及其对岩体稳 定性及区域稳定的影响。 综上所述，目前研究滑坡稳定性的方法主要有：工程地质定性分析，包括地质历 史法、工程地质类比法；基于刚体极限平衡定量计算的方法，如目前的新成就s a r m a 法；计算机数值模拟，以有限单元法为代表；基于统计概率模型的可靠度计算； 各种新学科的引入如灰色理论、模糊数学理论( 可归于一类) 。 国际上自7 0 年代开始对矿山倒渣工艺、倒渣场边坡稳定性及其防治措施进行试验 研究都取得了一定的进展。 1 2 2 植物固坡研究现状 植物固坡的实践历史久远，最初主要用于河堤的护坡及荒山治理。在我国春秋时期 安徽寿县就出现了用草来加固土坝的水利工程。在中世纪，法国、瑞士的运河就采用栽 种树木的方法来防护，在我国明朝出现了通过载植柳树来加固与保护河岸，在1 7 世纪 用栽种树木用来保护黄河。植物固坡这一古老的技术直到2 0 世纪初才被人们重新发现 和认识。作为一项工程技术，人们从固坡理论及技术应用两方面做了大量的研究。 在欧美国家生态护坡技术应用已有很长的历史，美国在1 9 3 6 年在南加利福尼亚州 a n g e l e sc r e s t 公路边坡治理中就应用了生态护坡技术i i j ，日本的生态护坡几乎与其公路 建设同期发展，至今已经有半个多世纪的历史，获得多项生态护坡技术的专利【2 】。二战 以后，日本大规模的公路建设为其现代坡面绿化提供大量的机会，1 9 6 0 年，日本引进当 时很先进的液压喷播技术，1 9 7 3 年开发出纤维土绿化工法( f i b e r - s o i lg r e e n i n gm e t h o d ) 标志着岩体绿化工程的开始，后面又开发出高次团粒s f 绿化工法( s o i l f l o c kg r e e n i n g m e t h o d ) 和连续纤维绿化工法。尽管植被固坡获得广泛的应用，但是形成门学科，还 是近十几年的事，至今还没有一个很贴切的术语，英文有b i o t e c h n i q u e ， s o i l - b i o e n g i n e e r i n g , v e g e t a t i o n 或r e v e g e t a f i o n 等，国内也有植被护坡、植物固坡、坡面 2 1 绪论 生态工程等。在国际上专门以植物固坡为主题的首次国际会议于1 9 9 4 年9 月在牛律举 行。国外一般把植物固坡定义为：“用活的植物，单独用植物或者植物与土木工程和非 生命的植物材料相结合，以减轻坡面的不稳定性和侵蚀例。 国内在植物固坡技术应用方面的研究起步较晚，2 0 世纪9 0 年代以前一般多采用撒 草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡方式。1 9 9 1 年中国 黄土高原治山技术培训中心与日本合作在黄土高原首次进行了坡面喷涂绿化技术( 即液 压喷搔) 试验研究。此后，经过十年左右的发展完善，液压喷播技术已广泛应用于我国 不同地区的公路、铁路、市政及水利等工程中的边坡防护。1 9 9 3 年我国引进土工材料植 草护坡技术，随后土木工程界与土工材料生产厂商合作，开发研制出各式各样的土工材 料产品，如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室等，结合植草技术在公路、铁路、 市政及水利等工程的边坡中陆续获得应用。 对于劣质土坡及岩石边坡的植物防护，目前国内的研究很少。李旭光【4 j 和张俊云 s 1 分别介绍了日本的客土喷播护坡技术。章梦涛、张俊云、周颖等在借鉴日本同类技术的 基础上，进行以土壤为主要材料、硅酸盐水泥为粘结材料的喷混植生试验，并在内昆、 株六铁路及惠河高速公路进行了现场试验，取得一些研究成果。但是总的来说植物固坡 的研究成果远滞后于工程应用，有关植物固坡的成果也很少；而且没有制定统一的设计、 施丁规范，导致设计理论、旋工方法各行其是，工程预算也难以统一；另外与之配套的 设备和原材料也没有相应的规范；所以提出相应的设计、施工方法、施工质量管理和工 程验收标准是当务之急。 1 3 存在的问题 我国对于滑坡的系统研究是建国后才开始的。成立较早的是1 9 5 1 年成立的西北铁 道干线工程局“塌方流泥”小组，即今日中国铁道科学院西北分院雏形。几十年来，我国 在滑坡研究方面取得显著进展。但同国外相比，现在还存在以下问题： ( 1 ) 研究应该注意到，边坡地质体是人类工程活动的有机组成部分，而不是孤立 的自然地质体，它或者是工程的背景、或者是工程的材料或结构、或者兼而有之。边坡 地质体有着较强的自稳能力和非线性的演化历史，现有的研究中忽视或者未重视边坡的 上述特点。 ( 2 ) 滑坡研究中，往往追求精确解而对基础地质定性评价分析忽略。其实滑坡体 往往是复杂的自然历史的产物，忽视其演化发展历史及其周围赋存的环境是不现实的。 ( 3 ) 滑体力学参数的测定和边界条件的确定略嫌不足，往往使先进的计算机数值 分析和数值模拟可用性降低 ( 4 ) 就目前所能得到的文献来看，尽管国外对土壤抗剪强度与土壤抗冲刷能力之 间的关系研究较多，但是目前在土壤抗剪强度与土壤抗侵蚀能力之间的关系研究上进展 3 西安科技大学硕士学位论文 缓慢，而国内关于此方面的论文成果更为少见。 ( 5 ) 边坡冲刷防治迫切需要逐步形成和建立植物根系对土壤抗冲刷性机理的研究 体系，进一步研究不同植被情况下根系增强土壤抗剪能力及其对边坡表层抗冲刷性贡献 的定量研究，有效调控植被草种和数量，提高边坡表层稳定性。在土壤抗剪强度与土壤 抗冲刷能力之间关系基础上，结合土中根系含量的情况来进行研究，创建根系影响边坡 浅层抗冲刷能力的完整体系在根系护坡力学效应中尚属空白，有待进一步探索和研究。 1 4 本文所做的主要工作 本文研究了华亭煤矿倒渣场所处的工程地质环境，讨论了倒渣场边坡发生失稳的机 制，对影响倒渣场的稳定因素进行了分析。在此基础上，对倒渣场稳定性进行了数值模 拟，之后对边坡采取了植物加固的方式。主要内容如下： ( 1 ) 、分析了该复合介质边坡的破坏机理及影响该边坡稳定性的因素。 ( 2 ) 、t 程地质原型研究。研究倒渣场边坡所处的工程地质环境条件，包括地形地 貌特征、地层岩性、水文地质条件、构造格架及其演化历史、边坡周围的人类工程活动。 ( 3 ) 、总结了前人对边坡稳定性分析的研究成果。采用传统的极限平衡计算方法对 倒渣场边坡的稳定性进行了力学计算和评价，分析了可能发生的边坡失稳形式及安全系 数。 ( 4 ) 、对倒渣场边坡稳定性进行了数值计算和评价。本论文依托先进的计算机技术， 采用f l a c 软件对边坡的稳定性进行数值计算和评价，找出了最危险滑动面，为植物固 坡提供了理论依据。 ( 5 ) 、植物根系对复合介质边坡的加固。分析植物固坡的力学机理，综合比较了采 用合适的乡土树种加固边坡，并考虑到边坡周围的景观要求栽种了相应的植物。 1 5 研究的技术路线 本论文研究内容涉及到改善矿区生存环境、加强安全生产和促进可持续发展的大问 题，所以研究过程中采用现场调查( 监测) ，室内理论研究和现场综合治理方式相结合 的技术路线，主要包括： ( 1 ) 以环境安全问题研究为核心，通过现场地质、水文等全面调查与分析，研究 矸石堆放层次序列和尺度特征，粉尘污染范围、水土流失程度、地表塌陷区定量描述以 及新增水土流失分析与预测； ( 2 ) 建立倒渣场堆积高度计算模型，推倒倒渣场极限堆高公式； ( 3 ) 根据现场监测和数值模拟计算结果，对矿区产生衍生环境灾害的趋势和危险 性进行综合评价； ( 4 ) 根据评价结果，对边坡进行加固处理，为衍生环境灾害治理提供控制方案。 4 2 倒渣场边坡破坏机理及稳定影响因素分析 2 倒渣场边坡破坏机理及稳定影响因素分析 2 1 倒渣场破坏机理研究 倒渣场( 矸石山) 的边坡稳定性研究不同于露天采场边坡稳定性研究，它涉及散体 的块度组成、物理力学性质，地下水的周期性变化，最危险滑动面的搜寻与确定，计算 方法的选用等复杂内容。倒渣场破坏模式主要和废石堆中软弱夹层、地基坡面、地基软 弱层、地基中的地质构造和地形相关，另外地表降水和天然及人工地震的影响也是很重 要的因素，同时还与倒渣场堆料的密实度、块度分布和岩性密切相关。这些影响边坡稳 定的因素分析将在本章第二节论述。 2 1 1 倒渣场滑坡破坏模式 根据我国部分倒渣场的典型滑坡事例的分析，倒渣场滑坡破坏模式主要有：沿倒渣 场地基软弱层滑坡、倒渣场内部滑坡和沿地基接触面滑坡三种形式。 ( 1 ) 沿倒渣场地基软弱层滑坡。倒渣场地基含有软弱地层或软弱面时，由于软弱 层的强度或承载力较低，在雨水、震动或倒渣场散体岩石载荷等因素作用下容易产生地 基沉降和差异沉降，从而引发沿软弱地基的滑坡。 研究表明，软岩地基在倒渣场排弃物料压力作用下压缩沉降变形。在排弃初期，软 岩地基内部孔隙水压力增大，承载能力降低，此时，若压力控制不好就会导致地基破坏 和滑坡；但缓慢加载时随着外部压力增加，地下孔隙水逐步排出去，孔隙水压力逐渐消 散，软地基被压实和固结，这时地基的承载能力达到最大值，在这种状态下的倒渣场高 度谓之极限高度，如果继续排弃加载增加高度，则地基首先出现剪切变形，继而失去承 载能力并出现塑性变形和底鼓，最后导致倒渣场滑坡。 ( 2 ) 倒渣场内部滑坡。所排放出的废石所形成的边坡不能承受外力的作用所产生 的滑坡。其破坏形式有三种情况： 沿着一个倾斜于两组不连续面的十分清晰的平面发生剪断。 形成一狭窄的破坏带，其中除了情况( 1 ) 中的滑动和材料的破坏之外，岩块发 生了旋转。 形成一种柱状体的纽结带，这些受到旋转和分离的柱状体由一定宽度的岩块组 成。 ( 3 ) 沿地基接触面滑坡。当倒渣场散体岩石与地面接触面之间的摩擦强度小于倒 渣场堆料内部的抗剪强度时，易发生沿地基接触面的滑坡。沿地基接触面滑坡大多发生 在地基倾角较陡或接触面为软弱层的情况下m 。 西安科技大学硕士学位论文 倒渣场的破坏模式除以上三种外，还有一种介于水流和滑坡之间的模式是泥石流， 它是含有大量松散物质、水和空气的三相体，它是各种自然力和人为因素综合作用的结 果。 2 1 2 倒渣场稳定机制研究 据不完全统计，目前全国煤矿区历年累计堆放的煤矸石约4 5 亿吨，规模较大的煤 矸石山有1 6 0 0 多座，占用土地约1 5 万公顷，而且每年还以1 5 - - - 2 0 亿吨的速度增加。 随着采煤业的发展，煤炭资源开发与环境保护之间的矛盾日趋尖锐，土地占用与费用问 题更显突出。在渣场稳定基础上，开辟倒渣场用地新来源，增加已有渣场堆容，发展新、 高倒渣技术成为煤矿的当务之急。国内外一些学者认为，基底承载能力足够的倒渣场， 随着台阶增高，其稳定性降低。其实，这种认识不完全正确，它妨碍有条件的高台阶倒 渣的正确决策。众所周知，倒渣场边坡的形成不同于露天矿山边坡：矿山边坡面是由人 工开挖形成的，边坡稳定状态取决于其临界稳定状态与人工开挖形态之间的差别；而倒 渣场边坡体坡面是被排弃散体在自重作用下形成的，其形态主要取决于散体动摩擦效 应，坡体稳定性主要取决于散体静摩擦效应。 ( 1 ) 倒渣场坡面形成的动摩擦效应。倒渣场散体排放后，在自重作用下细料大多 停留在倒渣场上部，大块粗料大多滚落到坡底，边坡中部由细粒到中粒以中粒为主。对 于坡高小于4 0 m 的倒渣场，尽管具有这种总趋势但分界不明显。随着台阶高度大幅度增 加，这种趋势越明显，且倒渣场边坡面呈上陡下缓的凹形边坡面。假定倒渣场散体由细、 中、粗颗粒组成，倒渣场散体排放使各级颗粒按能量守恒原理克服各自动摩擦力在坡面 ( 或基底面) 上运动直至静止。对上段边坡面( 或基底面) ，中粒、粗粒以滚动磨擦形 式通过，耗能极小，偶尔也以挟持或撞击方式给细粒以极少能量补充。细粒是由运动至 静止的主体，并以滑动磨擦形式运行，赢至耗尽势能。据此，可由能量守恒定理按下式 确定在高为h ，的边坡上段细粒动磨擦因数u ，： 1 m , g 啊( s i n a , 一坼c o s 7 1 ) = 亡 ( 2 1 ) 二 式中：确为细粒质量；g 为重力加速度；吼为上段坡面倾角；m 为沿上段坡面速度； 弘为细粒动摩擦因素。对于中段边坡面，粗粒以滚动形式通过并偶尔作用于中粒而耗能， 中粒以滚滑形式运动直至静止。其沿中段坡面运动的能来自两部分：其一为通过滑动面 上部分剩余位能m 2 矾( s i n a l - - u 2 i c o s1 ) c o s ( a 2 一啊) 一2s i n ( a 2 一q ) 】，其二为在坡面中 部位能m 2 9 ( s i n 一甜2 c o s 口2 ) ( 其中：z 2 为中粒动摩擦因素坞为中粒段高度) 。二者 共同作用使中粒沿h 坡段斜面滚滑，即： 1 2 眈( s i n 7 i 一甜2 l c o s g 1 ) 【c o s 2 一q ) 一u 2s i n ( a 2 一q ) 】+ 6 2 倒渣场边坡破坏机理及稳定影响因素分析 m 2 9 必( s m a 2 一材2 c o s a 2 ) = 嵋 ( 2 2 ) 其中，地。为中粒在细粒短滚动时的摩擦因素。由于一吼* 0 ，因此，作为一阶近 似，( 2 2 ) 式可简化为： m 2 9 ( 咖一“2c o s a 2 ) = m 2 嵋 ( 2 3 ) 对下段坡面也可作类似考虑，以确定相应的粗粒在下段的滚动磨擦因数。 综上所述，由细、中、粗粒运动时相对磨擦形态从滑动、滚滑向滚动转化，势必出 现上陡下缓的凹形边坡面川。 ( 2 ) 静摩擦效应使高台阶倒渣场具有高稳定性。倒渣场坡面形成后，倒渣场边坡 的稳定性取决于散体静磨擦效应。对于细、中、粗粒相对分明的高台阶倒渣场，由于咬 合、嵌入作用，很显然有u 3 0 材1 0 ( , 3 0 ，“，材l o 分别为粗、中、细颗粒散体静磨 擦因数) ，u 。 u i ( i = 1 , 2 , 3 ) ；但细粒散体动、静摩擦因素之差最小，作为安全储备可假 定二者相等，即“，。= 虬，作为二级安全储备。再假定。= u 。= “i o ，由此得上、中、下 区段安全系数分别为南= 岫，七2 = 甜。如，七3 = 岣总体边坡安全系数为： _ i 。：骅：丛生必 ( 2 4 ) 2 荔2 气筲 q 4 当倒渣场台阶总高度h 继续增加时，由于啊绝对高度几乎不变，且及毛值保持恒 定，因而鸭大幅度增加， t u ，减小，岛增加，k 也随着增大。可见，倒渣场随台阶高 度增加，其稳定性也增加。 2 1 3 确定倒渣场极限堆高计算体系 倒渣场堆高与稳定性紧密相关。对于那些有可能促成内部滑坡或沿倾斜基底接触面 滑坡的倒渣场，其堆高可与倒渣场稳定性分析一起考虑；对于平缓基底倒渣场，基底往 往由或薄或厚表土及基岩组成，倒渣场堆高主要决定于基底承载能力。目前，人们仅从 基底表土层的变形与承载能力来确定倒渣场堆高，实践已表明，这在许多场合会得出错 误结论，从而延误工程进展并造成巨大经济损失。基于这种现状，急需从倒渣场基底承 载机制出发，研究表土基底变形、破坏直至底鼓而导致倒渣场破坏失稳的全过程。 ( 1 ) 我国现用极限堆高计算方法及应用状况。我国倒渣场工程研究始于上世纪8 0 年代，直到目前国内外平缓基底倒渣场堆高均用基底表土变形与承载力来确定。在倒渣 场散体自重荷载作用下，基底表土层压缩变形为： j i = 螂( 1 + q ) ( 2 5 ) 式中口为基底表土压缩系数，e 为孔隙比，日为倒渣场堆高，为散体密度，j l 为 土层厚度。当相对变形a h h 达1 5 - 一2 0 时，表土层破坏，并以此来确定倒渣场堆高圩。 7 西安科技大学硕士学住论文 在倒渣场堆积物荷载作用下，由基底表土层内摩擦角妒和粘聚力c 等可导出极限承载能 力晶为： 只：日，：坐丝兰! 盟 ( 2 ，6 ) 。c o t 口+ 里一至 1 8 02 式中日，同式( 2 5 ) 。 8 0 年代初，我国对多个大型渣场进行倒渣场稳定性研究，进行了倒渣场基底承载能 力与倒渣场极限堆高探讨，并对其中部分开展科研及工程处理。实践表明，对于许多超 大型高台阶倒渣场，利用式( 2 5 ) 或式( 2 6 ) 来确定倒渣场极限堆高往往会得出错误 结论，从而造成巨大经济损失，分析其原因可得出如下结论：两公式中倒渣场极限堆高 日，均与表土层绝对厚度h 无关，倒渣场极限高度日的确定没有反映表土厚度l i ，的作用， 这是根本的缺陷；两公式把表土层破坏与倒渣场破坏两者等效，而倒渣场破坏又与倒渣 场极限堆高确定相对应。因而由表土层破坏直接来确定倒渣场堆高，实践发现两者不总 是等同的，只有当表土层底鼓破坏倒渣场时才能由此确定倒渣场极限堆高，其关键是机 制研究问题；只有既考虑表土层厚度又考虑表土与倒渣场底部废石接触条件，才能正确 认识废石排放引起的从基底破坏到倒渣场破坏的全过程，从而导出确定倒渣场极限高度 的方法与公式，这不同于一般构筑物基础与表土地基间的相互作用。 ( 2 ) 基底表土冲剪破坏与表土挤入废石厚度。倒渣场作为一种特殊工程体，其极 限堆高日与基底表土变形、承载能力问的关系式( 2 5 ) 及式( 2 6 ) ，显然是在构筑物 与表土地基间相互作用基础上导出的，但倒渣场底部废石与表土基底问的作用与之不完 全相同。构筑物的地基表土可视为弹性、连续、水平各向同性，处于静力平衡状态。当 荷载完全柔性时，地基土表面压力等于荷载强度；当基础刚性，变形均匀，粘性士压应 力分布呈边缘大、中央小的马鞍形，而砂性土压应力里中央大、边缘为零的抛物线形。 在这种接触条件下，应力应变分布使地基土变形与承载力控制了构筑物稳定性，当表土 变形或承载力超限，必然使上部构筑物破坏。地基破坏等同于构筑物破坏，对于重要构 筑物，把地基远未破坏变形的受力状态规定为构筑物的安全限值。倒渣场不同于一般构 筑物，它是以人工排入形式把形状、大小各异的废石块在自重作用下堆积于或薄或厚的 t 表土基底上，它是一个特殊工程体：杂乱无章的离散分布废石块承受上部堆体荷重，又 f 以各不相同的应力集中系数作用于下伏表土基底，故倒渣场底部废石与基底表土间接触 是不连续的、离散呈蜂窝状、刚性与塑性体间嵌合式接触。这种接触又是由废石排放逐 步形成。 随着倒渣场加高及荷载增加，在较低承载力下基底表土发生冲剪破坏，其特征是破 坏面的轮廓不明显，在废石底下的土体竖向压缩显著，两侧的表土扰动极小，相当于表 土挤入倒渣场底部废石间的孔隙中。冲剪破坏并不影响倒渣场废石骨架承受倒渣场散体 8 2 倒渣场边坡破坏机理及稳定影响因景分析 荷载的总格局，也不会导致倒渣场滑坡与失稳。冲剪破坏时表土强度指标c 和p 与整 体剪切破坏时相应强度指标c 和伊具有下列关系： c = 0 6 7 c( 2 7 ) 口= a r c t a n ( o 6 7 t a n 钐) ( 2 8 ) 冲剪破坏导致表土挤入废石间隙的量主要决定于废石体孔隙比e 。或孔隙率, 。上挤 表土由接触面向上逐层上升，可把倒渣场底部废石体平均粒径作为统计意义上的层高。 表土由散体中的下一层挤到上一层决定于层间孔隙通道的出现概率，上挤力只用于克服 废石骨架摩擦阻力。很显然，通道出现概率与废石平均粒径同表土平均粒径比值以及废 石散体均匀度等密切相关。对于出现的最小概率可按啊，栉。来考虑，并按0 0 1 的工程精 度要求来确定表土上挤的废石层数m ；对于通道出现的最大概率可视各层间孔隙都相 通，以上挤力与阻力相平衡来确定上挤废石层数，实际表土上挤高度在上述两者之间。 按上述分析可知，表土挤入倒渣场底部废石中的量相当于接触面积相同的等量表土厚度 的最小值_ i l o 一，即： 一2 善以( 番。 q 9 ) ( 南) _ + 1 o o l ( 2 1 0 ) 式中以，e 。，m 分别为倒渣场底部废石平均粒径、孔隙比、废石层层数。等量表 土厚度的最大值一为： 一= m d ( 丁导_ ) ( 2 1 1 ) l 十e i 且 ， ( 三l 州 0 0 1 ( 2 1 2 ) l + e i 则等量表土厚度介于上述两者之间，即。 h o 可分为h h o + k 两种情况。当h 1 , o + k 为厚表土基底。倒渣场堆高达式( 2 5 ) 或式( 2 6 ) 所 示高度，基底表土处于整体剪切破坏，表士从倒渣场坡趾前缘底鼓滑出。表土基底中剪 应力最大值位于边坡中点下方，剪切破坏与底鼓导致不均匀沉降，倒渣场边坡滑坡，此 时倒渣场堆高可按式( 2 5 ) 或式( 2 6 ) 确定。 ( 4 ) 倒渣场极限堆高确定程式与方法。倒渣场极限堆高确定程式与方法如下。 相关资料收集与参数测试主要包括倒渣场、基底表土，基岩三个方面。倒渣场设计堆高， 决定于总体坡角声，散体密度y ，底部废石平均粒径丸，散体孔隙比q ，基底表土厚度 h ，粘聚力c ，内摩擦角p ，压缩系数o r ，孔隙e 2 ，风化基岩厚度，岩性与风化程度， 软化系数，强度与变形模量等。表土类别判别按式( 2 9 ) ( 2 1 2 ) 求出挤入倒渣场 底部废石中等量表土厚度一，。，h o ；再据式( 2 - 1 3 ) 求出表土层底鼓临界厚度k 按基底表土层厚度h 确定表土类别：h h o + | j i 。为厚表土层，h = + 丸为临界厚表上层， 矗 = 嘉心+ ) 拧，删“( ? + ? ) _ 斛( ? + 品一趔。】( 4 5 ) 同理可求出( 霎马值。 0 x 由几何方程可求得单元的平均应变增量为 c 蚴= 三睁c 毒卜 6 ， 圈4 3 计算单兀不惹图 由广义胡克定律，各向同性材料的本构方程为： = 2 心+ 朋毛 ( 4 7 ) 式中：a ，为拉梅常数；e = 毛= 毛i + 9 2 2 + s 3 3 ，即体积应变， 1 f - _ ， d f2 0 f ， 因此单元的平均应力增量可表达成： ( q = 弛( 回+ 考厶磊 ( 4 8 同时，若以应力表示应变，则其本构关系为： = 警 + 盖碱 ( 4 9 ) 式中：v 为泊松比；e 为弹性模量；为应力第一不变量。 这样，通过上述各式的迭代求解，便可求出每一迭代时步相应各单元的应力和应变 值。进一步，由摩尔库仑屈服准则得： 吒= 巳留矿+ c ( 4 1 0 ) 将式( 4 1 0 ) 转换成用单元应力表示的形式： 厂= c r 3 一虬吼+ 2 c o y , , ) ”2 ( 4 1 1 ) 式中： 0 = ( 1 + s i n 伊) ( 1 - s i n 9 ) 。根据各单元厂值的大小可判断单元屈服与否( f _ l m m 的根段羽，根段每单 位面积上所受的正压力为民芦( 假设树根为垂直) ，1 ：o 为侧向土压力系数，为土的自 重。如果令根土之间的摩擦系数为p ，则相应的最大静摩擦力为，班，整段根的最大静 摩擦力合力为； = a 凰牌d l = 2 n r k o a r z d l ( 5 1 9 ) 式中：，一根段的半径； a = 2 a t d l 一根段的表面积。 图5 9 垂直根系力学作用模型 5 植物固坡研究 在垂直方向上的投影分量为： 够= 矽c o s # = 2 k 0 a , 坦d c o s 0 = 2 万蜀膨d z ( 5 1 9 ) 由式( 5 1 9 ) 可知：任意根段所受的最大静摩擦力在垂直方向分量与根的倾斜角度p 无关。 对于整个根系来说，设根的平均半径在深度方向的分布函数为r = p ( z ) ，根的数量 在深度方向的分布函数为n = q ( z ) ，则根系的最大摩擦力在垂直方向的分量为： f = 压够= p 幼；k o u y 口比= 主确肛：) 烈z ) 口d z ( 5 2 0 ) 000 式中：侧向土压力系数； 函数p ( z ) 和q ( z ) 的确定可采用现场量测并且拟合数据而获得，如：在测量人工油 松林群落根密度垂直分布时，可沿水平方向把垂直根系等分为n 个区段，对于任意区段， 可测得根的个数并测得每个根的半径，从而得到区段根的平均半径，对平均半径 拟合得到p ( = ) ，对拟合得到q ( 力，如表5 6 。 表5 6 1 5 年油松根的分布函数，0 ) 和q ( z ) ( 1 0 0 0 c m 2 ) 嗍 圭星垫!里堕! 婴2q 堕! 婴!星! 塑!堕! 婴!q 堕! 婴! o l o3 3 1 1 8 5 6 - - 6 0 4 0 0 4 1 0 2 04 0 81 26 0 - 7 02 5 02 2 3 - 3 0 2 5 91 l7 0 - , - 8 02 5 0 2 3 0 - - 4 01 7 9 7 8 0 - - , 9 02 1 02 4 0 - - 5 0 3 1 059 0 - 1 0 00 0 5 3 植物固坡的局限性和负面影响 5 3 1 根系加固效应的局限性 从前面的叙述可以看出：植物固坡工程主要是通过根系的作用来提高边坡浅层的土 体稳定性。并且这种加固效应是非常显著的，但是，大多数植物根系分布在地表以下1 5 m 的深度范围以内；某些深根性植物的根系虽然可以达到5 m 以下的深度，但是在这一深 度范围内，无论单根的直径、还是根系的总体密度都已大幅度减少，其加固效应也十分 有限。尽管植被可以植物遏制表层水土流失及浅层滑坡，但是在深层滑坡的防治方面， 其作用是有限的。 5 3 2 植被增加土体的渗透能力 土壤渗透性不仅是制约坡面径流、土壤侵蚀的重要因子，因而，研究植物根系对土 壤渗透性的影响具有重要的理论和实际意义。由于地下水位的下降，砂性土在低含水率 下地表可能收缩产生裂缝；植物及其枯枝落叶层为动物提供了食物和保护，而动物的洞 西安科技大学硕士学位论文 穴所组成的空隙也产生了裂隙；根系生长所引起边坡顶部的岩土体的裂开；植物根系腐 烂后形成的管状空间；枯枝落叶降解形成的腐殖质。这些大孔隙结构增大了土体的渗透 性，相对于土体自身的空隙。上述空隙在岩土体中构成了大空隙结构，这些大空隙结构 是由枯枝落叶、或者含有枯枝落叶的土体构成，相对比较稳定，显著优化了地下水的补 给环境，使得边坡能够吸收除了拦截损失之外的几乎所有降雨。在雨季，边坡的地下水 - 可能会“蓄满”。 5 3 3 植被加速岩土体的化学风化作 地下水的新老交替变化保证了岩石发生化学风化的连续性，这对岩石化学风化的影 响是非常大的。 众所周知，植物根系的呼吸作用和植物光合作用恰好是一个相反的过程，即吸收 0 2 并向土体中释放c 0 2 。尽管后者的规模要比前者小得多，但是它能使土壤中的c 0 2 浓度比大气中高出1 0 - 1 0 0 倍【4 飞植被发育时土体中的动物及微生物的新陈代谢也会产 生c 0 2 、可溶性有机酸和酸性有机残留物等，这些都会提高土壤的酸性。据文献 4 6 1 报 道，在夏威夷地区，地衣覆盖地区的岩石化学风化的速度至少是岩石裸露区的1 肛1 0 0 倍，由于地衣附着，热带地区的岩石剥蚀率一般为0 0 5 m m a 。 5 3 4 植被根系加速地下水流动用 植被的存在加速了地下水发生“渗入径流一蒸腾”循环的速度。雨季的降雨使得边 坡地下水位大幅度上升，甚至“蓄满”，在降雨间歇期植物的蒸腾作用是显著的，这样地 下水位就会在下次降雨之前大幅度下降，为下次地下水的补给腾出空间，如此反复，从 而形成不同于一般地下水的动态变化，随着地下水反复的循环，岩体结构的连续性，整 体性会发生渐进式的衰退，为斜坡的深层滑移有推助的作用。 5 4 固坡植物选择 固坡植物是活的自然植物，它主要通过根系、茎、叶的作用改善土层的水文状态， 提高土层的等效抗剪强度，阻挡土层的滑移与运动，提高边坡的稳定性。护坡结构物则 是由人工材料制成的各种导水、挡土与坡面覆盖物。它们各有自己的长处与局限性，二 者配合得好，可以相得益彰，充分发挥各自的功效；否则就会相互抵消，甚至两败俱伤， 例如根系与挡土护坡结构物不相容，结果树活了，而结构物遭到破坏。更有甚者，在陡 坡面上封闭覆盖有混凝土类材料，结果造成护坡材料与土坡界面附近的植物根系