基于可靠度理论的露天矿节理岩体边坡稳定性及设计优化研究

发布时间：2017-10-04 19:01

  本文关键词：基于可靠度理论的露天矿节理岩体边坡稳定性及设计优化研究

  更多相关文章： 露天矿 节理岩体 边坡稳定性 可靠性分析 边坡优化

【摘要】：露天矿边坡工程稳定性评价方面,传统上一直采用确定的安全系数评价,获得的安全系数都是由确定的计算方法得到的定值,未考虑岩土材料参数客观上存在的变异性和不确定性,导致存在边坡安全系数大于设计标准,而可靠性却并不满足稳定性要求的情况。尤其是对于节理岩质边坡而言,岩体强度参数的变异性和不确定性对边坡稳定性影响较大。本文以赞比亚穆利亚希露天铜矿为研究对象,综合现场调查、室内试验、理论分析以及数值模拟研究等手段,基于可靠度理论和方法对节理岩体边坡展开可靠性研究,从边坡可靠性角度揭示节理岩体边坡稳定性规律。已完成的主要工作和研究成果如下：(1)结合赞比亚卢安夏穆利亚希露天矿边坡工程,在岩石力学试验以及现场勘察测绘数据的基础上,构建了以岩石单轴抗压强度(UCS)、岩质质量指标(RQD)和节理调查统计数据(节理迹长、裂隙宽度、粗糙度、充填类型以及风化程度)为输入参数的概率统计模型,并采用卡方检验对模型进行了吻合度检验。在广义Hoek-Brown准则的基础上,利用MATLAB编程及蒙特卡洛随机分析方法,获取节理岩体强度及变形参数的概率分布,得到穆利亚希南帮边坡RL7地层强风化、中风化、微风化泥质石英岩以及RL6地层泥岩等岩体强度参数的取值范围(最小值/最大值)以及平均值、标准差等统计值。为论文边坡可靠性分析提供了可靠的基础数据。(2)在广泛总结国内外现有研究成果的基础上,依据非煤露天矿边坡特点,在合理服务年限的基础上提出了边坡设计服务年限调整系数。采用类比法构建了基于边坡工程安全等级和设计服务年限等级双重因素的露天矿边坡目标可靠指标。在此基础上,依据穆利亚希露天矿边坡工程特点,确定了该矿整体边坡可接受目标可靠指标为1.86,局部非关键区域、台阶边坡可接受目标可靠指标为1.51。(3)基于拉丁超立方抽样技术,采用极限平衡分析方法,详细分析了穆利亚希露天矿南帮强风化岩体、中风化岩体以及微风化岩体强度参数变异性对边坡可靠度的影响规律。在此基础上,建立了6#剖面边坡和5#剖面边坡极限平衡分析模型,详细分析和评价了边坡局部和整体的可靠度。得到基本的评价结果如下：两个典型剖面边坡整体可靠指标分别为1.937和2.228,均大于1.86的目标可靠指标,边坡稳定性可接受。但对于6#剖面边坡上部以及5#边坡上部及中部台阶可靠指标较低,分别为1.491、1.504和-0.782,发生局部失稳的可能性较大。(4)将点估计理论(PEM)与节理有限元方法(JFEM)相结合应用于节理岩质边坡的稳定性评价中。依据边坡岩层特点,建立了以岩体强度参数为输入变量、边坡安全系数为输出变量的点估计模型。点估计状态函数的求解过程采用节理有限元建立边坡数值模型,应用强度折减法(SSR)计算输出边坡的安全系数,由PEM理论,得到边坡安全系数的可靠性指标和破坏概率等统计指标,评价节理岩体边坡的稳定性。(5)基于饱和-非饱和渗流理论和边坡可靠性分析方法,结合考虑岩体强度参数概率分布特征,研究了6#典型剖面风化岩体边坡在短时大暴雨和持续强降雨等不同降雨条件下边坡的渗流场以及可靠度随降雨持时的变化规律,进一步提出了降雨入渗影响边坡的防治措施。(6)在边坡稳定性分析与评价基础上,提出了穆利亚希露天矿南帮边坡的优化方案,对需要优化的边坡区域进行台阶坡面角优化,优化过程中引入可靠度分析方法评价边坡的稳定性,进而指导设计优化过程。通过优化处理,6#边坡上部、5#边坡上部以及5#边坡中部可靠指标分别达到了1.527、1.532以及1.550,均大于1.51的最小目标可靠指标,达到了边坡优化目的。
【关键词】：露天矿 节理岩体 边坡稳定性 可靠性分析 边坡优化
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD854.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 引言12-15
• 2 文献综述15-32
• 2.1 边坡稳定性研究现状15-19
• 2.1.1 边坡稳定性影响因素15-17
• 2.1.2 边坡稳定性分析方法17-19
• 2.2 可靠度基本理论19-22
• 2.2.1 功能函数与极限状态方程19-20
• 2.2.2 可靠指标和失效概率20-21
• 2.2.3 可靠度的表达方式21-22
• 2.3 可靠度理论发展历程22-23
• 2.4 边坡可靠性研究现状23-30
• 2.4.1 可靠性分析岩土参数概率研究23-24
• 2.4.2 边坡可靠性分析方法24-28
• 2.4.3 边坡破坏概率可接受水平28-30
• 2.5 本文研究内容30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 3 工程概况32-46
• 3.1 工程地质条件33-36
• 3.1.1 区域地质概况33-35
• 3.1.2 岩性特征35
• 3.1.3 地质构造特征35-36
• 3.2 区域水文地质36
• 3.3 岩土工程地质勘察36-39
• 3.4 节理及结构面调查39-41
• 3.5 边坡破坏模式初步分析41-45
• 3.5.1 平面滑动41-42
• 3.5.2 楔体滑动42-43
• 3.5.3 弯曲倾倒43-44
• 3.5.4 直接倾倒44-45
• 3.5.5 分析结果讨论45
• 3.6 本章小结45-46
• 4 基于Hoek-Brown准则的节理岩体强度参数概率分布特征随机分析46-72
• 4.1 岩体参数随机分析方法46-47
• 4.2 地质强度指标GSI47-49
• 4.3 输入参数概率分布模型49-60
• 4.3.1 岩石质量指标49-53
• 4.3.2 单轴抗压强度53-58
• 4.3.3 节理迹长58-59
• 4.3.4 裂隙宽度59
• 4.3.5 粗糙度59-60
• 4.3.6 充填类型60
• 4.3.7 风化程度60
• 4.3.8 岩石材料常数mi60
• 4.4 广义Hoek-Brown强度准则60-62
• 4.5 结果分析与讨论62-70
• 4.5.1 RL7强风化泥质石英岩62-64
• 4.5.2 RL7中风化泥质石英岩64-66
• 4.5.3 RL7微风化泥质石英岩66-68
• 4.5.4 RL6泥岩层68-70
• 4.6 本章小结70-72
• 5 露天矿边坡可靠性分析与评价72-111
• 5.1 露天矿边坡目标可靠指标的确定72-79
• 5.1.1 露天矿边坡合理服务年限73-74
• 5.1.2 露天矿边坡工程安全等级74-75
• 5.1.3 露天矿边坡目标可靠指标确定75-79
• 5.2 基于极限平衡法的边坡可靠性评价79-94
• 5.2.1 极限平衡计算理论79-80
• 5.2.2 拉丁超立方抽样80-82
• 5.2.3 岩体强度参数对单台阶边坡可靠度影响规律82-84
• 5.2.4 边坡可靠度分析与评价84-94
• 5.3 基于PEM-JFEM方法的节理岩体边坡可靠性分析94-109
• 5.3.1 PEM理论95-97
• 5.3.2 JFEM分析模型97-99
• 5.3.3 PEM-JFEM分析模型构建99-102
• 5.3.4 结果分析与讨论102-109
• 5.4 本章小结109-111
• 6 降雨影响下边坡渗流及可靠性响应规律研究111-132
• 6.1 降雨入渗饱和-非饱和渗流理论111-117
• 6.1.1 饱和-非饱和渗流有限元计算原理111-115
• 6.1.2 饱和-非饱和渗流分析数学模型115
• 6.1.3 降雨入渗条件下模型边界条件处理115-116
• 6.1.4 降雨入渗边坡稳定性分析方法116-117
• 6.2 降雨条件下边坡渗流及稳定可靠性分析117-130
• 6.2.1 边坡分析模型及材料参数118-120
• 6.2.2 初始稳态渗流场120-121
• 6.2.3 短时大暴雨条件下边坡瞬态渗流场121-124
• 6.2.4 持续强降雨条件下边坡瞬态渗流场124-128
• 6.2.5 考虑降雨条件下边坡可靠性分析128-130
• 6.3 降雨入渗影响边坡的防治措施建议130
• 6.4 本章小结130-132
• 7 基于可靠度分析的边坡设计优化132-143
• 7.1 边坡优化方法132-133
• 7.2 边坡初步优化方案133-138
• 7.2.1 初步优化方案133-134
• 7.2.2 基于可靠度的优化过程分析134-138
• 7.3 边坡最终优化方案138-141
• 7.4 本章小结141-143
• 8 结论143-146
• 8.1 主要结论143-144
• 8.2 主要创新点144-146
• 参考文献146-157
• 作者简历及在学研究成果157-162
• 学位论文数据集162

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 许英姿,余宏明,唐辉明;蒙特卡罗法在某厂区土坡稳定性评价中的应用[J];水文地质工程地质;2002年02期

2 杨坤;周创兵;张昕;李华晔;;边坡块状结构岩体模糊随机可靠性分析[J];岩石力学与工程学报;2006年02期

3 何淑军;张春山;吴树仁;孙炜锋;叶思源;王涛;辛鹏;;基于蒙特卡罗法的多级黄土滑坡可靠性分析[J];地质通报;2008年11期

4 伍国军;陈卫忠;谭贤君;杨典森;;基于拉丁超立方抽样的有限元可靠度程序开发及应用[J];岩土力学;2015年02期

，

本文编号：972295