露采顺层高边坡岩体力学参数反演优化与稳定性研究

发布时间：2017-03-22 17:01

  本文关键词：露采顺层高边坡岩体力学参数反演优化与稳定性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：岩体力学参数的选取是评价岩质高边坡稳定性的一项基础性工作,但由于岩体具有不均匀性和非线性的特点,造成岩体力学参数在选取上也表现出不唯一性和模糊性,如何选取科学合理的岩体力学参数对于评价边坡稳定性显得尤为重要,深入开展边坡岩体力学参数研究对于保障边坡工程的设计和安全运营具有重要的意义。本文依托“峨眉山市黄山石灰石矿山终了边坡稳定性论证与优化研究”项目,开展岩体力学参数及边坡稳定性研究。该矿山岩层倾向与坡向基本一致,为顺向边坡,主要可开采矿层为二叠系茅口组和栖霞组,矿层中含有多层软弱结构面,力学性质差,存在着严重的安全隐患,其中二叠系梁山组软弱夹层贯穿全区,成为影响终了边坡稳定性的主控因素。矿山曾在历史发生过多次顺层滑坡,造成了重大的人员和财产损失。本文在收集黄山石灰石矿山工程地质资料的基础上,通过详细的现场工程地质调查分析,从软弱夹层的物质基础、构造运动、地下水作用三个方面分析了软弱夹层的形成过程,并结合软弱夹层矿物成分、颗粒成分、发育特征等分析了软弱夹层强度特征影响因素,根据现场原位剪切试验、室内剪切试验和滑动带参数反算结果,综合对比分析确定软弱夹层力学参数。根据工程地质分区,应用RQD分类、CSMR分级方法和修正的BQ-RSlope方法进行岩体质量评价,结合RocLab程序,应用Hoek-Brown强度准则估算该矿山岩体的强度参数。最后,建立露天矿边坡工程地质数值模拟模型,应用FLAC3D有限差分法对边坡进行稳定性数值计算,对露天矿边坡稳定性做出分析评价,为矿山的设计和安全生产提供依据。取得以下研究成果：(1)通过对黄山石灰石露天矿边坡中发育的软弱夹层进行工程地质调查和工程地质性质的研究,认识到软弱夹层的形成是个复杂而漫长的地质历史过程。矿区软弱夹层的形成有其必要的物质基础、构造运动和地下水作用,主要包括含炭泥质灰岩和含泥砂质灰岩,矿区内发育四层延续性较好的软弱夹层,其中梁山组软弱夹层贯穿全区。根据对软弱夹层的矿物成分和颗粒成分的分析结果,结合现场软弱夹层的发育特征,从软弱夹层的自然属性和赋存环境分析了软弱夹层力学特性的影响因素,其中自然属性主要包括软弱夹层的矿物成分、粒度成分、厚度等；赋存环境主要包括地应力和地下水的影响,这共同决定了软弱夹层参数取值的模糊性和复杂性。采用多种方法对软弱夹层的抗剪强度参数进行取值,根据现场原位剪切试验和室内剪切试验得出软弱夹层的抗剪强度试验值。在现场滑坡工程地质特征调查的基础上,分析了滑坡的滑动机理,矿区滑坡属于牵引式滑坡,以滑移-拉裂为主要表现形式,滑坡是在内外动力作用下失稳破坏的,地层岩性和地质构造是滑坡发生的主要内在因素,不合理的开挖方式、爆破振动和降雨是滑坡发生的主要诱因。结合现场已发生滑坡的形态和性质,恢复滑坡滑动前的几何状态和受力状态,根据反算法原理进行滑动带抗剪强度参数反算。最后,对所取得的软弱夹层抗剪强度进行综合对比分析表明,三种方法求得的软弱夹层强度参数值较接近。现场原位试验较室内剪切试验取得的强度参数值小,更加符合实际情况,反算法得到的是全断面平均抗剪强度。据此,给出了黄山石灰石矿山边坡软弱夹层的建议值：C=0.04MPa,φ=29°(天然工况)；C=0.01MPa,φ=29°(饱和工况)。(2)根据矿区的地形地貌、岩体结构、结构面发育特征和工程地质岩组特性进行工程地质分区,将矿区边坡分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区。应用RQD分类、CSMR分级方法和修正的BQ-RSlope方法进行矿区边坡岩体质量评价,三种方法互相验证综合判别边坡岩体质量等级,评价结果表明：RQD分类体系表征矿区边坡岩体质量等级在很差～一般;CSMR分类体系表征矿区边坡岩体质量等级在Ⅴ～Ⅱ之间；BQ-RSlope分类体系表征矿区边坡岩体质量等级在Ⅴ～Ⅱ之间。受区域构造及后期爆破振动的影响,边坡岩体质量整体较差,其Ⅰ区岩体质量优于Ⅱ区岩体质量,Ⅲ区岩体质量最差,评价结果与矿区实际情况相符合；矿区内茅口组和栖霞组岩体破碎,岩体质量较差,梁山组地层贯穿全区,岩体质量等级为V级,厚度大,遇水后软化崩解,强度急剧降低。大乘寺组地层岩体质量等级为Ⅱ级,该层岩体结构呈薄板状产出,层间结合好,岩体质量较好,岩体较完整,强度高。因此,建议将奥陶系砂岩作为露天矿边坡最终底板层。最后,根据岩体质量评价结果,应用RocLab程序,利用Hoek-Brown准则进行边坡岩体力学参数估算。(3)通过对黄山石灰石露天矿边坡进行开挖数值模拟计算,对边坡的位移场,应力场,塑性区和剪应变增量进行分析,计算结果表明：露天矿的开采过程是个复杂的动态过程,在开挖初始阶段,边坡岩体开挖量少,岩体受扰动程度较轻,其位移量较小,以回弹变形为主,指向临空面方向,塑性区和剪切应变增量较小。随着边坡向深部开挖,其位移量和塑性区增大,剪应变增量也逐步贯穿全区。边坡岩体在开挖过程中不断受开挖卸荷、爆破振动等因素的影响,岩体产生新的裂隙,岩层层间结合力降低,导致岩体累积损伤,计算结果也论证了挖除梁山组软弱夹层的必要性。随着其开挖的深入,其揭露的与边坡稳定性有关的工程地质问题越来越多,具有很大的随机性和不确定性,因此,边坡稳定性评价工作要结合边坡开挖后的反馈信息进行修正。
【关键词】：软弱夹层 力学参数 反演优化 岩体质量评价
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD313
【目录】：

• 作者简介6-7
• 摘要7-9
• abstract9-14
• 第一章 绪论14-21
• 1.1 选题的来源、目的和意义14-15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 岩体力学参数取值研究现状15-18
• 1.2.2 岩体质量评价研究现状18-19
• 1.3 论文的主要研究内容及思路19-21
• 1.3.1 主要研究内容19-20
• 1.3.2 研究技术路线20-21
• 第二章 矿区工程地质概况21-28
• 2.1 矿区自然条件21-23
• 2.1.1 矿区交通位置21
• 2.1.2 矿区地形地貌21-22
• 2.1.3 矿区水系22
• 2.1.4 矿区气象条件22-23
• 2.1.5 矿区地震烈度23
• 2.2 矿区主要地层23-25
• 2.2.1 奥陶系下统大乘寺组(O_1d)23
• 2.2.2 二叠系(P)23-25
• 2.2.3 第四系全新统(Q_4)25
• 2.3 矿区主要地质构造25-27
• 2.3.1 褶皱25-26
• 2.3.2 断层26
• 2.3.3 节理裂隙26
• 2.3.4 岩溶分布26-27
• 2.4 矿区主要岩体结构类型27-28
• 第三章 软弱夹层的力学特性研究28-45
• 3.1 引言28
• 3.2 软弱夹层成因分析28-32
• 3.2.1 软弱夹层沉积环境与构造环境28-29
• 3.2.2 软弱夹层的发育特征29-31
• 3.2.3 软弱夹层的形成过程31-32
• 3.3 软弱夹层力学特性影响因素32-37
• 3.3.1 软弱夹层的自然属性32-35
• 3.3.2 软弱夹层的赋存环境35-37
• 3.4 软弱夹层物理力学试验37-39
• 3.4.1 现场原位直剪试验37-38
• 3.4.2 软弱夹层室内剪切试验38-39
• 3.5 滑坡滑动带力学参数反算39-43
• 3.5.1 反算法基本原理39-40
• 3.5.2 滑坡的工程地质特征40-42
• 3.5.3 滑坡的滑动机理分析42-43
• 3.5.4 反演计算结果分析43
• 3.6 软弱夹层参数取值对比分析43-44
• 3.7 本章小结44-45
• 第四章 边坡岩体质量分级与参数估算45-68
• 4.1 引言45
• 4.2 工程地质分区45-47
• 4.3 工程地质岩组划分47-48
• 4.4 边坡岩体质量分级48-59
• 4.4.1 RQD岩体质量分级48-49
• 4.4.2 CSMR岩体质量分级49-53
• 4.4.3 BQ岩体质量分级53-57
• 4.4.4 岩体质量综合评价57-59
• 4.5 基于Hoek-Brown准则岩体力学参数估算59-66
• 4.5.1 Hoek-Brown岩体强度准则59-65
• 4.5.2 Hoek-Brown准则的应用65-66
• 4.6 本章小结66-68
• 第五章 基于FLAC~(3D)的边坡稳定性评价68-76
• 5.1 引言68
• 5.2 工程地质数值模型的建立68-69
• 5.3 黄山石灰石露天矿边坡开挖稳定性分析69-74
• 5.3.1 黄山石灰石露天矿边坡位移场分析70-71
• 5.3.2 黄山石灰石露天矿边坡塑性区分析71-72
• 5.3.3 黄山石灰石露天矿边坡应力场分析72-73
• 5.3.4 黄山石灰石露天矿边坡剪应变增量分析73-74
• 5.4 本章小结74-76
• 第六章 结论与展望76-79
• 6.1 结论76-78
• 6.2 展望78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-84

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