充水沙质边坡破坏机理研究.pdf

分类号T D 7 4 3 U D C5 3 1 学校代码 10 14 7 密级公开 硕士学位论文 充水德质边坡破坯机理研究 S t u d y o nf a i l u r em e c h a n i s mo f ‘w a t e r - f i l l e d s a n d ys l o p e 作者姓名高龙飞 指导教师刘向峰教授 申请学位工学硕士 学科专业固体力学 研究方向矿山灾害力学 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王程堇盔太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝工程撞苤太堂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，学校可以将学 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、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名高兹洛 少件年J 月纱日 导师签名 年月目 万方数据 致谢 奉论文得钊国家自然科学基会面上项目“强震诱发复杂结构斜坡塌滑机理研究 1 0 9 7 2 0 9 6 ”、国家自然科学基金面上项目“废弃煤矿结构演化与水系调整规律 研究 5 1 2 7 4 l1 0 ”、项目青年科学基金项目“流变．渗流耦合作用下岩体结构损伤 规律研究 1 12 0 2 0 9 1 ”的资助。 本论文是在导师刘向峰教授，王来贵教授的悉心指导下完成，从选题、丌题、 资料收集到撰写，在各个不同的环节中，导师都给予了多方面的支持和帮助。导师 刘向峰教授以严谨的治学态度，渊博的专业知识，对学生的无私关怀和帮助，为论 文顺利完成给予了决定性的支持。刘老师严谨的治学态度、忘我的上作热情对我有 影响深远，使我终生受益。在此，衷心地感谢导师，向导师致以深深的敬意。 深深地感谢王来贵教授、杨建林老师和赵娜老师在论文实验部分及数值模拟部 分给予的大力帮助，l 刊时感谢在实验期间给予热情帮助和鼓励的师兄、师弟及同窗 兼同门的帮助。 最后，感谢给位老师在百忙之中抽出时间参加我的论义答辩并给予的指导 万方数据 摘要 随着露天矿山工程的发展，我国露天煤矿同益增加，对露天边坡破坏机理 的研究是一个难题，充水沙质边坡的破坏机理研究也很复杂。在充分调研国内 外对边坡稳定性评价研究成果的基础上，应用实验模拟、理论分析、数值模拟 等手段对充水边坡破坏机理进行研究；通过内外部注水实验获得了水对边坡的 浸润情况；通过水的携沙实验和充水边坡管涌机制的相关理论，获得充水边坡 破坏的相关实验参数。采用F E P G 有限元数值模拟软件模拟分析了在有孔洞或 空洞情况下，边坡的破裂过程以及破裂过程中的应力变化，从而所造成的边坡 破裂。通过以上的学习研究，更深层次的认识边坡的破坏机理，为矿山的安全 生产提供保障。 关键词边坡稳定性充水沙质边坡；管涌机制；F E P G 万方数据 A b s tr a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n to fo p e np i t ] n i n ee n g i n e e r i n g ，o p e np i tc o a lm i n eo fC h i n a ’S i n c r e a s i n g ，t h es t u d yo nf a i l u r em e c h a n i s mo ft h es l o p ei sad i f f i c u l tp r o b l e m ，r e s e a r c h o nt h ef a i l u r em e c h a n i s mo fw a t e r - f i l l e ds a n d ys l o p ei sa l s ov e r yc o m p l i c a t e d ．B a s e do n f u l l i n v e s t i g a t i o na n ds t u d ya th o m ea n da b r o a d o nt h es l o p es t a b i l i t ye v a l u a t i o n r e s e a r c hr e s u l t s ，a p p l i c a t i o no fs i m u l a t i o n e x p e r i m e n t ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n do t h e rm e a n so fw a t e r f i l l e ds a n d ys l o p ed a m a g em e c h a n i s mw a ss t u d i e d ； t h r o u g hi n t e r n a la n de x t e r n a l i n j e c t i o ne x p e r i m e n t ．T h ew a t e ri n f i l t r a t i o ns l o p e ；t h r o u g h o fr e l e v a n tt h e o r yo fw a t e rs e d i m e n tt r a n s p o r te x p e r i m e n t sa n dt h ew a t e r f i l l e ds l o p e p i p i n gm e c h a n i s m ，c o r r e l a t i o nt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sa r co b t a i n e dw a t e r f i l l e d s l o p e ．U s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eF E P Gs i m u l a t i o na n a l y s i s i nh o l e so r e m p t yc a s e s ，r u p t u r ep r o c e s so ft h es l o p ea n dt h er u p t u r ep r o c e s so fs t r e s s c h a n g e ，w h i c hc a u s e db yt h er u p t u r eo fs l o p e ．T h r o u g ht h es t u d ya b o v e ，t h ef a i l u r e m e c h a n i s mo ft h es l o p eo ft h ed e e p e ru n d e r s t a n d i n g ，t op r o v i d eg u a r a n t e ef o rs a f e t y p r o d u c t i o ni nm i n e ． K e yW or d s s l o p es t a b i l i t y ；w a t e r f i l l e ds a n d ys l o p e ；p i p i n gm e c h a n i s m ；F E P G I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． A b s t r a c t ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯． 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．． 1 ．2 。1 边坡稳定性国外研究现状⋯⋯．． 1 ．2 ．2 边坡稳定性国内研究王见状 1 ．2 ．3 边坡稳定性分析方法⋯⋯．． ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 ．．．．．．．．．．．．．．，．．．．．．．．．，，．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 1 ．3 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 水在沙体中渗流及携沙实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 。l 沙堆内部注水渗流实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．2 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．1 ．3 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．1 ．4 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．2 沙堆外部注水渗流实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．2 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．2 ．2 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．2 ．3 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．2 ．4 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．3 沙体中渗流的携沙实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．1 实验模型设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．3 ．2 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 ．3 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 2 ．3 ．4 实验过程及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 。5 实验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 沙质边坡破坏理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 万方数据 3 ．1 边坡稳定性影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 3 ．1 ．1 影响边坡稳定性的内部因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．1 ．2 影响边坡稳定性的外部因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 5 3 ．2 岩土体渗流理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．3 沙质边坡静力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．4 充水沙质边坡管涌机制理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．4 ．1 管涌的概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 ．4 ．2 充水沙质边坡管涌的形成机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 4 沙质边坡破裂数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ，l 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．2F E P G 有限元数值模拟水平孔洞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3F E P G 有限元数值模拟倾斜孔洞⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 5 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 I V 万方数据 辽’j J 程技术人学硕十学位论文 1 绪论 1 ．1 研究背景 露天边坡稳定性是露天矿设计中的重要组成部分，是现代矿山经济、安全研究的热点 和重点。随着露天矿山二【程的发展，丌采舰模不断扩大和深入，露天矿边坡失稳问题同趋 严重。内蒙伊敏东帮露天矿，锡林浩特大唐露天矿等边坡都是大量的充水，坡体不稳定， 容易引起破坏。华能伊敏露天矿位于大兴安岭西坡，伊敏河中下游地区，属内蒙古自治区 呼伦贝尔市鄂温克族自治旗管辖。伊敏露天矿位于大兴安岭西坡呼伦贝尔草原，海拉尔瓮 地东部，伊敏河中、下游地区，地貌景观以低山丘陵为主，地表自然标高最低6 6 4 ．9 4 m ， 最高7 5 4 ．7 3 m ，相对高差8 9 ．7 9 m 。同时伊敏河位于煤阳东侧，煤田地区原为古河道，区内 还有巴嘎诺尔湖等季节性地表水体，在融雪期和雨季有一定量的积水。因此，伊敏露天矿 由于构造形态、地貌条件等因素的影响，为地表水及地下水的汇集、赋存与排泄提供了有 利条件，总体地貌不利于坡体稳定 如图1 ．1 所示 。边坡失稳的问题成为影响露天矿安全生 产和经济效益的主要问题，通过对伊敏露天矿充水边坡稳定性因素的研究，可以进一步揭 示边坡变形失稳的机理，确定影响边坡稳定性的因素，并经过分析计算，对边坡稳定性做 I I 干r ≯纠i f 介，刈j ，K 人∥’边J 发稳j t 。P { ．f 门f 『J } 勺’ijI 彳j ‘} 分t R ‘婴n 勺f 见’丈，t 薹yl 川。 1 ．2 国内外研究现状 幽1 ．1 伊敏龆人l ；广坡体 F i g ．1 ．1Y i m i no p e np i ts l o p e 1 ．2 ．1 边坡稳定性国外研究现状 边坡的稳定性是岩土体力学研究的一个重要组成部分。其出现和发展与人类工程活动 的迫切需要和有关学科的迅速发展密切相关。在岩体力学的发展初期，研究岩体力学问题 万方数据 辽宁一I 。科技术人学硕十学位论文 时基本上采用了以材料力学和以简单的均质弹性理论为基础的土力学原理和方法。土质边 坡稳定分析的方法被应用于岩质边坡稳定问题的研究。在这个时期，边坡稳定性的计算方 法，其半经验半理论性质及假设滑动面具有一定位置和形状为其显著特点。例如，1 7 7 3 年 的库仑理论，1 8 2 0 年的F r a n s a 和18 8 6 年C l u m a n 的平面滑动分析方法[ I - 3 1 ，1 9 2 2 年瑞 典国家委员会发表的近似圆弧滑动面的分析方法，1 9 2 6 年F e l l e n i u 的瑞典圆弧稳定分析 方法【4J 等，均为当时各国普遍采用。岩体力学在二十世纪四十年代开始进入了重要的发展 阶段，在应用土力学的基础上，人们普遍认识到有必要也有可能引进一些较新的理论和方 法来解决潇如岩体边坡的一系列岩体力学问题。其中，S t i m i 、M u l e r 、R o c h a 、J a e g e r 、 T a l o b e r s a l u s t o w i c z 等人做出了很大的贡献。这个阶段，是以光弹性实验和模拟材料模型实 验为丰要特征。1 9 5 4 年索柯洛夫斯基根据介质的极限平衡原理提出了边坡稳定的计算方 法| 5 I ，是通过严格的数学推导来解决边坡在极限状态时滑动面的形状和位置，在边坡稳定 问题中得到了应用。同时，费先科【6 ．7 ] 还考虑了岩体中软弱结构面对滑动面的控制作用，并 根据松散介质的极限平衡理论，提出了一套边坡稳定性的训‘算分析方法，在研究和解决矿 山边坡稳定问题中得到了一定的应用。 至六十年代起，边坡稳定性研究在基础理论和方法等方面均有了较大的进展。在边坡 稳定的计算方面，基本上沿着两个途径进行一种是以极限平衡理论为基础，考虑岩体中 断裂结构面的控制因素，利用图解或数学分析计算方法，最后求得安全系数或类似于安全 系数的“破坏概率”的概念来进行边坡稳定性的定量评价1 8 1 ，如1 9 6 2 年T e i z a g h i 的陡 坡稳定论文中提出的“以刚体极限平衡为基础的半球体图解法”。另一种途径是以有限 元方法计算边坡的变形特征和应力状态。 七十年代后，原来已形成的一些边坡的计算分析方法得到了较大程度的发展，且逐渐 把岩体作为弹塑性介质、流变介质和更为复杂的多裂隙复合介质等。在这个时期，概率理 论己初步应用到边坡稳定问题中来，有两种情况其一是在构造不连续面样本总体或样本 族的分析中，用以确定岩体有无主导的方向。如井兰如的工程岩体不连续面网络结构的 统计分析及模拟就是以概率的观点对结构面的方向、迹长、间距、频率等进行分析的。 其二是用破坏概率来取代安全系数作为边坡稳定性指标。其后，国内外对边坡稳定性的研 究更注意到岩体结构的复杂化。以前研究较多的是坡体的滑动，那么现在研究较多的是坡 体的崩坍，使用较多的还是模型实验方法和极限平衡方法。其中，石根华【1 0 ] 提出的关键块 体理论对推动节理边坡问题的研究做出了很大的贡献。 九十年代前后，边坡稳定性分析的各种方法都得到了发展与应用。Y u c e m e n 对三维的 边坡稳定性问题进行了可靠性分析，分析结果基本上与观测结果相吻合。日本的M a r b u s a 提出了边坡稳定分析的复合算法，在边坡应力、应变计算中采用有限元方法，而稳定分析 万方数据 辽宁I ．程技术人学硕十学位论文 中则采用极限平衡方法，并用几个边坡实例进行了验证。K u m a r 在边坡稳定分析中应用了 序贯无约束极小方法，自动搜索边坡的临界滑面，计算边坡的稳定性则采用简布方法，成 功地应用于边坡的实例计算中。李国英【1 1 3 在边坡稳定分析中，将有限元法同塑性极限分析 方法相结合，建立起适用于线性规划求解的数学模型，通过优化计算，求解安全系数的下 限值，对边坡的非均质性及其边界形状的任意性均具有较好的适应性。 1 ．2 ．2 边坡稳定性国内研究现状 二十世纪六十年代，世界上几起灾难性的边坡失稳事件的发生，使人们逐渐认识到了 软弱夹层和结构面对边坡稳定性的控制作用以及边坡失稳的时效特征，初步形成了岩体结 构的观点l l 二1 4J 谷德振、孙禾科等，1 9 6 5 。同时，我国学者结合露天矿边坡稳定性研究， 在陈宗基【I 孓1 7 墩授的指导下，进行了比较系统的岩体力学性质的实验研究，包括大型现场 实验及室内岩块实验，常规力学实验及流变力学实验，岩块力学实验及结构面力学实验， 动力学实验及静力学实验等。这些工作推动了岩石边坡稳定性研究的发展。 二十世纪七、八十年代，边坡研究者从大量的工程实践中认识到边坡的变形破坏机制 在边坡稳定性评价中的意义 王思敬，许兵等，1 9 8 0 s 1 1 8 ‘20 | ，结合露天矿边坡稳定性研究， 进行了大量这一领域的工作，提出了一系列的机理模型，代表性的成果为张悼元、王兰 生[ 2 1 - 2 2 ] 等 1 9 7 0 s 建立的边坡变形破坏地质一力学模式以及地质过程机制分析的学术思想 体系。 二十世纪九十年代以后，边坡稳定性分析评价研究步入了一个新的阶段，最典型的特 征是倡导系统工程地质分析和全过程动态演化研究。在系统科学方法论的指导下，对边坡 岩体的赋存环境、坡体结构、内部应力状态、变形破坏机制以及影响稳定性的因素等进行 综合集成的系统研究，形成了较为系统的边坡稳定性评价学术思想体系[ 2 3 。2 8 1 。 软岩工程问题从二十世纪六十年代起就作为世界性难题被提了出来。我国自二十世纪 七十年代以来，软岩工程遍及边坡工程、大坝工程、大型深埋地下长隧道工程口，是当今 科技攻关和工程实践的难点和热点。软岩由于其工程地质性质极差，往往制约着工程建设 的规模，并对各类工程建筑施工及运营起相当大的危害作用。 软岩研究成为国际会议上的专门议题始于1 9 7 5 年第五界全美土力学及基础会议，尔 后软岩方面的国际性会议已开过多次。1 9 8 2 年在东京召开第一届专门的软岩国际学术讨论 会，就软岩的工程性质及软岩工程设计、施工等方面的经验和理论进行全面学术交流。 从二十世纪六十年代至九十年代初，关于软岩概念在国内外一直争论不休，至今岩石 工程学界仍未就软岩概念达成共识，软岩定义多达几十种。在1 9 8 0 年的全国软岩学术讨 论会，指出软岩的特征基本上可以归为低强度、低变形模量、水理性质差、流变效应明显 万方数据 辽’r1 科技术人学硕十学位论文 等4 个方面按第五届 1 9 8 6 国际工程地质大会软岩讨论会的定义，软岩是指那些岩石材 料软弱或具有弱化结构构造的岩石[ 2 9 ．3 0 1 。到九十年代术期，由中国原煤炭部软岩专家组和 煤矿软岩工程技术研究推广中心组织专家专题讨论，有的学者则将软岩划分为地质软岩和 工程软岩。其中，地质软岩是指单轴抗压强度在O ．5 2 5 M P a 之问的一类岩石，即国际岩石 力学学会 I S R M 的软岩定义 1 9 9 0 ，1 9 9 3 ，其分类依据是岩石的强度指标，如泥岩、页岩、 泥狄岩及煤系地层和变质岩类的片岩、板岩、干枚岩、蛇纹岩等类岩石；T 程软岩则是指 在工程力作用下产生显著塑性变形的工程岩体，如1 9 8 4 年煤矿矿压名词讨论会 昆明 将软 岩定义为强度低、空隙大、胶结程度差、受结构面切割及风化影响或含有大量易膨胀粘土 矿物的松、散、软、弱岩层 体 ，并建议在软岩工程中使用工程软岩的涵义。 何满潮f 1 9 9 3 [ 3 1 峙旨出在软岩高边坡稳定性控制研究方面强调从工程地质入手，在查明 软岩成分的基础上，确定软岩的变形力学特征和破坏机理，并提出有效的支护技术。 1 ．2 ．3 边坡稳定性分析方法 边坡稳定性分析经过近二百年的探索、发展，到目前为止，边坡稳定性分析方法己达 十几种，从分析的精确程度分为两类即确定性方法和不确定性方法1 3 ”。确定性方法是边 坡稳定性研究的基本方法，主要包括极限平衡法、数值方法、块体理论法等。不确定性方 法是根据边坡工程设计和分析中有许多不确定性因素而发展起来的，如土体的实际计算参 数与实验的差异、计算模型的不确定性等。不确定方法包括可靠性理论、灰色预测系统、 神经网络法、模糊数学、分形几何等，这些方法正处于研究阶段。从使用的角度来看，可 分为五大类定性分析方法、定量分析方法、非确定分析方法以及物理模型和现场监测分 析方法。其中应用较多的是建立在极限平衡理论上的极限平衡法以及应用现代计算机处理 技术的数值分析方法。 1 极限平衡法 极限平衡法是以极限平衡理论为基础，通过分析边坡上的滑体或滑块处于临界状态下 的力的情况，求出极限破坏荷载和最危险滑动面，是工程实践中应用最早、最普通的一种 定量分析方法，也是目前应用最多的一种分析方法。边坡极限平衡法关键是建立在岩土边 坡稳定安全系数的基础上，将坡体的抗剪强度参数降低F s 倍后，达到临界破坏状态下的滑 动面满足M o h r ．C o u l o m b 强度准则。目前己有了多种极限平衡分析方法，如F e l l e n i u s 法、 B i s h o p 法、J a u b u 法、M o r g e n s t e m ．P r i n C e 法、s p e n c e r 法、不平衡推力法、s a r m a 法、楔体 极限平衡分析法等等【3 3 ‘3 6 】。其中S a r m a 法既可用于滑面呈圆弧形的滑体，又可用于滑面呈 一般折线形滑面的滑体极限平衡分析；楔体极限平衡分析则主要用于岩质边坡中由不连续 面切割的各种形状楔形体的极限平衡分析。与其它方法相比，极限平衡法的缺点是在力学 万方数据 辽宁1 ．科技术人学硕十学位论文 t 作了一些简化假设，但该方法抓住了问题的主要方面，且简易直观，并有多年的实用经 验，若使用得当，将得到比较满意的结果。李国英与沈珠汀⋯1 1 9 9 7 等人从极限分析下限 的角度，引入数学规划法寻求问题的下限解。近2 0 年来，随着计算技术的飞速发展，应用 数值方法来求解边坡稳定卜、卜限解的问题成为一个十分活跃的领域。由S l o a n 等人提出 的有限单元法上、下限解以及C h e nZY 等人提出的斜条分法上限解是两个较为成熟并具 有实用意义的，疗法。 2 0 0 4 年，朱大勇对滑面『F 应力的分布假设作了改进【37 1 ，他假设滑面『F 应力分布由初 始函数与修正函数构成，初始函数可采用F e l l e n i u s 法或简化B i s h o p 法的滑面正应力，修 正函数可采用含有2 个待定参数的线性插值函数。 2 0 0 7 年，郑宏将以滑体为积分域的域积分转化成边界积分，提出了求解安全系数不需 要再对滑体分条的无条分法【础] 。同时，根据微土条的平衡条件，他推导了滑面正应力由滑 体体积力 含面力 的贡献分量与条问作用力的贡献分量两部分组成，进一步明确了滑面正 应力的力学构成。 2 0 1 1 年，卢坤林从力学平衡角度，进一步讨论了滑面正应力的构成f 3 圳，论证了两个分 量的贡献大小，其中滑体体积力的贡献分量占据主导位置，且为已知函数 由F e l l e n i u s 法 得到的正应力分布 ，而条问作用力的贡献分量仅占很小份额，为未知函数，可采用恰当 的修正函数来拟合这部分分量。 国内外学者对边坡的三维稳定性问题进行了许多的研究，但是这些方法主要还是集中 在三维极限平衡方法上。D u n c a n 1 9 9 6 [ 4 0 】曾对过去2 0 多年来三维边坡的各种方法作了全 面的回顾，并列举了这些方法的特点和局限性。近年来我国的学者也在边坡三维稳定性分 析领域取得了一定的成果，主要的有冯树仁等 1 9 9 9 [ 4 1 1 提出的边坡稳定性的三维极限平衡 分析法，陈祖煜等 2 0 0 1 [ 4 2 ] 提出的塑性力学上限定理基础上的边坡稳定三维分析方法和极 限平衡理论基础上的简化分析方法，以及张国祥【4 3 】提出的潜在滑移面理论及其在边坡分析 中的应用等。 2 数值分析方法 随着计算机技术和计算方法的迅速发展， 泫并借助计算机得到满足工程要求的数值解。 复杂的工程问题可采用离散化的数值计算方 数值技术是现代工程学发展的重要推动力之 ～。在岩土工程中，由于岩土的非均质，非线性的性状以及几何形状的任意性，不连续等 因素，在多数情况下不可能获得其精确解，而采用数值分析技术却能够得到很好的结果。 因此，各种数值方法在岩土工程中都得到了广泛应用，而随着岩土工程中各种复杂问题的 解决又进一步丰富了数值分析的方法。边坡稳定性数值分析作为岩土工程的重要组成部分 也得到快速发展。应用数值方法进行边坡工程的计算具有下列独特的优点 1 由于边坡具 万方数据 辽宁I 程技术人学硕十学f 市论文 有复杂的边界条件和地质环境，如岩土体的非均匀性、非连续性，造成边坡工程问题的非 线性等特性，这些问、题要采用弹塑性理论和极限平衡分析解决，数值分析可以方便地处 理上述问题。 2 数值方法可以得到边坡的应力场、应变场和位移场，非常直观地模拟边坡 变形破坏过程。 3 数值分析能根据岩土体的破坏准则，确定边坡的塑性区或拉裂区域，分 析边坡的累进性破坏过程和确定边坡的起始破坏部位。 4 数值方法适用于分析边坡工程的 分步丌挖、边坡岩十体与加固结构的相互作用、地卜水渗流、爆破和地震等因素对边坡稳 定性的影响。 1 牛顿法 牛顿体系的分析方法借鉴了变分法中把安全系数看成是临界滑动面泛函的思想，再与 极限平衡理论相结合，通过解析手段寻找使目标函数对自变量偏导数为零的极值点。该方 法需对目标函数进行求导运算，以确定沿梯度下降的方向移动，从而求得安全系数极小 值。从2 0 世纪8 0 年代起，先后有人在这方面开展了工作。如A r a i 和T a g y o 应用了共扼梯 度法[ 4 4 】，阎巾华采用了黄金分割法【4 5 ] ，周文通采用了鲍威尔法[ 4 6 1 ，孙君实采用了复形法[ 4 7 】 等等。但由于这些方法对目标函数的求导运算异常复杂，当自由度数过多时 7 个以上 ，实 践表明，搜索结果将变得异常粗糙，尤其是对于复杂土层情况，陔法易于陷入局部极值点。 2 有限元方法 F E M 有限元方法是2 0 世纪5 0 年代以来，在计算数学、计算力学和计算工程科学领域诞生 的最有效的计算方法。在边坡研究方面，有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应 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 性及粘塑性等问题。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体 的应力一应变大小和分布，避免了极限平衡法中将滑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，但它还不能很好地求解大变形和位 移4 i 连续问题，对于无限域、应力集中问题的求解还不理想。与传统的极限平衡法相比， 有限元法引入变形协调的本构关系，而不用进行条件假定，保持了严密的理论体系。但是 用有限单元法分析边坡稳定仍然停留在算出应力、位移和塑性区，而无法准确判断边坡稳 定安全系数。有限元法是将一个连续体结构，离散成有限个单元，这些单元体在结点处互 相铰结。然后把荷载简化到结点上，计算在外荷载作用下各结点的位移，进而计算各单元 的应力和应变，用离散体的解答近似地代替原连续体解答。当单元划分得足够密时，它与 真实解是接的。对于离散体的非线性或其材料非均质方面的问题，有限元法是一种更为有 效的数值分析方法。 有限单元法将岩体看成变形体，可以有效的模拟材料的应力应变关系，对边坡的应力 分布、塑性区范围和位移等进行有效的模拟，并可详细地分析加固措施的作用机理和局部 万方数据 辽’，I 程技术人学硕 学位论文 应力状态，进而了解边坡的变形破坏机制。有限单元法还可以考虑流变、渗流、温度与应 力祸合，损伤、断裂及流动和动力效应等问题。当前最为流行的通用有限元程序有 A B A Q U S 、A D I N A 、A N S Y S 、M A R C 。 2 0 世纪7 0 年代丌始自适应理论被引入有限元计算，逐渐有了自适应有限元法，其主 导思想是减少前处理工作量和实现网格离散的客观控制。现己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白适应分析系统，计算较为快速且准确。 3 离散元法 D E M 自C u n d a l l 首次提出离散单元模型以来，这一方法在岩土工程和边坡问题中得到了很 快发展。离散元法的一个突出功能是它在反映岩块之问接触面的滑移、分离与倾翻等大位 移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。因此，任何- r e 岩土体材料都可引入到 模型中。例如弹性、粘弹性、弹塑性或断裂等均可考虑，所以该方法对块状结构、层状破 裂或一般破裂结构岩体边坡比较适用。并且，它能够利用显式时间差分法 动态松弛法 来 求解动力平衡方程，求解非线性大位移或动力稳定问题较为容易。在岩质高边坡稳定分析 中，离散元法的应用越来越广泛。 4 边界元法 B E M 边界元法是在经典的积分方程的基础上，吸收了有限元的离散技术而发展起来的计算 方法，这种方法是用控制微分方程的基本解建立相应的边界积分方程，再对它结合边界的 剖分而得到离散算式【4 引。由于只在边界上剖分，因此实际上是将问题降维处理，降维结果 必然减少代数方程组的未知数。问题的边界化，即将给定区域上的定解问题化为可以只考 虑边界的问题，格林 G r e e n 公式是边界元法的基石。这种方法尤其适用于求解岩土工程中 经常涉及的无限域与半无限域问题。在边坡稳定分析中，基于累积单元变形于界面的应力 元模型，建立了适用于分析不连续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题，模拟 各类锚件的复杂空问布局和开挖扰动的界面元理论和方法，为复杂岩体的仿真计算提供了 一种新的有效方法。从力学机理方面，可以建立评判岩体稳定性的干扰能量准则，解决岩 土体稳定性的潜在滑动面、危险滑动面、薄弱部位和最小抗滑稳定安全系数等难题。 5 有限差分法 F D M 有限差分法f 4 9 ，l 】克服了有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，能更好地考虑岩土 体的不连续特性，求解速度也较快。人们根据有限差分法的原理，提出了F L A C F a s t L a g r a n g i a nA n a l y s i sf o rC o n t i n u u m 数值分析法。在有限差分法中，空问离散点处的控制方 程组中每一个导数直接由含场变量 0 n 应力、位移 的代数表达式替换，而有限元法中应力 和位移场变量就由参数控制的特征函数，以指定的模式在每一单元内变化。然而该方法在 计算边界、单元网格的划分具有很大的随意性。 万方数据 辽宁．【程技术人学硕十学位论文 6 1 变分法 变分法原理是基于虚功原理的基础上推导而得的。不同的材料模型，具有不同的变分 形式，如弹塑性的变分原理、刚半占塑性的变分原理及刚塑性变分原理三者是有区别的。在 推导变分原理的过程中，很罩要的一方面是寻求一个应变能密度函数，使其变分能够与虚 功原理中的应力与应变变分相乘的项相对应，也就是要找到一个能够从其应变的偏导中推 出应力的函数表达式。 在边坡稳定分析中，利用变分原理模拟最危险滑动面的计算模型及建立数学解析表达 式[ 5 2 , 5 3 1 ，提高了对斜坡稳定性评价的精确度。基于求泛函极值的变分原理，对边坡稳定性 进行分析的基本思想是没滑动面的函数为y x 1 ，相应的边坡安全系数F 则为滑动面函数 的函数，即为泛函， 少 x ，通过变分法求泛函， y j f 的极小值，从而求出边坡的最危 险滑动面。 3 图解法 图解法可以分为诺模图法和赤平极射投影图法。诺模图法是利用一定的诺模图或关系 曲线来表征与边坡稳定有关参数间的关系，并由此求出边墩稳定安全系数，或根据要求的 安全系数及一些参数来反分析其它参数 如妒，C ，结构面倾角，坡角等 的方法。诺模图法 实际上是数理分析方法的一种简化方法【5 4 J ，它主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的 边坡稳定性分析。赤平极射投影图法是利用赤平极射投影的原理，通过作图来直观地表示 出边坡变形破坏的边界条件，分析不连续面的组合关系，可能失稳岩’I 体形态及其滑动方 向等，进而评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息。常用的还有实体比例投影图法、 M a r k l a n d J J 投影图法等，主要用于岩质边坡稳定性分析。 4 可靠性理论 一直以来，边坡工程稳定性以安全系数作为评价指标，然而，安全系数是一个由各种 变化的因素所决定的随机变量。2 0 世纪7 0 年代后期，边坡工程界开始接受不确定性的概 念，构造随机模型，采用概率论和数理统计知识来评价边坡的安全度 如可靠指标和破坏概 率 。可靠度分析在计算安全系数的同时，还计算安全系数的标准差或变异系数，它对影响 安全系数的每个因子均根据各自包含的不确定性予适当考虑。可靠性分析方法是确定性方 法的发展与补充，因随机因素太多，难以确定各因素的概率，此方法刚走向实际工程应用 阶段，还需要进一步研究。． 5 现场监测分析法 边坡岩士体的地质条件在勘察中难以认识透彻，而且不确定性因素较多，因此加强现 场监测及时准确地评价边坡稳定性具有重要意义。在发展边坡稳定性分析理论与方法的同 时，又进行现场监测技术方法、