黄土基底排土场边坡稳定性研究.pdf

分类号 U D C 学校代码 密级 硕士学位论文 黄土基底排土场边坡稳定性研究 S t u d y o nS l o p eS t a b i l i t yo fL o e s sB a s a lD u m p 研究生周杰 导师呈丕粱巫究员 李绍臣高工 学科2 等业采芷王程 研究方向边超王程 培养单位堪科总院开采设计研究佥院 煤炭科学研究总院 2 0 12 年4 月 ～f 煳愀 煤炭科学研究总院学位论文独创性声明和使甩攮摁声明 姓名 周盎入学时间2 Q Q 旦生窆旦毕业匪 培养单位 盖章 论文题目 斗学研究总院北餐嚣采赢所￡ 土基底排土场边坡稳定性赫鉴麓亥垄 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写 的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中标明。 本声明的法律后果由本人承担。 ． 论文作者 签名 l 虱是， 2 0 1 2 - 年6 其| 弓1 3 学位论文使用授权声明 本人完全了解煤炭科学研究总院关于收集、保存、使用学位论文的规定。本 人愿意按照总院的要求提交学位论文的印刷本和电子版。 总院有权保留学位论文印刷本和电子版，或采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；总院有权将论文放入总院档案管理部门供查阅。在不以营利 为目的的前提下，总院有权向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸 质版。总院有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。总院有权将学位论 文的标题和摘要汇编出版。保密的论文在解密后遵守此规定。 刷币。姥础⋯⋯鼽f 虱盖， 年 月日力／2 年／月侈日 煤炭科学研究总院硕士学位论文 摘要 根据露天煤矿黄土基底排土场堆载的实际情况，围绕基底承载土体工程性质演变 这一主题，在对基底土体进行物理力学性质以及微观结构分析的基础上，探讨了排土 场基底“演化弱层”的形成机理及其对排土场稳定性的影响。针对现有地基承载力计 算公式缺陷，根据M o h r - C o u l o m b 破坏准则和极限平衡原理推导出排土场基底极限承 载力近似计算公式。在充分考虑黄土基底排土场固有特征的基础上，得出一套排土场 排土参数优化流程，运用该流程对阴湾排土场排土参数进行优化，采用F L A C 3 D 和 S T A B 2 0 0 9 相结合的手段对排土场的滑坡机理以及边坡稳定性进行分析与评价。 根据稳定性分析结果确定阴湾排土场排土参数为单台阶高度2 0 m 底部台阶高度 3 0 m ，平盘宽度4 0 m ，台阶坡面角3 9 。，排弃标高 1 3 0 0 m ，最终边坡角1 9 。。此外， 提出了排土场边坡安全管理措施，避免在基底形成“演化弱层”以保证排土场安全。 关键词排土场微观结构极限承载力排土参数优化稳定性分析 煤炭科学研究总院硕士学位论文 A b s t r a c t T h ea r t i c l ei nv i e wo ft h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h el o e s sb a s Md u m p ，t h ef o r m a t i o nl a wo f “e v o l u t i o nw e a kl a y e r ’a n di t si n f l u e n c et ot h es t a b i l i t yo ft h ed u m pa r o u n dt h et h e m e w h i c hi st h ee v o l u t i o no ft h eb a s a ls o i le n g i n e e r i n gp r o p e r t i e sa n db a s e do nt h ea n a l y s i so f t h ep h y s i c a l m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dt h em i c r o s c o p i cs t r u c t u r eo fs o i l ．A c c o r d i n gt o M o h r - C o u l o m bf a i l u r ec r i t e r i o na n dl i m i te q u i l i b r i u mp r i n c i p l e ，t h eb a s e m e n tl i m i tb e a r i n g c a p a c i t ya p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o nf o r m u l ai sd e d u c e d ．I na d d i t i o n ，ad u m pp a r a m e t e r s o p t i m i z a t i o np r o c e s si sg o tb yf u l l yc o n s i d e r a t i o no fi n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o e s s b a s a ld u m p ．Y i nW a nd u m pp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e db yt h ep r o c e s s ．A n dt h e nt h ef a i l u r e m o d eo fd u m p ，l a n d s l i d em e c h a n i s ma n ds l o p es t a b i l i t yi sa n a l y z e db yu s i n gF L A C 3 Da n d S T A B 2 0 0 9 ． A c c o r d i n g t os t a b i l i t ya n a l y s i sr e s u l t s ，t h er o ws o i lp a r a m e t e r si sc o n f i r m e d t h eh e i g h t o fs i n g l es t e po ft h ed u m pi s2 0 m T h eh e i g h to fb o t t o ms t e pi s3 0 m ，p l a t e sw i d t hi s4 0 m ， f i n a ls l o p ea n g l ei s1 9 。a n dr O Wa b a n d o ne l e v a t i o ni s 1 3 0 0 m ．I na d d i t i o n ，t h ed u m ps l o p e s a f e t ym a n a g e m e n tm e a s u r e si sp u to u ti no r d e rt oa v o i df o r m “e v o l u t i o nw e a kl a y e r ’’i nt h e b a s a lt oe n s u r et h es e c u r i t yo ft h ed u m p K e y w o r d s D u m p ；M i c r o s c o p i cs t r u c t u r e ；L i m i tb e a r i n gc a p a c i t y ；D u m pp a r a m e t e r s o p t i m i z e ；S t a b i l i t ya n a l y s i s I I 煤炭科学研究总院硕士学位论文 目录 1 综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 问题的提出及研究意义．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．1 1 ．1 ．1 问题的提出⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．1 1 ．1 ．2 论文研究意义⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．2 1 ．2 ．1 粘土微观结构方面⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 土体工程性质的微观机制方面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．3 边坡；隐定性分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．2 ．4 黄土滑坡机理及滑移模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．2 ．5 地基极限承载力计算方面⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 1 ．3 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．1 4 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．1 4 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 黄土物理力学性质研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 黄土的物理性质⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．1 7 2 ．2 ．1 颗粒组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．1 7 2 ．2 ．2 土颗粒比重及天然容重⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯1 8 2 ．2 ．3 干重度和孔隙比．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．2 ．4 含水量和饱和度⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．1 8 2 ．2 ．5 粘稠度指标⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．．1 9 2 ．3 黄土的强度特征．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯．1 9 2 ．3 ．1 不同固结压力下抗剪强度的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．2 不同干重度及不同含水量下抗剪强度的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．4 本章小结．．．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯2 5 3 载荷作用下粘土微观结构变化规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 试验方法⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 1 煤炭科学研究总院硕士学位论文 3 ．2 ．1 扫描电镜试样的制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．2 粘土微观结构的观察⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 粘土微观结构的特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．3 ．1 粘土微观结构的基本单元体⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．2 基本单元之间的联结形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．3 基本单元体的排列和孔隙类型⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．4 粘土微观结构分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．5 粘土微观结构与排土场边坡稳定性的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．6 本章小结．⋯．．．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．⋯⋯．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．4 1 4 排土场基底极限承载力公式推导及验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯，⋯⋯⋯4 3 4 ．2 排士场基底承载模式及假设条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．2 ．1 承载模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．．4 3 4 ．2 ．2 假设条件．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．4 3 4 ．3 极限平衡区形状的确定⋯⋯．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．⋯．．．．．⋯⋯．4 4 4 ．3 ．1 极限平衡区的形状⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．3 ．2 土中任意点处滑裂面的方向⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯4 5 4 ．3 ．3 各特征区角度关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 各特征区上作用力⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯．．，．．．4 7 4 ．5 基底的极限承载力．．．．．．．⋯．．．．．⋯⋯．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．4 9 4 ．6 基底承载力安全系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 ．7 基底极限承载力计算公式验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 4 ．7 ．1 实例验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 4 ．7 ．2 数值模拟对比⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．8 本章小结．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．⋯．．⋯⋯．．．．．⋯．．．5 6 5 黄土基底排土场排土参数优化及其稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 。1 研究背景⋯⋯⋯。⋯。⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．2 排土场工程地质特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 7 5 ．2 ．1 工程地质勘察⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．2 ．2 勘探区工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 T T 煤炭科学研究总院硕上学位论文 5 ．2 ．3 勘查区水文地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．2 ．4 排土场形成对黄土基底的工程改造⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯5 9 5 ．3 岩土体物理力学参数⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．6 0 5 ．4 排土参数优化流程⋯⋯．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 5 ．5 排土场单台阶高度及平盘宽度的确定⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．5 ．1 最大单台阶高度的确定．．．⋯⋯．．．．．．⋯．．，⋯．⋯⋯⋯．．．．6 4 5 ．5 ．2 最小平盘宽度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．．6 4 5 ．6 排土场极限堆高及最终边坡角的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．7 排土场失稳破坏机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．7 ．1 数值模拟模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 5 ．7 ．2 不考虑“演化弱层”的存在时的模拟结果及分析⋯⋯⋯．⋯⋯6 9 5 ．7 ．3 考虑“演化弱层”的存在时的模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．8 排土场边坡稳定性分析与评价⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 l 5 ．8 ．1 不考虑“演化弱层”存存时⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 5 ．8 ．2 考虑“演化弱层”存在时⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 5 ．9 排土场边坡安全管理措施与建议⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 5 ．1 0 阴湾排土场排土容量计算．．．．⋯．⋯．．⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．8 4 5 ．1 1 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 6 结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 6 ．1 主要结论及论文新意．．．．⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．8 6 6 ．1 ．1 主要结论⋯．⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．．．⋯．．．⋯⋯⋯．．．⋯⋯8 6 6 ．1 ．2 论文新意⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 6 ．2 展望⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯．⋯．．．．．．⋯．8 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 I I I 煤炭科学研究总院硕士学位论文 1 综述 1 ．1 问题的提出及研究意义 1 ．1 ．1 问题的提出 排土场滑坡是露天煤矿的一个重大危险源，特别是我国西北地区黄土基底排土场 基底承载力差，以及受“演化弱层”影响，滑坡危险性较大，故黄土基底排土场稳定 性研究一直是我国黄土地区地质灾害防治的前沿课题，其稳定问题不仅涉及排弃物料 性质，更涉及到基底土体承载后的工程性质的演变。特别是近年来，国内某些矿山的 排土场、尾矿库相继发生了滑坡和溃坝等地质灾害，造成了巨大人员伤亡和经济损失， 国家发改委、安监总局更是对矿山的排土场、尾矿库稳定性安全评估工作高度重视， 严格要求。 阴湾排土场是黑岱沟露天矿一期工程设计和吊斗铲工艺技术改造选用的外排土 场，位于黑岱沟露天矿首采区西南侧，西排土场南侧，设计占地面积1 ．9 8 5 k m 2 。随着 煤炭市场升温，矿山生产规模不断增大，导致剥离外排量增加，阴湾排土场原设计的 收容能力已不能满足矿山生产的需要，排土场需要通过增加排土高度、排土参数优化 等方式进行扩容。而排土场的极限堆载高度主要决定于基底的承载能力和基底土体的 工程性质，因此为保证阴湾排土场建设的可靠性，避免发生大规模滑坡灾害，必须对 排土场地质条件，基底土体的力学性质、基底极限承载力以及排土场边坡稳定性进行 深入研究。 1 ．1 ．2 论文研究意义 1 工程意义 对阴湾排土场进行排土参数优化设计，这不仅是矿山采矿工程发展的客观需要， 同时亦可以缩短外排运距，降低矿山生产成本，改善矿山生产技术经济指标，对企业 良性发展具有重要意义。 2 科学意义 论文针对现有基底承载力计算公式的缺陷，结合排土场基底倾斜这一特点，提出 适合排土场基底承载实际情况的计算方法，为从本质上分析排土场整体稳定性有着积 极的推动作用。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 基底黄土在载荷作用下的工程性质演变对排土场稳定性起着控制作用，我国已在 这方面有着深刻的教训，分析黄土基底工程性质演变对排土场稳定性的影n 向，对今后 客观科学的分析评价排土场稳定性有着一定指导意义。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 粘土微观结构方面 粘土是由不同级别的单元和结构组成的。P r a s h a n t [ 、S a c h a n [ 2 ] 、D e l a g e 【3 】研究认 为粘土是粒团结构，其基本单元是粘土片层，扁平的粘土片层构成土粒，土粒团和土 粒再作为单元按照某种结构组合成为粘土。白冰M 、唐益群[ 5 1 研究认为粘土微结构 的基本单元体可分为一级单元体和二级单元体；其中自冰认为一级单元体是指具有较 强原始内聚力而较难分离的微凝聚体；二级单元则是指有一级微凝聚体集合而成的片 状、粒状等聚集体。龚士良[ 6 ] 研究认为上海淤泥质粘土在形态学上可以分为三个等级， 除粒径为0 ．0 5 ．0 ．1 m m 的碎屑颗粒构成的刚性骨架外，一级结构单元为0 ．0 2 0 ．0 5 r n m 的 常呈球团状或类球团状的絮凝体；这些絮凝体通常是由直径为0 ．0 1 0 ．0 1 5 r a m 左右的 集合体或与集合体尺寸相同的细粉土颗粒的二级结构单元组成，集合体由分散的细碎 屑颗粒及不同成分的粘土矿物聚合而成；粘土的三级结构单元为叠片体，他们是由相 同种类的粘土矿物晶片叠聚而成相对稳定的基本结构单元，叠片体之间往往呈“边一 面”结合方式。 对于粘土单元的存在组合形态，C a t t y t 7 1 认为粘土片层的表面带负电而边缘带正电 荷，片层表面同性电荷相排斥，异性电荷相吸引，从而单元组合形态在电荷的作用下 呈现出两种极端的形式“边．面”结合的絮凝结构和“面．面”结合的分散结构。白冰 认为在片状或板状聚集体中一般以“面．面”、“边一边”、“边．面”等形态接触，而在 粒状聚集体中呈现镶嵌接触和直接接触等形态。张敏江[ 剐通过对辽南营口地区的粘土 研究认为高岭石矿物集合体呈“面．面”结合的叠片状，其集合体组成聚粒状和团粒状 的结构形式；而蒙脱石矿物呈不规则的弯曲薄片，该弯曲薄片以“边．边”和“边一面” 结合形成聚合体，进而形成絮凝状的土体结构。 1 ．2 ．2 土体工程性质的微观机制方面 2 0 世纪土力学研究中，最具有革命性的事件就是土体结构的细观、微观研究与宏 煤炭科学研究总院硕士学位论文 观物理力学性质的结合。传统的岩土本构模型一般是建立在宏观现象学的基础上的， 随着人们对土体结构性的认识，从土体微观结构角度出发建立相应的本构模型，逐渐 成为人们努力探索的目标。扫描电镜的出现为土体微观测试技术提供了研究依据。从 统计学的观点出发，根据土的微观结构和粘土微粒的物理化学性质建立的土的本构模 型来反映土体宏观形状是一个新的研究方向。沈珠江【9 】认为，2 1 世纪土力学的核心问 题是建立土的结构性数学模型，方法是走微观和宏观相结合的道路。谢定义指出，微 观结构分析试验与宏观力学特性试验的结合，将在创立岩土结构性模型和结构性指标 方面作出突出贡献。从土力学发展的角度来看，从微观结构出发进行土的工程性质研 究已经成为土力学这个学科的新的发展方向。 我国开展土体微观结构的研究工作较晚，但是研究的技术手段起点高，取得的成 果也是非常有价值的。高国瑞【1 0 1 、雷祥义[ 1 l 】、王永炎[ 1 2 1 等对黄土的微结构进行了分类， 并对其与湿陷性的关系进行了讨论。胡瑞林【l3 】等通过微结构特征量的定量分析，研究 黄土在不同压力作用下的微观结构特征量的变化规律，揭示了黄土宏观变形的微观结 构控制机理。谭罗荣、施斌、李生林等对膨胀土的微观结构与工程性质的关系进行了 研究，取得了一批很有价值的成果[ 1 4 】[ 1 5 】。施斌【1 6 1 通过对某地膨胀土的研究给出了击实 曲线不同部位上微观结构的差异，解释了微观结构形态的差异与相应点处土体的强 度、渗透性及胀缩性等工程性质的关系，同时还分析了击实土与原状土之间微观结构 的差异，认为原状土保持着原有的结构形态，结构单元体小，粘粒常以单一片状形态 出现，结构连接力较强，而击实土破坏了土的结构，团聚体颗粒大，并成为主要的结 构单元体。谭罗荣、张梅英【1 7 】对海相沉积粘土的微观结构进行了研究，结合化学分析 结果，分析了广东湛江灰色粘土扰动前力学强度较高，而扰动后力学强度迅速下降的 原因。李向全[ 18 】等从粘土土体结构系统观点出发，建立了土体结构形态概念模型，对 软土力学特性有了更深层次的认识。 白晓红f l9 ] 运用扫描电镜技术和偏光显微镜技术，分析研究了饱和高岭土在正常固 结状态下不排水剪切时的微观变形，同时还研究了超固结状态下排水剪切时的微观变 形，提出了三种图像定量分析的方法，并且对破坏面上的定向排列提出了一种新的计 算方法。吴义祥[ 2 0 ] 对粘土的光片图进行了计算机处理，阐述了粘土结构状态参数结 构熵、结构单位的平均粒径、平均形状参数的变化规律，分析了粘土微观结构的变化 与物理力学性质之间的关系。蒋明镜，沈珠江[ 2 1 】【2 2 1 等在结构性粘土三轴试验的基础上， 煤炭科学研究总院硕士学位论文 运用扫描电镜，并采用微观定量测试技术，对剪切带及其周围土体的微观结构进行分 析研究，认为土体具有足够的结构强度时剪切带形成的条件之一，剪切带的倾角和 R o s c o e 理论并不相符，剪切带的厚度在宏观、微观上均有差异，剪切带内外的土体， 在孔径分布、定向度、孔隙比、各向异性率等方面差别较大，剪切面上剪胀与剪缩共 同存在，剪缩较多，带内土体强烈剪缩，土样在宏观上却呈现轻剪胀特性。 在特殊土的结构性研究方面，高国瑞【2 3 】对中国的区域性土进行了研究，包括北方 的黄土、南方的红土以及中部的老粘土。通过对这些区域性土的物理力学、物理化学 特性及微观结构的测试分析，对其分布规律和工程特性的形成进行了总结。李生林， 施斌【2 4 ] 等运用微观与宏观相结合的研究方法对我国膨胀土的土体地质结构、物质组 成、微观结构、水土作用机理、判别分类、土质改良等进行了详细的研究，从土体成 因、矿物成分、粒径分布、交换阳离子成分和微观结构等内在因素揭示了其膨胀至害 的机理。谭罗荣【2 5 ] 研究了典型红粘土的物理力学特征，分析讨论了红粘土的高含水率、 高孔隙比、高塑性等软粘土物理性质指标与其具有较高承载力、低压缩性等较好工程 性质相矛盾的现象，提出了一种土体凝胶胶结结构模型，解释了红粘土的这种矛盾现 象的合理性。孔令伟，雷华阳等从不同方面对海洋软土的微观结构进行了分析研究。 孔令伟【2 6 1 1 2 7 1 对琼州海峡的海洋软土的基本特性进行了室内试验研究，从矿物成分，有 机质含量、物理化学性质、土粒间排列方式及孔隙结构等方面阐述了其不良工程特性 的微观机制，加深了对海洋软土的基本认识。雷华阳[ 2 8 ] [ 2 9 1 通过对天津地区海洋软土的 室内实验研究，讨论了海洋软土在固结、剪切作用下的微观结构特征量的变化，并总 结了微观结构特征量与力学强度之间的关系。王家澄[ 3 0 1 等利用扣描电镜研究不同温度 和压力条件下正在冻结、正在融化和已经冻结土体微观结构的形成及发育过程，提示 冻结过程中土颗粒的位移，团聚和分析，未冻土体水膜形态和冷生组构的形成机理， 以及不同受力状态下颗粒错位、破碎，微裂隙发育和破坏机理。 以上研究表明，土体的工程性质与其微观结构特征是密不可分的，土体表现出的 宏观工程性质受其微观结构的控制。同理，排土场基底黄土在上覆载荷的作用下，工 程性质将发生变化，而工程性质的变化的原因必然是土体微观结构在载荷的作用下发 生的变化。通过对基底黄土微观结构的研究，分析基底黄土工程性质变化的微观机制， 从而得出基底黄土工程性质演变的根本原因。 4 煤炭科学研究总院硕{ 二学位论文 1 ．2 ．3 边坡稳定性分析方法 排士场的形成是露天开采的必然结果，开展排土场边坡稳定性研究，以确定排土 场的合理排土参数，具有十分重要的现实意义。目前，边坡稳定性分析方法大致可以 分为两大类，即定性分析方法和定量分析方法。近年来，人们在这两种分析方法的基 础上，又引进了一些新的理论，逐渐形成一些新的边坡稳定性分析方法，如模糊分级 评判法、系统工程地质分析法、可靠性分析法、灰色系统理论分析、法等。 图1 - 1 边坡稳定性分析方法 1 定性分析方法 边坡稳定性定性分析方法[ 3 1 1 ，主要是通过工程地质勘查，对决定边坡稳定性的控 制因素、可能的变形破坏模式以及破坏的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因 及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡～个稳定性状况及其可能的发展趋势的定 性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素，快速地对边坡稳 定状况及其发展趋势作出评价；而缺点是只能对边坡是否处于稳定状态进行判断，而 不能得到边坡稳定安全系数。 2 定量分析方法 ①极限平衡法 极限平衡法，是将边坡滑动趋势范围内的土体，沿一滑动面切成若干条块，在分 析条块受力的基础上建立整个滑动土体的力或者力矩平衡方程，并以此为基础确定边 坡的稳定性系数。在极限平衡法理论体系形成的过程中，出现过一系列简化的方法， 煤炭科学研究总院硕士学位论文 常见的有瑞典法、简化B i s h o p 法、J a n b u 法、S p e n c e r 法、M o r g e n s t e r n ．p r i c e 法、陆军 工程师团法等等【3 2 J 。 后来，我国学者在传统二维极限甲衡法的基础上，做了大量工作，取得了一些成 果。陈祖煜在2 0 0 2 年以前对三维极限平衡法进行了很全面的综述[ 5 ] ，之后，又有众多 学者对三维极限平衡法从理论到工程应用上进行了深入的研究[ 3 3 】[ 3 4 1 。 2 0 0 6 年，北方工业大学的孙世国教授以剩余推力法为基础，应用临界滑移场理论， 建立危险滑面的搜索方法【3 5 1 。该方法是在极限平衡条分法基础上发展起来的边坡稳定 性分析方法，它直接从整体出发，通过数值模拟的方法得出边坡体内任一点的危险滑 动方向和条块问的最不利推力，最终得到一簇任意形状危险滑动面 其中一条为临界 滑动面 的临界滑动场【3 6 1 。 ②有限元法 有限元法是目前最为常见的数值分析方法，也是最早应用于边坡稳定评价中的方 法之一[ 37 1 。该方法的优点是不需要人为指出破坏面的位置和形状，破坏位置自然发生 在土体抗剪强度不足以抵抗剪切力的部位。同时，有限元法可以考虑边坡岩体的非均 质和不连续性，给出岩体的应力、应变大小与分布，避免了极限平衡法中将滑体视为 刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从应力应变角度去分析边坡的变形破坏机制。 ⑨界面元法 界面元法是在K a w a i 教授提出的刚体一弹簧元模型基础上发展起来的‘3 剐。界面元 法具有如下突出特点a 界面元法能够自然的描述结构滑移、开裂等不连续变形特征， 这是因为界面上的任意一点分属相邻的两个块体单元，其位移本身就是非协调的；b 根据界面元法所得的应力精度较高，这是由于导出的界面应力与相邻单元的相对变形 时代数关系式，而不像一般的有限元位移法的应力精度要比位移精度低一阶；c 界面 元法在建模时，对于离散的块体单元可以为任意形状，且在不同材料的交界面上不需 要布置其他的接触单元，从而避免了复杂的网格剖分困难。在边坡稳定性分析中，该 方法在模拟坡体内滑裂面发展的情况有很大的优势‘3 9 】【4 0 1 。 ④离散元法 离散元法 D E M 是C u n d a l 在1 9 7 1 年首次提出的【4 ，在离散元法中分析颗粒或 块体的运动没有变形协调的问题，每个颗粒或块体只是根据其受力的大小按牛顿定律 而运动，甚至可以脱离母体。能够反映土体或岩块之间的接触和滑移、分离和倾翻等 煤炭科学研究总院硕士学位论文 大位移，特别适用于散粒体材料及节理岩体边坡稳定性分析[ 4 2 】【4 3 1 。 ⑤不连续变形分析法 不连续变形分析法 D D A 是基于岩体介质非连续性发展起来的一种崭新的数值 分析方法【4 4 】。D D A 方法是在假定的位移模式条件下，由弹性理论的位移变分法建立 总体平衡方程式，通过施加或者去掉块体界面刚硬弹簧，实现块体单元界面不嵌入和 无张拉接触准则。D D A 方法在块体系统求解过程中，通过满足块体系统的开一闭迭代， 力系平衡及动力求解收敛以获得块体系统力与变形真解[ 4 5 | 。 目前，关于D D A 方法在实际问题上的应用，更多的成果是利用D D A 方法进行岩体 非连续变形特征和破坏机制分析。但是此方法最大的缺点是，在物料性质复杂的情况下， 计算时步大小对计算结果影响很大，使其在岩体工程中的应用受到了一定限制[ 4 6 ] 【4 7 1 。 ⑥快速拉格朗日有限差分法 为了克服有限元等方法在求解大变形问题时的缺陷，人们根据有限差分法的原 理，提出了快速拉格朗日 f a s tl a g r a n g i o na n a l y s i so fc o n t i n u e 数值分析方法，该方法 与有限元方法相比，能更好的考虑岩土体的不连续性和大变形特性，求解速度较快。 其缺点是计算边界以及单元网格的划分带有很大的随意性，在一定程度上影响了计算 的精度【4 8 1 。 上述各种边坡稳定性分析方法，有着他们各自的优缺点。所以，应根据研究问题 的实际情况，结合各种分析方法的适用性，选取合理的分析方法，这样才能保证分析 结果的正确性。 1 ．2 ．4 黄土滑坡机理及滑移模式 在国外，太沙基是从土力学方面研究滑坡机理的开拓者，他主要从滑带土孔隙水 压力的变化来揭示滑坡机理，同时也注意到了地质条件的应用。之后，赫佛利、摩根 斯坦、福斯列夫等定量地研究了孔隙水压对土体强度的影响；斯开普敦关于粘性土的 残余强度理论和捷尔一斯捷潘尼扬关于土体蠕变特征的研究把滑坡机理的研究进一步 推向深入，斋藤迪孝研究了粘性土的蠕变破坏规律，划分出减速蠕变、等速蠕变和加 速蠕变三个阶段，并以此为理论基础应用滑坡位移监测资料成功地预测日本饭山线高 场山隧道滑坡的大滑动时间f 4 9 ] 。F e m a d e zM e r o d o ，J ．A ．等‘5 0 l 提出了地震液化导致滑坡 机理的破坏扩散模型，并用数值模拟的手段完成了这一破坏过程；B ．E W e n ．和 A ，A y d i n [ s 1 ] 从滑带土的角度对降雨形成的泥石流滑坡机理进行了研究。 7 煤炭科学研究总院硕士学位论文 在国内，许多学者对与滑坡有关的问题进行了多方面的探讨和研究，如胡广韬[ 5 2 ] 提出了缓动式滑坡滑动的发育模式、滑移机理；徐邦栋[ 5 3 ] 以滑动带成因和形态为主结 合滑动特征，阐述了黄土滑坡的发生机制和变化过程；王家鼎‘5 4 1 进行了强震作用下黄 土滑坡机理的研究；晏同珍[ 5 5 1 根据滑坡发生的初始条件、原因及滑动方式对滑坡机理 进行了概化；卢肇钧[ 5 6 ] 从应力状态和应力路径、应变、孔隙水压力、加载速率受力时 间、土体不均匀性和不等向性等方面综述了土体破坏机理；刘光带提出“牵引推动式” 机制等等。特别是王家鼎教授，对黄土滑坡的机理进行了系统、深入的研究，提出了 一系列的观点和方法，并推导了大量的滑动轨迹、滑速、滑距公式，撰写出了有关黄 土滑坡系统工程地质研究的第一部专著典型高速黄土滑坡群的系统工程地质研究 p 7 J ；吴立洲，黄润秋等人针对膨胀土土质的特殊性对膨胀土边坡的滑坡机制进行了分 析【5 8 】。 1 9 9 4 年祖国林依据对排土场特征的分析，结合苏联、西欧国家和我国冶金、煤炭 矿山排土场边坡的工程经验，总结了黄土基底排土场在排土过程中以及形成后，可能 存在以下四种主要的滑坡类型a 排弃物料型；b 基底型；c 古滑坡复活型；d 地 基型，并指出地基型滑坡具有规模大、滑速高等显著特征，为边坡稳定性评价和拟定 防治对策提供依据[ 5 9 1 。 1 9 9 8 年，祖国林通过分析排土场对地质结构物的工程改造，提出了“演化弱层” 的概念，并指出演化弱层的形成具有应力水平对应性、介质类型选择性、物理力学性 质演变等特征。并指出，针对“演化弱层”的形成规律，要重点对排弃物料的工程性 质、演化弱层的流变特征、土层不同含水量的强度特征、孔隙水压力消散规律以及高 压压缩试验及微观特性进行研究【6 0 ] 。在19 9 9 年，祖国林又对排土场基底黄土的黄土 矿物类型，黄土的微观结构特征以及在不同载荷压力作用下的变化特征及其对土体结 构及物理力学性质的影响进行了深入的研究，取得了有价值的的成果【6 1 】。 2 0 0 4 年，张卫国[ 6 2 ] 等人对由于“演化弱层”的存在而导致的地基型滑坡的机理 进行深入分析，指出了这类滑坡的破坏特征以及滑坡发育过程。2 0 0 5 年，杨洪海【6 3 J 对“演化弱层”的强度特征进行了深入的分析，指出在对外加载荷的边坡稳定性分析 与评价过程中，准确的确定弱层及其长期强度指标是必不可少的一项基础工作。2 0 0 8 年，王振伟[ 6 4 ] 对露井联采条件下黄土基底排土场变形演化规律以及边坡破坏机理进行 了深入的分析。 煤炭科学研究总院硕士学位论文 此外，梁斌【6 ”、李祥龙[ 6 6 】、刘寒鹏【6 7 1 针对露天矿生产中常采用爆破这一情况，对 在爆破震动影响下的黄土基底排土场边坡稳定性进行了大量研究，研究表明爆破震动 不会引起边坡整体滑坡，但是震动会引起坡顶张拉裂缝的形成和加深，从而影响边坡 的稳定性。汪海滨[ 6 8 】等人对排土场的边坡稳定性的空间效应进行了研究，研究表明排 土场的空间形态与稳定性有着直接的关系，凸边坡的稳定性系数明显低于凹边坡的稳 定性系数。 近二十年来，有关黄土基底排土场滑坡机理及滑坡模式的研究取得了突破性的进 展，但是其研究还在继续进行，相关理论还在不断完善和发展之中。 1 ．2 ．5 地基极限承载力计算方面 1 极限平衡法 地基极限承载力是岩土工程稳定性分析的基本问题。早在1 8 5 7 年R a n k i n e 就已经 提出了地基极限承载力的理论公式。1 9 2 0 年P r a n d t l 根据塑性力学理论导出了刚性基 础压入无重度土体中滑裂面的形状及其相应的极限承载力公式，由于数学上的严格解 答在大部分的实际问题中不可能得到，4 0 年代T e r z a g h i