矿联井口上方边坡加固前后稳定性对比分析.pdf

国内图书分类号工旦垦丝 国际图书分类号 硕士学位论文 矿联井口上方边坡加固前后 稳定性对比分析 硕士研究生 导师姓名 申请学位级别 学科、专业 所在单位 答辩日期 学位授予单位 一一一一一一一 万方数据 C l a s s i f i e dI n d e x 工旦璺2 垒 U ．D ．C D i s s e r t a t i o nf o rt h eM a s t e rD e g r e ei nE n g i n e e r i n g T H ECO M P A R A T I V EA N A L Y S I SA B O U T T H ES T A B I L I T YO FT H ES L O P EB E R O R E A N DA F T E RR E I N F o R C E M E N TA TT H E T o Po FM I N EW E L L H E A D C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y D a t eo f0 r a lE x a m i n a t i o n U n i v e r s i 锣 Z h a oJ u n x i a n g P r o f e s s o rW a n gX u c h u n M a s t e ro fE n g i n e e r i n g C i v i lE n g i n e e r i n g D e c e m b e r2 0 1 6 Q i n g d a oU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 万方数据 硕士学位论文 矿联井口上方边坡加固前后稳定性对比分析 学位论文答辩E l 期 指导教师签字 答辩委员会成员签字 2 彬j ／2 。拍 丛霾 进 万方数据 多缯 青岛理工大学学位论文独创性声明 本人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取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得青岛理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 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己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 研究生签名氆榉 日期趔多 呈／乡 青岛理工大学学位论文使用授权声明 青岛理工大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、C D M D 和D M D 有权保留本人 所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容。论文的公布 包括刊登 授权青岛理工大学研究生处办理。 露期 万方数据 青岛理二大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 课题研究背景、目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．1 研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 露天矿边坡工程研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 边坡稳定性分析方法研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 边坡加固研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 - 3 研究内容、方法及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 。3 ．1 研究内容、方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．4 研究技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 第2 章边坡工程背景及稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 工程地质条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．1 地层分布特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ．2 ．2 矿区岩体结构类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．3 地质构造⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．4 水文地质概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．2 ．5 地震烈度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．3 矿联井口上方边坡稳定性影响因素分析研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．1 岩体结构特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．3 ．2 自然营力作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 4 2 _ 3 ．3 表面植被⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．4 开采方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯■⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 第3 章基于极限平衡法的边坡稳定性计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．I 极限平衡法基本原理与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．1 ．1 极限平衡法的简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。1 9 3 ．1 ．2 极限平衡法的理论基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．1 ．3 极限平衡条分法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．2 计算模型建立及安全系数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ，2 ．1 S L I D E 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 8 3 ．2 ．2 边坡岩土体物理力学参数选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．3 极限平衡分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．4 安全系数选取及稳定性判断⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．2 ．5 边坡数值模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3 基于S L I D E 的边坡稳定性计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．1 不同方法对比分析边坡稳定性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．2 边坡中破碎风化带参数敏感性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 ．3 粘聚力、内摩擦角参数对边坡安全系数的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 第4 章矿联井口上方边坡加固设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．1 锚索在边坡加固中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 4 ．1 ．1 锚索优点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．1 ．2 锚索及浆体材料的力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．1 ．3 锚索在边坡加固中的应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．2 ．4 预应力锚索加固边坡原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 8 4 ．2 边坡锚索加固设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．1 锚杆索的设计步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．2 ．2 边坡滑坡推力计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 4 ．2 ．3 锚杆索加固设计计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．3 辅助治理措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 第5 章矿联井口上方边坡加固数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 T T 万方数据 毒岛理工大学硕士学位论文 5 ．1 数值模拟构件及模拟方案选取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 5 ．1 ．1 数值模拟构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 5 ．1 ．2 模拟方案的制定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 5 ‘2 边坡加固前后稳定性对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．2 ．1 天然状态下边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 5 ．2 ．2 加固后边坡稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 ．3 边坡加固优化设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．3 ．1 分析锚索不同加固角对边坡稳定性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 5 ．3 ．2 锚索加固位置的优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 第6 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 攻读硕士学位期间论文发表情况及科研情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 I l l 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 I V 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 摘要 边坡工程稳定性研究是涉及技术、经济及安全生产等诸多因素的复杂系统工程。煤 炭资源在我国能源结构中占据重要地位，为满足煤炭的需求量，露天煤矿开采由浅层开 采到深层开采转变，山坡型露天开采到深凹型露天开采，这期间形成的高陡边坡，其稳 定性威胁到矿区安全生产和正常生活，所以高陡露天矿边坡的稳定性研究具有十分重要 的意义。本文以平朔露天煤矿矿联井口上方边坡为工程研究对象，采用理论分析和数值 模拟手段，开展了边坡加固前后的稳定性分析，并提出加固优化措施。 1 结合该露天矿边坡的地质特点和现状，分析研究影响边坡稳定性的因素，主要 包括地层岩性、岩土体结构、降雨、风化作用、地震、边坡表面植被、露井开采方式等。 从边坡自身因素和外界因素两个方面简要分析了研究区边坡现阶段存在的问题和隐患， 为边坡稳定性的进一步分析提供基础。 2 基于极限平衡法分析边坡的稳定性，比较B i s h o p 法、J a n b u 法、S p e n c e r 法三 种方法的优缺点。采用S L I D E 软件计算边坡安全系数，通过比较分析发现B i s h o p 法比 较适合该边坡，所求安全系数小于规范值，表明边坡稳定性较差，安全储备不足。通过 分析c 、妒值对边坡安全系数的敏感程度，发现泥砂互层敏感性最高，单独对破碎风化带 分析后，发现妒的影响程度大于c 。 3 边坡加固应用预应力锚索系统，采用不平衡推力法计算边坡滑坡推力，计算得 出单根锚索合理的轴力设计值，同时计算锚索截面、锚固段长度、自由段长度，并对锚 索倾角进行优化设计，结合规范和工程实际取值。在此基础上借助削坡减载、排水、生 态护坡综合防治手段，防止非主导因素引起的边坡破坏。 4 分别借助F L A C 3 D 与极限平衡法开展边坡加固前的稳定性计算，并对二者计算 进行了对比，发现两种方法得到的安全系数和危险滑动面基本一致。 5 对预应力锚素加固后的边坡，应用F L A C 3 D 进行分析，边坡水平位移明显减小， 几乎为零；计算边坡安全系数，发现高于规范值，说明边坡处于稳定状态，具有较高的 安全储备强度。对临界状态的应力，应变分析表明，边坡中部台阶处出现塑性贯通区， 故锚索加固位置予以改进处理，以提高边坡的稳定性。 6 通过F L A C 3 D 数值模拟分析锚索不同加固角与边坡安全系数的关系，并作出拟 合曲线，确定最合适的锚索加固倾角。 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 关键词露天矿边坡；加固；边坡稳定性；预应力锚索；数值模拟 I l 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t S l o p ee n g i n e e r i n gs t a b i l i t yr e s e a r c hi s ac o m p l e xs y s t e me n g i n e e r i n gi n v o l v i n gm a n y f a c t o r ss u c ha st e c h n o l o g y , e c o n o m ya n ds a f ep r o d u c t i o n ．C o a lr e s o u r c e si nC h i n a ’Se n e r g y s t r u c t u r eo c c u p i e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni no r d e rt om e e tt h ed e m a n df o rc o a l ，o p e n p i tc o a l m i n i n gf r o ms h a l l o wm i n i n gt od e e p s e a t e dc o n v e r s i o n ，s l o p e t y p eo p e n p i tm i n i n gt od e e p c o n c a v eo p e n - p i tm i n i n gd u r i n gt h ef o r m a t i o no fh i g ha n ds t e e ps l o p e ，S t a b i l i t yi sat h r e a tt o m i n ep r o d u c t i o ns a f e t ya n dn o r m a ll i f e ，S Ot h es t a b i l i t yo fh i g hs t e e po p e np i ts l o p es t a b i l i t yi s o fg r e a ts i g n i f i c a n c e ．I nt h i sp a p e r , t a k i n gt h es l o p ea tt h et o po ft h ew e l l h e a do fP i n gs h u o O p e n p i tM i n ea st h er e s e a r c ho b j e c t ．T h es t a b i l i t ya n a l y s i so ft h es l o p eb e f o r ea n da f t e rt h e r e i n f o r c e m e n ti sc a r r i e do u tb ym e a n so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h e r e i n f o r c e m e n ta n do p t i m i z a t i o nm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d ． 1 。C o m b i n e dw i t ht h eg e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t a t u sq u oo ft h eo p e np i ts l o p e ， t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo ft h es l o p ea r ea n a l y z e da n ds t u d i e d ，w h i c hi n c l u d et h e l i t h o l o g y , r o c ks t r u c t u r e ，r a i n f a l l ，w e a t h e r i n g ，e a r t h q u a k e ，s l o p ev e g e t a t i o n ，o p e n p i tm i m n g a n dS Oo n ． 2 ．T h es t a b i l i t yo ft h es l o p ei sa n a l y z e db a s e do nt h el i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ．T h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h eB i s h o pm e t h o d ，J a n b um e t h o da n dS p e n c e rm e t h o da r e c o m p a r e d ．S L I D Es o f t w a r ei su s e dt oc a l c u l a t et h es a f e t yf a c t o ro fs l o p e ．B yc o m p a r i s o n ，i ti s f o u n dt h a tB i s h o pm e t h o di sm o r es u i t a b l ef o rt h es l o p e ．T h es a f e t yf a c t o ri sl e s st h a nt h e s p e c i f i e dv a l u e ，w h i c hm e a n st h es l o p es t a b i l i t yi sp o o ra n dt h es a f e t yr e s e r v ei s i n s u f f i c i e n t ． B ya n a l y z i n gt h es e n s i t i v i t yo f t h eCa n d Dv a l u e st ot h es a f e t yf a c t o ro ft h es l o p e ji ti sf o u n d t h a tt h es e n s i t i v i t yo ft h es a n dl a y e ri st h eh i g h e s t ，a n dt h ea n a l y s i So ft h eb r o k e nw e a t h e r i n g z o n es h o w st h a tt h ei n f l u e n c ed e g r e eo f Di sg r e a t e rt h a nC ． 3 ．S I o p ei sr e i n f o r c e db yp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e ，u n b a l a n c e dt h r u s tm e t h o di s u s e dt o c a l c u l a t et h et h r u s tf o r c eo fs l o p es l i d e ，a n dar e a s o n a b l ed e s i g no fs i n g l ec a b l ea n c h o rf o r c ei s o b t a i n e d ．T h el e n g t ho fa n c h o rs e c t i o n ，l e n g t ho fa n c h o rs e c t i o na n dl e n g t ho ff r e es e c t i o na r e c a l c u l a t e d ．A n c h o rc a b l ei n c l i n a t i o na n g l e ，c o m b i n e dw i t ht h es p e c i f i c a t i o na n de n g i n e e r i n g a c t u a lv a l u e ．O nt h i sb a s i s ，c o n t i n u et oc u ts l o p es l o p el o a ds h e d d i n g ，d r a i n a g e ，e c o l o g i c a l s l o p ep r o t e c t i o n ，t op r e v e n tn o n d o m i n a n t f a c t o r sc a u s es l o p ed a m a g e ． 4 ．T h es t a b i l i t yo fs l o p eb e f o r er e i n f o r c e m e n ti sa n a l y z e db yF L A C Ⅲs o f t w a r e ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es a f e t yf a c t o ra n dt h ed a n g e r o u ss l i ps u r f a c ei st h es a m ea st h a tt h er e s u l t s o fl i m i te q u i l i b r i u mm e t h o d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h es l o p en e e d sr e i n f o r c e m e n tt r e a t m e n t ． 5 ．T h en u m e r i c a la n a l y s i so ft h es l o p es t r e n g t h e n e db yp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ei sc a r r i e d 1 1 1 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 o u tb yu s i n gF L A C 3 Ds o f t w a r e ．T h es a f e t yf a c t o ro ft h es l o p ei sc a l c u l a t e dt ob eh i g h e rt h a n t h es p e c i f i c a t i o n ，w h i c hs h o w st h a tt h es l o p ei si nas t e a d ys t a t ea n dh a sah i g hs a f e t yr e s e r v e s t r e n g t h ．T h es t r e s Sa n ds t r a i na n a l y s i so ft h el i m i ts t a t es h o w st h a tt h ep l a s t i cp e n e t r a t i o na r e a a tt h em i d d l ep a r to ft h es t o p e ．T h er e i n f o r c e m e n tp o s i t i o no ft h ea n c h o rc a b l ei si m p r o v e da n d t h es t a b i l i t yo ft h es l o p ei si m p r o v e d 6 ．T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er e i n f o r c e m e n ta n g l ea n dt h es a f e t yf a c t o ro ft h es l o p ei s a n a l y z e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．T h ef i t t i n gc u r v ei sm a d et od e t e r m i n et h em o s ts u i t a b l e a n c h o rr e i n f o r c e m e n ta n g l e K e yw o r d s O p e np i ts l o p e ，R e i n f o r c e m e n t ，S l o p es t a b i l i t y , P r e s t r e s s e da n c h o rc a b l e ， N u m e r i c a ls i m u l a t i o n I V 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ．1 课题研究背景、目的及意义 1 ．1 ．1 研究背景 我国拥有众多的露天矿，铁矿石开采总量的9 0 ％是露天开采，有色金属矿石约占一半 以上，近年来大型露天煤矿迅速发展，同样也占很大的比例[ 1 ．2 ] 。上世纪5 0 年代，我国 露天矿主要是露天浅层开采，开采深度一般低于l O O m ，而随着矿山源源不断的开采，有 的露天矿边坡高度已高达4 0 0 多米，存在一定程度安全风险，所以高陡露天边坡的稳定 性研究十分有必要。 我国经济建设对能源的需求量较大，但是我国能源结构主要存在这样一种形式缺油、 少气、富煤，而煤炭是发电能源、工业和动力燃料、化工原料等的主要供源，这种资源 利用格局决定了煤炭在我国是无法取代的这一事实【引。人们对煤炭的需求量日益增长， 直接导致煤矿开采量呈上升趋势。 随着许多矿山由浅层露天开采转入深凹露天开采，煤矿开采深度的不断增加以及边 坡坡度的更高更陡，采矿方式由过去单一模式的露天采矿，转向如今露天和井工联合开 采的模式。这样的变化不仅可以适应国家煤炭资源需求，降低成本，而且可以有效缓解 大规模露天开采与当地生态环境之间的矛盾。虽然露井联采方法具有鲜明的优势，但是 前期露天开采形成走向长达数千米，高达数百米的巨大露天矿边坡，边坡稳定性和安全 性很难得到保证。露天矿边坡受风化和降雨入渗等因素影响，造成了坡体表面破碎，强 度日渐下降；在受到井工开采及爆破作业的冲击下，造成边坡的岩体结构和内部应力发 生变化，进一步引起边坡的稳定性降低。 露天矿边坡前期的防治是非常有必要的，否则一旦发生灾害将会给矿区财产和生命 安全带来极大的威胁，同时造成后期高额的治理成本。例如，从抚顺西露天矿投产以来 约7 0 多年间，共计发生近7 0 余次，平均下来接近每年一次。为治理滑坡产生的灾害， 对滑坡进行削坡减载剥离岩土体就有1 亿立方米之多，可想而知需要多大的耗费，上世 纪6 0 年代，发生过一次严重的滑坡，损害了矿区设备，花费3 年之久的工程处理，耗资 高达2 0 0 0 万元大冶铁矿自上世纪7 0 年代以来，滑坡发生次数不下1 9 次之多，滑坡平 均每次达约为7 万立方米的土方量；白银露天矿矿区中边坡发生大小滑坡、塌方数共计 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 1 0 次，而规模较大的占一半以上，多年来仅治理费用花费高达1 1 8 万元【4 】。 露天矿边坡稳定性关系到矿区的生产安全和经济效益，如何经济有效的保障露天煤 矿边坡工程的稳定性；怎样与工程实践结合，对露天煤矿边坡工程的稳定性及其有效治 理问题进行深入研究，己成为目前最需要解决的技术难题。 1 ．I 。2 研究目的及意义 每年发生的边坡灾害给我国造成的经济损失多达数亿元，严重威胁人民财产和生命 安全。在日常矿区生产中，企业正常生产、经济效益和员工安全受到露天矿边坡的稳定 性和安全性的制约。因此，对于露天矿边坡课题的研究十分具有理论和现实意义。 随着煤炭资源现代化开采进程的不断加快，露天矿开采由露天转入井下，导致前期 开采形成的高陡露天矿边坡的稳定性降低。开采作用使边坡岩体内部的应力受到干扰， 引起应力重新分布，致岩体可能产生移动和变形，最终导致露天矿边坡稳定性降低。露 天煤矿边坡失稳，是由多种因素综合作用的结果，不仅仅包括开采的扰动，还包括风化 作用和降雨侵蚀作用改变原来边坡岩体内部的应力场，以及岩体结构、地下水、爆破震 动和人为因素的影响等。由于露天矿边坡问题的重要性和复杂性，露天开采面临着新的 困难和挑战，同时还面临着有效治理的问题，对此仍然是有技术难题需要进行研究。 本文以平朔露天煤矿矿联井口上方边坡为研究对象，分析影响边坡稳定性的因素， 运用极限平衡法与S L I D E 软件结合进行分析边坡的稳定性，计算边坡安全系数，并对边 坡稳定性作出评价。在前面评价的基础运用预应力锚索对露天矿边坡加固，同时辅以削 坡、排水和植被护坡方法综合治理边坡。应用F L A C 3 D 软件对加固前后的边坡作稳定性 对比分析，作出合理评价，提出加固优化意见，为露天矿边坡的治理提供科学依据，保 障边坡的安全和稳定，从而整个矿区的安全生产和经济效益才能获得保证。通过系统的 研究上述安全难题，对解决现场实际问题及类似工程，具有一定理论和指导作用。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 露天矿边坡工程研究现状 露天矿边坡工程研究与矿山生产安全、可持续发展和经济效益息息相关，它是一项 重要的课题。早在上世纪中期，国外就开始对边坡工程进行研究。露天矿采场边坡坡度 过陡或过缓的盲目设计，容易造成成本的浪费，公司无法获得更高的利润。这就要求在 矿山开采设计之前，综合考虑各种因素和基本试验数据，对其进行计算分析，研究最佳 2 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 的设计方案。这期间许多国外专家在边坡实验研究、计算分析技术、加固治理和边坡检 测等方面都取得很大的突破，如美国、俄罗斯、加拿大、澳大利亚等国家露天矿边坡工 程技术居世界前列[ 5 】。随着计算机计算分析能力的提高，促使以往定性分析向定量计算 分析发展，特别是多元化高科技的出现和应用，将边坡工程技术推到一个新的层次。 2 0 世纪5 0 年代，我国逐渐开始对露天煤矿矿山边坡工程研列3 1 ，在2 0 世纪7 0 ～8 0 年代的快速成长，煤炭生产需要促使国内重点大型露天矿几乎都先后进行了边坡工程针 对性研究。这期间不仅取得了许多重大科研成果，也是为了保障矿山的生产安全，为企 业实现更高的经济效益，为国民经济建设做出了贡献。我国在边坡工程方面整体技术水 平也不断在提高，已跻身于国际先进行列。 上世纪8 0 年代以后，随着露天矿山的不断开采，许多的露天矿向深凹开采转变，边 坡高度急剧增加，边坡更高更陡。露天采矿面临着新的问题一方面，高陡边坡带给采 场生产安全和经济问题，另一方面，它破坏当地的生态环境。这些需要学科交叉、渗透、 动态结合与现代科学技术有关的理论方法[ 6 ] ，尤其是借助计算机为计算工具的数值模拟 技术的应用，将其综合引入到边坡工程稳定性分析中，使边坡工程稳定性分析进入了一 个新阶段。 1 ．2 ．2 边坡稳定性分析方法研究现状 l 、定性分析方法 定性评价方法是通过分析影响因素、破坏形式以及与力学相关的失稳机制等，并在 此基础上分析边坡形成原因和历史演化进程，以此评价边坡稳定状况及潜在发展趋 势‘引。在边坡工程的抢险中定性评价更显得十分重要，它的优势在于能够充分考虑 影响边坡稳定性的多方面因素，并且快速及时地评价边坡的稳定状况。 1 历史成因分析法 此方法评价边坡稳定性时郾】，主要依靠经验和定性分析的方法，通过研究边坡的地 形地貌、地质条件和边坡变形破坏规律，追溯边坡演变的整个过程，预测边坡稳定性发 展的总趋势及其破坏方式。主要用于天然斜坡的稳定性评价。 2 工程地质类比法 这种方法的本质是基于现有的自然边坡或人工边坡的研究设计经验[ 1 01 1 ] ，对同样具 有相似条件的新边坡和人工边坡结合现有的经验进行设计研究。该方法需要详细调查研 究现有边坡工程地质条件，对其综合分析相同点和异同点，并分析影响边坡变形发展过 万方数据 青岛理工大学硕士学位论文 程中的主导因素相同和不同处，还应结合工程的类别、等级及其对边坡的特殊要求等。 边坡工程常用此方法进行稳定性分析。 3 图解法 图解法是考虑各种因素，根据相应的公式制成图表，使边坡计算设计变的简单‘1 2 】。 图解法可以分两类‘1 3 ] 第一类，边坡有关参数之间的定量关系通过一定的曲线和诺模图 来表征，由此求出边坡稳定性系数；第二类，利用图解求边坡变形破坏的边界条件，分 析软弱结构面的组合关系和滑体的形态、滑移方向，评价边坡的稳定程度，为力学计算 创造条件。 其他定性分析还有专家系统方法【1 4 ] 、岩体质量评价S M R 法[ 1 5 , 1 6 ] 等。 2 、定量分析方法 定量评价方法是通过评价计算出的准确数值结果，依次作为判断是符合要求的依据。 但是这一过程最终还是需要人工判断评价，因为人为因素的存在，表明它本质是一种半 定量的方法。当前，所有定量的计算方法都是基于定性分析之上。 1 极限平衡法 极限平衡法是工程中最常用的一种定量分析方法。工程实际应用中，常用边坡稳定 系数来判断评价边坡稳定性，它是基于极限平衡理论计算，通过分析接近破坏状态下， 边坡岩体外力与内部强度所提供的抗力平衡，求解稳定系数。极限平衡法的基本假设是 边坡变形破坏时其破坏面满足破坏准则。该原理的方法有很多，如瑞典圆弧法、瑞典条 分法[ 1 7 ] 、B i s h o p 澍18 1 、J a n b u 法[ 1 9 】、不平衡传递系数法[ 2 0 ] 、M o r e g e n s t e r n ．P f i c e 法[ 2 、 H o k e 法[ 2 2 ] 、S a n n a