关键词:
岩质高边坡
坡体结构
稳定性
颗粒流
危岩崩塌
摘要:
岩质高边坡问题一直是岩土工程领域的研究热点之一,它涉及的范围广泛,从水利水电工程、矿山工程、铁道工程、公路工程等诸多工程领域到岸坡、山坡等自然领域。近年来,随着我国社会经济建设的不断发展,工程建设规模和力度也越来越大,大型工程建设项目的不断涌现,岩质高边坡稳定性问题越来越受到人们的重视。焦作市位于河南省西北部,北依太行山,南临黄河水,是一座在矿产资源开发基础上发展起来的新兴工业城市及旅游城市。经过几十年的强力开发,焦作矿区地质环境日益恶化,加上特定的自然地质环境和不合理的人类经济活动,在矿区周边引起了许多环境地质问题。由于露天采矿,焦作市废弃矿山内形成了许多高陡岩质边坡,(潜在)崩塌地质灾害发育,严重制约了矿山地质环境恢复治理工作的开展。因此,加强对焦作市废弃矿山岩质高边坡的稳定性以及崩塌灾害的研究,已经成为一个刻不容缓的话题,这可以有效促进焦作市矿山地质环境治理恢复问题的解决。本论文针对岩质高边坡坡体结构特征分析和稳定性研究问题,以焦作市龙寺废弃矿山岩质高边坡作为研究实例。结合地质资料和野外调查,分析了研究区的地质环境条件和岩质高边坡破坏特征。总结了岩质高边坡的坡体结构类型和破坏模式,建立了坡体结构特征分析方法,通过野外调查、三维激光扫描和室内试验等分析了矿山典型岩质高边坡的坡体结构特征。选用平直节理接触模型作为岩石黏结颗粒模型,分析岩石宏细观参数之间的关系,建立了岩石细观参数的标定方法。建立了结构面直剪试验的颗粒流模型,提出了结构面细观参数的标定方法,在此基础上采用合成岩体技术建立岩质高边坡的颗粒流模型。总结了岩质高边坡危岩崩塌类型,分析了龙寺矿山岩质高边坡危岩崩塌类型与形成机理。建立了用于危岩变形预测的一种新的灰色模型,并通过实例说明了其具体应用。选用接触黏结模型,从断裂力学理论的角度建立崩塌源危岩稳定性评价的颗粒流数值模型。分析颗粒流模型中宏细观强度折减之间的关系,提出岩质边坡稳定性评价的颗粒流细观强度折减法,并将其用于龙寺矿山典型岩质高边坡稳定性评价中。论文的主要研究内容和成果如下:1.通过资料收集和野外调查阐明了焦作市龙寺矿山的自然地理条件,地形地貌、地层岩性、地质构造等区域地质环境特征,以及矿山岩质高边坡的破坏特征。矿山内边坡岩体节理裂隙较发育,由于长时间无序的露天开采模式,导致采矿边坡普遍高陡,且受爆破和开挖等外力的影响,往往导致岩体破碎。根据现场勘查,区内岩质高边坡的变形破坏主要表现为危岩崩塌。矿山内岩质边坡高陡、节理裂隙发育、溶蚀作用强烈是危岩崩塌发育的主要内在因素。矿山开采是危岩崩塌的最主要诱发因素,受开挖卸荷的影响,岩体沿节理裂隙向临空方向卸荷形成危岩体,在降雨或地震的诱发下,易发生危岩崩塌。2.在参考坡体结构相关研究的基础上,对岩质边坡的坡体结构类型与破坏模式进行了总结和概括,可将岩质边坡的坡体结构划分为5大类:软弱带控制型坡体结构、层状坡体结构、软硬交替型坡体结构、节理控制型坡体结构和类均质型坡体结构。在此基础上,建立了岩质高边坡坡体结构特征分析的基本过程,针对节理岩质高边坡,重点讨论了三维激光扫描技术在结构面调查中的应用。通过野外调查、三维激光扫描、室内外试验和赤平投影分析了龙寺矿山典型岩质高边坡的坡体结构特征,结果显示:边坡整体稳定性较好,局部可能出现块体的滑移破坏和倾倒破坏。此外,在边坡上部存在松动的危岩,在降雨、地震等外部环境影响下可形成突发的落石灾害。3.在概述颗粒流模拟方法基本原理的基础上,选择平直节理模型作为岩石黏结颗粒模型,可以获得符合实际的岩石拉压强度比。采用正交试验设计和多因素方差分析研究岩石宏细观参数之间的关系,确定了宏观参数的显著性因素及其排序。变形模量E:Ec>kn/ks>σb;泊松比V:kn/ks>cb/σb>μb>Ec>tanφb单轴抗压强度σf:cb>σb>tanφb抗拉强度σt:σb;内摩擦系数tanφ:μb>tanφb;内聚力C:cb>μb>kn/ks>σb;压拉强度比σf/σt:cb/σb>tanφb;双轴抗压强度σf-2:cb>μb>tanφb>kn/ks;双轴抗压强度σf-8:μb>c6>tanφb>kn/ks;当围压较小(σ3=2MPa)时,cb对峰值强度的影响相对较大,而围压较大(σ3=8MPa)时,μb对峰值强度发挥的作用更大。相对于单轴抗压强度,双轴抗压强度受到kn/ks的影响。根据正交试验计算结果可以建立宏观参数与其显著性影响因素之间的关系式,发现变形模量E与Ec呈正相关关系,与kn/ks呈负相关关系;泊松比v与Ec、μB呈负相关关系,与kn/ks、cb/σb、tanφb呈正相关关系;单轴抗压强度σf与σb、cb、tanφb呈正相关关系;抗拉强度σt与σb呈正相关关系;内摩擦系数tanφb与tanφb、μ呈正相关关系;内聚力C与kn/ks、σb、c