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抚顺西露天矿弱层边坡蠕变大变形机理及演化规律研究

抚顺西露天矿弱层边坡蠕变大变形机理及演化规律研究

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作者：金淳哲辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

抚顺西露天矿被誉为“亚洲第一大露天煤矿”,至今已有百年的开采史。矿区内近年来不断有滑坡、地表裂缝等灾害发生,严重影响了工业生产和周边居民的安全。因此,亟待开展西露天矿区滑坡灾害成因分析、边坡滑移变形机理和演化规律研究等工... 详细信息

抚顺西露天矿被誉为“亚洲第一大露天煤矿”,至今已有百年的开采史。矿区内近年来不断有滑坡、地表裂缝等灾害发生,严重影响了工业生产和周边居民的安全。因此,亟待开展西露天矿区滑坡灾害成因分析、边坡滑移变形机理和演化规律研究等工作,为西露天矿区地质灾害防控及综合治理提供理论依据,减少矿区灾害造成的各种损失。本文通过现场调研分析了西露天矿南帮弱层边坡的滑移特征及变形机理,选取南帮弱层泥岩开展了三轴压缩试验和三轴蠕变试验,根据试验结果构建了弱层泥岩蠕变损伤模型,基于数值模拟研究了弱层边坡蠕变大变形演化规律。主要研究成果如下:(1)西露天矿南帮边坡为顺倾岩质边坡,坡体内含有多个不规则的软弱夹层。南帮边坡变形机理为多弱层或结构面控制下沿顺倾弱层发生的“坐落-滑移式”蠕变失稳破坏。受岩体自重和降雨入渗影响,坡体内弱层结构强度弱化,岩体产生塑性损伤,边坡发生蠕变滑移,坡体后缘出现张拉破坏趋势,坡体前缘出现破裂扩容现象。当岩体损伤到一定程度时,滑坡体沿坡底小断层处发生剪切破坏,边坡出现大变形滑移。(2)通过三轴压缩试验,获得弱层泥岩的基本力学参数,由不同围压下泥岩的全应力-应变曲线可知,泥岩在高围压下表现出明显的应变软化特性。基于线性拟合方法,获得了泥岩的峰值强度参数和残余强度参数。分析泥岩在各偏应力水平下的蠕变曲线可知,随着围压的增大,高应力水平条件下的蠕变曲线逐渐趋于平滑,说明围压对泥岩的黏塑性蠕变特性有较大影响。(3)在Burgers蠕变模型基础上,串联非线性塑性元件,构建弱层泥岩强度参数随塑性剪切应变非线性变化的蠕变损伤模型,既表征了泥岩峰值前的蠕变损伤特性,又反映了泥岩峰值后的强度衰减特征。采用离散元方法开发蠕变与应变软化复合作用数值计算程序,数值计算得到的蠕变曲线与室内试验曲线具有较好的吻合度,说明采用泥岩塑性剪切应变作为蠕变损伤变量,可以较好的反应其蠕变损伤过程。(4)根据西露天矿工程地质图,利用UDEC软件建立南帮弱层边坡精细化数值模型,并将蠕变损伤模型应用于边坡弱层结构。数值计算结果表明:受开挖卸荷影响,边坡坡顶和坡底分别出现拉应力集中和剪应力集中;之后弱层结构发生蠕变损伤,表现出坡顶拉张破坏、坡底地表隆起;随着蠕变时间增长,弱层结构黏塑性变形高度发展,坡顶出现大范围沉陷;当损伤达到极限时,边坡发生剪切破坏,出现大变形滑坡。数值计算得到的蠕变滑移特征与边坡实际变形情况基本相似,建立的模型能够更好地反映西露天矿弱层边坡大变形演化规律。该论文有图49幅,表10个,参考文献72篇。

关键词：弱层边坡数值模拟蠕变损伤滑坡机制大变形

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