宽级配废石的高排土场稳定性研究

宽级配废石的一坡到底的高台阶排土场具有明显的粒径分级特征,传统稳定性分析方法将其简化为多层各向同性的均质土体,却实质性忽略了排土场粗粒土各粒组分布的不均匀性和随机性,导致难以获得其边坡稳定性的合理结论。依托江西某铜矿高台阶排土场,借助自编元胞自动机程序EPOHHM,采用5组窄级配粗粒土表征了高台阶排土场的粒径分级现象,模拟了各粒组散体分布的不均匀性和随机性,分析了不同工况下排土场的位移场及塑性状态,系统地探讨了不同堆排模式下排土场边坡的安全稳定性,提出了一种宽级配废石的高台阶排土场稳定性的精细化分析方法。研究结果表明,排土场发生“拉-剪”破坏;土体中上部有圆弧形滑坡趋势,下部变形表现为沉降,顶部平台产生拉剪裂缝。仅考虑散体力学强度时,底部粗颗粒（ 100 mm）含量的增加对排土场起显著的稳固作用,“单台阶全段高”的堆排模式比“全覆盖式多台阶”更有利于宽级配废石的高排土场安全稳定。研究成果将为保证明显粒径分级的排土场的长期安全稳定提供指导,也为今后分析此类工程问题提供借鉴。     

超高台阶排土场散体块度分布规律及抗剪强度参数的研究

“明显的粒径分级”是超高台阶排土场的重要特征,而散体岩土块度分布及其抗剪强度参数是影响超高台阶排土场稳定性和灾害防治的两个关键因素。针对江西某铜矿排土场,开展了现场粒径调查和散体室内试验研究,探讨了排土场散体岩土块度随排土场高度变化的分布规律,分析了散体岩土块度分布参数与其物料抗剪强度参数的定量关系式。研究结果表明,平均粒径 、粗料含量P>5 mm和最大粒径是随排土场高度的增加而明显减小,这表明排土场的堆积散体具有“明显的粒径分级”现象;“Gandin-Schuhmann模型”拟合的分布参数与排土场高度呈递减函数;分布参数B越大,粒度组成中粗颗粒含量越多,剪切强度参数内摩擦角φ值越大,且分布参数B与内摩擦角φ呈指数函数关系。研究成果可为超高台阶排土场稳定性分析及灾害防治提供理论依据。     

高寒矿区软弱基底排土场边坡稳定性数值模拟

为研究青藏高原东北部高寒地区冻融条件下,软弱基底露天煤矿排土场边坡变形破坏模式和边坡极限堆载高度,本文以青海天峻祁连山北缘江仓露天煤矿排土场作为试验区,采用二维有限元法模拟分析了5种不同堆载高度工况下排土场边坡变形破坏模式,基于折减系数法确定排土场边坡安全系数和稳定性评价。分析结果表明:在容许堆载高度范围内,随着排土场边坡堆载高度的增加,排土场边坡位移量表现出显著增长的变化趋势,其水平方向与垂直方向最大位移量分别为1. 631 m和6. 320 m,当超过容许堆载高度范围,排土场边坡位移量发生突变,呈显著性降低的变化趋势,其位移量降低幅度为64. 27%～102. 32%;塑性变形区表现出沿排土场边坡承载基底位置处的草甸型软弱界面,向排土场边坡坡底位置扩展;剪应力在坡底位置处出现应力集中现象,且剪应力集中范围由边坡承载基底向上、向坡体内部扩展且呈连通趋势,其结果形成后缘拉裂、前缘剪切滑移的整体边坡变形破坏模式;排土场边坡安全系数随着堆载高度的增加表现出二次函数降低(R~2=0. 9896)的变化规律,当排土场边坡高度为65 m时,则达到边坡设计容许高度,且其安全系数为1. 25。本次研究所得到的排土场承载由草甸构成的软弱基底在坡底位置处的变形结果,与野外试验区边坡堆载作用下所形成的实际情况基本吻合。研究结果可为高寒矿区排土场边坡变形破坏科学防治,提高边坡稳定性研究,提供理论支撑依据和实际指导意义。     

元宝山露天煤矿3~#排土场工程地质条件与稳定性分析预测

在分析矿区地形地貌、地层岩性、水文地质条件和影响排土场稳定因素的基础上,结合区内2#排场的监测资料,采用FLAC3D模拟软件和刚体极限平衡法中的毕肖普条分法,对排土场边坡变形、破坏的主要影响因素进行了分析,揭示了其滑坡机理;对3#排土场的稳定性做出预测,认为排土场边坡变形破坏模式是上部排弃物沿圆弧滑面剪切滑移与下部沿粉土、粉质粘土平面滑移的圆弧—平面组合滑移形式;基底土层的内摩擦角对排土场允许排高较为敏感,是决定允许排高的内在因素,基底粉质粘土的极限承载力是决定排土场允许排高的外在因素;基底土体极限承载力所决定的排土场的允许排高为90.60～91.60m。提出了填沟压脚、降低第一排台阶高度和基底排水等措施来满足排土场边坡稳定的要求。     

基于应变软化的多阶边坡稳定分析

多阶边坡除了最危险滑面需要关注,每级台阶的潜在滑面及其他不满足规范要求的滑面亦需要得到重视。以双台阶边坡和复杂多台阶边坡为例,基于应变软化理论,利用FLAC3D软件分析边坡的剪应变发展规律,根据剪应变的集中带获取边坡的多个潜在滑面。分析滑面的剪入、剪出和滑面中部点的强度参数变化规律,并结合矢量和法分析滑面在应变软化过程中安全系数的演化规律。研究结果表明：采用该方法可获取边坡的最危险滑面及次级滑动面;随着软化的发展,滑面上点的强度参数从峰值强度逐渐降低至残余强度,然而演化的速度不同;随着应变软化过程的发展,所有滑面的安全系数均逐渐降低,最后趋于一个定值。     

施工诱发边坡失稳变形机制及应急治理对策

通过对香溪大道失稳边坡地质灾害调查,对边坡的地形地貌、地层岩性、岩体结构、原设计方案与施工过程进行研究,在此基础上通过FLAC3D数值模拟,结合工程地质条件分析,对原格构挡墙逆作法施工诱发边坡牵引式滑动过程进行了分析,并对其变形破坏机制进行深入探讨。研究结果表明:边坡变形受工程地质条件控制作用明显,边坡开挖改变了坡体原来的力学平衡条件,为边坡变形失稳创造了客观条件;由于超开挖施工,受格构挡墙自重作用,下部支撑岩体受压破坏,导致格构挡墙失稳下沉,带动其后坡体变形,形成牵引式滑动;随着坡体滑移的发展,边坡将逐渐拉裂破坏并形成贯通的剪切滑动面,从已施工的格构挡墙下部贯通剪出,最终整体失稳破坏;基于破坏机制分析的应急治理措施将重点放在为原格构挡墙下部提供有效支撑和控制潜在滑动面变形上;监测结果表明,应急治理后边坡达到稳定性要求。      

赣南边坡变形破坏模式与防治对策

赣南地质环境复杂,沉积岩、岩浆岩与变质岩交叉并存;岩浆岩广泛分布,岩体破碎;褶皱、断裂构造发育;风化作用强烈,边坡稳定性差。研究这一地区的变形破坏模式,可以科学有效地对边坡进行防治。大量的野外调研显示,赣南边坡常见的类型主要有土质边坡、类土质边坡、岩质边坡和岩土二元结构边坡4类;赣南边坡常见的变形破坏模式主要有:沿原有结构面滑动、沿顶部拉裂-滑动、土体拉裂-崩塌、圆弧形滑动、坡面冲刷5类。沿原有结构面滑动破坏多见于岩质边坡、类土质边坡中;其余破坏模式多发生于土质边坡、类土质边坡、岩土二元结构边坡的土体部分。根据赣南边坡不同的变形破坏模式,分别提出了科学的防治对策;并针对赣南地区降雨量大、降雨持时长等特点,强调了在边坡的施工过程中应及时修建边坡排水系统,及时进行坡面防护。     

软硬岩互层边坡崩塌机理及治理对策研究

崩塌是红层地区软硬互层型边坡的主要工程地质问题之一。本文以西南地区某公路边坡为例,在边坡地质结构特征调查的基础上,分析了砂泥岩互层边坡崩塌形成机理,采用二维有限元方法研究了崩塌后上部凹腔岩体的变形破坏模式,并采用基于强度理论的稳定性评价方法研究了其稳定性。结果表明,崩塌的形成主要是由于差异风化在下部软岩部位形成凹腔,导致上部硬岩产生拉裂并逐渐贯通;若不及时治理,上部岩体中结构面贯通至60%时,可能产生坠落失稳。综合分析边坡稳定性状况及变形破坏演化模式,采用清坡+局部削坡+挂网喷混凝土+钢筋混凝土支撑柱+排水的治理方案,重点控制凹腔以上岩体中拉裂的发展并做好防、排水工作。     

露采矿山台阶边坡结构面特性与破坏机制分析

基于四川峨胜露天矿山台阶边坡的结构面特征,结合离散单元软件3DEC对台阶边坡进行模拟,研究台阶边坡破坏机制。结果表明:(1)受区域地质构造影响,研究区域的优势结构面倾角较陡,且产状与构造迹线相关;(2)矿区台阶边坡变形破坏模式主要为平面滑动和楔形体破坏,发生倾倒破坏的可能性小;(3)边坡整体变形小,在结构面贯穿的位置有位移突变和增大的现象,临空面的楔形体出露后发生崩塌掉块,局部稳定性降低;(4)台阶边坡破坏机制为拉裂-滑移-崩塌,可分为三个阶段:弹性变形阶段,渐进变形阶段和变形破坏阶段。     

煤矿排土场边坡变形失稳特征FLAC~(3D)模拟分析

煤矿排土场边坡是一类特殊的人工堆积边坡,它的变形破坏具有自身的特点。由于其堆积材料的特征性,使得煤矸石堆积体及其下部粘土层具有较强的应变软化特征。本文结合四川某煤矿排土场边坡,运用FLAC3D程序对该排土场边坡失稳变形特征进行三维数值模拟分析,分析结果表明:①通过参数软化重现该类边坡失稳变形过程是可行的;②可以通过边坡位移特征寻找其滑面形态和失稳区域;③最大不平衡力是否收敛可以判定边坡的稳定状态。④模拟结果与实际吻合。     

Quantification of particle crushing in consideration of grading evolution of granular soils in biaxial shearing: A probability‐based model

A probability‐based model is presented to estimate particle crushing and the associated grading evolution in granular soils during isotropic compression and prepeak shearing in biaxial tests. The model is based on probability density functions of interparticle and intraparticle stress (ie, particle normalized maximum shear stress and particle average maximum shear stress) derived from discrete element method simulations of biaxial tests. We find that the probability density functions of normalized maximum shear stress are dependent on the current sample grading, implying coupling effects between particle crushing and sample grading such that the particle crushing is affected by the current sample grading, and the grading change is also dependent on the current particle crushing extent. To incorporate these coupling effects into the model, particle crushing and grading change are calculated for each load increment, in which the crushing probability of a particle during any loading increment is denoted as the corresponding increment of probability of the internal maximum shear stress exceeding its maximum shear strength. The model shows qualitative agreement with published experimental data. The effects of the model parameters, including initial porosity, particle strength, initial grading, and crushing mode, on the calculated results are discussed and compared with previous studies. Finally, the strengths and limitations of the model are discussed.     

粗粒含量对散体岩土颗粒破碎及强度特性试验研究

明显的粒径分级和深部土的颗粒破碎是超高排土场的两个主要特征。基于改装后的大型两用直剪仪对不同粗粒含量的颗粒破碎和抗剪强度进行试验研究。颗粒破碎试验结果表明：垂直压力小于400 kPa的情况下破碎率极小,在垂直压力大于400 kPa时,随垂直压力的增大破碎率增加明显;粗粒含量小于46.0%时,相对破碎率较小,粗粒含量大于46%时,颗粒破碎率随粗粒含量的增加而明显增大;相对破碎率与垂直压力可用双曲线关系表示;长期浸泡于水中的土样颗粒破碎相当明显。剪切强度试验结果表明：在粗粒含量等于24%时,低垂直压力下的剪应力-应变曲线呈微软化或微硬化型,较高垂直压力下呈轻微软化型;在粗粒含量等于78%时,低垂直压力下其剪应力-应变曲线呈软化型,较高垂直压力下表现为轻微硬化型。较高垂直压力下的抗剪强度包线呈明显的非线性。当颗粒破碎率较小时,分别在垂直压力小于400 kPa和大于400 kPa时拟合的内摩擦角值变化不大;当颗粒破碎率明显增大时,垂直压力大于400 kPa时的内摩擦角值明显低于垂直压力小于400 kPa时拟合的内摩擦角值。     

堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究

采用6种不同缩尺方法将同一条现场级配曲线缩制成不同的数值模拟级配曲线,建立以不同粒径范围内颗粒数为测量数的分形模型,研究了颗粒级配分布的分形特性;基于颗粒流方法,生成与级配曲线相对应的6组数值试样进行双轴压缩试验,研究了缩尺方法对数值试样宏观力学特性及细观力学响应的影响;并讨论了颗粒级配分布的分形特性与数值试样力学特性之间的关系。结果表明：采用不同方法缩尺后数值试样的颗粒级配分布具有分形特性,分维数D为1.463～1.783;随着缩尺方法相似比尺M的增大,数值试样中细颗粒数量增多,粗细颗粒的充填关系得到改善,力学特性逐步提高;颗粒级配分布分维数D与数值试样力学特性指标之间存在较好的线性关系。     

利用内排土提高露天矿端帮边坡角的研究

在有、无内排土条件下,对6个均质边坡模型和伊敏一露天矿边坡模型的端帮边坡角进行了数值模拟计算与分析。结果表明,在安全系数不变的前提下内排土可以提高露天矿端帮边坡的最大稳定边坡角,从而减少了剥离量或增加采出矿石量,降低剥采比,提高矿山经济效益。     

抚顺西露天矿南帮边坡破坏机理及内排压脚措施

为了研究抚顺西露天矿南帮边坡的破坏机理,抑制边坡的滑移变形,应用微震监测技术和卫星监测技术,研究了南帮边坡的滑移破坏轮廓,基于RFPA（rock failure process analysis）强度折减法原理,研究了开采到最终境界时的边坡破坏机理,提出了两阶段内排压脚的防治措施,并分析了内排压脚对滑坡变形的抑制效果。研究结果表明：1）边坡破坏机理为,破坏最先发生在边坡上部,在边坡中部沿着弱层和破碎带运动,到边坡下部不整合面处受到抑制,最后在边坡底部沿中间弱层切出坑底,形成滑坡轮廓;2）两阶段内排压脚方案能明显抑制弱层的错动,当内排到-262 m水平时,可部分抑制底部弱层处滑移,底鼓现象消失;当内排到-212 m水平时,可完全抑制住底部弱层的滑动,此时边坡安全系数为1.324,满足安全要求。     

基于指标变权重复合云模型的岩质边坡稳定性评价初探

近年来,云模型评价方法在边坡的稳定性评价中得到了较深入的应用。但目前评价指标的权重多为某一精确值,没有考虑指标权重的不确定性和模糊性。为解决这一问题,尝试用指标变权重云模型表示各指标的权重,并引入权重范围系数以调整指标的权重变化幅度。参照《水电水利边坡工程地质勘察技术规程》和《地质灾害调查技术要求》对评价指标进行选取。参考行业规范、学者们的研究经验以及福建省的实际情况,采用等间距法对各评价指标相应的稳定分级区间进行划分。根据上述方法在MATLAB程序中编写算法,得到了基于指标变权重的复合云模型,并开发了相应的应用程序。通过对福建省连江县黄岐镇边坡的分析,认为该边坡总体处于基本稳定状态,但仍存在转化为不稳定的可能性。根据勘察报告,该坡段于2016年6月17日曾因强降雨发生崩塌,初步验证了本方法的分析结果。     

突然释放型浊流在不同坡折渠道中的流动与沉积

应用雷诺平均纳维尔—斯托克斯模型模拟探讨了等量突然释放型浊流在流经不同坡折渠道的流动及沉积特性,取得如下主要结论:随着底坡增加,浊流流速增长率因卷吸作用的增强而减缓;浊流深度平均速度和浓度形态相似,头部大且向尾部呈线性下降;在小坡折处产生沉积,沉积最厚处离坡折处不远且上下游平均粒径相差不大,往下游厚度呈线性减小;而在大坡折处产生侵蚀,随着坡度的增大侵蚀增加,沉积最厚处离坡折处较远且上下游平均粒径相差大,形态上呈上拱状。这些认识对于根据浊流沉积特征推测其形成环境具有一定的参考作用。     

考虑非饱和浸润层厚度和累积入渗量的改进Green-Ampt模型

矿山内排土场因其储量大、结构松散和强度低等特点,在降雨条件下极易产生侵蚀或整体失稳破坏,因此降雨入渗分析对预测内排土场稳定性至关重要。以元宝山露天煤矿内排土场为原型,按相似试验理论进行物理模型试验,研究降雨入渗特征,根据试验结果对经典Green-Ampt入渗模型进行改进。结果表明:雨水入渗过程中,随着浸润锋的向下运移,坡面侵蚀由溅蚀凹槽开始,逐渐过渡为径流侵蚀,最后呈现为溯源侵蚀破坏,整体呈现平行于坡表面的浅层滑坡特征;浸润锋之上非饱和浸润层的存在,导致经典Green-Ampt模型计算结果不准确;在考虑浸润层厚度和累积入渗量基础上,推导出改进的Green-Ampt模型;改进后的Green-Ampt模型为分段函数,能够反映降雨入渗使坡面由非饱和向饱和过渡的实际特征。验证结果显示,使用改进模型,浸润锋入渗深度和累积入渗量的预测精度显著提升,虽然冲蚀破坏和初始含水率的差异导致降雨入渗后期的预测精度有所下降,但相关结果对煤矿内排土场降雨初期稳定性分析具有重要意义。改进后的Green-Ampt模型的计算结果与实测数据更为接近,能为分析露天煤矿内排土场降雨入渗规律及边坡稳定性研究提供参考。