黄土基底排土场失稳机理与稳定控制技术研究

摘要

安太堡露天煤矿南排土场滑坡是排土场基底岩土在浸水作用下产生流变变形而导致的一类重要地质灾害，降雨及水位变化是导致基底岩土流变变形发展的主导因素。开展排土场基底岩土在水作用下的流变特性研究，对相似排土场滑坡的预测和防治均具有较强的指导意义。
　　安太堡露天煤矿位于山西大同市西南145km处，于1987年正式投产，年生产能力1500万吨，外排总量为2.29亿m3，由两个排土场承担。其中南排土场容量1.16亿m3，其排弃总坡角为22°37′，堆置高度150m。1991年10月29日零时10分，南排土场发生大规模滑坡。滑体最大走向长度1095m，海拔高度1315～1450m，滑落体积约1000万m3，造成了巨大的经济损失。
　　本文以国内特有的黄土基底排土场为研究对象和工程背景，应用物理实验、现场调查及监测、数值模拟相结合的方法深入研究了黄土基底排土场失稳机理与稳定控制技术，得到了覆载作用下基底黄土的微细观结构演化特征，黄土基底浸水弱层形成机理，具有重要的理论与实际应用价值，主要工作分为以下三个方面:
　　首先，明确黄土基底排土场的工程地质条件、水文地质条件、气象条件等。掌握影响排土场稳定性的各项因素，并确定黄土基底排土场中各项影响因素，确定滑坡模式。
　　其次，通过大量的现场及实验室试验确定排土场各层介质的力学参数，从排土场基底结构力学特性、黄土基底弱层流变特性等不同方面研究黄土基底排土场的破坏机理。揭示了基底饱和黄土的孔隙水压力消散度规律、高速加载导致黄土强度瞬间折减诱发低围压脆化破坏的力学性质;建立了黄土基底排土场演化弱层数值模拟模型;在对排土场基底结构的力学特性及黄土基底演化弱层的演化规律进行系统研究的基础上，分析了排土场基底黄土的过载破坏、雨水渗透形成储水结构、湿陷、遇水软化、形成大面积演化弱层的过程，揭示了迅速排弃导致基底黄土超孔隙压、强度突降，巨大重力势能在瞬间转换为滑坡动能，以整体滑坡方式释放，形成沿基底黄土滑坡的机理。
　　通过对排土场基底弱层岩体流变特性及其强度参数的研究，以及对水动力作用下模拟排土场稳定性的评价，从而对水-岩力学作用下岩体强度的时变特性进行了比较深入的研究。整个从定性到定量分析的过程，形成了一套比较系统的排土场滑坡变形机理及稳定性分析方法;引入动态稳定系数的概念;提出了黄土基底排土场设计与稳定控制技术，本文的研究成果从基底演化弱层及弱层流变方面揭示了排土场滑坡失稳原因，对相似条件下排土场的变形破坏及稳定性的评价预测具有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题的背景及研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状及趋势

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 研究趋势

1．3 主要研究内容及创新点

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

1．4 技术路线

第2章 黄土基底排土场边坡失稳模式及稳定性研究的基本方法

2．1 黄土基底排土场边坡稳定性影响因素分析

2．1．1 排土基底的工程地质条件

2．1．2 排弃物的物理力学性质有关

2．1．3 排土工艺、排弃高度和排弃强度

2．1．4 水文地质、气象条件

2．2 黄土基底排土场边坡设计规范要求

2．2．1 排土场位置的选择

2．2．2 排土场边坡的管理与排土场的设计

2．2．3 黄土基底排土场滑坡防治

2．3 黄土基底排土场边坡破坏模式及安全危险性评估预测

2．3．1 基底土体应力状况分析

2．3．2 地下水作用机制分析

2．3．3 弱层控制下排土场边坡破坏模式

2．3．4 排土场边坡危险性评估预测

2．4 黄土基底排土场边坡稳定评价基本方法

2．4．1 工程地质类比方法

2．4．2 数值方法研究

2．4．3 物理模型试验

2．4．4 滑坡反分析

2．4．5 极限平衡分析方法

2．4．6 排土加载过程中土力学应力路径分析方法

2．4．7 动态过程稳定性控制的综合评价方法

2．5 小结

第3章 黄土基底排土场岩土性能实验研究

3．1 现场常规试验

3．2 散体物料试验

3．3 粘土层的流变特性试验

3．4 土层不同含水量的强度特性试验

3．5 土层的孔隙压力消散规律试验

3．6 土层的高压压缩特性试验

3．7 小结

第4章 黄土基底排土场破坏机理研究

4．1 排土场基底结构力学特性

4．1．1 排土场黄土基底过载现象

4．1．2 排土场基底黄土湿陷

4．1．3 孔隙压力的消散

4．1．4 黄土基底不排水导致的脆化现象

4．1．5 基底黄土的微结构类型

4．2 黄土基底演化弱层

4．2．1 黄土基底承载后演化弱层形成规律

4．2．2 演化弱层的变形强度特征

4．2．3 黄土基底演化弱层数值模拟

4．3 黄土基底排土场滑坡机理

4．4 小结

第5章 软弱夹层蠕变力学特性及动态演化机理

5．1 软弱夹层蠕变规律的研究方法

5．2 软弱夹层流变实验方法及主要方程

5．3 安太堡露天矿南排土场软塑带土粉粘土弱层流变特性试验

5．3．1 流变试验结果

5．3．2 正应力-剪应力关系方程

5．3．3 剪切模量的时间效应

5．3．4 软弱夹层的流变方程

5．4 软弱夹层长期强度

5．4．1 蠕变方程

5．4．2 加速破坏极限应变量

5．4．3 长期强度基本方程

5．5 极限平衡法确定边坡安全系数

5．5．1 边坡安全系数计算模型的建立

5．5．2 边坡安全系数的计算

5．6 安太堡露天矿南排土场滑坡的FLAC数值模拟

5．6．1 计算模型建立

5．6．2 数值模拟成果及分析

第6章 黄土基底排土场边坡设计与稳定控制技术实例研究

6．1 黄土基底排土场边坡设计与稳定控制技术基本原理

6．2 平朔安太堡露天煤矿南排土场滑坡稳定性分析与滑坡防治技术

6．2．1 工程地质条件和滑坡概况

6．2．2 稳定性评价结果

6．2．3 滑坡防治技术

6．3 小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简介