软岩流变对非工作帮边坡的变形影响——以穆印露天煤矿非工作帮边坡为例

摘要

本文以国华印尼穆印煤电项目露天煤矿非工作帮边坡为研究对象，非工作帮边坡是露天煤矿存在时间最长的边坡，对于煤矿的施工安全和正常运行起着至关重要的作用。本文在野外地质调查的基础上，室内采用自行改进的直剪蠕变试验仪对粘土、粘土岩和泥岩在法向荷载为100kPa、200kPa和300kPa的条件下进行直剪蠕变试验;针对粘土、泥岩采用元件组合流变本构模型Burgers对试验数据进行拟合，得到其Burgers流变本构模型;应用Burgers流变元件组合本构模型拟合了粘土和泥岩的本构模型，并运用FLAC3D数值模拟软件对印尼穆印露天煤矿非工作帮边坡采用莫尔库伦模型及参杂Burgers流变模型的边坡计算模型进行对比分析。对非工作帮边坡稳定性做了深入的研究。研究成果如下:
　　(1)粘土、粘土岩和泥岩在低水平的法向应力及低水平的剪应力作用下，蠕变变形性质并不明显，大多在数个小时至十多个小时的时间内就达到了变形稳定，且变形量较小;随着剪应力水平的逐渐增大，蠕变变形量也逐步增大，并同时出现衰减蠕变和非稳定等速蠕变现象，剪应力水平越大，达到剪切应变稳定所需的时间也就越长;随着剪应力的继续增大、增大到一定值时，试样会出现剪切破坏、且破坏时间极短。
　　(2)粘土、粘土岩和泥岩在一定的法向应力条件下，随着剪应力水平的逐渐增大，粘土、粘土岩和泥岩试样直剪蠕变曲线逐渐由衰减蠕变向等速蠕变、加速蠕变发展，明显经历蠕变的瞬时变形、等速蠕变和加速蠕变三个阶段。
　　(3)法向荷载越大，岩土体试样直剪蠕变总应变量也越大;抗剪强度越大，岩土体试样直剪蠕变总应变量也越大;剪应力水平越低，岩土体试样直剪蠕变应变量达到稳定的时间越短;剪应力水平越高，岩土体试样直剪蠕变应变量达到稳定的时间越长。
　　(4)剪应力水平分级越多，可观察到的加速蠕变现象越明显，当剪应力水平超过某一个界定值时，剪切试样在很短的时间内就破坏。但相应的，剪应力水平分级越多，所需消耗的试验时间就越长。可以在剪应力水平较低的时候少分级，剪应力水平较大时把分级密度加大。
　　(5)采用Burgers元件组合流变模型对粘土直剪蠕变试验数据进行拟合，得到粘土和泥岩在不同法向应力水平及不同剪切应力水平下的Burgers流变本构模型，并计算得粘土和泥岩的直剪蠕变下限。
　　(6)各个阶段最大主应力和最小主应力基本上呈条带状均匀分布;最大主应力在第三阶段、第四阶段和第五阶段开挖后，在沿帮排土场下方出现畸变，局部应力增大现象;最小主应力在流变计算结果中采用流变本构模型块体区域出现沿着层面展布的应力集中区;沿帮排土场下方出现负剪应力和正剪应力集中区;第四阶段和第五阶段开挖后，在边坡坡角位置出现较大的剪切应力集中区;
　　(7)在采用流变本构模型块体界面位置，X向位移沿着层面产生畸变，且位移增大;采用流变本构模型块体界面以下岩土体的X向位移值基本一致;采用流变本构模型块体在开挖面处出现X向位移增大现象。各阶段模拟开挖后，开挖面以下岩土体受卸荷作用的影响，产生向上的Z向位移，且流变计算结果在开挖面出所产生的回弹量值与常规计算结果基本一致;在沿帮排土场，流变计算结果的向下的Z向位移均大于常规计算结果。
　　(8)由于各阶段模拟结果，流变计算结果和常规计算结果显示在流变本构模型块体边界以下的岩土体，最大主应力、最小主应力和剪切应力分布差异不大，致使两种计算结果塑性区分布位置也较为相似;塑性区分布区域主要为:坡体中下部泥岩和细沙岩岩层中、坡体内部剪应力集中区域、开挖后开挖面以下新揭露出的岩土体。沿帮排土场在流变计算结果中为未进入过塑性状态，而常规计算结果则为局部处于塑性状态或曾进入过塑性状态。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 问题的提出及工程概况

1．1．1 工程概况

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 软岩边坡的研究现状

1．2．2 国内外岩土体流变力学试验研究现状

1．2．3 岩石流变本构模型研究现状

1．2．4 FLAC数值模拟

1．3 主要研究内容

1．4 研究思路和技术路线

第2章 工程概况及研究区自然地理与地质环境条件

2．1 自然地理

2．2 区域地质构造与地震

2．3 研究区地质环境条件

2．3．1 地形地貌

2．3．2 地层岩性

2．3．3 地质构造

2．3．4 水文地质条件

2．4 研究区岩土体物理力学性质

第3章 软岩流变特性研究

3．1 软岩基本物理力学性质

3．2 软岩直剪蠕变试验

3．2．1 蠕变试验仪器

3．2．2 试验方案

3．3 粘土直剪蠕变试验成果分析

3．3．1 全过程蠕变曲线

3．3．2 各级剪应力蠕变曲线

3．4 粘土岩直剪蠕变试验成果分析

3．4．1 全过程蠕变曲线

3．4．2 各级剪应力蠕变曲线

3．5 泥岩直剪蠕变试验成果分析

3．5．1 全过程蠕变曲线

3．5．2 各级剪应力蠕变曲线

3．6 本章小结

第4章 软岩直剪蠕变模型

4．1 粘弹性流变理论

4．1．1 Kelvin体

4．1．2 Maxwell体

4．1．3 标准线性体

4．1．4 Burgers模型

4．1．5 Bingham模型

4．2 直剪蠕变Burgers模型

4．2．1 Burgers模型参数

4．2．2 直剪蠕变试验基本假设

4．2．3 Burgers模型试验数据拟合

4．3 蠕变试验拟合结果

4．4 Burgers模型拟合结果分析

第5章 流变模型有限差分计算

5．1 FLAC简介

5．2 模型建立

5．2．1 计算模型剖面

5．2．2 建立几何模型

5．2．3 岩土体参数

5．2．4 数值模拟计算方案

5．3 FLAC计算结果分析

5．3．1 初始应力场分析

5．3．2 应力场特征分析

5．3．3 位移场特征分析

5．3．4 塑性区特征分析

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献