采动作用下高陡岩质坡体变形破坏特征研究

摘要

我国西南山区广泛分布着岩质边坡，这些边坡大多都位于岩溶强烈发育的地带，坡体内密布许多陡倾的节理面，且下方往往存在着地下开采活动，斜坡地势险要，坡面“上陡下缓”，坡体岩性“上硬下软”，上层硬岩多为碳酸盐岩层，在水的溶蚀作用下形成错综复杂的岩溶管道。在独特的地质环境与地下采矿活动的共同作用下，受岩溶水侵蚀和风化作用破坏的坡体极易失稳。因此对采动作用下岩质坡体变形特征的分析，将有助于地下开采诱发岩溶边坡变形失稳机制的研究。本文以贵州省纳雍县“8.28”特大山体崩塌事故为依托工程，通过现场调查、理论分析、室内模型试验和数值模拟方法，对岩质坡体下覆采空区时的变形破坏特征和应力传递规律开展了研究。本文的研究对采动作用下岩质边坡变形失稳机制的研究有一定的理论指导意义，主要研究内容及成果为：　　①对贵州省纳雍县“8.28”特大崩塌事故的山体进行了现场实地考察，分析了崩塌山体的工程地质环境、地下采矿活动和坡体地裂缝的发育特征。　　②基于关键层理论、弹性地基梁理论和梁板理论，结合边坡形状和边界约束条件，在无限岩梁模型的基础上，建立了适用于采动作用下边坡沉降计算的半无限岩梁模型，推导了沉降曲线的微分方程，采用Mathematica软件求得了沉降曲线的解析式，并对山体后缘地裂缝进行了理论验证。　　③通过室内相似模型试验，研究了岩质边坡下覆采空区时坡体变形、层间压应力变化及地裂缝开展等规律，试验表明：采空区内侧的顶板断裂角度比外侧的小；靠近采空区内侧的局部区域出现层间压应力增大现象；地裂缝垂直于层面向下发育且出现在层间压应力增大区域上方。　　④通过Flac3D软件对采动作用下岩质坡体进行了数值模拟研究，分析了采动深度、斜坡坡度和坡底宽度对坡体塑性区、位移场和应力场的影响，发现：采空区内侧顶板塑性区面积大于采空区外侧；同一岩层面上存在3个最大主应力不变的区域；顶板最大沉降位置向采空区内侧偏移。

目录

声明

主要符号

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1采空区覆岩沉降计算理论研究现状

1.2.2采动地裂缝形成机理研究现状

1.2.3采动作用下斜坡变形破坏机理研究现状

1.3.1 主要研究内容及方法

1.3.2 技术路线及方法

2 灰岩物理力学特性试验研究

2.1 引言

2.2.1地理位置

2.2.2地形地貌

2.2.3气象特征

2.2.4地层岩性

2.2.5地质构造

2.2.6工程水文地质条件

2.2.7人类工程活动

2.3灰岩物理力学性质试验

2.3.1 灰岩物理性质试验

2.3.2 灰岩单轴压缩试验

2.3.3 灰岩三轴压缩试验

2.3.4 灰岩抗拉强度试验

2.4 本章小结

3 采动作用下岩质坡体沉降计算理论研究

3.1 引言

3.2.1顶板变形曲线

3.2.2 叠合梁弯矩分配

3.3 半无限岩梁沉降计算模型

3.3.1 弹性假定与力学模型的建立

3.3.2 非均布荷载下沉降方程推导

3.3.3 边界条件与变形协调条件

3.4.1 依托工程地裂缝现场调查

3.4.2 地裂缝理论分析

3.5 本章小结

4 采动作用下缓倾岩质边坡相似模型试验研究

4.1引言

4.2.1滑坡地质原型概化

4.2.2相似配比及相似材料物理实验

4.2.3模型试验装置

4.2.4监测点布置与数据采集系统

4.2.5实验步骤

4.3.1顶板断裂特征

4.3.2地裂缝开展特征

4.3.3扰动土压力变化规律

4.3.4地表沉降分布规律

4.3.5岩层沉降规律

4.4模型试验的对比验证

4.4.1模型试验与理论计算的对比

4.4.2模型试验与数值模拟的对比

4.5本章小结

5 采动作用下岩质边坡变形破坏数值模拟研究

5.1引言

5.2.1 Flac3D软件简介

5.2.2计算模型的建立和参数的选取

5.3不同采动深度下山体位移与应力变化规律

5.3.1塑性区变化规律

5.3.2竖向位移场变化规律

5.3.3垂直应力场变化规律

5.3.4最大主应力场变化规律

5.4不同坡角下山体位移与应力变化规律

5.4.1塑性区变化规律

5.4.2竖向位移场变化规律

5.4.3垂直应力场变化规律

5.4.4最大主应力场变化规律

5.5不同坡底宽度下山体位移与应力变化规律

5.5.1塑性区演化规律

5.5.2竖向位移场变化规律

5.5.3垂直应力场变化规律

5.5.4最大主应力场变化规律

5.6本章小结

6 结论与展望

6.1主要结论

6.2主要创新点

6.3研究展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文

B. 作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

C. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利

D. 学位论文数据集

E. 待定常数

致谢