地下空区对边坡稳定性的影响研究
【摘要】：
边坡稳定性分析是工程防灾减灾的重要研究领域。影响边坡稳定性的因素很多，其中地下空区作为影响边坡稳定性的外部因素对边坡造成的破坏分为二种形式：即边坡的滑动和边坡坡面(台阶)的塌陷。根据边坡与地下空区存在的先后关系，考虑二种情况下地下空区对边坡稳定性的影响：第一种情况是先有地下空区然后进行边坡的开挖，如露天矿边坡下存在的地下老采空区；第二种情况是先有边坡然后进行地下工程的开挖，如山区隧道工程的开挖。本文在已有研究工作的基础上，利用遗传算法的原理、强度折减理论和大型岩土工程专用软件FLAC~(3D)，结合工程实例，并在现场调查及监测的基础上，进行地下空区对边坡的稳定性影响研究，其主要研究内容如下：
首先，本文提出改进遗传算法的思想，基于简化Bishop条分法和Janbu法，利用Matlab编写了CMIGA和RMIGA程序分别进行边坡最危险圆弧滑动面和任意形状滑动面的搜索并计算其安全系数。通过三个计算实例表明，对于简单的边坡，遗传算法与其它传统计算方法相比没有多大的优越性，而对于复杂边坡，遗传算法优势明显，因为它可以搜索到最优化问题的全局最优解。
针对中国铝业公司矿山公司夹沟铝矿的地下老采空区边坡，提出加速混合遗传算法，同时采用FLAC软件分析不同大小、位置的地下老采空区对边坡稳定性的影响，并通过边坡应力和位移及边坡安全系数的变化情况，系统地分析了各种影响因素的影响程度。
地下采空区顶板的最小安全厚度是保证边坡坡面(台阶)不发生塌陷的必要条件。以夹沟铝矿为工程背景，利用强度折减技术和二分法原理，以塑性区的贯通作为顶板破坏的标准，利用FLAC软件计算地下空区顶板最小安全厚度，并得出了影响空区顶板最小安全厚度的主要因素，进一步分析了边坡的安全系数随着空区顶板厚度的变化规律。
通过综合分析各种地下空区对边坡稳定性影响，得出了夹沟铝矿西南面边坡上部土层发生滑动的和夹沟铝矿西面边坡300水平(台阶)坍塌事故的主要原因。为较好地判断地下空区边坡是否发生滑动或者塌陷，提出了边坡下伏的各种地下空区处理与否的标准。
对关口垭浅埋隧道开挖过程中的山体边坡位移进行现场监控量测，并进行了数据整理和分析，得出了边坡位移变化的规律。在隧道开挖过程中，边坡地表的变形与开挖面的位置有非常密切的关系，边坡地表的变形大致可分四个阶段，即：微小变形阶段、变形剧增阶段、变形缓慢阶段和变形基本稳定阶段。
对FLAC~(3D)软件进行二次开发并建立了三维模型，用于计算浅埋隧道开挖的不同阶段边坡地表的变形，同时得到隧道开挖过程中边坡的应力场、位移场和安全系数，总结得出隧道开挖的每一个工况对边坡稳定性的影响规律；通过现场监测数据及计算结果对比可知，计算结果与实测结果较为吻合，可以为浅埋隧道施工提供指导。
本文所做研究工作，立足于学科前沿，运用最新数学计算方法和手段，对地下空区对边坡稳定性的影响进行了研究，具有较高的理论和应用价值。
【关键词】：边坡 地下空区 安全系数 遗传算法 FLAC 顶板安全厚度 隧道 监控量测 数值计算 【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2006
【分类号】：TD804
【DOI】：CNKI:CDMD:1.2007.198136
【目录】：
- 摘要5-7
- ABSTRACT7-12
- 第一章 绪论12-25
- 1.1 问题的提出及研究目的和意义12-15
- 1.1.1 问题的提出12-14
- 1.1.2 研究的目的和意义14-15
- 1.2 国内外研究现状15-23
- 1.2.1 边坡稳定性研究15-19
- 1.2.2 地下空区对边坡稳定性影响研究19-23
- 1.3 主要研究内容与技术路线23-25
- 第二章 基于遗传算法搜索边坡的最危险滑动面25-53
- 2.1 引言25-26
- 2.2 边坡稳定性分析的圆弧滑动面法26-30
- 2.2.1 圆弧滑动面法26-27
- 2.2.2 简化 Bishop法27-28
- 2.2.3 设计变量的选取28-30
- 2.3 边坡稳定性分析的任意形状滑动面法30-33
- 2.3.1 简化的 Janbu条分法31-32
- 2.3.2 简化 Janbu条分法的改进32
- 2.3.3 设计变量的选取32-33
- 2.4 遗传算法在搜索边坡最危险滑动面中的应用33-45
- 2.4.1 基本遗传算法34-35
- 2.4.2 实现遗传算法的基本技术35-41
- 2.4.3 改进遗传算法的构成及其算法实现41-45
- 2.5 算例及分析45-52
- 2.5.1 算例一:简单均质边坡45-47
- 2.5.2 算例二:层状路基边坡47-48
- 2.5.3 算例三:复杂边界边坡48-52
- 2.6 小结52-53
- 第三章 含地下老采空区的边坡稳定性分析53-74
- 3.1 前言53-54
- 3.2 夹沟矿区采空区分布54-56
- 3.2.1 夹沟铝矿工程概况54
- 3.2.2 夹沟铝矿采空区的分布54-55
- 3.2.3 计算参数的选取55-56
- 3.3 基于加速混合遗传算法分析地下空区对边坡稳定性的影响56-64
- 3.3.1 地下空区边坡安全系数计算原理56-59
- 3.3.2 加速混合遗传算法的构建59-61
- 3.3.3 计算模型61-62
- 3.3.4 计算结果及分析62-64
- 3.4 显式拉格朗日有限差分法64-73
- 3.4.1 FLAC的解析特点及计算过程64-67
- 3.4.2 FLAC计算模型67
- 3.4.3 计算结果分析67-73
- 3.5 小结73-74
- 第四章 地下空区顶板安全厚度对边坡稳定性的影响74-88
- 4.1 前言74-75
- 4.2 完整顶板安全厚度的确定方法75-77
- 4.2.1 经验公式法75-76
- 4.2.2 利用顶板坍塌物堵塞地下空区计算顶板安全厚度76
- 4.2.3 坍塌平衡法76-77
- 4.3 数值分析方法在顶板安全厚度确定中的应用77-83
- 4.3.1 岩土介质的理想弹塑性模型78-79
- 4.3.2 强度折减技术原理及破坏标准79-81
- 4.3.3 数值计算模型81-82
- 4.3.4 计算结果82-83
- 4.4 空区顶板厚度与边坡安全系数的关系83-86
- 4.4.1 砂岩中空区顶板厚度边坡安全系数的关系83-84
- 4.4.2 灰岩中空区顶板厚度边坡安全系数的关系84-85
- 4.4.3 计算结果分析85-86
- 4.5 地下空区处理与否的状况86-87
- 4.6 小结87-88
- 第五章 地下工程(隧道)开挖对边坡稳定性的影响研究88-110
- 5.1 引言88
- 5.2 工程概况88-91
- 5.3 地表变形观测91-93
- 5.3.1 地表变形观测断面设置91-93
- 5.3.2 各断面测点布置93
- 5.3.3 测点埋设及量测方法93
- 5.3.4 量测频率93
- 5.4 量测结果整理93-99
- 5.4.1 Zk74+450断面沉降观测94-95
- 5.4.2 Zk74+440断面沉降观测95-96
- 5.4.3 Zk74+430断面沉降观测96-97
- 5.4.4 Yk74+460断面沉降观测97
- 5.4.5 Yk74+450断面沉降观测97-98
- 5.4.6 Yk74+440断面沉降观测98-99
- 5.5 地表变形规律分析99-101
- 5.5.1 地表沉降规律99-101
- 5.5.2 地表水平位移规律101
- 5.6 FLAC法计算分析隧道开挖对边坡的影响101-108
- 5.6.1 基本假定、计算范围101-102
- 5.6.2 计算参数102-103
- 5.6.3 计算方案103
- 5.6.4 计算模型103-104
- 5.6.5 计算结果及分析104-108
- 5.7 小结108-110
- 第六章 结论与展望110-113
- 6.1 结论110-111
- 6.2 进一步工作展望111-113
- 参考文献113-130
- 致谢130-131
- 攻读博士学位期间发表的学术论文及成果131-132
- 1 发表的学术论文131-132
- 2 主持或参加的科研工作132
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