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力-温度场作用下裂隙岩体损伤机理及边坡时效稳定性分析

常治国  
【摘要】:露天矿开挖后,边坡将长期暴露在自然环境中,受温度、渗流、采动、冻融等作用影响,其结构完整性和单元体的强度随着边坡出露的时间增长而逐步衰减,边坡稳定性具有典型的时效性。本文综合运用露天采矿学、边坡工程理论、断裂力学分析、FLAC~(3D)数值模拟计算、实验室试验、数理统计和数据分析等方法,系统研究了岩土体物理力学性质在开挖卸荷应力场及冻融循环温度场中变化规律及损伤劣化机制,建立冻融和卸荷效应下岩体微裂隙的扩展准则及损伤模型,在时效边坡稳定性分析中引入时效强度参数的概念,据此提出了长期时效边坡和短期时效边坡的设计方案。本文主要的研究工作如下:(1)根据复合边坡内部岩体受力特征,建立相应的复合边坡加载-卸荷效应模型,设计不同应力路径下岩石压缩试验,研究了不同应力路径下岩石的应力-应变全过程曲线和变形特征。利用断裂力学理论建立了露天矿开挖卸荷效应模型,分析了在加载-卸荷应力场作用下岩体裂隙扩展机理,确定了边坡坡面附近裂纹发生扩展时对应的复合边坡安全高度与裂隙形态的函数关系。(2)通过砂岩冻融循环试验,研究经历不同冻融循环次数的岩样物理力学指标的变化规律。以冻融循环过程中饱和岩样微裂隙中水的相变体积作为变量,基于微裂隙扩展因子建立饱和岩石冻融损伤劣化模型。根据应力叠加原理及应变能密度因子理论,确定了冻融裂隙岩体开裂判据,并推导出冻融裂隙开裂时所需要的理论冻胀应力,分别探讨了固定因素和可变因素对理论冻胀力的敏感性程度。(3)露天矿边坡岩体的损伤过程是一个与时间密切相关的非线性累积过程,边坡稳定性具有典型的时效性。利用控制变量法和正交试验法研究边坡稳定性影响因素对损伤劣化的敏感性,设计不同时效强度参数的边坡模型,通过对安全系数进行函数拟合,确定给定的安全稳定系数对应的时效帮坡角度。根据露天矿不同边帮边坡服务年限的差异性,提出长期时效边坡和短期时效边坡概念,以北塔山露天矿非工作帮及端帮为实例,分别进行了长期边坡和短期边坡时效性设计与稳定性计算。结果表明,对于边坡角度设计过于保守的矿山,通过时效差异性设计可提高该矿山的资源回收率,经济效益明显。该论文有图63幅,表11个,参考文献135篇。


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