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考虑全生命周期的露天矿边坡时效稳定性分析

包敏 陈忠辉 王雄 杨继海 申作栋

包敏, 陈忠辉, 王雄, 杨继海, 申作栋. 考虑全生命周期的露天矿边坡时效稳定性分析[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(5): 606-614. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.010
引用本文: 包敏, 陈忠辉, 王雄, 杨继海, 申作栋. 考虑全生命周期的露天矿边坡时效稳定性分析[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(5): 606-614. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.010
Bao Min, Chen Zhonghui, Wang Xiong, Yang Jihai, Shen Zuodong. Time-dependent stability analysis of open-pit slope considering life-cycle[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(5): 606-614. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.010
Citation: Bao Min, Chen Zhonghui, Wang Xiong, Yang Jihai, Shen Zuodong. Time-dependent stability analysis of open-pit slope considering life-cycle[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(5): 606-614. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.010

考虑全生命周期的露天矿边坡时效稳定性分析

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.010
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFC0801602

国家自然科学基金 52074292

详细信息
    作者简介:

    包敏(1992—),女,山东泰安人,博士研究生,主要从事露天矿高边坡稳定性等方面的研究工作。Tel:13051800619,E-mail:2764370041@qq.com

    通讯作者:

    陈忠辉(1968—),男,江苏启东人,教授,博士生导师,主要从事岩石力学与岩土工程方面的研究工作。Tel:18519652345,E-mail:cumtbczh@163.com

  • 中图分类号: TU457

Time-dependent stability analysis of open-pit slope considering life-cycle

  • 摘要: 基于开挖岩体蠕变劣化效应对露天矿高边坡稳定性的影响,提出了全生命周期内边坡的稳定性模型。引入岩石强度劣化理论,推导了时间效应下安全系数的计算公式。考虑锚索的预应力损失和边坡蠕变现象,建立了预应力损失条件下边坡安全系数的表达式,分析了时间因素和锚索预应力损失对边坡稳定性的影响规律。以大孤山西井边坡为例,借助FLAC3D内置的FISH语言把劣化理论嵌入到强度折减法中,利用改进的强度折减法计算了边坡的时效安全系数。结果表明:岩石强度随时间延长呈“L”型劣化,使得蠕变型边坡的安全系数低于只考虑开挖的情况,与实际工程更加吻合,受锚索预应力损失的影响已加固边坡仍有失稳的风险。比选了4种锚索的加固调控方案,在满足全生命周期内安全生产的前提下,获得了经济效益最优的方案。
  • 图  1  边坡稳定性变化模型

    Figure  1.  Change model of slope stability

    图  2  边坡稳定性研究主线

    Figure  2.  Main line of slope stability study

    图  3  边坡受力分析

    Figure  3.  Stress analysis of slope

    图  4  强度参数时效曲线

    Figure  4.  Aging curves of strength parameters

    图  5  预应力锚索锚固机理[18]

    c(t)、φ(t)—蠕变边坡随时间变化的黏聚力和内摩擦角; θ—滑面与水平面的夹角; α—锚索与水平方向的夹角; p—锚索受到的预应力; pnpt—锚索沿滑面法向和切向的分力

    Figure  5.  Reinforcement mechanism of prestressed anchor cable[18]

    图  6  西帮边坡4-4剖面图

    Figure  6.  West side slope 4-4 section view

    图  7  数值计算模型

    Figure  7.  Numerical calculation model

    图  8  蠕变本构模型

    Figure  8.  Creep constitutive model

    图  9  强度参数时程曲线

    Figure  9.  Time history curves of the intensity parameters

    图  10  安全系数时程曲线

    Figure  10.  Time history curves of the safety factor

    图  11  边坡位移图

    Figure  11.  Slope displacement diagram

    图  12  初始加固方案

    Figure  12.  Initial reinforcement scheme

    图  13  不同加固方案安全系数的变化趋势

    Figure  13.  Safety reserve value of different anchoring schemes

    表  1  边坡岩体力学参数

    Table  1.   Rock mechanics parameters of slope

    岩性 容重/(kN·m-3) 内摩擦角/(°) 黏聚力/kPa 弹性模量/GPa 黏弹性模量/GPa Maxwell系数/(GPa·d) Kelvin系数/(GPa·d) 泊松比
    千枚岩 25.3 22.0 101 1.72 15.9 1 927.6 114 0.30
    绿泥片岩 26.0 28.0 75 2.61 23.2 1 584.3 82 0.28
    石英绿泥片岩 26.5 34.5 90 3.47 25.4 1 207.5 100 0.30
    太古代花岗岩 27.2 38.0 8 100 27.00 77.1 0 60 0.21
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    表  2  锚索力学参数

    Table  2.   Rock mechanics parameters of slope

    锚索布置区域/m 锚索间距/m 锚索长度/m 锚固角度/(°) 预应力/kN 锚索直径/mm
    -105~-125 5 30~40 15 750 5束7ϕ15.2
    -125~-145 5 30~40 20 750
    -145~-175 4 30~60 15 850
    -175~-210 3 45~70 15 1 000
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    表  3  锚索加固方案

    Table  3.   Anchor cable reinforcement scheme

    方案 坡面6锚索/根 坡面7锚索/根 坡面8锚索/根
    初始方案 4+5 2 7
    方案1 3+4 2 7
    方案2 3+5 0 7
    方案3 3+4 2 6
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    表  4  加固方案预算

    Table  4.   Reinforcement plan and budget

    方案 单排锚索总数/根 工程概量/m 经济指标/元 概算/万元
    初始方案 18 13 920 650 904.80
    方案1 16 11 652 650 757.38
    方案2 15 10 924 650 710.06
    方案3 15 10 783 650 700.90
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-05
  • 修回日期:  2021-06-06
  • 刊出日期:  2021-10-01

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