留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 倪卫达. 基于岩土体动态劣化的边坡时变稳定性研究[D]. 武汉: 中国地质大学, 2014.
    [2] 周创兵. 水电工程高陡边坡全生命周期安全控制研究综述[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(6): 1081-1093. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2013.06.001

    Zhou Chuangbing. A prospect of researches on life-cycle safety control on high-steep rock slopes in hydropower engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(6): 1081-1093. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2013.06.001
    [3] 才庆祥, 周伟, 舒继森, 等. 大型近水平露天煤矿端帮边坡时效性分析及应用[J]中国矿业大学学报, 2008, 37(6): 740-744. doi: 10.3321/j.issn:1000-1964.2008.06.003

    Cai Qingxiang, Zhou Wei, Shu Jisen, et al. Analysis and opplicaiton on end-slope timeliness of internal dumping under flat dipping ore body in large surface coal mine[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2008, 37(6): 740-744. doi: 10.3321/j.issn:1000-1964.2008.06.003
    [4] 芮勇勤, 徐小荷, 杨天鸿, 等. 露天矿顺层蠕动边坡稳定性动态分析探讨[J]. 中国矿业, 1999, 8(6): 57-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA199906020.htm

    Rui Yongqin, Xu Xiaohe, Yang Tianhong, et al. Dynamic analysis of stability of bedding creeping type slope at an open pit coal mine[J]. China Mining Magazine, 1999, 8(6): 57-60. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKA199906020.htm
    [5] 陈宇龙, 曹鹏. 混凝土时间相关断裂模型研究综述[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(3): 290-295. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.005

    Chen Yulong, Cao Peng. Review of time-dependent fracture model of concrete[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(3): 290-295. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.005
    [6] Kemeny J. The time-dependent reduction of sliding cohesion due to rock bridges along discontinuities: a fracture mechanics approach[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2003, 36(1): 27-38. doi: 10.1007/s00603-002-0032-2
    [7] Shao J F, Zhu Q Z, Su K. Modeling of creep in rock materials in terms of material degradation[J]. Computers and Geotechnics, 2003, 30(7): 549-555. doi: 10.1016/S0266-352X(03)00063-6
    [8] 刘波, 杨伟红. 考虑时间效应的隧道开挖三维沉降预测模型及应用[J]. 矿业科学学报, 2019, 4(5): 384-393. http://kykxxb.cumtb.edu.cn/article/id/237

    Liu Bo, Yang Weihong. Prediction model and application of three-dimensional ground surface settlement induced by tunnel excavation considering time effect[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2019, 4(5): 384-393. http://kykxxb.cumtb.edu.cn/article/id/237
    [9] 陈国庆, 黄润秋, 石豫川, 等. 基于动态和整体强度折减法的边坡稳定性分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(2): 243-256. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201402006.htm

    Chen Guoqing, Huang Runqiu, Shi Yuchuan, et al. Stability analysis of slope based on dynamic and whole strength reduction methods[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(2): 243-256. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201402006.htm
    [10] 李连崇, 李少华, 李宏, 等. 基于岩石长期强度特征的岩质边坡时效变形过程分析[J]. 岩土工程学报, 2014, 36(1): 47-56. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201401004.htm

    Li Lianchong, Li Shaohua, Li Hong. Time-dependent deformation of rock slopes based on long-term strength characteristics of rocks[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2014, 36(1): 47-56. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTGC201401004.htm
    [11] 程辉, 赵洪宝, 徐建峰, 等. 基于滑移线场理论的巷道底鼓机理与防治技术研究[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(3): 314-322. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.008

    Cheng Hui, Zhao Hongbao, Xu Jianfeng, et al. Study on floor heave mechanism and control technology of roadway based on slip line field theory[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(3): 314-322. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.03.008
    [12] 朱晗迓, 尚岳全, 陆锡铭, 等. 锚索预应力长期损失与坡体蠕变耦合分析[J]. 岩土工程学报, 2005, 27(4): 464-467. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2005.04.020

    Zhu Hanya, Shang Yuequan, Lu Ximing, et al. Coupling analysis of long-term prestress loss and slope creep[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005, 27(4): 464-467. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.2005.04.020
    [13] 左建平, 文金浩, 刘德军, 等. 深部巷道等强支护控制理论[J]. 矿业科学学报, 2021, 6(2): 148-159. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.02.002

    Zuo Jianping, Wen Jinhao, Liu Dejun, et al. Control theory of uniform strength support in deep roadway[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2021, 6(2): 148-159. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.02.002
    [14] 孙玉科, 牟会宠, 姚宝魁. 边坡岩体稳定性分析[M]. 北京: 科学出版社, 1998.
    [15] Li Y S, Xia C C. Time-dependent tests on intact rocks in uniaxial compression[M]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2000, 37(3): 467-475.
    [16] 吴顺川, 张化进, 肖术, 等. 考虑服务年限的露天矿边坡时变目标可靠度研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2019, 36(3): 542-548. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KSYL201903015.htm

    Wu Shunchuan, Zhang Huajin, Xiao Shu, et al. Study on time-varying target reliability of open-pit slope considering service life[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2019, 36(3): 542-548. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KSYL201903015.htm
    [17] 张强勇, 杨文东, 张建国, 等. 变参数蠕变损伤本构模型及其工程应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2009, 28(5): 732-739. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200904014.htm

    Zhang Qiangyong, Yang Wendong, Zhang Jianguo, et al. Variable parameters-based creep damage constitutive model and its engineering application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(5): 732-739. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX200904014.htm
    [18] 闫莫明. 岩土锚固技术手册[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.
    [19] 刘德军, 左建平, 刘海雁, 等. 我国煤矿巷道支护理论及技术的现状与发展趋势[J]. 矿业科学学报, 2020, 5(1): 22-33. http://kykxxb.cumtb.edu.cn/article/id/262

    Liu Dejun, Zuo Jianping, Liu Haiyan, et al. Development and present situation of support theory and technology in coal mine roadway in China[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2020, 5(1): 22-33. http://kykxxb.cumtb.edu.cn/article/id/262
    [20] 陈沅江, 尹进, 胡毅夫. 软岩边坡锚索预应力定量损失规律研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2013, 32(5): 1685-1691. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201308023.htm

    Chen Yuanjiang, Yin Jin, Hu Yifu. Research on prestress quantitative loss law of soft rock slope anchor cable[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(5): 1685-1691. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSLX201308023.htm
    [21] 蒋树, 文宝萍, 蒋秀姿, 等. 基于非线性损伤理论的改进CVISC模型及其在FLAC3D中实现[J]. 水文地质工程地质, 2019, 46(01): 56-63. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG201901008.htm

    Jiang Shu, Wen Baoping, Jiang Xiuzi, et al. A non-linear damage rheological constitutive model and its application to a giant slow-moving landslide[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, 2019, 46(01): 56-63. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SWDG201901008.htm
  • 加载中
图(13) / 表(4)
计量
  • 文章访问数:  704
  • HTML全文浏览量:  213
  • PDF下载量:  51
  • 被引次数: 0
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

目录

    /

    返回文章
    返回