文摘

Weibei陕西省面积是最大的石灰石资源,这是一个重要的边界区分气候区别中国的南方和北方,和保护也是一个重要的生态安全屏障在中国的西北部。复杂的地质环境和恶劣的环境使矿区有严重的地质灾害隐患。根据现场工程地质数据的典型的石灰石采石场边坡Weibei,本文构造了一个三维地质模型,采用应用FLAC3D软件模拟开挖,分析采石场边坡的应力应变规律。SlopeLE软件被用于分析边坡稳定性的安全系数和潜在滑动面之前和之后采取加固措施。结果显示:(1)石灰石是我的主要岩石成分,其次是泥岩。联合开发和裂缝,岩体破碎,以及工程地质灾害的隐患。(2)双方有滑动的趋势在开挖期间,和最大垂直位移是2.1厘米。(3)如果边坡加固设计方案,将边坡稳定安全系数从1.062增加到1.203处于稳定状态,从而大大提高了边坡的稳定性,并提供人力和财政资源的保证。

1。介绍

Weibei区域的分界线是陕西省气候南北之间的中国和一个重要的生态安全屏障。它有许多功能,如调节气候、保持水土、和维护生物多样性。党中央、国务院高度重视Weibei地区矿山地质环境保护和管理计划。露天开采的不断扩展,露天边坡的稳定性由矿山企业越来越多的关注,造成边坡不稳定和潜在的安全问题越来越突出(1]。此外,Weibei石灰岩矿区的地质环境复杂,这是受到外部环境的影响。存在严重的矿区地质灾害。特别是近年来,矿区发展迅速,但缺乏长期监测和控制矿区的地质环境,所以在矿区的地质环境急剧恶化,地质灾害频繁发生,严重威胁着人们的安全在矿区和矿产资源的开发2- - - - - -4]。

数值计算方法(5- - - - - -20.广泛应用于岩土工程。它可以呈现出现实的斜坡及其地质环境、地层、岩性和是否存在节理面在计算机软件和分析失效机理根据仿真计算的结果。目前,已经开发出了一系列的数值方法为不同类型的滑动机构,如有限差分法(FDM)和有限体积法(有限)。模型建立和控制的理论,如离散元(DEM)不连续变形(DDA)、丹,平滑粒子流动(SPH),颗粒流程序(PFC),和海啸球,一些数值模拟软件应运而生,如FLAC,模拟、PFC、3 dec,地理的斜率。其中,应用FLAC3D数值模拟软件(21- - - - - -28]是好的在岩土工程的分析大变形问题,它采用显示计算方法,可以确保可以获得更好的计算结果即使没有收敛的计算。

朱et al。29日]提出的本构模型可以反映收益率锚索的工作原理,成功地实现了数值模拟方法的边坡锚索加固相结合应用FLAC3D软件和FORTRAN编程语言。高et al。30.)使用离散单元法来研究共有270的变形和破坏特性斜率模型在不同工作条件下。王等人。31日)提出,最有效的方法来研究降雨因素对边坡稳定性的影响是室内和室外实验和数值模拟方法。谭et al。32]利用离散单元法进行边坡岩体的全职动态分析和讨论的动态响应法和稳定边坡岩体在地震的作用下。杨et al。33)利用数值模拟来确定临界长度不稳定的失败在多层软夹层岩石边坡的开挖。刘等人。34)使用分立元件模拟软件模拟反倾斜软、硬岩体层间的边坡的变形和破坏机理和系统地研究了其地震反应。陈等人。35)使用FLAC3D软件建立一个大规模的露天边坡的物理数学模型,并通过三维数值模拟显示一个大型露天边坡的力学环境,讨论了运动和变形、应力分布、围岩破坏机理。顾et al。36)提出三维数值模拟是更有针对性的不规则部分边坡的变形分析,和部分形态变化对边坡变形的影响可以被考虑。计算结果与实际变形高度一致的状态。

FLAC3D软件可以非常准确地模拟流和塑料材料的失败,可用于设计和边坡稳定基础。它有很大的优势在解决岩土工程问题,一直被许多学者(37,38]。因此,本文将使用应用FLAC3D数值模拟方法进行数值模拟分析石灰石采石场的斜率Weibei地区繁殖和分析具体的边坡变形和破坏的过程。

2。区域地质特征

2.1。物理地理特性

咸阳城市位于南部Taiao Shaanxi-Gansu-Ningxia。褶皱断层带的Shaanxi-Gansu-Ningxia凹陷北部和南部的两个第三结构单元,结构的变化从强到弱,从复杂到简单,基本上Jinghe-Lishan断层穿过咸阳城市。宝鸡城市位于境内渭河断陷的西端。东西和分隔开断层结构非常发达。Guguan-Yangpingzhen断层通过宝鸡和向北发展,Longxian-Mazhao断层是位于宝鸡和咸阳之间,在东北方向发展。结构性缺陷的分布如图Weibei区域1。在这个矿区地下水主要包括第四纪松散孔隙、裂隙水、基岩裂隙水,碳酸盐岩孔隙水,其主要由大气降水补给。

2.2。矿山地质环境问题

在自然的双重角色,人为的行为常常使矿山地质灾害频繁发生,这将使矿山地质生态环境恶化,导致经济损失。与此同时,它将极大地威胁着人类的生存和发展,也危及人类所依赖矿产资源生存和发展。目前,在中国有很多种煤矿,分布面积广泛,有很大的对国家发展和人民生活的影响。近年来,煤矿灾害Weibei地区也表现出上升趋势。采空区塌陷、滑坡崩塌,水土流失,泥石流,和其他地质灾害频繁发生,已成为最重要的类型的危害。有9矿山地质灾害,包括3中小型山体滑坡,6崩溃,隐患。中小型地质灾害是地质灾害的主要类型Weibei区域,占总数的72%,而大型和中型地质灾害占28%。露天石灰石开采过程不仅对景观造成了很大的损失,但也形成了大面积的高陡峭的岩壁,坑,植被剥离,暴露岩石,充满绿色,非常符合周围emerald-covered地形。此外,据统计,我浪费Weibei地区目前共有350×10⁴t,所有这些废石渣,年产量30×10⁴t和每年10×10的利用率⁴t(图2)。

3所示。应用FLAC3D数值模拟分析石灰石矿边坡开挖造成的不稳定性

3.1。应用FLAC3D概论

随着科学技术的不断进步,数值模拟方法已经被越来越多的应用于岩土工程专家和学者。它可以模拟和分析实际边坡的破坏机理及其地质环境、地层、岩性、和关节面在计算机软件。应用FLAC3D三维快速拉格朗日分析程序,它使用显式拉格朗日算法和混合离散分区技术来模拟三维岩土材料的力学性能。程序可以模拟地质体的失败和塑性流动下的强度和屈服极限,特别适合分析边坡的渐进的失败和不稳定过程和模拟边坡大变形。总之,应用FLAC3D的主要计算过程包括重复的过程,如建模、计算解决方案,审查结果,并重新校验(图3),它可以监视一个点的变化过程的位移、速度、加速度、压力、和其他参数。

本构模型的选择是一个重要的步骤,影响数值模拟的准确性。应用FLAC3D软件包含12本构模型,包括莫尔-库仑塑料模型,它适用于不同的工程材料的力学性能。莫尔-库仑模型是使用最广泛的模型之一,边坡稳定分析。它有更少的优势要求相关材料参数和容易获得。因此,莫尔-库仑本构模型是用来模拟岩土的力学性能和渐进破坏过程的质量下的斜率。

模型的每个表面上的压力和位移约束在每个方向上是重要的因素,影响最终的数值模型的计算结果。根据不同模型的不同目的,添加不同方向的位移约束。数值模拟模型,具体边界位移约束表达式如下:(1)应用水平位移约束在左,右,前,和后面的模型,并设置初始位移为零。(2)设置水平和垂直初始模型的顶部和底部边界的位移为零。

模型的应力状态是由应力状态决定的,和水平位移的约束条件X方向:

水平位移的约束条件Y方向:

设置垂直位移在顶部和底部边界约束条件:

考虑到地质结构应力时,负载应用到模型的结构性压力。根据现场实测数据,压力伺服控制程序用于生成初始地应力。有6边界在这个模型中,所有的节点上Z设在飞机速度是固定的边界,底部X设在速度模型的固定在左右两次,和Y设在速度模型是固定在前后两侧(图4)。

根据岩性和仿真区域的工程地质特征,充分考虑到尺寸效应,最后的模型的大小是401×390×318,和网格进行致密化研究领域的关键。最后,共有225 733网格建立,整个模型建立了分布式挖掘的四倍。第三和第四的挖掘是露天的两个步骤,分别。模型信息和开挖顺序如图所示5。

3.2。开挖条件下边坡稳定性的数值模拟分析

自己的负荷的影响下,地层在自然状态会受到相关的压力。因此,在开挖之前,应该使用线性弹性模型开展self-balance重力场的条件下,然后计算应在弹塑性阶段的摩尔库仑模型,与最大不平衡力小于1收敛标准e⁻⁵N作为结束标志。

图6应力-应变云图的显示Z方向后的初始地应力石灰石矿,冰冷的颜色表示更大的应变和温暖的颜色表示较小的压力。图(6)的应力云图Z方向产生的初始地应力。很明显,我的应力场提供了一个相对均匀分布,这与实际情况是一致的。从图可以看出6 (b)在最初的原位应力,其Z设在位移逐渐增加从底部到顶部,位移场是均匀分布的。最大沉降是4.48厘米,主要发生在地形的顶部右侧上方的我的。结果表明,模型的固结沉降在自然条件下是充分的。

3.2.1之上。第一次开挖

地应力平衡后,产生的位移场和速度场都重置为零,和莫尔-库仑模型用于模拟的应力、应变状态研究矿山开挖区域。下面是第一开挖后的应力、应变云图后的矿井地应力生成,如图7和8。

开挖完成后,挖掘区域周围的应力释放和压力值减少由于卸荷效应(图7)。应力集中现象脚下的开挖边坡应力云图的清晰可见X和Y方向。矿山开挖的表面区域的压力主要是−1.18 MPa和0.51 MPa之间,和压力Z之间的方向主要是−1.35 MPa和−0.71 MPa。初始应力状态基本上是保持位置远离矿山开挖区域。

如图8第一层开挖后,挖掘地区出现明显反弹,反弹位移量Z方向在坡脚开挖面积最大,最大位移为0.11厘米。边坡在开挖区域呈现下滑的趋势X方向,最大位移为0.19厘米。在位移矢量图(云位移矢量图可以代表整体位移的位移大小和方向),箭头方向代表单元的位移方向的解决方案。

3.2.2。第二次开挖

第一次开挖的平衡后,第二个开挖模拟,应力-应变云图如图9和10。

第二次开挖后,应力分布是类似于第一次挖掘,有明显的应力集中脚下的斜率(图9)。的应力分布Z方向是相对均匀,应力值增加逐渐从表面到核心。的压力X方向主要是−0.23 MPa和0.67 MPa之间,和压力Z方向主要是−2.23 MPa和0.11 MPa之间。

有少量的X方向位移外的斜坡开挖区域图10,这显示了两边滑动的趋势。的最大位移在左边开挖面积0.53厘米,最大位移在右边是0.59厘米。在开挖区域,有一个积极的位移Z方向,因为坡板由于开挖卸荷效应的区域。在开挖区域的中心,位移反弹Z方向是最大的,最大位移Z方向是1.56厘米。

3.2.3。第三次开挖

在第二次开挖平衡,第三个煤矿进行开挖模拟,即开挖的第一步。应力-应变云图如图11和12。

第三开挖后应力分布不同于前两个(图11)。有明显的应力集中在挖掘和剩余的脚趾脚趾第二挖掘;的最大应力集中在脚趾上斜率为0.42 MPa,和底部的最大应力集中是0.59 MPa,这表明,应力集中在较低的层上层比这更严重。的应力分布Z方向是相对均匀,应力值增加逐渐从表面到内核。的压力X之间的方向主要是−0.52 MPa和−0.18 MPa,和压力Z之间的方向主要是−0.19 MPa和−0.01 MPa。

除了第一步开挖区和第二开挖区,斜率仍然显示X方向滑动(图12)。的最大位移左侧上部开挖面积0.23厘米,最大位移在右边是0.54厘米;低的最大位移在左边第二个开挖面积0.58厘米,最大位移在右边是0.62厘米。在开挖区域内,底部隆起造成的最大位移是上层0.6厘米和1.6厘米更低的层。总体的分析表明,第一步的发掘上我的影响不如对我越低。原因可能在于挖掘土壤少和影响是不足以抵消大规模开挖的影响。

3.2.4。第四次开挖

第三个开挖后平衡,采石场已经形成的第一步。继续开展第四开挖模拟我的,也就是说,第二步的挖掘。应力-应变云图如图13和14。

第二步,开挖后的应力分布是相似的(图的第一步13)。有一个明显的应力集中在第二步和第一步;最大应力集中在上层0.29 MPa,和最大应力集中在较低的层是0.79 MPa。可以看出,较低的层的应力集中在上层仍然比这更严重。的应力分布Z方向是相对均匀,应力值增加逐渐从表面到核心。的压力X之间的方向主要是−0.78 MPa和−0.15 MPa,和压力Z之间的方向主要是−0.21 MPa和−0.02 MPa。

第二步开挖后的图14仍然,边坡在开挖区域显示X方向滑动;的最大位移在左边开挖面积0.72厘米,最大位移在右边是0.75厘米。在开挖区域内,地板的最大位移起伏开挖造成的第二步是2.1厘米,最大值出现在开挖区域的中心,和底鼓不出现在开挖区域的第一步。

3.3。应力-应变监测和边坡加固位置的选择

为了比较应力集中和位移的第一步和第二步的区别更直观,有效地加强斜率,监视点数值模型的建立。总共13应变监测点排列,包括6和7第二个步骤,第一步是均匀分布在该地区有明显在坡脚应力集中,从一步,高1.5米,两个监视点30米之间的距离(钢筋的影响范围是30米)。共有41位移监测点排列,包括14第一步和27的第二个步骤。一步是5米的高度,监测两点之间的距离是30 m,如图15。

如数据所示(16日)和16 (b)应力-应变监测曲线,应力、应变监测点是处于增加状态完成后的前三个挖掘。第四个开挖之后,因为土壤的一部分被发掘的第一步,应力集中变得更小,而最大应力集中出现在第二步的脚,和底鼓也增加。最好可以得出结论,强化监测的角落附近的点是第二步,紧随其后的是脚下的第一步。

4所示。基于SlopeLE边坡稳定分析

4.1。引入SlopeLE

它可以简单地计算边坡的稳定性和剩余下滑力,或自动搜索的最小稳定系数或斜率最大剩余下滑力,这是最重要的功能SlopeLE斜率计算软件。这个软件被广泛使用,因为它的接口很简单,建模过程简单,操作方便等特点。中间计算过程中的数据也可以逐项列出的清单,和表可以对应到图,它提供了方便的检查工作。SlopeLE软件的另一个优点是,它充分利用AutoCAD的强大的编辑功能和实现简单、快捷的AutoCAD图形数据的导出和导入(图17)。

SlopeLE软件的主要计算方法分为瑞典部分方法,简化主教法、传递系数法,工程集团法、斯宾塞的方法,和Morgenstern-Price方法。以下是三种常见的计算方法。

以下4.4.1。瑞典分部

瑞典分部方法的原理很简单,计算量非常小,所以它得到了广泛的应用。假定的圆弧滑动面,和滑体分为几个刚性垂直土条。认为带之间的作用力很小,不会影响边坡的滑动,可以忽略,并且安全系数可以计算只有通过整个滑动力矩平衡的土壤。因此,稳定安全系数F_年代在瑞典切片法(不考虑孔隙水压力)可以写成

在这里,和分别是,抗剪强度指标的底部吗我土壤地带。 , ,和总重量(天然容重对水和饱和水体积密度),底部长度和倾角底部的土壤带我,分别。

4.1.2。简化主教的方法

主教方法简单,精度高。它被认为是最好的方法来计算圆形滑动面安全系数,是最受欢迎的方法在工程。方法和简单的方法之间的差异是土条间的横向力考虑在内。 在哪里和分别为防滑时刻和滑动的时刻,, , , ,和分别是,底部的法向力、重力、摩擦角、和下倾角的吗我土壤地带。和的凝聚力和底部长度吗i土壤地带,分别。

4.1.3。传递系数法

因为电脑没有广泛应用于过去,传递系数的显式解(KT负载增加),传递系数是简化。假定安全系数的传递系数是1,这简化了计算和更方便的解决。它在中国得到了广泛的应用,很多在如何获得经验值安全系数。因为显式方法采用增加滑力的方法,计算误差很大。具体计算公式如下:

的隐式解传递系数法(R / K强度降低)也称为强度降低安全系数的方法。在使用隐式解的稳定性分析方法中,滑面强度参数是首先减少Fs次直到最后的剩余下滑力乐队是0。在这一点上,减少强度的安全系数是滑坡的稳定系数。具体计算公式如下:

4.2。矿山边坡稳定性安全系数的计算

在分析边坡稳定性的许多专家和学者,所使用的安全系数一般为主要标准来衡量边坡的稳定性,并根据本标准进行相应的斜率治疗。因此,边坡的安全系数的值可以有最直接影响边坡的安全性和工程效益。一般来说,antisliding力和滑力的比值在假定滑动面称为边坡稳定的安全系数。根据代码9.4.6条调查滑坡防治工程、边坡的稳定状态应该根据其稳定安全系数确定根据表1。

为了研究Weibei石灰石矿山的边坡稳定和安全状态研究领域,研究分为五个部分在罢工,地质特征,联合分布(图18)。每个部分的最危险的位置计算边坡安全系数,数值进行比较和分析,采取相应的治疗措施。从图可以看出18边坡稳定的安全系数在第4部分是最小的,F_年代= 1.062,之间在稳定、基本稳定的状态。的F_年代其他四个部分的1.119,1.123,1.093,和1.165,分别是基本稳定,结果是应用FLAC3D数值模拟的相同部分。因此,第4部分的危险边坡加固。

图19显示了解决钢筋后第四危险边坡的安全系数。NPR常数阻力和大变形锚索用于加强斜率。入射角是25°,长度是30米,预加载力30 T。最后,F_年代= 1.203,边坡处于稳定状态。

5。结论

由于工程地质条件极其恶劣的石灰石矿Weibei,造成边坡爆破采石早期严重变形和大量砾石堆积,尤其是南北采场附近的斜坡。矿区工程地质研究方法和灰岩边坡的综合治疗措施是某些意义的采矿技术的发展和科学理论的浓缩。他们总结如下:(1)一个三维的力学计算模型的主要采场Weibei石灰石矿成立,共有13株监视点和41位移监测点设置。根据综合判断标准等云图位移,应力云图和数值计算的收敛性,指的是应力应变监测曲线,分析和计算结果表明,开挖的主要根据原始设计采场将产生更大的应力集中的坡脚开挖区域。最后开挖可能引起整体不稳定和伤害。(2)使用SlopeLE软件来分析边坡的稳定性和安全性状态Weibei石灰石矿山的研究区域。矿井分为5部分在罢工,地质特征和联合分布,每个部分的最危险的位置被解决边坡安全系数。边坡稳定的最小安全系数Fs= 1.062,岩体是欠稳定的状态和基本稳定的状态,所以强化措施,Fs加固后= 1.203。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

本研究重点实验室支持的矿山地质灾害的机理和控制(没有。KF2019-02),特殊检验项目融资典型石灰岩矿山的地质环境Weibei(没有。20180205)和浙江省的重点研发项目(没有。2019 c03104)。