本文關(guān)鍵詞：撫順西露天礦北幫邊坡動力響應(yīng)分析

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【摘要】：撫順市西露天礦位于撫順市區(qū)東南部,有百余年的開采歷史�，F(xiàn)已形成東西長6.6km,南北寬2.2km,深約400m~500m的“亞洲第一大坑”,總體積達(dá)17億立方千米。該煤礦采坑北幫緊鄰撫順市市區(qū),北幫邊坡一旦發(fā)生滑坡災(zāi)害,將會造成大量的人員傷亡、財產(chǎn)損失,嚴(yán)重影響附近所有工民建設(shè)施的安全,進(jìn)而危及到整個撫順城市的安全建設(shè)。撫順西露天礦北幫邊坡位于我國東部最大地震帶郯廬地震帶東側(cè),郯廬斷裂帶是一條長期活動的構(gòu)造地震帶,該地震帶地震頻繁。撫順地區(qū)雖未發(fā)生過破壞性地震,但小震活動頻繁。海城地震發(fā)生后期,撫順地區(qū)陸續(xù)發(fā)生了36次小型地震,地震頻度明顯高于歷史其它時期。不難推斷,海城地震與郯廬斷裂帶新期構(gòu)造活動相關(guān),沿渾河斷裂波及撫順,其影響烈度達(dá)到Ⅵ度,即海城地震主震過后剩余應(yīng)變能量通過郯廬斷裂帶傳導(dǎo)波及到撫順地區(qū)。據(jù)中、外地震統(tǒng)計資料,在曾經(jīng)發(fā)生過大地震的區(qū)域構(gòu)造帶上容易重復(fù)引發(fā)大地震,所以不能排除坐落于渾河斷裂帶上的撫順城區(qū)未來發(fā)生大型構(gòu)造地震的可能性。為此本文對撫順西露天礦北幫邊坡展開了與地震相關(guān)的一系列研究,在靜力計算結(jié)果的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討撫順西露天礦北幫邊坡的動穩(wěn)定性及動力響應(yīng)問題。本文系統(tǒng)地歸納、總結(jié)和評述了邊坡動力響應(yīng)穩(wěn)定性的研究進(jìn)展,采用有限元數(shù)值模擬的方法,對撫順西露天礦北幫邊坡的靜、動力穩(wěn)定性及動力響應(yīng)等問題進(jìn)行了計算和分析,得到的主要研究成果如下:1.在對撫順西露天礦北幫邊坡進(jìn)行了野外地質(zhì)調(diào)查,收集相關(guān)地質(zhì)、水文氣象資料的基礎(chǔ)上,從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、地震活動以及人類工程活動情況等方面,研究撫順西露天礦北幫邊坡工程地質(zhì)環(huán)境,建立地質(zhì)模型和有限元計算模型,得到撫順西露天礦北幫邊坡靜力安全系數(shù)為1.55,在靜力條件下邊坡是穩(wěn)定的,同時為邊坡的地震穩(wěn)定性分析提供了初始的靜應(yīng)力場。2.F1斷層上盤白堊系巖體密度大且位于相對密度小易變形的綠色泥巖體的上方;軟巖體綠色泥巖本身蠕變變形就大,再加上斜上方白堊系巖體的重力作用就使得綠色泥巖滑移變形更大,進(jìn)而使F1斷層上下盤的傾倒更明顯。坐落式滑移變形及傾倒變形在邊坡上部和地表變形中占主導(dǎo)地位,變形較大且顯著。在沉降坐落段的F1斷層上盤白堊系巖體自重壓力下,產(chǎn)生法向正應(yīng)力和沿層面的剪切應(yīng)力,這將引起上盤巖體越來越大的相對下降,而斷層下盤的綠色泥巖巖體,處于揉皺帶內(nèi),此處巖體強(qiáng)度最為薄弱,反傾巖層向下傳遞傾倒力,擠壓下部軟巖體,坡肩附近發(fā)生會拉剪破壞,在坡頂處巖體會產(chǎn)生松動、開裂。3.分析了撫順西露天礦北幫邊坡的共振特性。利用有限元計算方法對邊坡進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,得到了邊坡體的固有頻率和振型,以及共振曲線(位移與頻率的關(guān)系)。坡體的共振效應(yīng)主要由前三階固有頻率被激發(fā)引起,豎向共振位移峰值出現(xiàn)的頻率在1.1Hz左右,水平向共振位移峰值出現(xiàn)的頻率在1.38Hz左右;結(jié)合振型與頻響曲線發(fā)現(xiàn),邊坡的共振峰值具有垂直放大和臨空面放大效應(yīng),且坡面處共振產(chǎn)生的位移值最大,即共振現(xiàn)象更明顯。4.計算和分析了撫順西露天礦北幫邊坡的地震穩(wěn)定性。通過有限元動力時程分析,得到撫順西露天礦北幫邊坡在地震作用下的安全系數(shù)時程曲線,給出了邊坡最小動安全系數(shù)值為1.14,由此判斷撫順西露天礦北幫邊坡在動力作用下整體是穩(wěn)定的。進(jìn)一步對邊坡的坡肩、坡腳、坡頂?shù)汝P(guān)鍵部位,從振動速度、受力情況等方面對其進(jìn)行局部穩(wěn)定性的分析和判斷,計算和分析的結(jié)果表明,在動力作用下,綠色泥巖與油母頁巖的交匯處首先會產(chǎn)生塑性區(qū),表層破碎巖體會產(chǎn)生破壞,隨著輸入地震動力時程的增強(qiáng),塑性區(qū)范圍向巖體內(nèi)部逐漸擴(kuò)大,確定了邊坡體上部沉陷座落,下部順層滑移的破壞模式。5.分析了撫順西露天礦北幫邊坡的動力響應(yīng)。本文在邊坡的不同位置(坡面、滑面、坡體內(nèi))共設(shè)置了14個監(jiān)測點(diǎn)來進(jìn)行計算和分析。計算結(jié)果發(fā)現(xiàn),在垂直方向上,由于逆傾斷層F1的存在,使地震波在此結(jié)構(gòu)面形成折射、反射等分異效應(yīng),PGA放大系數(shù)(坡體內(nèi)任一點(diǎn)的動力響應(yīng)加速度峰值與輸入地震波的加速度峰值的比值)并沒有隨著邊坡高度的增加呈現(xiàn)單調(diào)遞增的現(xiàn)象,邊坡動力響應(yīng)的加速度在斷層處集中,其加速度響應(yīng)值在此處產(chǎn)生突變,并向兩側(cè)逐漸衰減,在斷層處,地震加速度的最大值放大了3.6倍。位移隨高程的增加而累積增大,由于斷層的存在,使邊坡處于不利的變形狀態(tài),因斷層帶保留了較大的殘余變形,故坡頂產(chǎn)生了較大的位移;在地震作用下,邊坡坡肩表層部位加速度值與位移值最大,可見地震更易激發(fā)坡肩部位的破壞,這主要與邊坡的結(jié)構(gòu)和各層的巖性有關(guān);對比豎向監(jiān)測點(diǎn)及沿坡面和滑面方向監(jiān)測點(diǎn)的位移值,斷層上盤地震動峰值加速度及位移明顯大于斷層下盤。有明顯的臨空面放大和豎向放大效應(yīng),且臨空面放大效應(yīng)大于豎直方向的放大效應(yīng)。在地震作用下坡面巖土體極易發(fā)生破壞。斷層上盤地震動峰值加速度及位移明顯大于斷層下盤。6.分析地震動三要素對邊坡動力響應(yīng)的影響。動力輸入的振幅只是導(dǎo)致邊坡動力反應(yīng)的位移、加速度的絕對量值成倍數(shù)放大,但他們在邊坡剖面上的分布形式卻沒有改變,即位移、加速度放大系數(shù)保持不變,他們不受振幅的影響,只取決于巖土體材料及頻譜特性;隨輸入地震波頻率的增大,邊坡體的位移峰值隨輸入地震波頻率的增大而減小,故巖土體對所輸?shù)卣鸩ǖ淖吭筋l率存在低頻放大高頻濾波的效應(yīng);持時對坡體加速度峰值響應(yīng)的影響并不明顯。本文在撫順西露天礦北幫邊坡工程地質(zhì)條件調(diào)查的基礎(chǔ)上,建立了地質(zhì)模型、計算模型。采用有限元法對撫順西露天礦北幫邊坡進(jìn)行了靜、動穩(wěn)定性分析,共振特性分析及動力響應(yīng)分析等方面的研究。研究結(jié)果表明,撫順西露天礦北幫邊坡在地震中坡肩會產(chǎn)生淺表性滑坡,坡頂處會產(chǎn)生大量的松動、開裂。
【關(guān)鍵詞】：露天礦 軟弱夾層 動力穩(wěn)定性 動力響應(yīng) 變形破壞機(jī)理 時程分析 地震響應(yīng)規(guī)律
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD824.7;P315.9
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-16
• 第一章 緒論16-38
• 1.1 選題依據(jù)及研究意義16-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-35
• 1.2.1 巖質(zhì)邊坡動力響應(yīng)研究現(xiàn)狀18-28
• 1.2.2 地震作用下影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素28-33
• 1.2.3 巖質(zhì)邊坡動力作用下的破壞形式33-35
• 1.3 本文的研究內(nèi)容及技術(shù)路線35-38
• 1.3.1 本文的研究內(nèi)容35-36
• 1.3.2 技術(shù)路線36-38
• 第二章 撫順西露天礦北幫邊坡工程地質(zhì)條件研究38-54
• 2.1 概述38-39
• 2.2 撫順西露天礦北幫邊坡工程地質(zhì)條件39-47
• 2.2.1 地形地貌特征39-41
• 2.2.2 地層巖性特征41-43
• 2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造特征43-46
• 2.2.4 氣象水文地質(zhì)條件46-47
• 2.3 地震與礦震47-53
• 2.3.1 地震構(gòu)造47-49
• 2.3.2 地震活動性49-51
• 2.3.3 撫順礦震51-53
• 2.4 本章小結(jié)53-54
• 第三章 撫順西露天礦北幫邊坡靜力穩(wěn)定性有限元分析54-72
• 3.1 概述54
• 3.2 有限元強(qiáng)度折減系數(shù)法基本原理54-63
• 3.2.1 有限元強(qiáng)度折減法理論背景54-55
• 3.2.2 邊坡整體失穩(wěn)的判據(jù)55-58
• 3.2.3 巖土體彈塑性本構(gòu)模型58-62
• 3.2.4 最小安全系數(shù)的計算方法62-63
• 3.3 模型的建立63-65
• 3.3.1 計算參數(shù)的選取63
• 3.3.2 邊界條件的選取及網(wǎng)格劃分63-65
• 3.4 撫順西露天礦北幫邊坡靜力穩(wěn)定性分析65-70
• 3.4.1 現(xiàn)狀穩(wěn)定性的調(diào)查與評價65-66
• 3.4.2 邊坡靜力穩(wěn)定性有限元分析66-68
• 3.4.3 變形與破壞區(qū)域劃分及其規(guī)律特征68-70
• 3.5 本章小結(jié)70-72
• 第四章 地震作用下邊坡的共振特性72-82
• 4.1 概述72
• 4.2 邊坡共振力學(xué)原理72-73
• 4.3 邊坡共振數(shù)值模擬分析73-80
• 4.3.1 模態(tài)分析73-76
• 4.3.2 諧響應(yīng)分析76-80
• 4.4 本章小結(jié)80-82
• 第五章 撫順西露天礦北幫邊坡地震響應(yīng)及影響因素研究82-104
• 5.1 概述82
• 5.2 地震波的選取與調(diào)幅82-84
• 5.2.1 地震波的選取82-83
• 5.2.2 地震波的調(diào)幅83-84
• 5.3 邊坡動力響應(yīng)的一般規(guī)律84-96
• 5.3.1 加速度響應(yīng)85-90
• 5.3.2 位移響應(yīng)90-96
• 5.4 地震動參數(shù)對邊坡動力響應(yīng)的影響96-102
• 5.4.1 振幅的影響97-98
• 5.4.2 頻率的影響98-100
• 5.4.3 持時的影響100-102
• 5.5 本章小結(jié)102-104
• 第六章 撫順西露天礦北幫邊坡地震穩(wěn)定性分析104-120
• 6.1 概述104
• 6.2 地震反應(yīng)時程分析理論104-109
• 6.2.1 直接積分法105-106
• 6.2.2 振型疊加法106-108
• 6.2.3 邊界條件及阻尼的設(shè)置108-109
• 6.3 邊坡穩(wěn)定性分析評價指標(biāo)109-110
• 6.4 撫順西露天礦北幫邊坡地震穩(wěn)定性分析110-119
• 6.5 本章小結(jié)119-120
• 第七章 結(jié)論與展望120-124
• 7.1 結(jié)論120-122
• 7.2 展望122-124
• 參考文獻(xiàn)124-132
• 作者簡介132
• 攻讀博士學(xué)位期間科研成果132
• 攻博期間獲得獎勵132-134
• 致謝134

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1066277