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摘要
随着露天矿山开采的推进,矿山边坡不断增高,由此所揭露的地层也逐渐增多,岩层性质也愈加复杂,不断揭露的各种软弱岩层以及增加的边坡临空自由面,都会对边坡的稳定性和安全性造成严重的影响。高边坡中存在的软弱夹层具有低强度及明显的流变效应的特点,常常对边坡的稳定性起着至关重要的作用。本文在充分借鉴先前学者研究的基础上,通过试验分析、理论分析、计算机模拟等方法,对二叠系炭质泥页岩软弱夹层的蠕变剪切试验结果进行分析,提出一种基于分数阶微积分理论和蠕变损伤的软弱夹层非线性剪切蠕变本构模型,进行模型参数的辨识,采用Microsoft Visual Studio 2015和FLAC3D有限差分数值模拟软件对该蠕变本构模型进行二次开发及开发模型的验证,针对四川金顶石灰石矿山老鹰嘴边坡长期稳定性进行分析,提出相应的建议防范措施,并进行后期的预测。主要研究结论如下:（1）基于分数阶微积分理论和统计损伤理论,提出了一种软弱夹层非线性剪切蠕变本构模型,该本构模型可以全面反映软弱夹层的减速蠕变、稳定蠕变以及加速蠕变三个蠕变阶段的变形过程。（2）采用专用数值软件Origin对本文提出的基于分数阶微积分理论的非线性蠕变损伤模型和室内剪切蠕变试验结果进行了参数的拟合,取得了较好的拟合效果,拟合结果与蠕变变试验结果高度吻合,拟合的相关性系数都在0.95上,说明模型能够较好的描述软弱夹层的蠕变过程,包括非线性加速破坏阶段。（3）推导出分数阶蠕变损伤本构模型的三维差分格式以及用于FLAC3D中的应力更新方程和应力修正方程,利用FLAC3D软件提供的二次开发平台以及Microsoft Visual Studio 2015对于本文提出的本构模型进行了二次开发,给出了详细的开发流程以及开发的核心代码,并将其导入FLAC3D中进行数值模拟试验,与室内剪切蠕变试验结果相对照,取得了较好的效果,验证了开发模型的适用性与正确性。（4）基于本文提出的蠕变损伤本构模型和边坡现场位移监测数据,采用BP神经网络、遗传算法等对蠕变模型参数进行了反演,进而对完成滑坡清理后的老鹰嘴边坡位移变化的发展趋势进行了预测。根据数值计算结果,边坡上监测点的位移逐渐增大,但是变化速率逐渐减少,总体位移也较小,曲线整体呈现减速蠕变的特征,并有平稳下来的趋势,位移量最大接近40mm,会保持缓慢蠕变并渐渐稳定的变形过程,但是也需要注意加强老鹰嘴边坡的监测工作。本文针对二叠系炭质泥页岩软弱夹层蠕变剪切特性进行了研究,并进行了工程应用,研究成果可为众多含二叠系炭质泥页岩软弱夹层的矿山安全开采及其长期稳定性分析研究提供一定理论指导和借鉴。
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