高恒阻大变形锚索静力学特性数值模拟分析及应用

近些年,滑坡地质灾害发生的强度和频率逐年上升。 在滑坡发生过程中,传统预应力锚索无法 抵抗岩土体大变形而发生拉断、破坏、失效等问题。 针对上述问题,自主研发了三种不同类型的高恒阻 大变形锚索(NPR锚索),其核心结构由恒阻装置与传统锚索连接组成。 首先,通过现场静力拉伸试 验,得到该新型锚索结构最大恒阻力值约850kN,最大变形量达2000mm;其次,在ABAQUS中采用 STATIC,GENERAL准静态分析方法对静力拉伸条件下恒阻装置的应力应变特性进行数值模拟分析, 分析结果证明NPR锚索拉伸过程是一个恒阻且吸收能量的过程;最后,现场应用验证了NPR锚索结 构能够随着边坡失稳而产生大变形的特性,避免了传统锚索因大变形而被拉断破坏,实现了滑坡灾害 防治、监测、预报智能一体化的目标,为合理解释滑坡体运移规律与监测预警曲线之间的关系提供了科 学依据。     

大尺度边坡岩体开裂解体破坏规律试验研究

边坡岩体失稳破坏要经历开裂、贯通、解体、滑移全过程,捕捉每个环节表层变形和深部滑面力学变化规律及特征,是探索滑坡监测预警准则的关键.本文采用恒阻大变形锚索(NPR)深部滑动力自动监测系统和地表位移监测系统,在南芬露天铁矿采场下盘开展了人工开挖诱发滑坡的现场试验,目的是探索滑坡发生前后,边坡岩体开裂解体破坏和深部滑动力的变化规律和时间效应.试验结果显示:在人工开挖扰动作用下,边坡岩体表层出现裂缝的时间要滞后于深部滑动力突变时间,即当滑动力突降4h后,边坡表层岩体初始开裂6mm(长200cm);当滑动力突降96h后,表层岩体裂缝宽度达到74mm(长1306cm);当滑动力突降168h后,边坡完全崩解滑移.证明该类型边坡从深部力学失衡到表层解体破坏,至少需要7d时间.这一成果为该地区滑动力监测预警准则建立提供科学依据.     

土地复垦诱发边坡浅层岩体劣化全过程监测试验研究

边坡系统作为一种天然的力学系统,其变形、开裂、失稳、滑移是一个复杂且难以测量的天然力学过程,常因浅层滑坡灾害而造成严重的人员伤亡和土地资源损失。因此,探索边坡浅层岩体在内外营力作用下诱发的岩体劣化规律及敏感参数是浅层滑坡监测预警的关键。采用自主研发的边坡滑动力NPR锚索监测预警系统,在新昌陈家山村开展了土地复垦诱发边坡浅层岩体劣化全过程监测试验。通过边坡地质调查,在关键监测点位安装边坡滑动力NPR锚索监测预警系统;采用现场标记法记录土地复垦机械开挖点与监测点的时空特征,并分析边坡浅层岩体劣化变形特征与滑动力监测曲线演变特征的相关关系,揭示该系统对陈家山村特定地质条件边坡稳定性的监测灵敏度和临滑预警时间。试验结果表明：针对陈家山村松散堆积层发育的边坡类型,在土地复垦开挖扰动作用下,滑动力监测曲线并未出现类似岩质边坡失稳破坏所呈现的缓升型“不稳定模式”和突升型“裂缝模式”,滑动力监测曲线随着机械开挖点距离监测点越来越近呈阶梯式突降型“多次滑移模式”;该系统在松散堆积层发育的边坡类型下的有效距离监测灵敏度为35 m,分析结果可为类似边坡稳定性监测预警提供参考。     

抚顺西露天矿开挖作用下边坡变形破坏滑动规律研究

为了研究露天煤矿边坡变形、破坏、滑动全过程,以抚顺西露天矿为研究对象,应用 CDEM 方法模拟 开挖条件下抚顺西露天矿南帮坡顶、坡中、坡底的变形、破坏、滑动规律,探讨开挖深度对南帮边坡的影响情况。结 果表明：变形阶段,边坡整体向下压密变形,积蓄变形量;满足破坏条件,进入破坏阶段,边坡顶部受拉,萌生拉张裂 纹,裂纹沿着弱层面扩展,坡顶和坡底裂纹逐渐连接,最终贯穿边坡模型;滑动阶段,裂纹上下贯通形成滑体轮廓, 滑体沿着裂纹面发生失稳滑动,最后在坡底剪出。随着开挖深度增加,南帮弱层出露越多,边坡的临空区域增多, 引发滑坡几率越高,当开挖深度达到标高为-164 m 后,南帮边坡出现大规模滑坡,且滑坡模式为滑移—剪切式,研 究成果为抚顺西露天矿边坡治理与防护提供数据参考。     

南芬露天铁矿边坡稳定性分析与牛顿力临滑智能预警

为提高露天矿开采作业经济安全性,最大程度节省采矿成本提高采矿效益,全面提升边坡临滑预警监测的及时性,以发生多次巨型滑体的深部开采南芬露天铁矿为研究背景,通过对国内外高陡边坡稳定性分析与监测现状研究,探讨露天铁矿特有的边坡破坏模式,结合牛顿力临滑智能预警技术在南芬滑坡预警的成功应用,系统阐述了牛顿力临滑监测的可行性。针对南芬铁矿高陡边坡下盘存在大量失稳或潜在变形区的现象,在总结当前边坡3种破坏模式的基础上,基于MSARMA、GEO-SLOPE、Swedge数值计算软件对重点下盘区分析,结合何满潮院士的地质体灾变牛顿力变化定律,提出“NPR牛顿力滑坡监测为主体,长期阈值监测、短期临滑预警、后期变形现场勘测”三位一体的边坡稳定性智能监测预警防控技术,并在574、502平台巨型滑体崩塌临滑预测中得到应用。现场临滑预警表明：NPR预应力锚索增强边坡的稳定性,提高了监测系统的实时性,有效验证了三位一体边坡稳定性智能临滑预警技术的合理准确性,为露天矿的安全可持续开采,提出合理有效的应急控制措施。     

爆破作用下别斯库都克露天矿边坡变形破坏机理

为探究新疆别斯库都克露天矿边坡变形破坏问题,结合工程实际,基于Midas GTS NX数值模拟软件,运用其内部自带的动力荷载生成器做出模拟爆炸的时程分析函数,再结合动力分析中的曲面动力模块模拟出爆炸震动时对露天矿边坡变形的影响,阐明边坡变形破坏机理。研究表明：黏聚力对边坡的失稳概率影响较大;随着内摩擦角的增加,边坡失稳概率近乎线性减小;在循环爆破过程中,第1阶段边坡顶部以及台阶连接处受到的影响最大,第2阶段会出现由上至下的坍塌现象,第3阶段过程中边坡发生多层滑坡破坏。     

露井联采模式下边坡破坏和失稳机理研究

为了研究露井联采模式下边坡破坏和失稳机理,基于岩体力学分析和关键层理论,建立了露井联采边坡关键岩层耦合作用模式。研究认为在露井联采的条件下,露天矿边坡内部为砌体梁结构,大部分顺层滑坡的破坏都将经历表生改造、结构改造、时效变形和最终失稳4个阶段。     

红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

以标准红砂岩试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置结合自行开发的煤岩 细观力学特性测控软件,对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究,并 基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象。结果表明:载荷大小对红砂岩剪切蠕变力学特性具有 明显的影响,直接决定着加速剪切蠕变阶段的有无、试样的破坏与否和试验时间对其剪切蠕变力学特性的 影响程度;存在2个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ₁、τ₂,它们将红砂岩剪切蠕变类型分为3种, 即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏;红砂岩试样破裂带的形成过程表现为渐进式,破坏过程表现为渐 进式与突发式结合,破裂面附近区域为裂纹结构丰富区且该面为非平直剪切面;不同载荷水平作用下岩石剪 切蠕变力学特性可以用来解释边坡失稳发育过程中的现象,认为边坡内潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变 破坏是边坡发生失稳的力学机理。     

恒阻大变形锚杆/索力学特性数值模拟研究

具有大变形特性的材料在抵抗岩体冲击、剪切和能量吸收等方面比传统意义下的小变形材料表现出更为优异的性能。针对普通锚杆/索无法抵抗软岩大变形而被拉断破坏等问题,何满潮研发了新型恒阻大变形锚杆/索,并成功应用于矿山灾害控制领域,然而针对恒阻大变形锚索吸能特性及其大变形数值模型构建尚属研究空白。本文首先通过室内实验揭示恒阻大变形锚杆/索(NPR)在静力拉伸和动力冲击条件下的吸能特性;然后利用Fish语言首次构建NPR锚杆/索数值分析模型,针对动/静条件下的NPR锚杆/索能量吸收规律进行数值模拟计算,并将试验结果与模拟结果进行对比分析,发现二者具有显著一致性;最后根据计算结果建立NPR锚杆/索与围岩体的相互耦合作用能量方程,揭示NPR锚杆/索在围岩控制全过程中的力学变化规律和能量吸收特征。     

边坡雷达在露天矿山边坡滑坡预警的应用研究

露天矿山边坡位移监测是矿山边坡稳定性监测的主要内容之一,通过位移监测可以掌握露天矿山边坡体的变形规律,及时了解边坡动态并对边坡进行管理。边坡雷达可以通过持续监测边坡表面位移预测边坡变形失稳,并依据岩体变形破坏规律,预测预报滑坡发生的可能性与滑坡时间,通过对乌拉根锌矿2020年12月15日边坡橙色预警信息及监测数据分析,结果表明:边坡雷达可有效实现对露天矿山边坡滑坡提前预警,通过优化预警参数,可使预警信息更加精准。     

深部井巷工程高预应力NPR耦合支护技术

深部煤炭资源是未来我国能源安全的重要保证,但受深部“三高一复杂”地质力学环境影响,深部井巷工程岩体大变形失稳问题日渐突出。为解决该问题,以支护-围岩相互作用为突破点,研发了具有高强度、高恒阻、大变形力学特性的系列NPR锚杆/索,构建了NPR锚杆的本构方程,并开展室内和现场综合力学试验,验证了NPR锚杆/索的独特力学特性;分析了NPR支护-围岩相互作用关系,推导了NPR支护岩体本构关系,阐明了采用NPR耦合支护后的开挖补偿力学效应,揭示了高预应力NPR耦合支护机理;结合大强煤矿实际工况,提出了深部泵房吸水井以NPR锚杆/索为核心的集约化硐室群NPR支护技术。数值分析和现场监测数据显示:高预应力NPR耦合支护技术可显著提高支护-围岩的承载特性,有效减小井巷工程岩体塑性区的分布及发展范围;支护后支护-围岩应力场趋于均匀化,围岩整体变形量减小68 % 以上,确保了深部井巷工程岩体的长期稳定。研究成果可为类似条件下的深部井巷工程稳定性控制提供借鉴。     

福堂水电站震后厂房边坡锚索加固及应力监测与分析

"5·12"汶川大地震后,震区边坡稳定性受到严重破坏,出现多种破坏形式,如崩塌、滑坡、变形等等。不稳定边坡存在巨大的安全隐患,所以对边坡进行加固势在必行。预应力锚索是高边坡危害防治的主要手段,将大吨位的预应力锚索锚固于边坡体内稳固的岩层中,通过施加预应力,可抵抗边坡体深层破坏和变形。锚索预应力变化监测对于岩土锚固工程具有重要意义,它通过监控施工过程中及工后的预应力状态,检验加固工程是否达到预期效果,根据长期的监测结果对坡体稳定状态做出评价,并决定是否需要采取适当的补救措施。结合福堂水电站震后厂房边坡锚索加固及其应力监测,探讨了压力分散型锚索应力损失及变化规律,对岩土锚固工程设计、施工提供技术支持。     

预应力锚索锚固力监测点经济高效布设方法研究

预应力锚索锚固力监测点合理布设是提高边坡稳定性监测可靠性的重要手段,在确保边坡稳定安全的同时,可最大程度上节省工程监测成本。现阶段预应力锚索锚固力监测点布设方案设计多依赖工程经验,具有很强的盲目性并且监测成本较大,尤其对于大型高陡边坡,由于挖方量和边坡加固工程量巨大,如何实现高陡边坡预应力锚索锚固力监测点经济高效布设,保证边坡安全高效监测是目前亟需解决的问题。以广东省江门市迎宾西路某高边坡为研究背景,通过研究锚索的群锚效应和锚索失效后的影响范围,确定了监测点之间的合理布设间距。构建了边坡三维模型,通过数值计算,模拟高边坡开挖全过程,由数值计算结果分析边坡开挖过程中变形失稳的潜在危险区域,进行监测点选择型布设。通过上述方法,实现了该段高陡路堑边坡预应力锚索锚固力监测点的经济高效布设。研究表明：基于群锚效应与三维数值模拟方法,提出的预应力锚索合理布设间距与开挖过程中潜在危险区域重点监测相结合的综合布设优化方案,可合理利用材料和空间、大幅节省监测成本,实现边坡的经济、高效监测。研究成果为高陡路堑边坡稳定性监测点合理布设提供了一种新的思路。     

预应力锚索锚固力监测点经济高效布设方法研究

预应力锚索锚固力监测点合理布设是提高边坡稳定性监测可靠性的重要手段，在确保边坡稳定安全的同时，可最大程度上节省工程监测成本。现阶段预应力锚索锚固力监测点布设方案设计多依赖工程经验，具有很强的盲目性并且监测成本较大，尤其对于大型高陡边坡，由于挖方量和边坡加固工程量巨大，如何实现高陡边坡预应力锚索锚固力监测点经济高效布设，保证边坡安全高效监测是目前亟需解决的问题。以广东省江门市迎宾西路某高边坡为研究背景，通过研究锚索的群锚效应和锚索失效后的影响范围，确定了监测点之间的合理布设间距。构建了边坡三维模型，通过数值计算，模拟高边坡开挖全过程，由数值计算结果分析边坡开挖过程中变形失稳的潜在危险区域，进行监测点选择型布设。通过上述方法，实现了该段高陡路堑边坡预应力锚索锚固力监测点的经济高效布设。研究表明：基于群锚效应与三维数值模拟方法，提出的预应力锚索合理布设间距与开挖过程中潜在危险区域重点监测相结合的综合布设优化方案，可合理利用材料和空间、大幅节省监测成本，实现边坡的经济、高效监测。研究成果为高陡路堑边坡稳定性监测点合理布设提供了一种新的思路。     

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己_(14)和己_(15)深部近距离煤层群工程实践,在己_(15)-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己_(14)煤层底板破坏深度理论值约21.24～30.88 m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400 mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现"近线性增长—跃阶式降低"两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40 m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35 m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己_(15)煤层采动影响范围约105 m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。     

压力分散型锚索现场抗拔试验测试与分析

以福宁高速公路福鼎分水关至福安坞段A3标段八尺门互通区滑坡整治工程为实例，对现场采用的压力分散型锚索进行抗拔试验研究，详细介绍了该新型锚索的抗拔试验过程及其锚索受力测试方法，并就锚索试验中的若干问题进行了分析和探讨，试验研究成果为锚索设计和施工提供了直接依据，具有实际的应用和参考价值。     

大型复杂露天矿边坡三维建模方法及加固对策研究

针对内蒙古长山壕露天金矿西南采场发生大规模倾倒失稳变形现状,本研究对西南采场工程地质条件、岩体结构类型以及变形破坏特征进行系统调查,详细介绍3DMine - FLAC3D大型复杂地质体高精度耦合建模方法及建模过程。在此基础上提出以恒阻大变形锚索为核心的边坡加固方案,并采用数值模拟方法与原支护方案进行对比研究。研究结果表明,西南采场地质结构复杂,断层节理发育,倾倒区岩体以抗弯强度较低的板岩、片岩为主,且支护结构采用小变形锚索,无法抵抗边坡大变形而导致倾倒失稳的发生;3DMine - FLAC3D耦合建模方法实现了复杂地质体的精确建模;采用恒阻大变形锚索加固方案能有效控制边坡失稳变形,取得较好的支护效果。     

负泊松比效应锚索的力学特性及其在冲击地压防治中的应用研究

冲击地压发生强度、危害程度及频次呈急剧增加趋势,现有支护材料无法满足冲击力作用下巷道防护的要求,基于负泊松比材料的特殊力学特性,结合井下巷道冲击大变形控制的需求,研发了具有负泊松比效应新型高恒阻大变形锚索。采用室内力学实验和现场爆破模拟冲击试验相结合的方法,对新型锚索的防冲力学特性进行了研究,结果表明恒阻锚索能够在静力拉伸作用下产生滑移拉伸变形的同时保持350 kN左右的恒定阻力,多次落锤冲击动力作用下,能够通过保持恒定阻力并产生拉伸变形来吸收冲击能量。以沈阳红阳三矿1213回风联络巷为工程背景,提出了现场采用爆破形式模拟冲击地压的现场防冲方案,试验表明高恒阻大变形锚索在爆炸冲击力作用下可以产生瞬间滑移变形,从而吸收爆炸产生的冲击能量,并具有保持恒定阻力的特殊力学性能;通过现场对比试验可知,在相同当量爆破冲击能量作用下,普通锚索试验段完全崩垮,恒阻锚索试验段整体稳定,验证了恒阻大变形锚索比普通锚索具有更好的抗冲击力学性能。