[发明专利]一种基于拱效应理论的边坡稳定性范围确定方法

说明书

本发明公开了一种基于拱效应理论的边坡稳定性范围确定方法，包括将坡脚最不利原生层面裂隙作为其潜在滑面，采场边坡近似于竖直状态，把基坑放坡与台阶影响当作其安全储备；把边坡的下滑分力视为均布荷载；拱轴线形状近似等化成抛物线，两个支撑拱脚净距作为其跨度；支撑拱脚宽度与拱圈厚度的关系图。本发明的基于拱效应理论的边坡稳定性范围确定方法基于土拱效应理论，经过土拱效应数学模拟计算，进而得出边坡的最大滑塌高度。应用此成果在采动作用下，对边坡稳定性影响范围进行界定，确定其安全距离，从而指导工程实际，对露天矿安全有非常重要的意义。

技术领域

本发明属于露天开采的技术领域，尤其涉及一种基于拱效应理论的边坡稳定性范围确定方法。

背景技术

我国露天煤矿中软岩露天煤矿占比较大，且大多有井下开采记录。无论是受采空区影响的土质边坡还是岩质边坡，坡体中支撑拱的存在都是影响边坡的稳定的重要因素。在土力学领域，土拱是用来描述应力转移的一种现象，这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而实现的。太沙基(1936)通过活动门试验证实了土拱效应的存在。

土拱效应是岩土工程中一个很普遍的现象，很多学者对活动门模型进行了试验和数值研究，研究结果己被用于很多地下结构的设计中。土层中的拱作用的产生与拱结构物不一样，拱结构是把材料制成拱形状，在荷载作用下发挥其承受压力的作用；而土拱有其自身的形成过程：在荷载或自重的作用下，土体发生压缩和变形，从而产生不均匀沉降，致使土颗粒间产生互相“楔紧”的作用，于是在一定范围土层中产生“拱效应”。正是由于土拱作用所带来的影响，把作用在拱体上的载荷传递到拱脚及其周围的稳定土层中去，最终导致土体中的应力重新分布。需要指出的是，土拱效应是用来对土体中应力转移的现象进行描述的，而此种应力传递的过程是通过对土体滑移面上产生的抗剪强度的调用进行实现的。

虽然已有大量研究成果表明土拱效应普遍存在于支挡结构、管道工程等实际工程中，当土体位移模式不同时，土拱效应引起的应力偏转程度和对边坡变形造成的影响也不尽相同，常见的边坡变形破坏形式主要包括崩塌、蠕动变形、滑坡以及松动张弛四种类型，Flac数值模拟软件来模拟边坡的动态过程。需要一种边坡稳定性范围确定方法，将从土拱效应理论出发，研究边坡的变形破坏，从而对边坡的稳定性范围进行界定。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明所解决的技术问题在于提供一种基于拱效应理论的边坡稳定性范围确定方法，基于拱效应理论，提出一种新的方法研究软岩边坡变形破坏机制，对边坡稳定性范围进行界定，为保证矿区安全生产具有重要的实践指导意义。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：

本发明提供一种基于拱效应理论的边坡稳定性范围确定方法，包括以下步骤：

S1：将坡脚最不利原生层面裂隙作为其潜在滑面，采场边坡近似于竖直状态，把基坑放坡与台阶影响当作其安全储备；

S2：把边坡的下滑分力视为均布荷载，拱顶两侧过渡区域的下滑力以及由于土体的自重对支撑拱稳定性产生的影响忽略不计，将拱效应简化成沿着深度方向的平面问题；

S3：拱轴线形状近似等化成抛物线，两个支撑拱脚净距作为其跨度；

S4：针对红粘土边坡，其坡体内强度较高的区域的分布；当支撑拱跨度大于土体中支撑拱的极限跨度时，拱效应消失，无法获得足够的抗滑力用来阻滞坡体的滑移；当支撑拱跨度小于土体中支撑拱的极限跨度时，土体内存在拱效应，可以阻滞坡体的滑移甚至塌陷，维持边坡暂时的稳定；

S5：支撑拱脚宽度与拱圈厚度的关系图。

可选的，在步骤S4中，土体中支撑拱的极限跨度Lmax的表达式:

式中：H为地表边坡至拱圈外缘处的垂直距离；

h₁为土体中土洞的高度；