【摘 要】
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在我国西南地区如云南、四川等省存在着大量的二叠系石灰岩地层,是大量基础设施建设的重要建材来源。但此类地层中存在强度较弱、流变特性明显的泥页岩,属于矿山边坡中的“薄弱环节”。泥页岩在高于蠕变损伤阈值的应力水平持续作用下,其内部原生节理、裂隙扩展,蠕变损伤后的岩体强度参数比瞬时破坏峰值低很多。本论文依托国家自然科学基金重点项目“云南地区含缓倾软弱夹层矿山高边坡成灾机制及防控研究（U1802243）”,
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在我国西南地区如云南、四川等省存在着大量的二叠系石灰岩地层,是大量基础设施建设的重要建材来源。但此类地层中存在强度较弱、流变特性明显的泥页岩,属于矿山边坡中的“薄弱环节”。泥页岩在高于蠕变损伤阈值的应力水平持续作用下,其内部原生节理、裂隙扩展,蠕变损伤后的岩体强度参数比瞬时破坏峰值低很多。本论文依托国家自然科学基金重点项目“云南地区含缓倾软弱夹层矿山高边坡成灾机制及防控研究（U1802243）”,以泥页岩为研究对象,对其地质、地形条件进行调查研究;通过室内物理力学试验,研究了泥页岩的基础物理力学性质、不同应力水平持续作用下的损伤劣化机理、强度参数的瞬时和时效损伤规律、微细观损伤与形貌的关系;利用FLAC3D数值模拟软件,将强度折减法与流变计算相结合,进行了考虑岩体强度参数时效性的边坡稳定性分析方法研究。取得的主要研究成果如下:（1）泥页岩的蠕变特性在低于损伤应力阈值时规律明显,均在加载的24h内完成衰减蠕变;高于损伤应力阈值时发生黏塑性破坏,加速蠕变阶段时间很短,但产生的应变很大。剪应力为0.39MPa时加速蠕变历时仅占总时间的1.1%,但蠕变变形量占总变形的22.72%。蠕变破坏强度为瞬时强度峰值的57.69%,但蠕变变形量比瞬时破坏时大很多。初始黏结力和内摩擦角分别为0.0167MPa和24.2°。（2）相较于瞬时剪切破坏,蠕变破坏时岩石内部损伤更严重。蠕变损伤是岩体内部微观颗粒排列不断调整,协调变形以形成新的平衡,再破裂再平衡,循环演化、损伤不断累积的结果。在高于损伤阈值的应力持续作用下,岩石会产生瞬时和时效损伤。通过瞬时剪切弹性模量随应力增加而减小的程度定量化表征了受剪岩石的瞬时损伤。基于不同蠕变损伤程度的8组试样在4个正应力级别的泥页岩强度试验,得到了泥页岩强度参数时效损伤的定量化规律。（3）基于泥页岩在高于损伤应力阈值条件下强度力学参数的定量化蠕变损伤规律,建立了一种包含应力和时间双阈值条件的岩石黏弹塑性剪切蠕变模型:D-t-NVPB,阐述了模型参数的求解方法。通过模型蠕变特性和参数敏感性分析,从理论上证明了该模型的合理性和适用性。结合泥页岩室内剪切蠕变试验结果进行拟合计算,从实践上证明了该模型的可行性,并进行了二次开发应用。（4）在传统元件中引入泥页岩强度力学参数的蠕变损伤规律,体现了岩石在应力持续作用下因强度劣化发生黏塑性破坏的蠕变机理;改进后的Kelvin体提高了衰减蠕变阶段的拟合精度;引入时间阈值条件ts|ε=εs,明确了等速蠕变速率大于零是由损伤应力阈值差（τ0-τs）引起的物理意义,并采用（τ0-τs）与t的函数关系定量化表征了其影响程度;采用分段-整体相结合的方式进行拟合更易于成功。（5）在FLAC3D中,基于老化理论利用fish语言将强度参数编译为时间的递减函数随流变时步计算,将流变分析与强度折减法相结合,提出了一种定量化考虑参数时效性的边坡长期稳定性计算方法,并与先折减再流变、先流变再折减等计算方式进行对比分析,研究表明在稳定性分析中考虑岩体强度蠕变损伤特性更符合边坡失稳的破坏机理。（6）以黄山石灰石矿山磨环凼新滑坡西侧640-910m蠕变体为研究对象,构建了典型工程地质剖面2-2’的数值模型,采用位移反分析法利用均匀设计-GA-BP神经网络模型反演了泥页岩的D-t-NVPB模型参数。根据边坡实际开采治理顺序,从原始地形线开始模拟,设计了8级台阶9步开挖的模拟方案,并进行了长期稳定性预测分析。未来3年,坡脚处的水平位移最大,为6.118cm;剪应变速率主要沿泥页岩夹层发展,最大值3.5416×10-3主要集中在靠近坡脚的位置,并朝着深部与泥页岩夹层后缘出露处扩展,有贯通之势;蠕变速率逐渐趋近于零,说明岩体未进入损伤状态,边坡暂时处于稳定状态。为防止夹层岩体损伤弱化影响边坡的整体稳定性,建议在泥页岩后缘出露处进行混凝土灌浆防渗处理,在坡脚处采用锚杆、锚索或抗滑桩等支护形式。
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