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本文以我国中东部矿区薄基岩开采破坏为基本原型,建立了近风化带黏性土变形破坏的工程地质模型;通过室内相似材料模型试验,对近风化带黏性土在含水率、黏粒含量以及薄基岩变形破坏模式条件下的变形破坏规律进行了研究;借助分形几何理论对近风化带重塑黏性土的变形破坏规律进行了定量研究,并建立了含水率、黏粒含量、破坏断距以及变形角度与分形维数之间的函数关系式。本文的主要内容和成果如下: (1)以泉店煤矿为例,归纳了中东部矿区典型的基岩特征和近风化带黏性土特征,并将黏性土-覆岩耦合变形的模式划分为断裂变形破坏模式和黏性土-覆岩协同变形模式,其中,断裂变形破坏模式又可以划分为断裂破坏Ⅰ型模式和断裂破坏Ⅱ型模式。以此为基础,建立了近风化带黏性土变形破坏的工程地质模型,在室内完成了31组相似材料模型试验。 (2)相似材料模型试验表明,在覆岩断裂变形破坏模式下,黏性土裂隙的发育和扩展随含水率增大而增大,而在黏性土-覆岩协同变形模式的条件下,黏性土裂隙的发育和扩展随着含水率增大而减小;在三种黏性土-覆岩变形模式的条件下,黏性土裂隙的发育和扩展均随着黏粒含量增大而增大;在保持含水率和黏粒含量一定时,黏性土裂隙的发育和扩展随着覆岩破坏断距的增大而增大,而随着覆岩破坏角度的增大而变小。 (3)将黏性土变形破坏过程划分为主裂隙发育阶段、子裂隙发育阶段和失稳变形破坏阶段三个阶段;裂隙发育和扩展的类型主要由曲线型裂隙、直线串珠型裂隙、“Y”型裂隙、水平型裂隙和垂直型裂隙等五个大类构成,由于每种类型裂隙的发育特点具有明显的差异性,致使其导水能力也有很大区别。 (4)分形分析表明,在不同含水率条件下,当覆岩发生断裂破坏Ⅰ型模式和断裂破坏Ⅱ型模式时的分形维数均随着含水率的增大而增大,均呈线性函数关系,而当黏性土-覆岩协同变形模式时的分形维数随着含水率的增大而减小,呈二次方函数关系;在不同黏粒含量条件下,三种覆岩变形破坏模式时的分形维数都是随着含水率和黏粒含量的增大而增大,分别呈线性、指数和二次方函数关系;在不同破坏断距条件下,黏性土裂隙发育和扩展的分形维数随着断距的增大而增大,而在不同破坏角度的条件下,黏性土裂隙发育和扩展的分形维数随着破坏角度的增大而减小,不同破坏断距、不同破坏角度与分形维数之间都呈对数函数关系。