岩质高边坡问题一直是岩土工程领域的研究热点之一,它涉及的范围广泛,从水利水电工程、矿山工程、铁道工程、公路工程等诸多工程领域到岸坡、山坡等自然领域。近年来,随着我国社会经济建设的不断发展,工程建设规模和力度也越来越大,大型工程建设项目的不断涌现,岩质高边坡稳定性问题越来越受到人们的重视。焦作市位于河南省西北部,北依太行山,南临黄河水,是一座在矿产资源开发基础上发展起来的新兴工业城市及旅游城市。经过几十年的强力开发,焦作矿区地质环境日益恶化,加上特定的自然地质环境和不合理的人类经济活动,在矿区周边引起了许多环境地质问题。由于露天采矿,焦作市废弃矿山内形成了许多高陡岩质边坡,(潜在)崩塌地质灾害发育,严重制约了矿山地质环境恢复治理工作的开展。因此,加强对焦作市废弃矿山岩质高边坡的稳定性以及崩塌灾害的研究,已经成为一个刻不容缓的话题,这可以有效促进焦作市矿山地质环境治理恢复问题的解决。本论文针对岩质高边坡坡体结构特征分析和稳定性研究问题,以焦作市龙寺废弃矿山岩质高边坡作为研究实例。结合地质资料和野外调查,分析了研究区的地质环境条件和岩质高边坡破坏特征。总结了岩质高边坡的坡体结构类型和破坏模式,建立了坡体结构特征分析方法,通过野外调查、三维激光扫描和室内试验等分析了矿山典型岩质高边坡的坡体结构特征。选用平直节理接触模型作为岩石黏结颗粒模型,分析岩石宏细观参数之间的关系,建立了岩石细观参数的标定方法。建立了结构面直剪试验的颗粒流模型,提出了结构面细观参数的标定方法,在此基础上采用合成岩体技术建立岩质高边坡的颗粒流模型。总结了岩质高边坡危岩崩塌类型,分析了龙寺矿山岩质高边坡危岩崩塌类型与形成机理。建立了用于危岩变形预测的一种新的灰色模型,并通过实例说明了其具体应用。选用接触黏结模型,从断裂力学理论的角度建立崩塌源危岩稳定性评价的颗粒流数值模型。分析颗粒流模型中宏细观强度折减之间的关系,提出岩质边坡稳定性评价的颗粒流细观强度折减法,并将其用于龙寺矿山典型岩质高边坡稳定性评价中。论文的主要研究内容和成果如下：1.通过资料收集和野外调查阐明了焦作市龙寺矿山的自然地理条件,地形地貌、地层岩性、地质构造等区域地质环境特征,以及矿山岩质高边坡的破坏特征。矿山内边坡岩体节理裂隙较发育,由于长时间无序的露天开采模式,导致采矿边坡普遍高陡,且受爆破和开挖等外力的影响,往往导致岩体破碎。根据现场勘查,区内岩质高边坡的变形破坏主要表现为危岩崩塌。矿山内岩质边坡高陡、节理裂隙发育、溶蚀作用强烈是危岩崩塌发育的主要内在因素。矿山开采是危岩崩塌的最主要诱发因素,受开挖卸荷的影响,岩体沿节理裂隙向临空方向卸荷形成危岩体,在降雨或地震的诱发下,易发生危岩崩塌。2.在参考坡体结构相关研究的基础上,对岩质边坡的坡体结构类型与破坏模式进行了总结和概括,可将岩质边坡的坡体结构划分为5大类：软弱带控制型坡体结构、层状坡体结构、软硬交替型坡体结构、节理控制型坡体结构和类均质型坡体结构。在此基础上,建立了岩质高边坡坡体结构特征分析的基本过程,针对节理岩质高边坡,重点讨论了三维激光扫描技术在结构面调查中的应用。通过野外调查、三维激光扫描、室内外试验和赤平投影分析了龙寺矿山典型岩质高边坡的坡体结构特征,结果显示：边坡整体稳定性较好,局部可能出现块体的滑移破坏和倾倒破坏。此外,在边坡上部存在松动的危岩,在降雨、地震等外部环境影响下可形成突发的落石灾害。3.在概述颗粒流模拟方法基本原理的基础上,选择平直节理模型作为岩石黏结颗粒模型,可以获得符合实际的岩石拉压强度比。采用正交试验设计和多因素方差分析研究岩石宏细观参数之间的关系,确定了宏观参数的显著性因素及其排序。变形模量E:Ec>kn/ks>σb；泊松比V:kn/ks>cb/σb>μb>Ec>tanφb单轴抗压强度σf:cb>σb>tanφb抗拉强度σt：σb；内摩擦系数tanφ:μb>tanφb;内聚力C:cb>μb>kn/ks>σb;压拉强度比σf/σt:cb/σb>tanφb;双轴抗压强度σf-2:cb>μb>tanφb>kn/ks；双轴抗压强度σf-8:μb>c6>tanφb>kn/ks；当围压较小(σ3=2MPa)时,cb对峰值强度的影响相对较大,而围压较大(σ3=8MPa)时,μb对峰值强度发挥的作用更大。相对于单轴抗压强度,双轴抗压强度受到kn/ks的影响。根据正交试验计算结果可以建立宏观参数与其显著性影响因素之间的关系式,发现变形模量E与Ec呈正相关关系,与kn/ks呈负相关关系；泊松比v与Ec、μB呈负相关关系,与kn/ks、cb/σb、tanφb呈正相关关系；单轴抗压强度σf与σb、cb、tanφb呈正相关关系；抗拉强度σt与σb呈正相关关系；内摩擦系数tanφb与tanφb、μ呈正相关关系；内聚力C与kn/ks、σb、cb呈正相关关系,与μb呈负相关关系。压拉强度比σb/σt与cb/σb、tanφb呈正相关关系。双轴抗压强度σf-2和双轴抗压强度σf-8与kn/ks、cb、tanφb、μb都呈正相关关系。提出了颗粒流模型的模拟尺度,即颗粒最小粒径与模拟对象最短边大小的比值,Rmin/Lmin。研究了模拟尺度不变,数值试样尺寸改变；数值试样尺寸不变,模拟尺度改变两种情况下宏观参数的变化规律。结果发现,在一定范围内,颗粒流模型宏观性质受模拟尺度的影响较小,如果模拟尺度不变,则颗粒流模型所反映的宏观性质基本一致。根据正交试验结果,建立了细观参数为因变量,宏观参数为自变量的线性回归表达式,由此提出了岩石细观参数的标定方法：根据拟合公式初步计算细观参数,tanφb取0.5作为初始值,进行岩石数值试验计算宏观参数,对比计算宏观参数与实际宏观参数之间的差别,再根据拟合公式中所反映的宏细观参数之间的趋势性关系,可对细观参数进行适当微调,直到达到合理的精度范围。建立了结构面直接剪切的数值模型,并以此对结构面宏细观参数进行对比,结果发现两者之间差异较小,通过对比数值计算结果与实际宏观参数之间的差异,可对细观参数进行调整,直到达到合理的精度范围。在精度要求不高的情况下,可直接通过设置光滑节理模型的参数来表示结构面的强度。对于软弱结构面,可通过建立软弱结构面直剪数值试验进行细观参数的标定。将合成岩体技术用于岩质高边坡的颗粒流建模中,提出了岩质高边坡颗粒流模型的建模方法。分析岩质高边坡坡体结构特征、选择合适的岩石模型及细观参数、选择合适的结构面模型及细观参数是岩质高边坡建模的三个关键问题。4.从失稳模式和成因两个方面总结了岩质高边坡危岩崩塌类型与特征,在此基础上,根据龙寺矿山岩质高边坡的危岩崩塌(潜在崩塌)的成因机制,将其划分为卸荷-拉裂-滑移式崩塌、卸荷-拉裂-倾倒/错断式崩塌和卸荷-拉裂-坠落式崩塌。针对危岩变形预测问题,提出了一种新的NGM模型——NGM(1,1,k,c)模型,并对其进行了优化改进。通过对望霞危岩变形的分析结果显示,NGM(1,1,k,c)模型拟合效果明显优于GM(1,1)模型,说明危岩变形趋势更接近于非齐次指数序列。利用NGM(1,1,k)模型结合改进切线角可对危岩变形趋势进行分析预测,可作为危岩稳定性和发展趋势的评估依据。选用接触黏结模型,建立了断裂韧度颗粒流数值试验方法,并通过应力强度因子计算公式求取颗粒流数值试样的断裂韧度。计算结果显示当Ⅱ型加载条件下不会出现Ⅱ型剪切破坏,但是可通过降低黏结切向强度,实现数值试样的纯Ⅱ型剪切破坏。在黏结切向强度与法向强度相等情况下,满足以能量法计算岩石断裂韧度,如果从单一细观黏结能量平衡的角度考虑,不能反映颗粒系统内的相互作用,也不能反映外力做功对颗粒系统的作用。从颗粒系统能量平衡的角度计算断裂韧度更能体现断裂韧度作为宏观参数所具有的意义。但是目前基于颗粒系统的能量平衡的Ⅰ型断裂韧度表达式存在问题,忽略了系统动能和耗散能对外力做功的损耗,本文建立了新的计算公式解决了这个问题。通过实例对比结果显示,本文建立的能量法计算公式与线弹性力学计算公式所得结果非常接近。在其他参数不变的情况下,断裂韧度与接触黏结强度呈正比关系,由此建立了断裂韧度的细观参数标定方法。通过一个危岩实例分析了颗粒流模型在稳定性评价中的应用,采用重度增加法计算危岩稳定性系数,指出重度增加法与稳定性断裂力学计算方法等效。分析结果显示利用颗粒流模型评价危岩稳定性是可行的,可模拟主控结构面的断裂扩展。5.对颗粒流稳定性评价方法进行了概述,基于岩土材料张拉-剪切复合破坏准则,建立了颗粒流细观强度折减法,并对细观强度折减与宏观强度折减之间的关系进行对比分析。结果发现,抗拉强度、单轴抗压强度和双轴抗压强度与细观强度参数之间都具有线性折减对应关系,而强度参数tamφ和C与细观强度参数之间不具备线性折减对应关系。根据M-C破坏准则,岩石强度参数tanφ和C、抗剪强度和双轴抗压强度之间都不具备线性折减对应关系,对于结构面强度折减而言,则不存在上述问题,强度参数tanφ和G与抗剪强度τf之间具有线性折减一致性。建立了CIV-1采场边坡的颗粒流模型,并采用细观强度折减法计算其稳定性。结果显示,边坡整体稳定性良好,在对细观强度参数进行折减时,边坡的破坏由局部逐渐发展到整体。局部破坏首先出现在边坡上部,表现为阶梯状剪切滑移破坏。建立了危岩体的颗粒流模型,并采用细观强度折减法分析其稳定性。分析结果说明危岩体目前稳定性良好,分别表现为剪切滑移和拉裂倾倒破坏模式,其中剪切滑移型危岩的稳定性受层面与后缘陡倾节理的组合关系控制。拉裂倾倒型危岩的稳定性受后缘节理的贯通程度控制。