2.4 Special Topics A :Slope Stability
In mine development, there are many situations where soil mechanics can be applied to the design of structures and to mining activities .They include the following:
1.Structureal stability
2.Founndations,retaining walls,dams
3.Slope stability
4.Seepage,drainage
5.Excavation
6.Compaction,fill
2.4.1Principles of Soil Mechanics
Soil mechanics is the study of the properties of soils and their behavior in relation to the design, construction, and performance of engineering works. It is applicable, however, to man made materials such as fills, wastes, tailings dumps, stockpiles, bins as well as to soils, which broadens its utility in mine engineering. Soil mechanics is a companion field to rock mechanics, and the two share much in common in the analysis and design of geotechnical structures.
Soil properties are usually grouped in two categories Index properties are identification properties used to classify soils. Mechanical properties are physical properties which describe soil behavior. We shall discuss some examples of each.
The most important soil index property is grain size Grain size distribution is measured in the laboratory by sieving, sedimentation, or a commercial particle size analyzer. Once determined, the size distribution is plotted either as a frequency graph or as cumulative-undersize graph. Since a log-probability graph paper, and a straight-line plot has obvious interpretative advantages, this means is frequently employed to present a soil grain size distribution.
Once determined, the size distribution is used to name and classify the soil. The usual basis for classifying the Public Roads Administration system .It considers three prominent size fractions of the soil, considering of very fine ,fine, and coarse .A fourth category is sometimes employed for the very coarse fraction. The upper divisions occur at 2mu;m for silt, and 2mm for sand. Once the fractions are read from the size distribution graph, they are plotted on the PRA chart and the soil name read.
The use of piles to stabilize active landslides, and as a preventive measure in stable slopes ,has become one of the important innovative slope reinforcement techniques in recent years. Some of the successful applications of such techniques have been reported by De Beer et al.1970. The piles used in slope stabilization are usually subjected to lateral force by horizontal movements of the surrounding soil and hence they ate considered as passive piles. Driven timber piles have been used to reinforce the slope stability of very soft clays in Sweden, while cast–in-place reinforce concrete piles as large as 1.5m diameter have been used in Europe and the United States to stabilize active landslides in stiff clays.
A number of techniques have been developed to evaluate lateral pressures acting against piles which are used as reinforcement in slopes. Reese et al.(1992) have presented a “p-y” approach for assessing the improvement in slope stability which arises from using piles .Rowe and Poulos developed a two-dimensional finite element approach that allowed for the three dimensional effect of soil flowing through rows of piles .A three dimensional elastic finite element approach has been developed by Oakland and Chameau usually not suitable for routine practical design purposes. Some of the basic failure mechanisms associated with the use o piles to stabilize slope have been suggested and discussed by Viggiani. These failure mechanisms provide better insight into the pile-slope stability interaction problem. To have incorporated a plastic extrusion deformation model to compute the lateral pressures action on a row of passive piles In limit equilibrium solutions for slope stability. Although this approach appears useful, the model is derived for rigid piles with infinite length. These piles may not represent the actual piles in the field since the latter have finite length and also are unlikely to be frigid. Also it may provide doubtful solutions when the piles are closely spaced.
An alternative approach is presented here in which a modified boundary element method is employed to study the response of a row of passive piles incorporated n limit equilibrium, or as a set of springs, with nonuniform variation of stiffness and strength with depth. The solution incorporates a nonlinear piles-soil interface element with the ability to represent a hardening or softening response prior to reaching an ultimate state .The slope stability analysis is performed using Bishoprsquo;s simplified slip circle approach. A microcomputer-based program has been developed based on the above analysis. Theoretical solutions have been obtained by this approach in order to study the most effective means of using piles for stabilizing slopes.
2.4.2 Method of Analysis
The analysis is formulated using an uncoupled approach in which the pile response and slope stability are considered separately.
2.4.2.1 Pile Response
The sliding soil mass above the failure surface is assumed to be strengthened by the discretely placed piles to form a barrier that resists soil movements and transfers loads to the more stable underlaying layers. The portion of the piles embedded in the sliding slope is subjected to large lateral soil movements .The vertical soil movements are ignored here. The pile shear forces and bending moments developed at the sliding surface by the external soil movements are evaluated using a modified boundary element method as described by Hull et al., and employed by Lee et al.
An incremental approach has been developed in which the analysis can be carried out with defined soil deformation up to the limiting pile-soil pressure .A restriction to complete mobilization of pile-soil interface element strength is the basic requirement that equilibrium must be maintained. When the piles yield ,it
目录
2.4 专题A：边坡稳定性 2
2.4.1 土力学原理 2
2.4.2 分析方法 3
2.4.2.1 桩响应 3
2.4.2.2 边坡稳定性 3
2.4.2.3 参数解决方案 4
2.4.3 结论 5
2.5 专题B：露天开采境界优化 6
2.4 专题A：边坡稳定性
在矿山开发中，土力学可以应用于结构设计和采矿活动的情况很多，它们包括:
1.结构稳定性
2.地基、挡土墙、大坝
3.边坡稳定性
4.渗流、排水
5.挖掘
6.压实、填充
2.4.1 土力学原理
土力学是研究土的性质及其与工程设计、施工和性能有关的行为。但是，它适用于人造材料，如填埋场、废料、尾矿堆、储存库、料仓以及土壤，这扩大了它在采矿工程中的效用。土力学是岩石力学的一个伴生领域，两者在岩土结构分析和设计中有着许多共同之处。
土壤性质通常分为两类，指标特性是识别性质，用于土壤分类。力学性质是描述土体行为的物理性质。我们将分别讨论其中的一些例子。
最重要的土壤指标特性是粒度大小。粒度大小的分布是在实验室中用筛分、沉降或商业粒度分析仪进行测量的。一旦确定，大小分布要么被绘制为频率图，要么是累积筛选图。由于对数概率图纸和直线图具有明显的解释优势，这种方法常被用来表示土壤粒度分布。
一旦确定，大小分布被用来命名和分类土壤，也作为公共道路管理系统分类的通常依据。它考虑土壤的三种显著的粒径组成部分，即极细粒、细粒和粗粒。有时将极粗粒级当做第四类。上部的区分发生在泥沙2mu;m处,和砂石2mm处。一旦从大小分布图中读取了这些分数，它们就被绘制在PRA图上，并读取土壤名称。
利用桩稳定活性滑坡，作为稳定边坡的预防措施，已成为近年来边坡加固的重要创新技术之一。De Beer等人在1970年报道了这种技术的一些成功应用。用于边坡稳定的桩基通常受周围土体水平运动的侧向力作用，因此被认为是被动桩。瑞典采用打木桩加固非常软粘土的边坡稳定性，欧洲和美国采用直径1.5m的现浇混凝土桩加固硬土中活跃的滑坡。
在边坡加固中，已经发展了许多技术来评估作用于抗桩上的侧压力。里斯等人(1992)提出了一种“p-y”方法来评估由于使用桩而引起的边坡稳定性的改善.Rowe和Poulos开发了一种二维有限元的方法,该方法考虑了土体在排桩中流动的三维效应。由奥克兰和法国开发的三维弹性有限元方法通常不适合日常实用的设计目的。维吉亚尼提出并讨论了o型桩稳定边坡的一些基本破坏机理。这些破坏机制为桩-坡稳定相互作用问题提供了更好的认识。结合塑性挤压变形模型计算边坡稳定极限平衡解中被动桩的侧压作用。虽然这种方法看起来很有用，但该模型是针对无限长刚性桩推导的。这些桩可能不能代表现场实际桩，因为现场桩长度有限，也不太可能是死板的。当桩间距很小时，它也可能提供可疑的解决方案。
本文提出了另一种方法，即采用修正的边界元法研究一排含n个极限平衡的被动桩或一组弹簧的刚度和强度随深度的非均匀变化的响应问题。该方案包含一个非线性桩-土界面单元，能够在达到极限状态之前表现出硬化或软化响应。采用毕晓普简化滑移圈法进行边坡稳定性分析。在以上分析的基础上，开发了一套微机程序。通过该方法得到了理论解决方案，研究了采用桩进行边坡稳定的最有效方法。
2.4.2 分析方法
分析采用非耦合方法，分别考虑桩的响应和边坡的稳定性。
2.4.2.1 桩响应
假定破坏面上的滑动土体通过离散放置的桩进行加固，形成阻挡土体移动的屏障，将荷载传递到更稳定的下垫层。滑坡体中嵌桩部分受较大的侧向土体运动影响，在此忽略竖向土体的移动。采用Hull等人提出并Lee等人采用的修正边界元法，对滑移面外土体运动产生的桩剪力和弯矩进行了评价。
本文提出了一种增量法，该方法可以在极限桩土压力下进行确定的土体变形分析。限制桩土界面单元强度的完全活动作用是保持平衡的基本要求。当桩屈服时，假定桩的最大弯矩与桩的屈服弯矩相等。假定土体是弹性的，但在分析中加入非线性效应，允许桩土界面在达到规定的桩土极限压力时发生屈服。同一受荷群桩的相互作用效应也可以包括不同的桩头和基桩，可以模拟不同桩顶和基桩的相互作用效果。在粘土中，杨氏模量Es和桩土极限压力py 分别与不排水抗剪强度Cu与系数KE与Kpy的乘积相关。KE和Kpy的典型值分别是250-1000和3-12。通过增量分析，解决了桩土相互作用问题，使土体侧向运动达到或超过了全桩土界面强度的状态。
2.4.2.2 边坡稳定性
采用传统的毕晓普简化滑移圈分析方法，确定了临界滑移面、阻力矩Mrs 和覆盖力矩Mo。桩产生的抗弯弯矩Mrp 由桩的剪力和弯矩在滑移面深度处分析得到，如前一节所述。因此，坡桩的最终的总安全系数为Fps 可决定如下:
（2.1）
利用该非耦合公式编制了基于微机的计算机程序，对上述桩坡稳定性问题进行了分析。
2.4.2.3 参数解决方案
本文对均匀土和双土坡上的一排假定现浇钢筋混凝土桩进行了理论求解。分析的均匀土边坡问题如图2所示。坡度10米高，地面以下10米为寒冷的地基。这斜坡与地面成20度角倾斜。假定土体为均匀软粘土，不排水抗剪强度为30kN/m2且不排水泊松比为0.5，土壤密度为18.5 KN/m3。分别取土体的杨氏模量和桩土极限压力是未排水抗剪强度的500倍和9倍。混凝土桩的直径为lm，以3m的中心距离分散放置。
假定桩体位于坡脚与坡顶之间，桩尖位于刚性基座上，但没有从基座得到支撑。除非另有说明，否则桩头和桩尖可以自由移动和旋转。在几何模型中将桩划分为20个单元，坡度划分为100个剖面。当桩段达到屈服弯矩时，无论土体强度如何，分析都会终止。所有的解决方案都是按照以下定义的改进比Nps给出的：
（2.2）
其中Fp =桩坡安全系数的最小值，Fs =无桩边坡稳定问题的最小安全系数，选取该问题中各参数的值，使 Fs对于均匀的土体坡度约为1.00。
(a)均质土边坡
图3（缺图）显示了沿着边坡桩的位置对改进比 Nps 的影响。最有效的桩位接近边坡的顶部和底部，此时桩坡的改进比大约为1．08，当桩靠近边坡的中间位置时，边坡改进比变为1.0，这表明桩的存在对稳定性有很大的影响。这是因为临界滑移面靠近桩顶。由于滑动面与桩头不接近，因此对旋转固定桩头的稳定性影响不大。
对于位于桩顶和桩尖的桩，得到了以下参数解，这些位置的桩看起来是最有效的。
如图4（缺图）所示，桩坡改进比随桩径的增大而增大。桩径越大，则桩身抗剪力矩越大，因此边坡抗破坏能力越强。对于桩径比d/ds，大于1.0时，在桩端产生较大抗弯弯矩时，端桩比临界滑动面更接近桩顶有效。
桩间距的影响如图5所示，经试验表明，桩坡改善比随着桩间距的增大而减小，桩身贡献的阻力矩越小，使得更多的土体在桩间更大的净空间中移动。相反，随着桩间距的减小，桩身变得更像一个连续的屏障，土拱的影响变得更加明显，减少了土体的移动，从而增加了边坡稳定性。
图6显示，随着乘数Kpy的增加，桩坡改善率几乎呈线性增长，由于桩身相对刚性，桩土极限压力越大，桩的抗弯弯矩越大，稳定性越高。研究发现，土体模量和桩的刚度对桩的破坏反应影响很小或很大，对桩坡稳定性的影响也相同，因为桩的破坏发生在极限状态。但它们可能会在破坏前影响桩的反应。
(b)双层土坡
图7显示了嵌在两层土坡中的假想桩。对于情形A，上面的软层被硬层所覆盖。假定土的扬子模量和极限桩土压力乘数与均质土边坡相同。对于情形B，下软层被硬层覆盖。例A和B的 Fs值分别约为1.03和1.18。
桩位对假定为自由旋转固定桩头的桩坡改善比的影响如图8所示。在A种情况下，最有效的桩位是在斜坡的中部和顶部之间。而对于B种情况，最有效的位置是在坡脚和坡顶处，如果桩位于B种情况下的坡处时，滑动面在桩顶附近相交，致使桩身几乎没有优势。一般情况下，桩头固定对两种情况下的桩坡稳定性影响很小。
图9为桩在坡顶时桩径对两层边坡稳定性的影响。对于情况A，因为大部分临界滑动表面沿着较高的桩弯曲力矩和剪切力的上半部分相交，所以桩坡改进比几乎呈线性随着桩径的增加而增大。由于大多数临界滑动面与紧密的桩尖相交，其中产生较低的弯曲力矩和剪切力，所以对于情况B的桩直径的影响更不明显。
类似地，桩间距对方案A的影响大于方案B，如图10所示。当桩间距(s/ds)为1.5时，方案A的桩坡改进比比方案B高约25%，但方案A中随着桩间距的增大，桩坡改善比降低的更快，说明方案B对桩间距的依赖性较小。
由图11可知，两种情况下，桩土极限压力越大，桩坡改善率越高，且A比值比B大。
一般情况下，结果证实了一个明显的预期，即通过软层将桩很好地嵌入到坚实的底层是可取的。
需要强调的是，本文的边坡稳定性只考虑圆形破坏面，在许多实际情况下，非圆形面可能比圆形面更为关键。将本文提出的方法推广到非圆破坏面是很简单的。
2.4.3 结论
现已提出并讨论了一种简化的桩-坡稳定性分析方法，并将桩对土体侧向移动的响应纳入边坡稳定性分析。在分析的基础上。探讨了影响稳定不稳定边坡桩性能的一些重要因素，并将其作为稳定边坡的预防措施进行了研究。对于均质土质边坡，理论解表明，位于坡脚或顶部的桩可以提供最有效的边坡稳定。桩径、桩间距、桩土极限压力是影响稳定桩性能的一些重要因素。但土体模量和桩刚度对整体桩坡稳定响应影响不大。正如预期的那样，对于层状土质边坡来说，当桩通过软层嵌入并延伸到稳固或稳定的层时，桩是最有效的。层状土坡中桩径、桩间距和桩土极限压力对桩的有效性也有影响。这里提出的理论解决方案需要通过实验室实验和现场测量来验证。
2.5 专题B：露天开采境界优化
最优露天开采境界技术或可采矿石储量圈定是系统工程应用的一个重要领域。最优露天开采境界的确定结果会对可行性分析、长期规划以及资本风险敞口和企业风险评估产生显著影响。对公司来说，越来越有必要在对潜在矿藏的大小、形状和范围作出良好估计的基础上，甚至对矿藏进行初步的工程研究。
最终露天开采境界问题可以简单地定义为确定一个矿床的极限或最终开采范围，使其从开采中获得一定的最大价值或利润的标准。在大多数矿坑优化技术中，标准a/盈利率被定义为从开采矿石中获得的利润与去除相关废料的成本之间的差额最大化。最普遍的标准是使用单周期(矿山寿命)生产计划技术制定的，忽略了该单周期子集的盈利能力或不足。
近年来，随着自动化计算技术的不断进步，各种基坑优化方法的不断扩展，利用先进的数学技术进行最终露天开采境界设计变得越来越实用。优化技术可以简单地分为五类:
1.启发式技术。
2.动态规划。
3.线性规划(整数规划)。
4.网络流理论。
5.图论。
启发式优化技术是目前应用最广泛的基坑极限分析方法之一；然而，这些方法往往不能产生真正的优化设计。最常用的启发式技术是移动锥算法。动态规划在二维方面产生了良好的效果;然而，三维扩展会产生不稳定的结果。最后三种技术——线性规划、网络流理论和图论——实际上采用了相同的问题公式。网络理论和图论是线性规划问题的替代求解技术。
移动锥法(Pana，1965；Pana和Carlson，1966)以其快速的执行速度和易于理解的概念，成为设计最终露天开采境界的最广泛接受的技术之一。该方法中包含的编程逻辑是按照传统的横断面方法设计的。它是以盈亏平衡剥采比为基本优化准则的。与手工技术的主要不同之处在于，它使用了3D移动锥的概念，以增量的方式移除，而不是垂直部分来生成最终的凹坑几何形状。
通过构造一个向上的圆锥并将其顶点从一个矿块移动到另一个矿块来生成和分析一个坑。对圆锥形状进行了定义，使其符合矿床各区域基坑边坡设计的约束条件。该计算机用于生成三维圆锥形状，并通过计算圆锥内所有矿石和废料块的总和来计算每个圆锥的净值。最后，通过去除所有具有净正值的锥体的截头锥体，得到了一个三维露天开采境界。
从寻找重叠圆锥之间的相互支持的角度来看，由于需要大量的计算工作，移动圆锥方法具有很大的局限性(Barnes, 1982)。实际上，大多数移动锥算法的实现通常不需要确定重叠锥之间的相互支持。该方法通常在对所有
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
