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露天转地下开采边坡失稳数值模拟与实验研究
摘要
本文以露天转地下开采边坡的失稳为研究对象，运用数值模拟和实验研究的方法，探讨了不同开挖深度对边坡稳定性的影响。首先，在FLAC3D软件中建立了不同开挖深度的模型，并分析了边坡的变形和应力分布情况。接着，在模型分析的基础上，设计了实验方案，采用物理模型进行了失稳现象的模拟观测和数据采集。最后，将数值模拟和实验结果进行比对，得出结论，为边坡稳定性的研究提供了一定的理论基础和实践意义。
关键词：露天转地下开采；边坡失稳；数值模拟；实验研究
一、引言
露天转地下开采是一种常见的矿山开采方式，其最大的特点就是在矿山地表进行露天开采，然后逐步减小开挖深度，进入地下进行开采，从而减少对地面资源的破坏，提高采矿效率。但同时，露天转地下开采也带来了一系列的安全隐患，其中边坡失稳是最为严重的一种。边坡失稳不仅对采矿安全造成影响，还会造成地质灾害，对周边环境和人民生命财产造成极大的威胁。
因此，对于露天转地下开采边坡的失稳机理进行研究，对于矿山的安全稳定具有非常重要的意义。针对这个问题，本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法，探究不同开挖深度对边坡稳定性的影响。
二、数值模拟
2.1模型建立
在FLAC3D软件中建立了边坡数值模型，模型总高度为20m，宽度为25m，倾角为45度。通过人工开挖，分别得到了开挖深度为5m、10m和15m的模型，如图1所示。
2.2分析方法
模型建立后，进行边坡失稳模拟，分别分析了不同开挖深度下的边坡变形和应力分布情况。采用FLAC3D软件进行模拟分析，将其分为两个步骤：
第一步：施加边界条件
分别进行了以下两种情况的模拟：
1.施加不可变形边界条件，模拟地层、边坡和空间的相对运动。
2.边坡土体的组成是湿粉土，采用了Hooke弹性模型，考虑了土体的非线性特性，更加贴近实际。
第二步：应用荷载
施加标准荷载，观察边坡和地层内部的应力分布，从而得到变形情况。
2.3结果分析
分别对开挖深度为5m、10m和15m三种情况下的应力分布、变形情况进行了模拟分析，并得出了以下主要结果：
1.随着开挖深度的增加，边坡的稳定性逐渐下降，变形越大。
2.在边坡中部，应力集中区逐渐呈现为下凸形，而在边坡上部和下部，应力集中区呈现为上凸形。
3.边坡处发生了较大的塑性变形，土体逐渐沿应力方向变形，呈现出明显的裂隙和严重变形。
三、实验研究
3.1实验方案
在模型分析的基础上，设计了物理模型进行失稳现象的模拟观测和数据采集。实验采用标准试验室材料进行搭建，边坡展示的尺寸和比例与模型相同。
3.2实验过程
采用单一方向拉伸法，对实验模型进行荷载，同时对荷载和变形进行监测和数据采集。
3.3实验结果
实验结果与数值模拟结果进行比对，两者结果较为一致。
四、结论
本文采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对露天转地下开采边坡失稳进行了研究。通过数值模拟的方式，分析了不同开挖深度下的边坡变形和应力分布情况，通过物理实验的方式对数值模拟的结果进行了论证和证实。通过对相关结果的分析和比对，得出了以下结论：
1.随着开挖深度的增加，边坡的稳定性逐渐下降，变形越大。
2.在边坡中部，应力集中区逐渐呈现为下凸形，而在边坡上部和下部，应力集中区呈现为上凸形。
3.边坡处发生了较大的塑性变形，土体逐渐沿应力方向变形，呈现出明显的裂隙和严重变形。
以上结论对相关领域的研究和实践都具有一定的参考价值，在今后的工程实践中，可以通过本文提出的方法进行边坡稳定性评估和相关处理，避免矿山开采和相关施工过程中的安全事故的发生，减少社会经济成本和人力物力损失。