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我国是拥有古岩石工程最多的国家,这些古岩石工程不仅是悠久历史和深厚文化的体现,也是我国古代科学技术的重要组成部分。从工程地质力学角度来看,其在工程选址、结构设计、施工工艺等方面具有重要科学研究意义,其长达千百年的自稳定能力更是工程地质研究的热点。然而,相较于大型古地下工程,古采石场尚未能引起广泛的关注与系统的研究。发掘蕴于其中的工程科学问题,对于促进与丰富国内外古采石场系统的工程地质力学研究有着重要的意义。 分布于我国东南浙江一带的4处典型古采石场工程(东湖古采石场、吼山古采石场、上化山古采石场和柯岩古采石场)因其独特的边坡结构、复杂的布局、长期的自稳能力,以及作为采石遗迹而存在的地质灾害问题受到关注。以上述4处古采石场为研究对象,以现场工程地质调查测绘、室内岩石力学试验、基本力学理论分析、数值仿真模拟为手段,开展了关于古采石场岩体稳定性及地质灾害问题的研究,并在此基础上对古采石场遗迹中普遍发育的地质灾害进行了简要总结,并提出相应的防治方法。论文主要研究内容及成果如下: 1.古采石场形状效应的稳定性研究。以东湖古采石场中的弧形反坡为例,在假设边坡岩体为均质、连续、各向同性的弹性体,且只承受自重应力的条件下,基于弹性力学基本理论推导出在极限平衡状态下该类边坡形状参数与力学参数之间的关系式,得到确定最优边坡形状的理论解。同时,基于有限差分程序FLAC3D,利用内置Fish语言编程实现了基于强度折减法的安全系数计算,探讨了边坡的形状参数(反坡坡角、坡面曲率)与边坡稳定性(安全系数)之间的关系。 2.基于长期强度反演的孤立岩柱稳定性研究。以吼山古采石场中的孤立岩柱作为现场1∶1试验场地,采用大型三维激光扫描技术,获得现场1∶1几何模型;以岩柱柱体下部的变形开裂为边界条件,设计正交试验方案,基于FLAC3D三维数值模拟,利用反分析方法获取了岩柱长期强度的相关参数,并采用该相关参数对孤立岩柱的稳定性进行了数值模拟的分析。从技术手段上,提出了基于逆向工程的复杂三维地质体快速建模方法,从而拓展了传统三维数值模拟的建模思路;从方法论上,丰富并推动了数值模拟反分析方法在古采石场稳定性评价中的应用。 3.考虑岩体各向异性力学行为及渐进式开采方式下的浅埋古采石场稳定性研究。对构成上化山古采石场的围岩——层状砂岩进行了层理面与加载方向不同角度的单轴/三轴压缩试验,获取其各向异性力学参数。实验结果表明:加载方向与层理面法向呈0°时砂岩的抗压强度最高;60°时抗压强度最低。考虑围岩的各向异性力学性质,采用RMR和Q方法对上化山采石场围岩质量进行了比较评价,评价结果表明围岩岩体质量良好,Q分类方法表现出较好的适用性。考虑渐进式的房柱法开采工艺,采用数值模拟研究了逐级对称开采情况下岩柱的渐进式破坏机理。在围岩质量评价结果及岩柱变形破坏机理分析的基础上,采用Phase2数值模拟进行了上化山古采石场的稳定性分析。数值模拟结果表明目前洞室整体稳定,岩柱具有足够的承载能力;在洞室相邻岩柱的顶板位置出现了由于抗拉强度不足造成的顶板离层、剥落,这一结果与现场调查吻合。 4.柯岩古采石场地质灾害问题研究。对柯岩古采石场景区进行了详细的地质灾害调查,查明了景区内7处危岩体的分布规模、发育特征,并对其稳定性进行初步评价。确定景区内重点石质文物——云骨岩柱的突出稳定性问题为上部危岩体稳定性及整体稳定性问题。对危岩体进行了稳定性的定性定量分析评价,并对岩柱的整体稳定性进行了数值模拟的分析。同时,针对景区内镜水飞瀑景点所在边坡的大规模崩塌,采用地质分析法研究了崩塌成因机制,并利用赤平极射投影与数值计算分析了崩塌危岩体的稳定性。 5.总结了古采石场遗迹中普遍发育的地质灾害隐患问题,详细分析了这些地质灾害隐患的影响因素、制约因素及成因机理。在此基础上,针对各类地质灾害提出相应的防治方法,为古采石场遗迹的旅游开发和保护提供科学合理的建议。