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
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2.4专题A:边坡的稳定性
在矿山开发过程中有很多将土力学运用到结构设计中和采矿活动中的情况。他们包含以下的内容：
结构的稳定性；
地基、挡土墙、水坝；
边坡的稳定性；
防渗、排水；
挖掘；
压实，填充
2.41土力学原理
土力学是研究土壤的性质及其与工程作品的设计、施工和性能有关的特性。 而且，它还适用于人造材料，例如填充物，废弃物，尾矿堆，库存，箱子以及土壤，这扩大了其在矿山工程中的实用性。 土力学是岩石力学中的一个配套领域，它们在岩土结构的分析和设计中有很多共同点。
土壤性质通常分为两类：指数性质是用于对土壤进行分类的鉴别性质； 机械性能是描述土壤性能的物理性质。 我们将讨论一些例子。
最重要的土壤指数性质是晶粒尺寸，晶粒尺寸是在实验室中通过筛分，沉淀或商业粒度分析仪测量。 一旦确定，将尺寸分布绘制为频率图或累积欠量图。 由于对数概率图纸和直线图具有直观性，所以这种方法经常用于表示土粒度分布。
最初确定时，尺寸分布就被用于命名和分类土壤、公共道路管理系统分类的一般依据。考虑到非常细，细和粗糙的土壤，考虑土壤的三个突出尺寸部分。第四类有时被用于非常粗糙的部分。 上部分裂发生在2mu;m的淤泥，和2mm的沙子。 一旦从大小分布图中读取组分，将它们绘制在PRA图上并读取土壤名称。
使用桩来稳定主动滑坡，并作为稳定斜坡的预防措施，已成为近年来重要的创新型坡度加固技术之一。 De Beer等人已经报道了这种技术的一些成功应用。 用于边坡稳定化的桩通常通过周围土壤的水平运动而受到横向力，因此它们被认为是被动桩。 在瑞典，驱动的木桩已被用于增强非常软的粘土的边坡稳定性，而在欧洲和美国已经使用大到1.5m直径的现场强化混凝土桩来稳定硬粘土中的活性滑坡。
已经开发了许多技术来评估作用在斜坡上用作加强件的桩的侧向压力。 Reese等人（1992）提出了一种“py”方法，用于评估由使用桩产生的坡度稳定性的改善.Rowe和Poulos开发了一种二维有限元方法，其允许土壤流过排的三维效应由Oakland和Chameau开发的三维弹性有限元方法通常不适合于常规的实际设计目的。一些与使用堆垛稳定坡度相关的基本失效机制已经由Viggiani提出和讨论。这些失效机制提供了更好的洞察桩边坡稳定性相互作用问题。结合一个塑性挤压变形模型计算横向压力作用在一排被动桩上边坡稳定性的极限平衡解。虽然这种方法似乎有用，但是模型是针对具有无限长度的刚性桩导出的。这些桩可能不代表田地中的实际桩，因为后者具有有限的长度并且也不可能是寒冷的。此外，当桩彼此紧密间隔时，它可以提供可疑的解决方案。
这里提出了一种替代方法，其中修改的边界元件方法被用于研究被并入的极限平衡的一行被动桩的响应，或作为一组弹簧，具有刚度和强度与深度的非均匀变化。 该解决方案包括非线性桩 - 土壤界面元素，其能够在达到最终状态之前呈现硬化或软化响应。使用Bishop的简化滑环方法进行斜率稳定性分析。 基于上述分析已经开发了基于微计算机的程序。 通过这种方法已经获得了理论解决方案，以便研究使用桩来稳定斜坡的最有效的方法。
2.4.2分析方法
使用非耦合方法来形成分析，其中分别考虑桩响应和坡度稳定性。
2.4.2.1桩响应
在断裂表面上方的滑动土体被假定为通过离散放置的桩加强，以形成阻挡土壤运动并将载荷传递到更稳定的底层的阻挡层。 埋在滑坡中的桩的部分受到大的侧向土体运动。这里忽略垂直土体的运动。 通过外部土壤运动在滑动表面上产生的桩剪力和弯矩使用由Hull等人描述的修改的边界元素方法来评估，并且由Lee等人使用。
已经开发了一种增量方法，其中可以在限定桩土压力的限定土壤变形的情况下进行分析。限制桩土界面元件强度的完全动员是必须保持平衡的基本要求。当桩产量时，假定所产生的最大桩弯矩等于桩的屈服力矩。假定土壤质量是弹性的，但是在分析中通过允许桩 - 土壤界面在达到指定的桩土限制压力时产生的非线性效应。也可以包括在一组内相同负载桩的相互作用效应。可以对不同的桩头和基底固定物建模。在粘土中，杨氏模量Es和桩土限制压力py可以与不排水剪切强度Cu相关乘法器KE和Kpy。 KE和Kpy的典型值分别为250-1000和3-12。桩 - 土相互作用问题通过增加分析来增加侧向土壤运动，直到和超过整个桩土界面强度已被动员的状态解决。
2.4.2.2坡度稳定性
使用传统的滑动圆分析的主曲线简化方法来确定临界滑动表面，抵抗力矩Mrs和翻转力矩Mo.然后由桩产生的抵抗力矩Mrp从桩中产生的桩剪力和弯矩获得 滑动面的深度分析，如上一节所述。 因此，堆垛斜坡Fps的最终总安全系数可以如下确定：
已经开发了基于微计算机的计算机程序“SLOPIL”，其使用非耦合公式来分析如上所述的桩边坡稳定性问题。
2.4.2.3参数解
已经获得了一排安装在均匀土壤和两个土壤边坡上的假想现浇钢筋混凝土桩的理论解决方案。 分析的均匀土壤边坡问题如图2所示。坡度为10m高，寒带地基低于地表10m。 斜坡相对于地面倾斜20度角。 土壤假定为均匀软粘土，不排水剪切强度为30 kN / m2，不排水泊松比为0.5。土壤密度假定为18.5 KN / m3。 土壤杨氏模量和桩土限制压力分别取为不排水剪切强度的500和9倍。 混凝土桩的直径为lm，并且这些离散地放置在3m中心到中心间隔处。
桩被假定位于斜坡的趾部和顶部之间。桩顶部搁置在刚性基部上，但是没有从基部支撑。 除非另有说明，桩头和桩头可以自由移动和旋转。 桩被分成20个元素，并且斜率被划分成横跨建模几何的100个切片。 当桩部达到其屈服力矩时，无论任何土壤强度未动员，分析都终止。 所有解决方案以改进比Nps表示，其定义如下：
其中Fp =堆积边坡问题的最小安全系数，Fs =没有桩的边坡稳定性问题的最小安全系数。选择问题中的参数值，使得均匀土壤边坡的Fs约为1.00。
图3（缺图）显示了沿斜坡的桩位置对提高率Nps的影响最有效的桩位置在坡脚和坡顶附近，桩坡改善率约为1.08。当桩 位置接近斜坡中部，桩坡改善率变为1.0，表明桩的存在对稳定性有影响。 这是因为临界滑动表面靠近桩顶。 对桩头固定不旋转的稳定性发现很小的影响，因为滑动表面不接近桩头。
对位于趾部和顶部的桩获得以下参数解决方案，在这些桩处看起来是最有效的。
如图4所示，堆积坡度改善比例随着桩直径的增加而增加。较大直径桩引起大的桩阻力矩和剪切，因此增加了坡度对破坏的抵抗力。 对于桩直径比d / ds，大于1.0，在产生较大桩抵抗力矩的脚手架处，脚趾桩似乎比临界滑动表面更接近桩顶。
桩间距的影响如图5所示，桩间距随着桩间距的增大而减小。桩的抗力矩变小，桩间距越小，土壤越多， 相反，随着桩间距减小，桩变得更像是连续的障碍物，并且土拱曲的影响变得更显着，并且减少土壤运动并且因此增加边坡稳定性。
图6显示堆积坡度改善比率随着乘数Kpy的增加几乎线性增加。较大的桩土限制压力允许桩形成较大的桩抵抗力矩并且增加稳定性，因为桩相对刚性。
发现土体模量和桩刚度对桩失效响应以及桩堆积稳定性几乎没有影响，因为桩失效在最终条件下发生。然而它们可能在失效之前影响桩响应 。
b）两层土壤坡度
图7显示了埋在两层土坡中的假想桩。 对于情况A，上软层由坚硬层下沉。土壤的杨氏模量和限制桩土压力乘子假定为在均匀土壤坡度中使用的那些。 对于情况B，下软层被刚性层覆盖。 对于情况A和情况B，Fs的值分别为约1.03和1.18。
图8示出了桩位置对桩头的桩坡度改善比率的影响，其假定为自由的和固定的抗旋转。对于情况A，最有效的桩位置在斜坡的中间和顶点之间。然而，对于情况B，最有效的位置是在斜坡的趾部和顶部。如果桩位于情况B的斜坡处，则滑动表面在桩尖附近相交，导致从桩顶部获得很少或没有优点桩。一般来说，桩头固定对于两种情况下的堆垛斜坡的稳定性几乎没有影响。
图9显示了当桩在峰顶时桩直径对两层边坡稳定性的影响。堆桩坡度改善比率随桩直径几乎线性增加对于情况A，因为大多数临界滑动表面沿着较高桩的弯矩和剪切力的上半部相交，情况B的桩直径的影响很大不太明显，因为大多数临界滑动表面与靠近的桩顶相交。在那里产生较低的弯矩和剪切力。
类似地，桩间距对于情况A比对于情况B具有更大的效果，如图10所示。在桩间距s / ds为1.5的情况下，情况A的堆积 - 坡度改善比率大于情况B约25％然而，对于情况A，该比率随着桩间距的增加而减小得更快，这意味着情况B对桩间距的依赖性较小。
图11显示了两种情况下桩土坡度改善比例随桩土限制压力的增加而增加，情况A的比值高于情况B.
一般来说，结果确认了明显的期望，即期望使绒毛通过软层被良好地嵌入到坚实的下层中。
应当强调的是，本文中的边坡稳定性仅仅考虑圆形破坏面。在许多实际情况下，非圆形可以比圆形表面更关键。将本文提出的方法扩展到非圆形破坏表面是直接的。
2.4.3结论
已经提出和讨论了简化的桩边坡稳定性分析，其中对侧向土体运动的桩响应被结合在边坡稳定性分析中。基于分析。研究了影响稳定不稳定斜坡桩的性能的一些重要因素，并作为稳定斜坡的预防措施。对于均匀的土坡，理论解决方案表明，位于斜坡的趾部或顶部的桩可能提供最有效的边坡稳定。桩直径，桩间距和桩土限制压力是影响稳定桩性能的一些重要因素。然而，土壤模量和桩刚度似乎对总体桩坡稳定性响应几乎没有影响。如预期的，对于分层的土壤坡度，当它们通过软层嵌入并延伸到坚固或稳定的层中时，桩是最有效的。桩的有效性也受到桩直径，间距和桩土限制压力在一个分层的土壤边坡。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进行验证。
2.5特殊主题B：坑限制优化
最佳坑限制技术或可回收矿石储量的划定是系统工程的一个重要应用领域。可行性分析，长期规划以及资本风险和企业风险的评估可能会受到最优凹坑极限确定的结果的显着影响。公司越来越需要基于对矿藏的初步工程研究很好地估计潜在矿石储量的大小形状和程度。
最终坑极限问题可以简单地定义为确定矿床的最终或最终采矿极限，从而从其提取获得一些设定的最大值或盈利能力的标准。通过大多数坑优化技术，标准a /获利能力被定义为最大化从提取矿石获得的利润与去除相关废物材料所产生的成本之间的差异。最通常的标准是使用单个周期（矿井寿命）生产计划技术来设置，其中忽略该单个周期的子集中的盈利能力或缺乏。
近年来，由于各种凹坑优化方法的扩展以及自动计算技术的进步，在设计极限凹坑极限中使用先进的数学技术变得更加实用。优化技术可以简要分为五类：
1.启发式技术。
2.动态编程。
3.线性编程（整数编程）。
4.网络流理论。
5.图形理论。
启发式优化技术是最广泛使用的极限极限分析方法之一;然而，这些方法很多时候不能产生真正的最优设计。使用的最常见的启发式技术是移动锥算法。动态规划在二维中产生良好的结果;然而，三维扩展产生不规则的结果。最后三种技术 - 线性规划，网络流理论和图论 - 实际上采用相同的问题公式。网络理论和图论是线性规划问题的替代解法技术。
移动锥方法（Pana，1965; Pana和Carlson，1966）是设计极限坑极限的最广泛接受的技术之一，因为它的快速执行速度和容易的概念化。在方法中包括的编程逻辑在常规横截面方法之后被图案化。它利用无损剥离比作为基本优化标准。与手动技术的主要区别在于，它使用3D移动锥体概念来移除增量而不是垂直
以产生最终凹坑几何形状。
通过构造向上的锥体并且将其顶点从一个矿块移动到另一个矿块来产生和分析凹坑。锥形形状被限定为使其符合沉积物的各个区域中的凹坑斜面设计约束。计算机用于产生3D圆锥形构型，并且通过对包围在圆锥体内的所有矿石和废物块的值求和来计算每个圆锥体的净值。最后，通过去除具有净正值的所有锥体的锥体来获得3D凹坑极限。
移动锥方法（Pana，1965; Pana和Carlson，1966）是设计极限坑极限的最广泛接受的技术之一，因为它的快速执行速度和容易的概念化。在方法中包括的编程逻辑在常规横截面方法之后被图案化。它利用无损剥离比作为基本优化标准。与手动技术的主要区别在于，它使用3D移动锥体概念来移除增量而不是垂直
以产生最终凹坑几何形状。
通过构造向上的锥体并且将其顶点从一个矿块移动到另一个矿块来产生和分析凹坑。锥形形状被限定为使其符合沉积物的各个区域中的凹坑斜面设计约束。计算机用于产生3D圆锥形构型，并且通过对包围在圆锥体内的所有矿石和废物块的值求和来计算每个圆锥体的净值。最后，通过去除具有净正值的所有锥体的锥体来获得3D凹坑极限。
从找到重叠锥体之间的相互支持的观点来看，由于需要大量的计算量，移动锥体方法是显着限制性的（Barnes，1982）。实际上，重叠锥体之间的相互支持的确定通常不是移动锥算法的大多数实现所需要的。该方法通常在其顶点位于所有正矿石块上的锥体已经被评估之后终止。由于这个原因，启发式移动锥形方法多次不能产生真正的最终坑极限
在试图考虑锥体之间的相互支持，已经开发了应用复杂的数学规划或系统分析概念的更有效的技术。
在Lerchs和Grossmann（1
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