随着露天矿山开采深度的增加,边坡加高加陡,开挖扰动引起工程岩体强度不断劣化,应力环境更加复杂。深入研究岩质边坡的力学特性及开挖稳定性,具有重要的科学及工程意义。本文依托国家科学自然基金重点项目“深凹露天矿高陡边坡稳定性研究(51034001)”,针对水厂铁矿露天境界外扩工程,以北采场II区岩质高陡边坡为研究对象,从连续-非连续、宏观-细观的角度,分析边坡岩体的宏细观力学特征和开挖扰动条件下的边坡稳定性,主要结论和成果如下:(1)调研现场地质概况,掌握工程地质特征,开展现场地应力测量、室内岩石力学试验、结构面统计调查,获取了地应力场分布特征、岩体物理力学参数及节理裂隙的空间分布规律。(2)基于颗粒流理论,探讨PFC中细观参数与岩石宏观力学特性之间的响应规律,通过单因素分析、正交试验极差分析,获得了宏细观参数之间的关系,及各细观参数的影响度排序;利用Matlab神经网络,构建了从宏观力学参数到细观参数的预测模型,提出细观参数的标定方法,并以混合花岗岩为研究对象,标定了平直节理接触模型的细观参数;研究颗粒流模型中颗粒尺寸对岩石宏观力学特性的影响,得到了内尺度比的取值范围,为颗粒半径的选取提供依据。(3)开展混合花岗岩的室内单、三轴加载试验、围压卸载试验,从应力-应变角度分析岩石破坏的宏观特征:基于PFC数值试验平台,进行了不同围压下的加、卸载数值试验,从能量演化、微裂纹扩展及破坏模式角度分析试件破坏时的细观特征,由此分析对比加、卸载条件下宏、细观力学特性的差异;以微裂纹数目为细观损伤变量,得到细观损伤变量与宏观变形模量和泊松比变化的关系式,在此基础上建立屈服阶段的本构方程。(4)基于边坡开挖过程中应力分布的变化情况,揭示了在开挖扰动影响下工程岩体参数劣化的力学机制,指出其在工程稳定性分析中的意义与价值:通过试验分析不同围压卸载条件下变形模量的变化规律,得到工程岩体劣化系数A与水平应力降低比例的定量关系式,二次开发FLAC3D内置应变软化模型,构建工程岩体开挖扰动劣化模型,并用于水厂边坡开挖过程的稳定性分析:依据开挖扰动对岩体质量的影响,修正RMR评价方法,建立边坡岩体模糊综合评判模型,采用Visual C#语言,开发了基于Windows平台的边坡岩体质量智能评价系统。(5)基于等效岩体技术,结合现场结构面的调查结果,在PFC中实现了节理岩体的表征,并确定了本文工况条件下表征单元体的尺寸,结合Hoek-Brown准则计算的岩体力学参数,对节理岩体的细观参数进行修正;建立水厂铁矿边坡模型,通过模拟开挖,探究边坡滑坡失稳的细观演化过程,基于张拉-剪切复合破坏准则,利用颗粒流细观强度折减法对边坡的稳定性进行分析:提出了水厂边坡稳定性控制的动态反馈体系,分析不同开挖顺序下边坡岩体的力学响应特征,结合现场和数值分析结果,提出灾害防治建议。