在我国坚持可持续发展和深入实施“西部大开发”的战略决策中,矿产资源的合理开发和利用是非常重要的环节。我国中西部与西南地区湖北、湖南、四川、贵州、广西、云南等省大范围存在含缓倾软弱夹层(岩层和夹层倾角均小于25°)的二叠系石灰岩地层,该地层拥有丰富的优质石灰石矿产资源,是我国大量基础设施建设的重要建材来源。随着开采不断向深部和高处进行,矿山所揭露的地层越来越多,所揭露的地层越来越复杂,面临的矿山水文地质条件也愈加复杂,加剧了对边坡岩体的扰动,导致岩体力学性能劣化。各种软弱地层的暴露、边坡临空面的扩展都严重影响着矿山边坡的稳定性和安全性。软弱夹层由于其自身的特殊性,往往成为矿山边坡的潜在滑动面,对矿山过程边坡和终了边坡的稳定性起着控制作用。同时软弱夹层也是水的良好的渗流通道,水岩作用加剧了夹层本身的力学性能的劣化,使软弱夹层的流变特性愈发明显。因此研究水对软弱夹层的力学参数的劣化规律对矿山边坡稳定性评价和安全施工有至关重要的作用。本论文研究结合国家自然科学基金项目“降雨和爆破反复作用下高边坡缓倾软弱夹层的流变特性及其致滑机理研究”(41672317)和横向项目“峨胜采矿场露采高陡边坡稳定性论证与优化研究”,以四川峨胜矿区所揭露的二叠系茅口组含炭质泥页岩软弱夹层为研究对象,考虑四川峨胜采矿区所处的水文地质环境和气象条件,对其进行不同含水率下常规环剪试验、环剪蠕变试验。基于常规环剪试验结果,探讨了不同含水率下的软弱夹层峰值强度和残余强度的变化规律,进行了将含水率作为损伤变量的软弱夹层力学参数劣化规律分析。开展不同含水率不同法向压力下的环剪蠕变试验,在对环剪蠕变试验结果分析的基础上,基于分数微积分提出了考虑软弱夹层的含水率引起的流变模型参数变化作为损伤变量的非线性粘弹塑性流变本构模型(DNMAP模型)。推导了DNMAP流变模型有限差分格式,采用FLAC3D二次开发平台在Microsoft visual studio2010编程实现了新建本构模型的二次开发,并对其正确性和可行性进行了验证。以二叠系茅口组软弱夹层作为潜在滑动面的“1270-1380m”开挖平台变形体为研究对象,对其进行了渐进性破坏分析及长期稳定性预测,并提出了相应的防治措施。本文取得的研究成果如下:(1)以四川峨胜采矿场“1270-1380m”开挖平台出露的二叠系茅口组含炭质泥页岩软弱夹层为研究对象,在分析其沉积环境和构造环境的基础上,分析了软弱夹层的形成过程。利用矿物鉴定、X射线、激光粒度分布仪等手段对二叠系茅口组软弱夹层的矿物成分、化学成分、粒径组成等特征进行分析,并通过开展一系列物理力学试验获取了软弱夹层的基本物理特性参数。研究表明:二叠系茅口组软弱夹层矿物成分主要以粘土矿物、方解石为主。因粘土矿物的亲水性较强,因此含水率对软弱夹层的力学特性具有显著的影响。(2)对二叠系茅口组软弱夹层开展常规环剪试验,研究了相同干密度不同含水率重塑软弱夹层试样在不同法向应力作用下的剪切变形破坏特征。研究表明:法向应力是影响软弱夹层应变硬化及软化特性的重要因素。随含水率及法向应力的增大,较低法向应力下表现应变软化特性的试样,在环剪试验过程中的法向位移特征表现为由剪胀为主转变为剪缩为主。高法向应力下表现应变硬化特性的试样则表现出速率逐渐趋于稳定的剪胀特性。环剪应变特性受法向压力和含水率的影响,法向压力越大、含水率越高,试样的应变硬化特性越明显。分析了含水率与法向应力对于软弱夹层峰值强度和残余强度的影响规律,试验结果显示软弱夹层试样的峰值剪应力、残余剪应力及其对应的剪切位移均与试样的含水率和法向应力呈正相关关系。基于摩尔-库仑强度准则与损伤力学原理研究了含水率对于软弱夹层等效抗剪强度参数的损伤劣化规律,得到了抗剪强度参数损伤率与含水率的函数关系式。对试样环剪破坏后的环剪面进行微观电镜扫描,讨论了应变软化与应变硬化试样在微观结构上的差异性,并指出环剪试验过程中颗粒位移、破碎与定向排列的差异是影响试样宏观力学特性的重要因素。(3)基于常规环剪试验成果,对二叠系茅口组软弱夹层开展不同含水率、不同法向压力下的环剪蠕变试验。对不同含水率下夹层试样的剪切蠕变变形和应变速率进行了分析。同时通过两种方法确定了不同含水率下软弱夹层的长期强度,并与残余强度进行了对比。通过电镜扫描对不同含水率试样环剪蠕变破坏之后的破坏面进行了微观特性分析。试验结果表明:(1)在低于饱和含水率时,含水率越高,瞬时剪切应变随应力等级的增加而变形增量变大;而高于饱和含水率之后,瞬时剪切应变增量随含水率的增加而呈现出降低的趋势,增量最大值出现在饱和含水率附近。随着含水率的增加,试样累计蠕变增量也呈增大的趋势。从蠕变曲线达到稳态蠕变的变形量与瞬态弹性应变的比值来看,随着环剪应力等级的增加,稳态蠕变的变形量与瞬态弹性应变的比值逐渐增加。应力等级越大,蠕变变形量在总变形中的比重增大,蠕变特性表现得愈发明显。(2)含水率对蠕变变形速率的规律性影响主要体现在对蠕变衰减段持续时间的影响上。研究表明,蠕变衰减持续时间随含水率的改变大致呈线性变化规律。随着应力等级的增加,0.6倍的残余应力作用下拟合直线的斜率大于残余应力的拟合直线斜率。环剪应力水平越高,蠕变衰减持续时间的增长率越缓。(3)等时应力-应变曲线法所确定的长期强度均大于稳态蠕变速率法所确定长期强度,但量值相差不大。通过对不同含水率下夹层的长期强度与含水率的关系进行拟合分析,发现长期强度与含水率呈线性负相关,含水率越高,软弱夹层的长期强度越低。(4)不同含水率试样在蠕变破坏之后的微观特性存在着显著差异,含水率较低的试样,破坏面光滑,变形擦痕较为清晰,片状结构明显;随着含水率的升高,试样逐渐软化,由于试样含有膨胀性的粘土矿物,颗粒由于膨胀性变强排列变得致密,各向同性明显。由于试样破坏前变形量变大,破坏面上多空隙和裂缝出现,表现出延性破坏特征。(4)详细介绍了分数阶微积分的几种常用定义,并基于分数阶微积分对现有的几种常见流变元件模型进行了改进,分别给出了蠕变本构方程。通过对饱和状态下软弱夹层试样蠕变破坏前试验曲线的拟合,综合考虑各种因素选取基于分数阶微积分改进的Maxwell元件模型作为新建蠕变本构模型的粘弹性部分。同时,分析发现非定常参数Abel粘壶能够描述蠕变加速破坏段的特性,因此将其与塑性元件并联组合成粘塑性体与前面改进Maxwell元件模型串联构建了一种新的非线性剪切蠕变本构模型(NMAP),对其蠕变本构方程进行了推导。通过对试样环剪蠕变加速破坏段的拟合发现,新建立的NMAP元件本构模型能够很好地拟合蠕变全过程试验曲线。(5)基于损伤理论将软弱夹层的含水率引起的流变模型参数变化作为损伤变量引入到NMAP模型中,建立了考虑含水率损伤的非线性黏弹塑性剪切流变本构模型DNMAP模型。通过对环剪蠕变试验结果曲线的拟合,可以看出DNMAP模型对不同含水率试样蠕变全过程特别是对加速蠕变阶段具有良好的拟合效果。(6)对新建立的非线性黏弹塑性本构模型(DNMAP)进行了详细的公式推导,对其蠕变本构方程进行三维差分形式离散,得到了应力增量的差分表达式。利用FLAC3D内置的FLAC3D500VS2010Addin.msi插件,在Visual studio2010软件中实现了基于分数阶微积分的新建蠕变本构模型的开发。并通过建立一个三维数值计算模型,来模拟计算其单轴压缩蠕变试验结果,证明了新建DNMAP损伤流变本构模型的合理性,也说明其在FLAC3D中的二次开发实现过程的正确性。(7)在介绍峨胜矿区“1270-1380m”平台变形体的基本地质条件和地质环境基础上,考虑软弱夹层的应变软化和流变特性,对变形体进行了渐进性破坏分析和长期稳定性预测研究。在对变形体进行渐进性破坏分析时,分别采用了极限平衡法和基于应变软化模型的容重增加法。结果表明:容重增加法计算所得到的稳定状态的安全系数要略大于极限平衡法运用残余强度所得的安全系数。将容重增加法数值计算过程中不同时步下的剪应变增量分布的变化趋势来表示变形体的渐进性破坏的发展过程。剪应变增量经历从出现、扩展直至稳定的过程。当计算时步达到一定值时,剪应变增量分布趋于稳定,边坡安全系数也不再发生变化。基于边坡位移反分析法利用遗传算法和神经网络对流变模型参数进行了反演,通过实测值和计算值的对比证明了反演参数的合理性以及本文所提出的DNMAP蠕变本构模型的正确性。通过对变形体位移变化和剪应变增量的计算对其稳定性发展趋势进行了预测。