礦坑生態(tài)修復(fù)工程邊坡加固穩(wěn)定性分析研究*

何昌杰，李建新，粟元甲，田湖南，陳洪濤

(1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004； 2.中建五局第三建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410004； 3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北 武漢 430000)

對廢棄礦坑進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，進(jìn)行開發(fā)再利用是國家綠色發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。在對廢棄礦坑生態(tài)修復(fù)和開發(fā)再利用的過程中，首先要解決礦坑邊坡穩(wěn)定性問題。為準(zhǔn)確了解邊坡穩(wěn)定性問題，做出最合理的加固方案，確保邊坡穩(wěn)定，前期的邊坡穩(wěn)定性分析尤為重要。特別是地質(zhì)復(fù)雜的礦坑邊坡更加需要使用合理的方法和工具，準(zhǔn)確計(jì)算出各類邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)來進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，制訂合理有效的加固方案，確保邊坡安全。

1 地質(zhì)概況

長沙冰雪世界項(xiàng)目上層村落場地位于湘江西岸。場地原始地貌單元為湘江河流沖積Ⅱ級堆積階地。場地地勢起伏較大，區(qū)域地形高差16m。

1.1 地質(zhì)構(gòu)造

長沙位于東南地洼區(qū)雪峰地穹系湘江地洼列幕阜地穹西南端的烏山洼凸區(qū)，經(jīng)歷了槽、臺、洼三大構(gòu)造演化階段，現(xiàn)已進(jìn)入余動期。中生代以降，形成了NE-NNE向展布的斷隆、斷陷。第四系構(gòu)造運(yùn)動以差異性升降運(yùn)動為主，在場地內(nèi)形成了多級階地。

1.2 地層巖性

1.3 不良地質(zhì)作用

1)巖溶 整個(gè)冰雪世界場地巖溶很發(fā)育，大部分均有充填物，為淺埋型巖溶，巖溶形態(tài)以溶洞或溶隙為主，其次為溶蝕小孔，基巖頂部發(fā)育有溶溝(槽)。

2)高邊坡 場地西北高、東南低，高差近16m，存在多級不規(guī)則邊坡，且邊坡僅局部做臨時(shí)噴混凝土處理，經(jīng)雨水沖刷、掏空，邊坡多處出現(xiàn)小范圍坍塌現(xiàn)象。施工時(shí)，應(yīng)采取必要措施對高邊坡進(jìn)行支護(hù)處理。

1.4 場地穩(wěn)定性評價(jià)

勘察過程中除巖溶外未發(fā)現(xiàn)有其他影響場地穩(wěn)定性的滑坡、塌陷及全新斷層等不良地質(zhì)作用，場地處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

2 邊坡加固設(shè)計(jì)參數(shù)

項(xiàng)目邊坡三維形態(tài)及分區(qū)如圖1所示。

圖1 邊坡形態(tài)三維示意

2.1 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)《長沙冰雪世界項(xiàng)目巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》《桐溪湖礦坑生態(tài)修復(fù)利用工程現(xiàn)場直剪試驗(yàn)報(bào)告》，得到巖土層設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)，如表1所示。

表1 各巖(土)層設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 主要荷載參數(shù)

項(xiàng)目巖壁與建筑物關(guān)系復(fù)雜，不同區(qū)段和標(biāo)高的荷載情況各異。設(shè)計(jì)計(jì)算的荷載根據(jù)冰雪世界主體設(shè)計(jì)單位提資確定。與坑壁邊坡有關(guān)的荷載自上而下主要如下。

1)A，B區(qū)地下室單根樁荷載均值約7 000kN，最大達(dá)到10 206kN，樁荷載作用于微風(fēng)化巖體，作用標(biāo)高為41.000m或43.000m。

2)擋土墻及墻后填土荷載約200kPa，作用標(biāo)高在30.000m左右。

3)坡面馬道地下室柱荷載為1 000kPa左右，作用標(biāo)高范圍為16.000～30.000m。

4)16.000m標(biāo)高平臺柱采用獨(dú)立基礎(chǔ)，荷載719～2 437.5kPa；環(huán)梁豎向荷載800kN/m，水平荷載200kN/m。

5)-17.000m標(biāo)高坑壁的連梁梁端嵌入坑壁，豎向荷載約700kN，水平荷載200kN/m。

3 臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性分析

本工程邊坡為一級邊坡，臨時(shí)邊坡安全系數(shù)取1.25。

根據(jù)勘察報(bào)告，鉆孔揭露土層未見地下水，本次計(jì)算分析僅考慮暴雨條件下巖土物理力學(xué)參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)的弱化折減。根據(jù) GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》第4.3.3條規(guī)定，考慮巖體完整程度，折減系數(shù)取0.85。

3.1 土質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算

土質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算考慮3種工況：①削坡； ②削坡施加臨時(shí)荷載；③削坡施加臨時(shí)荷載加地震力。

各區(qū)受力情況根據(jù)《長沙冰雪世界坡面施工荷載情況》確定。其中各區(qū)坡頂承受臨時(shí)荷載52kPa，作用范圍為坡頂外2～9m，共7m寬度。各級馬道承受臨時(shí)荷載26kPa(見圖2)。

圖2 計(jì)算剖面荷載(單位：kN·m-2)

3.1.1A區(qū)土質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性分析

A區(qū)域取3個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算和加固設(shè)計(jì)，工況取削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種，3種工況按暴雨情況考慮。各剖面安全系數(shù)及加固力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 A區(qū)土質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果得出：計(jì)算剖面在削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種工況下，邊坡安全系數(shù)均大于1.25，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2B區(qū)土質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性分析

B區(qū)域取7個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算和加固設(shè)計(jì)，工況取削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種，3種工況按暴雨情況考慮。各剖面安全系數(shù)及加固力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 B區(qū)土質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，坡面較為穩(wěn)定，臨時(shí)荷載作用下基本滿足臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性要求。B3-3′，B5-5′剖面達(dá)不到安全性要求，根據(jù)滑動面情況判別為淺表層局部滑動。設(shè)計(jì)采用土釘與噴錨組合支護(hù)方式可有效控制滑坡情況。

3.2 巖質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算

選取A區(qū)3個(gè)剖面和B區(qū)7個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算和加固設(shè)計(jì)，取削坡暴雨工況。考慮巖質(zhì)邊坡與土質(zhì)邊坡破壞面的不同，將土體自重荷載施加于巖土界面上單獨(dú)計(jì)算巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，項(xiàng)目巖質(zhì)邊坡高度>30m，坡面形態(tài)復(fù)雜，荷載情況各異，綜合考慮采用數(shù)值極限分析方法計(jì)算。

邊坡穩(wěn)定性和加固力計(jì)算采用Slide軟件。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)采用Morgenstern-Price法進(jìn)行計(jì)算，并綜合不同計(jì)算方法確定加固力。

根據(jù)勘察報(bào)告，邊坡巖質(zhì)主要為III級圍巖，巖壁表層巖體為IV級，深部巖體為II級。巖體結(jié)構(gòu)面呈水平狀。

考慮卸荷及長期風(fēng)化侵蝕對表面巖體的作用，對外露巖壁表層10m范圍內(nèi)巖體取IV級圍巖參數(shù)?？紤]巖石邊坡爆破開挖并未嚴(yán)格控制爆破振動及巖石卸荷擾動，開挖巖體表層10m范圍內(nèi)巖體取IV級圍巖參數(shù)?？紤]本區(qū)巖溶發(fā)育，內(nèi)部巖體取III級圍巖參數(shù)。

根據(jù)勘察報(bào)告中關(guān)于巖體的測試及現(xiàn)場揭露的巖體情況，結(jié)合GB/T 50218—2014《工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)》中給出的不同級別巖體物理力學(xué)參數(shù)表D.0.1，綜合考慮得到本工程III級、IV級圍巖參數(shù)，如表4所示。

表4 巖體參數(shù)

各剖面安全系數(shù)及加固力計(jì)算如表5，6所示。B2-2′剖面削坡暴雨工況如圖3所示。

表5 A區(qū)巖質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，坡面較為穩(wěn)定，安全系數(shù)達(dá)到3左右，在臨時(shí)荷載作用下均滿足臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性要求。實(shí)際處理時(shí)應(yīng)以危巖、臨邊滾石等為主。

表6 B區(qū)巖質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖3 B2-2′剖面臨時(shí)邊坡削坡暴雨工況

4 永久邊坡穩(wěn)定性分析

永久邊坡穩(wěn)定性分為土質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性和巖質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性，其中土質(zhì)邊坡根據(jù)土質(zhì)條件和場地規(guī)劃布置的不同情況又分為 A，B區(qū)錨桿(索)扶壁式擋土墻方案設(shè)計(jì)計(jì)算。

4.1 土質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性計(jì)算

采用理正巖土工程計(jì)算分析軟件6.0PB1版和理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件7.0PB1版計(jì)算土質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性。

A，B區(qū)永久土質(zhì)邊坡采用錨桿(索)擋土墻方案支護(hù)土體，典型剖面如圖4所示。

圖4 擋土墻示意

擋土墻支護(hù)土體高度在5～12m，根據(jù)GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求，基礎(chǔ)距離邊坡小于0.5倍的坡高時(shí)，為靜止土壓力，采用理正巖土工程計(jì)算分析軟件對9，10，11，12m 4種不同高度的擋土墻以及巖石地基和改良土層地基進(jìn)行計(jì)算，擋土墻側(cè)向土壓力均為按照規(guī)范要求計(jì)算的靜止土壓力。

通過各種最不利的條件組合計(jì)算，滿足穩(wěn)定驗(yàn)算要求的擋土墻主要幾何參數(shù)如表7所示。

表7 扶壁式擋土墻幾何參數(shù)

對于擋土墻基礎(chǔ)下方有軟弱下臥層的情況，需進(jìn)行地基承載力驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明：對擋土墻基礎(chǔ)下方軟弱下臥層采用拋石置換或C20混凝土置換，置換深度為2m，置換層地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為400kPa，經(jīng)過壓力擴(kuò)散后軟弱下臥層頂部的附加應(yīng)力值為168kPa，小于粉質(zhì)黏土的承載力特征值180kPa。對軟弱下臥層的處理滿足擋土墻地基承載力驗(yàn)算要求。

4.2 巖質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性計(jì)算

選取A區(qū)3個(gè)剖面和B區(qū)7個(gè)剖面進(jìn)行穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算和加固設(shè)計(jì)，取削坡加永久荷載暴雨工況?？紤]到巖質(zhì)邊坡破壞與土質(zhì)邊坡破壞面的不同，將土體自重施加于巖土界面上單獨(dú)計(jì)算巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。

根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，項(xiàng)目巖質(zhì)邊坡高度>30m，坡面形態(tài)復(fù)雜，荷載情況各異，綜合考慮采用數(shù)值極限分析方法計(jì)算。

邊坡穩(wěn)定性和加固力計(jì)算采用Slide軟件。巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)采用GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》Morgenstern-Price法進(jìn)行計(jì)算，并綜合不同計(jì)算方法確定加固力。

根據(jù)勘察報(bào)告，邊坡巖質(zhì)主要為III級圍巖，巖壁表層巖體為IV級，深部巖體為II級。巖體結(jié)構(gòu)面呈水平狀。

考慮卸荷及長期風(fēng)化侵蝕對表面巖體的作用，對外露巖壁表層10m范圍內(nèi)巖體取IV級圍巖參數(shù)?？紤]巖石邊坡爆破開挖并未嚴(yán)格控制爆破振動及巖石卸荷擾動，開挖巖體表層10m范圍內(nèi)巖體取IV級圍巖參數(shù)。考慮本區(qū)巖溶發(fā)育，內(nèi)部巖體取III級圍巖參數(shù)。各剖面安全系數(shù)及加固力計(jì)算結(jié)果如表8，9所示。B6-6′剖面削坡暴雨工況如圖5所示。

表8 A區(qū)巖質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，坡面較為穩(wěn)定，多數(shù)剖面安全系數(shù)達(dá)到1.4以上，永久荷載作用下基本達(dá)到永久邊坡穩(wěn)定性要求，A4-4′、B2-2′兩個(gè)剖面不滿足永久邊坡安全系數(shù)1.35要求，加固力較小。根據(jù)滑動面情況，為淺表層弱化區(qū)滑動。

表9 B區(qū)巖質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖5 B6-6′剖面永久邊坡削坡暴雨工況

由于項(xiàng)目16.000m標(biāo)高平臺受到結(jié)構(gòu)水平拉力200kN/m，為確保邊坡巖體不受到拉力，在受拉區(qū)范圍設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索?？紤]該區(qū)巖溶發(fā)育，坡頂荷載大，為避免邊坡發(fā)生傾倒破壞，邊坡施加錨桿提高巖體整體性。

5 結(jié)語

通過采用Slide軟件計(jì)算邊坡穩(wěn)定性和加固力，并基于GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》的Morgenstern-Price法計(jì)算巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)和加固力，且采用理正巖土工程計(jì)算軟件和理正深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算土質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性。經(jīng)計(jì)算分析得出如下結(jié)論。

1)土質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性分析 在削坡、削坡加載及削坡加載加地震3種工況下，A區(qū)選取的3個(gè)剖面邊坡安全系數(shù)均大于1.25，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)；B區(qū)選取的7個(gè)剖面中B3-3′，B5-5′剖面達(dá)不到安全性要求，根據(jù)滑動面情況判別為淺表層局部滑動。設(shè)計(jì)采用土釘與噴錨組合支護(hù)方式可有效控制滑坡情況。

2)巖質(zhì)邊坡臨時(shí)穩(wěn)定性分析 根據(jù)A區(qū)選取的3個(gè)剖面和B區(qū)選取的7個(gè)剖面計(jì)算結(jié)果，剖面較為穩(wěn)定，安全系數(shù)達(dá)到3左右，臨時(shí)荷載作用下均滿足臨時(shí)邊坡穩(wěn)定性要求。

3)土質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性分析 根據(jù)GB 50330—2013 《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》要求，采用理正巖土工程計(jì)算軟件對各種最不利條件組合下9，10，11，12m 4種不同高度的擋土墻及巖石地基和改良土層地基進(jìn)行計(jì)算，得出滿足穩(wěn)定性驗(yàn)算要求的擋土墻主要幾何參數(shù)。計(jì)算驗(yàn)證對擋土墻基礎(chǔ)下方軟弱下臥層采用拋石或C20混凝土置換處理2m厚，能夠滿足擋土墻地基承載力要求。

4)巖質(zhì)邊坡永久穩(wěn)定性分析 在削坡加永久荷載暴雨工況下，A區(qū)選取的3個(gè)剖面和B區(qū)選取的7個(gè)剖面基本達(dá)到永久邊坡穩(wěn)定性要求，其中A4-4′，B2-2′兩個(gè)剖面未能滿足永久邊坡安全系數(shù)1.35的要求，根據(jù)滑動面情況，為淺表層弱化區(qū)滑動?？紤]項(xiàng)目16.000m標(biāo)高平臺受到結(jié)構(gòu)水平拉力200kN/m，為確保邊坡巖體不受到拉力，在受拉區(qū)范圍設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索。考慮到該區(qū)巖溶發(fā)育，坡頂荷載大，為避免邊坡發(fā)生傾倒破壞，邊坡均施加錨桿以提高巖體整體性。

綜上所述，邊坡整體基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，局部不穩(wěn)定坡面采取加固措施后，也可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，保障基坑安全。