稀濕廢石土邊坡的堆排方法及穩(wěn)定性研究

孫世國，鄧王倩，韋寒波，方曉楠，管 濤，肖 劍

（1.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中冶交通建設(shè)集團有限公司，北京 100011）

邊坡易受周圍環(huán)境影響，具有不確定性及多變性，故邊坡穩(wěn)定性分析是礦山地質(zhì)的熱點研究方向，也是難點問題所在[1]。在分析排土場穩(wěn)定性時，學(xué)者們常采用邊坡安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的評判標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前國內(nèi)外常見的邊坡穩(wěn)定性分析方法有瑞典條分法、畢肖普（Bishop）法和簡布（Janbu）法等，但根據(jù)研究對象的不同，這3 種常見的方法局限性也逐漸彰顯出來，為較好的得到邊坡安全系數(shù)，選用了臨界滑動場法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析[3]。

排土場作為露天礦的主要配套設(shè)施在整個礦山中起著重要作用，其面積可占礦山總面積的30%～50%[4]。龍橋排土場為小龍?zhí)恫颊訅温短觳傻V場排棄物所堆積的場地，為人工堆排的高邊坡排土場，排土場內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，時常伴有小型土坡滑坡、坡面侵蝕、地面沉降等。因稀濕廢石土含水量大，物理力學(xué)參數(shù)低，前緣僅能保持在3°～5°的自然坡腳，不易堆積成型，極有可能發(fā)生滑坡，一旦滑坡，危害程度大，會造成大量的人力和財力損失，而且對經(jīng)濟建設(shè)社會產(chǎn)生了嚴(yán)重的阻礙。為此，對稀濕廢石土高邊坡進(jìn)行了邊坡優(yōu)化處理，并分析了優(yōu)化后邊坡穩(wěn)定性問題，確保排土場可正常生產(chǎn)運行，同時保證排土場與周邊環(huán)境的安全。

1 稀濕廢石土堆排的安全問題及其控制技術(shù)

1.1 工程概況

研究的稀濕廢石土堆積邊坡地處龍橋排土場，其地理位置位于我國云南省開遠(yuǎn)市西南盆地側(cè)斜坡地帶，與小龍?zhí)恫颊訅尾傻V場距離1 km 左右，屬低山中寬谷長邊邊坡地貌?，F(xiàn)斜坡1 375 m 水平高程以上為自然堆積斜坡，1 375 m 水平高程以下為排棄物料堆積斜坡。龍橋排土場基底土層土質(zhì)呈片狀不整合接觸，厚度約0.5～3.5 m。

殘坡積層，顏色大多呈褐紅，褐黃色，土質(zhì)為高塑性黏土，其中中高壓縮性土塑性狀態(tài)不同，特點為失水易收縮、飽和度高、膨脹性高?；字饕ò自瀑|(zhì)灰?guī)r及蠕蟲狀灰?guī)r，基底中某些地段粉砂巖、泥質(zhì)砂巖互相疊加出現(xiàn)?；?guī)r層狀中厚，顏色大多呈灰、深灰色，抗壓強度大，韌性低，中等弱風(fēng)化，溶（裂）隙發(fā)育，淺部有高強度的層狀破碎結(jié)構(gòu)。

根據(jù)排土場邊坡工程施工地質(zhì)情況，選取3 個剖面進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性研究分析。選取的典型2-2′剖面示意圖如圖1。

圖1 2-2′剖面示意圖Fig.1 Profile of 2-2’

1.2 稀濕廢石土的堆排控制技術(shù)

龍橋排土場排棄物料中黏土質(zhì)物料占比大，且含水率高稱為稀濕廢石土，因此剝離表土在運輸過程中形成能流動的黏稠物料。由于稀濕廢石土形成主要是因為采場剝離表土的含水率大，且剝離物粒徑較小，親水性強；排棄物經(jīng)過挖掘、轉(zhuǎn)載及帶式輸送機運輸，對排棄物料形成撞擊和振動，從而使得排棄物料液化，產(chǎn)生稀濕廢石土。此外振動強度越大，振動時間越長，飽水砂土越易液化。在排棄過程中會由高處向低處流淌，前緣呈3°～5°的緩坡，不能堆積成形，故表面不能承重，從而影響排土場建設(shè)及穩(wěn)定性，或威脅下部場地、設(shè)備、建筑物的安全。

稀濕廢石土因自身強度很低，無法自行堆積于邊坡，故需進(jìn)行邊坡支檔。稀濕廢石土的含水量大，在支護(hù)過程中既要保證排水又要保證安全是主要施工目標(biāo)。針對以上特點，選取了成本低、易于施工、易于排水的鋼筋石籠擋墻及加筋土-錨定板復(fù)合擋墻作為邊坡支護(hù)的方法。

1）鋼筋石籠擋墻。鋼筋石籠是采用耐腐蝕、高強度鋼筋所制作成長方體形狀的鋼筋籠，然后在其內(nèi)部裝滿小石子即構(gòu)成鋼筋石籠，再將各石籠一排一排堆積在邊坡表面處[5]。在具體設(shè)計和施工中，有時根據(jù)實際情況會在擋墻底部澆筑混凝土支座，可用來增強擋墻的抗剪和抗傾覆能力。利用鋼筋石籠擋墻來進(jìn)行排土場邊坡壓腳，起到保護(hù)坡腳的作用。鋼筋石籠擋墻結(jié)構(gòu)及加固原理示意圖如圖2。

圖2 鋼筋石籠擋墻結(jié)構(gòu)及加固原理示意圖Fig.2 Structure of stone-gabion retaining wall and reinforcement principle

2）加筋土-錨定板復(fù)合擋墻。排土場排棄物料中黏土質(zhì)物料占比大，如遇大規(guī)模降水，極易發(fā)生坍塌，從而形成泥石流，若事先在這部分土中埋入具有韌性的筋帶材料形成加筋土，則當(dāng)排棄物粘聚力較低時要滑動時，廢棄物與筋帶材料產(chǎn)生摩擦，阻止泥石流的發(fā)生。在拉筋末端連接錨定板，當(dāng)錨定板向前產(chǎn)生位移時，錨定板會對其前方的排棄物產(chǎn)生壓力，但錨定板前方的土由于受壓會產(chǎn)生抵抗力，從而使得錨定板處于穩(wěn)定狀態(tài)，更加提高了邊坡的穩(wěn)定性。加筋土-錨定板復(fù)合擋墻結(jié)構(gòu)及加固原理示意圖如圖3。

圖3 加筋土-錨定板復(fù)合擋墻結(jié)構(gòu)及加固原理示意圖Fig.3 Composite structure of reinforced anchor slab retaining wall and reinforcement principle

根據(jù)地質(zhì)勘察資料顯示，稀濕廢石土各力學(xué)參數(shù)為：黏聚力22 kPa，內(nèi)摩擦角16°，密度1.94 t/m3。

主要分析鋼筋石籠加固對邊坡穩(wěn)定性的影響。因鋼筋石籠的存在，可使稀濕廢石土穩(wěn)定的堆積在邊坡上，排棄物中的水會順著石縫向下流動，不會應(yīng)塑性太大，而產(chǎn)生排棄物料的滑坡。在運用臨界滑動場法對排棄物稀濕廢石土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，可將稀濕廢石土與鋼筋石籠看做一個整體來進(jìn)行分析，故可適當(dāng)增加稀濕廢石土各力學(xué)參數(shù)，邊坡物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of slope

1.3 鋼筋石籠擋墻設(shè)計及擋土墻穩(wěn)定性驗算

每個鋼筋石籠的尺寸為2 m×1.0 m×1.0 m（長×寬×高），由直徑為12 mm 的鋼筋焊接編制而成，鋼筋石籠分層錯縫擺放，堆積高度為7～13 m，同層石籠連接，上、下層石籠鋼筋均采用焊接方式連接，鋼筋部位進(jìn)行防銹及防腐蝕處理。鋼筋石籠的基底支座用混凝土澆筑而成（C30），高度為300 mm。最底層的鋼筋石籠的兩側(cè)鋼筋制成彎鉤狀，埋置與底座混凝土中，以增強底座與鋼筋石籠間整體的穩(wěn)定性。

擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性用抗傾覆安全系數(shù)Kt來驗算（基底與水平面夾角為0°）：

式中：∑MV為抗傾覆力矩；∑MH為傾覆力矩；G為擋土墻每延米自重力，kN/m；x0為擋土墻重心離墻趾的水平距離，m；Eaz為主動土壓力在豎直方向的分量，kN/m；Eax為主動土壓力在水平方向的分量，kN/m；zf為土壓力作用點與墻趾的高差，m；xf為土壓力作用點與墻趾的水平距離，m。

根據(jù)庫倫土壓力理論主動土壓力Ea為：

式中：ψc為主動力土壓力系數(shù)；Ka為主動土壓力系數(shù)；h 為擋土墻高度，m；ρ 為排棄物密度，t/m3。

在庫倫土壓力中α 為擋土墻的傾斜角度，β 為填土的傾斜角度，坡高選取5 m 進(jìn)行驗算。α＝75°，β＝0°，故根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》可查得Ka＝0.3，代入式（2）得Ea=77.96 kN/m，代入式（1）得Kt=2.09＞1.6，滿足要求。

2 邊坡臨界滑動場法技術(shù)原理

2.1 邊坡穩(wěn)定性評價方法的比較

在分析邊坡穩(wěn)定性時常用的極限平衡方法有瑞典條分法、畢肖普（Bishop）法和簡布（Janbu）法等[6]。在運用瑞典條分法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算時需假設(shè)邊坡滑動面是一圓弧面，不考慮剛體平動的2 個靜力平衡條件，通過計算得到安全系數(shù)，但由于此法做了不合理假設(shè)使得得到的安全系數(shù)值不準(zhǔn)確；畢肖普法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算時雖考慮了所劃分條塊間的相互作用力，根據(jù)此相互作用力建立了力矩平衡方程，但其僅適用于滑動面是圓弧面的邊坡，而且此方法計算瑣碎，故不適用于實際工程[7]；簡布法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計算時雖可適用于任意邊坡形狀滑面，但此研究方法算得的結(jié)果存在著數(shù)學(xué)上嚴(yán)重不收斂問題，特別是當(dāng)條塊劃分過密時不收斂問題更加突出[7]。對比上述所說穩(wěn)定性計算方法，臨界滑動場法可以準(zhǔn)確快速地追蹤出任意邊坡形狀的滑動面，且使用這種方法沒有任何數(shù)學(xué)限制及安全系數(shù)收斂問題[8]，故選取此法來分析邊坡的穩(wěn)定性問題。

2.2 邊坡臨界滑動場法基本理論

CSF（Critical Slip Field）理論，即臨界滑動場理論[9-10]是一種將極限平衡條分法和最優(yōu)性理論結(jié)合起來所形成的新式邊坡穩(wěn)定性計算方法。

在設(shè)定的任意一邊坡安全系數(shù)下[11]，若計算得邊坡出口段極大剩余推力p 均為正數(shù)，下次在設(shè)定安全系數(shù)時應(yīng)小于前次所設(shè)定的安全系數(shù)；反之下次在設(shè)定安全系數(shù)時應(yīng)大于前次所設(shè)定的安全系數(shù)，無限逼近去求得邊坡的實際安全系數(shù)。若是在某一安全系數(shù)下，同時滿足一出口段的極大剩余推力為0 和其他極大剩余推力為負(fù)值，那么此時極大剩余推力就為最大剩余推力，最大剩余推力為0 的面是最危險滑動面，且目前所設(shè)定的安全系數(shù)就是邊坡最小的安全系數(shù)，此時危險滑動面所構(gòu)成的危險滑動場就稱之為邊坡臨界滑動場，即CSF[12]。

綜上，其核心思想是：①在設(shè)定1 個任意安全系數(shù)Fs的條件下，求出各個離散狀態(tài)點危險滑動面方向，并求得極大剩余推力；②根據(jù)上次安全系數(shù)所得滑動面結(jié)果及極大剩余推力正負(fù)有方向性的調(diào)整安全系數(shù)；③比較極大剩余推力數(shù)值，得出最大剩余推力，使得最大剩余推力為0，則得出邊坡危險滑動面就是臨界狀態(tài)下的危險滑動方向[13]，進(jìn)而可得邊坡臨界滑動場。邊坡滑動場圖如圖4。

圖4 邊坡滑動場圖Fig.4 Slip field of slope

3 稀濕廢石土堆排高邊坡穩(wěn)定性評價

3.1 臨界滑動面搜索流程

采用基于剩余推力法搜尋稀濕廢石土堆排高邊坡的臨界滑動面搜索流程如下：

1）初設(shè)1 個安全系數(shù)Fs，計算此安全系數(shù)后下的所有滑動面的極大剩余推力pmax，并確定邊坡危險滑動方向。

2）比較步驟1）中求得的極大剩余推力，再根據(jù)極大推力中的最大剩余推力pmax的危險滑動方向（正負(fù)性），改變Fs的大小得另1 個安全系數(shù)F′s。

3）根據(jù)步驟2）得到的安全系數(shù)F′s，重復(fù)步驟1）和步驟2），直至最大剩余推力接近0（0～10 N 即可）即可結(jié)束。

4）根據(jù)上述所求得的最大剩余推力p′max為0 的滑動方向，此時假設(shè)的邊坡安全系數(shù)即為邊坡實際的安全系數(shù)，其所對應(yīng)的危險滑動場即為最終的臨界滑動場。

3.2 稀濕廢石土堆排高邊坡穩(wěn)定性分析

按照臨界滑動場的搜尋流程，結(jié)合Mathematica軟件，通過改變安全系數(shù)Fs的取值來進(jìn)行搜索，最后確定邊坡最大剩余推力p′max趨近于0（0～10 N 即可）時所對應(yīng)的邊坡危險滑動面，即為邊坡實際臨界滑動面。2-2′剖面邊坡臨界滑動場圖（Fs=1.50）如圖5。

圖5 2-2′剖面邊坡臨界滑動場圖（Fs=1.50）Fig.5 Critical slip field of 2-2′ profile slope（Fs=1.50）

運用Geo-Slope 軟件計算1-1′剖面、2-2′剖面、3-3′剖面常規(guī)極限平衡法邊坡安全系數(shù)，各種方法計算安全系數(shù)的比較見表2。

表2 各種方法計算安全系數(shù)的比較Table 2 Comparison of safety factors with different methods

由邊坡臨界滑動場法分析所得剖面2-2′的安全系數(shù)為1.50，同理可求得1-1′與3-3′的安全系數(shù)分別為1.52 和1.63，安全系數(shù)大于1，故用鋼筋石籠加固后邊坡穩(wěn)定。搜尋結(jié)果顯示該邊坡的臨界滑動面為折線，對比常規(guī)穩(wěn)定性評價方法，所得安全系數(shù)有所不同，對于龍橋排土場這種復(fù)雜地質(zhì)來說應(yīng)用邊坡臨界滑動場法得到的結(jié)果更為貼合實際。

4 結(jié) 語

以龍橋排土場為實例，分析了稀濕廢石土的堆積方法，所得結(jié)論如下：①鋼筋石籠加固下的稀濕廢石土邊坡抗傾覆安全系數(shù)滿足要求；②運用邊坡臨界滑動理論、GEO-Slope 軟件及Mathematica 軟件對用鋼筋石籠加固后的稀濕廢石土邊坡進(jìn)行了臨界滑動面搜尋及邊坡臨界滑動場分析，確定了邊坡安全系數(shù)與最危險臨界滑動面，得出使用鋼筋石籠加固法的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。