孫世國(guó)，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(tuán)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(diǎn)研究方向，也是難點(diǎn)問題所在[1]。在分析排土場(chǎng)穩(wěn)定性時(shí)，學(xué)者們常采用邊坡安全系數(shù)作為邊坡穩(wěn)定性的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[2]。目前國(guó)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(jiǎn)布（Janbu）法等，但根據(jù)研究對(duì)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(dòng)場(chǎng)法進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性分析[3]。

排土場(chǎng)作為露天礦的主要配套設(shè)施在整個(gè)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(chǎng)為小龍?zhí)恫颊訅温短觳傻V場(chǎng)排棄物所堆積的場(chǎng)地，為人工堆排的高邊坡排土場(chǎng)，排土場(chǎng)內(nèi)地質(zhì)條件復(fù)雜，時(shí)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(huì)造成大量的人力和財(cái)力損失，而且對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)社會(huì)產(chǎn)生了嚴(yán)重的阻礙。為此，對(duì)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(chǎng)可正常生產(chǎn)運(yùn)行，同時(shí)保證排土場(chǎng)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(chǎng)，其地理位置位于我國(guó)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(chǎng)距離1 km 左右，屬低山中寬谷長(zhǎng)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(chǎng)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(diǎn)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)。灰?guī)r層狀中厚，顏色大多呈灰、深灰色，抗壓強(qiáng)度大，韌性低，中等弱風(fēng)化，溶（裂）隙發(fā)育，淺部有高強(qiáng)度的層狀破碎結(jié)構(gòu)。

根據(jù)排土場(chǎng)邊坡工程施工地質(zhì)情況，選取3 個(gè)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(chǎng)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(yùn)輸過程中形成能流動(dòng)的黏稠物料。由于稀濕廢石土形成主要是因?yàn)椴蓤?chǎng)剝離表土的含水率大，且剝離物粒徑較小，親水性強(qiáng)；排棄物經(jīng)過挖掘、轉(zhuǎn)載及帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，對(duì)排棄物料形成撞擊和振動(dòng)，從而使得排棄物料液化，產(chǎn)生稀濕廢石土。此外振動(dòng)強(qiáng)度越大，振動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，飽水砂土越易液化。在排棄過程中會(huì)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(chǎng)建設(shè)及穩(wěn)定性，或威脅下部場(chǎng)地、設(shè)備、建筑物的安全。

稀濕廢石土因自身強(qiáng)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(duì)以上特點(diǎn)，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(qiáng)度鋼筋所制作成長(zhǎng)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(jì)和施工中，有時(shí)根據(jù)實(shí)際情況會(huì)在擋墻底部澆筑混凝土支座，可用來增強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)要滑動(dòng)時(shí)，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(shí)，錨定板會(huì)對(duì)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(huì)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(duì)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(huì)順著石縫向下流動(dòng)，不會(huì)應(yīng)塑性太大，而產(chǎn)生排棄物料的滑坡。在運(yùn)用臨界滑動(dòng)場(chǎng)法對(duì)排棄物稀濕廢石土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，可將稀濕廢石土與鋼筋石籠看做一個(gè)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(jì)及擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

每個(gè)鋼筋石籠的尺寸為2 m×1.0 m×1.0 m（長(zhǎng)×寬×高），由直徑為12 mm 的鋼筋焊接編制而成，鋼筋石籠分層錯(cuò)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(qiáng)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(yàn)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(dòng)土壓力在豎直方向的分量，kN/m；Eax為主動(dòng)土壓力在水平方向的分量，kN/m；zf為土壓力作用點(diǎn)與墻趾的高差，m；xf為土壓力作用點(diǎn)與墻趾的水平距離，m。

根據(jù)庫(kù)倫土壓力理論主動(dòng)土壓力Ea為：

式中：ψc為主動(dòng)力土壓力系數(shù)；Ka為主動(dòng)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(kù)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(yàn)算。α＝75°，β＝0°，故根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(dòng)場(chǎng)法技術(shù)原理

2.1 邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的比較

在分析邊坡穩(wěn)定性時(shí)常用的極限平衡方法有瑞典條分法、畢肖普（Bishop）法和簡(jiǎn)布（Janbu）法等[6]。在運(yùn)用瑞典條分法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)需假設(shè)邊坡滑動(dòng)面是一圓弧面，不考慮剛體平動(dòng)的2 個(gè)靜力平衡條件，通過計(jì)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(jì)算時(shí)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(dòng)面是圓弧面的邊坡，而且此方法計(jì)算瑣碎，故不適用于實(shí)際工程[7]；簡(jiǎn)布法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)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(shí)不收斂問題更加突出[7]。對(duì)比上述所說穩(wěn)定性計(jì)算方法，臨界滑動(dòng)場(chǎng)法可以準(zhǔn)確快速地追蹤出任意邊坡形狀的滑動(dòng)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(dòng)場(chǎng)法基本理論

CSF（Critical Slip Field）理論，即臨界滑動(dòng)場(chǎng)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(jì)算方法。

在設(shè)定的任意一邊坡安全系數(shù)下[11]，若計(jì)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(shí)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(shí)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(shí)際安全系數(shù)。若是在某一安全系數(shù)下，同時(shí)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(shí)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(xiǎn)滑動(dòng)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(shí)危險(xiǎn)滑動(dòng)面所構(gòu)成的危險(xiǎn)滑動(dòng)場(chǎng)就稱之為邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)，即CSF[12]。

綜上，其核心思想是：①在設(shè)定1 個(gè)任意安全系數(shù)Fs的條件下，求出各個(gè)離散狀態(tài)點(diǎn)危險(xiǎn)滑動(dòng)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(dòng)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(xiǎn)滑動(dòng)面就是臨界狀態(tài)下的危險(xiǎn)滑動(dòng)方向[13]，進(jìn)而可得邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)。邊坡滑動(dòng)場(chǎng)圖如圖4。

圖4 邊坡滑動(dòng)場(chǎng)圖Fig.4 Slip field of slope

3 稀濕廢石土堆排高邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 臨界滑動(dòng)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(dòng)面搜索流程如下：

1）初設(shè)1 個(gè)安全系數(shù)Fs，計(jì)算此安全系數(shù)后下的所有滑動(dòng)面的極大剩余推力pmax，并確定邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)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(xiǎn)滑動(dòng)方向（正負(fù)性），改變Fs的大小得另1 個(gè)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(dòng)方向，此時(shí)假設(shè)的邊坡安全系數(shù)即為邊坡實(shí)際的安全系數(shù)，其所對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)滑動(dòng)場(chǎng)即為最終的臨界滑動(dòng)場(chǎng)。

3.2 稀濕廢石土堆排高邊坡穩(wěn)定性分析

按照臨界滑動(dòng)場(chǎng)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(shí)所對(duì)應(yīng)的邊坡危險(xiǎn)滑動(dòng)面，即為邊坡實(shí)際臨界滑動(dòng)面。2-2′剖面邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)圖（Fs=1.50）如圖5。

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

運(yùn)用Geo-Slope 軟件計(jì)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(jì)算安全系數(shù)的比較見表2。

表2 各種方法計(jì)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(dòng)場(chǎng)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(dòng)面為折線，對(duì)比常規(guī)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，所得安全系數(shù)有所不同，對(duì)于龍橋排土場(chǎng)這種復(fù)雜地質(zhì)來說應(yīng)用邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)法得到的結(jié)果更為貼合實(shí)際。

4 結(jié) 語(yǔ)

以龍橋排土場(chǎng)為實(shí)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(yùn)用邊坡臨界滑動(dòng)理論、GEO-Slope 軟件及Mathematica 軟件對(duì)用鋼筋石籠加固后的稀濕廢石土邊坡進(jìn)行了臨界滑動(dòng)面搜尋及邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)分析，確定了邊坡安全系數(shù)與最危險(xiǎn)臨界滑動(dòng)面，得出使用鋼筋石籠加固法的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。