軟基底高排土場(chǎng)的基底承載力

摘要】基底承載力不足是導(dǎo)致軟基底高排上場(chǎng)整體失穩(wěn)的內(nèi)在因素。根據(jù)地基極限承載力理論，提出了以基底承載力評(píng)價(jià)軟基底高排土場(chǎng)穩(wěn)定性的新方法。結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)平朔安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)滑坡特征進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)基底承載力的驗(yàn)算，表明那次滑坡是因?yàn)榛淄翆映休d力不足而造成的。

【關(guān)鍵詞】軟基底;排土場(chǎng);穩(wěn)定性;承載力

【中圖分類號(hào)】TU431

AnalysisoftheBearingCapacityofSoftFoundation

inHighEarth—DisposingSite

【Abstract】TheInsufficiencyoffoundationbearingcapacityistheinternalfactorwhichresultsinlosingstabilitytohighearth-disposingsitewithsoft-foundation.Accordingtothetheoriesoffoundationultimatebearingcapacity,anewmethodofevaluatingitsstabilitybythefoundationbearingcapacityisputforward.

【Keywords】soft-foundation；earth-disposingsite；stability；bearingcapacity

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引言

露天排土是露天采礦整個(gè)工藝過(guò)程的一個(gè)基本環(huán)節(jié)，剝離和采礦均取決于該項(xiàng)工作的穩(wěn)定性和節(jié)奏性。在實(shí)際工作中，排土場(chǎng)在許多情況下都伴隨有滑坡現(xiàn)象，排土場(chǎng)穩(wěn)定性問(wèn)題日益引起關(guān)注，目前許多科研單位從事排土場(chǎng)穩(wěn)定性研究。以往的研究中，研究人員和工程技術(shù)人員往往從邊坡穩(wěn)定角度對(duì)其進(jìn)行分析和計(jì)算，評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。但對(duì)決定排土場(chǎng)整體穩(wěn)定的基底承載力研究較少，而基底承載力恰恰是影響排土場(chǎng)整體穩(wěn)定的內(nèi)在因素。

作者通過(guò)對(duì)平朔安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)滑坡的勘察和對(duì)平朔安家?guī)X露天煤礦外排土場(chǎng)的邊坡勘察及設(shè)計(jì)，對(duì)軟基底高排土場(chǎng)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行了深入研究。本文根據(jù)地基極限承載力理論，提出了軟基底高排土場(chǎng)基底承載力的分析方法，并對(duì)因基底承載力不足而引起的滑坡特征進(jìn)行分析，指出軟基底高排土場(chǎng)基底承載力是影響軟墓底高排土場(chǎng)整體穩(wěn)定的決定因素。

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軟基底高排土場(chǎng)含義及其整體失穩(wěn)特征

顧名思義，軟基底高排土場(chǎng)足指基底土層較軟弱的高大排土場(chǎng)，基底土層一般由粘性土、粉土或松散的砂性土構(gòu)成，排棄高度一般為30.00m～150.00m。

基底土層在超高的排土體荷載作用下，產(chǎn)生很大的壓縮變形，直至被側(cè)向擠出，形成波狀隆起，從而導(dǎo)致軟基底高排土場(chǎng)的整體失穩(wěn)?；淄翆拥暮穸群徒Y(jié)構(gòu)，對(duì)排土場(chǎng)的穩(wěn)定性和邊坡變形規(guī)模有重大影響。

軟基底高排土場(chǎng)整體失穩(wěn)的顯著特征：在變形的初期，排土場(chǎng)下沉、排土場(chǎng)前方存在縱向的強(qiáng)烈擠壓區(qū)，表現(xiàn)為土層隆起、地面山現(xiàn)裂縫、小斷層和微凸起；當(dāng)產(chǎn)生明顯滑坡后，在滑坡體后緣往往存在深度巨大的張拉裂隙：主張拉裂隙出現(xiàn)寬度(最大張拉裂隙與坡肩的水平距離)巨大。

一個(gè)典型的例子，為前蘇聯(lián)茲拉圖烏斯特一別洛大斯克露天銅礦的矸石排土場(chǎng)，其排棄高度為35.00～40.00m，基底為厚度超過(guò)30.00m的軟粘土。從1971年起開始變形，曾經(jīng)發(fā)生了長(zhǎng)1400m的滑坡現(xiàn)象，在一年半時(shí)間內(nèi)，排土場(chǎng)個(gè)別地段已下沉15m。

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基底承載力分析方法

在上覆排棄物料的荷載作用下，排土場(chǎng)地基應(yīng)滿足以下穩(wěn)定條件，否則基底內(nèi)部將出現(xiàn)破壞，引起基底土層整體剪切破壞并導(dǎo)致排土場(chǎng)整體失穩(wěn)。排土場(chǎng)整體穩(wěn)定應(yīng)滿足以下條件：目前，尚無(wú)適合于軟基底高排土場(chǎng)整體穩(wěn)定的承載力計(jì)算方法，在此，引用太沙基(Terzaghi)關(guān)于土體整體剪切破壞的極限承載力理論和薩卡洛夫斯基的松散介質(zhì)靜力學(xué)理論，進(jìn)行極限承載力的分析計(jì)算。

1)基底土層極限承載力計(jì)算方法

我國(guó)基礎(chǔ)工程規(guī)范中規(guī)定，應(yīng)用太沙基計(jì)算式時(shí)，基礎(chǔ)寬度B>6m時(shí)，只能取B=6m：B<3m時(shí)應(yīng)取B=3m。相對(duì)于高大排土場(chǎng)的上覆荷載而言，式3中第三項(xiàng)數(shù)值很小。另外Φ趨近于0時(shí)，Nγ也趨近于0，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算[2]，舍棄第三項(xiàng)。

得出軟基底高排土場(chǎng)整體穩(wěn)定的承載力計(jì)算公式：

2)薩卡洛夫斯基的松散介質(zhì)靜力學(xué)理論

薩卡洛夫斯基的松散介質(zhì)靜力學(xué)理論是關(guān)于松散介質(zhì)的極限平衡理論，更接近于排土場(chǎng)的條件。當(dāng)基底為水平、外部作用荷載垂直于地面時(shí)，地基極限平衡模式如圖2所示，最大壓力與地基土處于極限平衡狀態(tài)時(shí)的函數(shù)關(guān)系為：

以上介紹的計(jì)算方法所依據(jù)的理論基礎(chǔ)是相同的。我們用式(4)計(jì)算地基極限承載力，而利用式(6)來(lái)檢驗(yàn)主荷載和壓底荷載的平衡關(guān)系。3工程實(shí)例

3.1平朔安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)及基底土層概況

平朔安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)排棄高度達(dá)到135.00m(標(biāo)高+1315.00m～+1450.00m)，邊坡角度為19゜～21゜。采用154t重型卡車運(yùn)輸和重型推土機(jī)排土。排棄物料為巖石和表層黃土的混合物，含有少量煤矸石。平朔安太堡露天煤礦為特大型企業(yè)，其開采強(qiáng)度很大，所以排土場(chǎng)的水平推進(jìn)速度和高度增長(zhǎng)速度也是很大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，排土場(chǎng)年平均抬高速度達(dá)2l.00m，但是此排土場(chǎng)，由1430.00平盤抬高到1450.00平盤僅僅用了3個(gè)月時(shí)間。

排土場(chǎng)基底為馬蘭黃土，厚度約3.00m～30.00m，其下為粉質(zhì)粘土與紅色粘上互層，厚度約8.00m～25.00m，再下為二迭系砂巖、砂頁(yè)巖和泥巖等組成。

3.2平朔安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)滑坡概況

平朔安太堡露天煤礦南排土場(chǎng)位于該礦工業(yè)廣場(chǎng)南側(cè)。1991年10月29日零時(shí)5分，排土場(chǎng)靠工業(yè)廣場(chǎng)一側(cè)發(fā)生大規(guī)?；隆；麦w覆蓋范圍走向長(zhǎng)1050.00m～1095.00m，寬度420.00m，高差135.00m(1450.00～1315.00水平)，滑坡體積約1132萬(wàn)m3，滑舌長(zhǎng)達(dá)200.00m，滑坡體前的地基土層被擠壓而隆起。而且其滑坡速度很快，劇烈滑動(dòng)時(shí)間僅為20s～30s。滑坡體沖向排土場(chǎng)坡角處的工業(yè)廣場(chǎng)，破壞了平魯公路約730.00m，埋沒(méi)了礦大門守衛(wèi)室，洗車間，排水溝440.00滑坡體在1450.00平盤上的長(zhǎng)度近500.00m，張裂隙邊緣呈圓弧形，直徑為480.00m滑坡后的幾天內(nèi)在1450.00平盤上還留有3條連續(xù)的張裂隙帶。在三個(gè)勘察剖面中，2#剖面居滑坡體中心部位，并垂直于張裂隙，是一個(gè)最具代表性的剖面。見圖4。

排土場(chǎng)滑坡后，對(duì)出現(xiàn)的張裂隙深度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果為73m，由于測(cè)量點(diǎn)B為可及點(diǎn)，裂隙底部的B’為測(cè)量時(shí)的不可及點(diǎn)，所以實(shí)際的張裂隙深度要大于73m。三個(gè)剖面上張裂隙出現(xiàn)的距離分別為52，100，54m。第二剖面的100m最具有代表性，是外力最集中的部位。

3.4由排土場(chǎng)巖土條件和滑坡特征形成的幾個(gè)基本概念

1）高達(dá)125m的排棄高度和含水接近飽和的黃土與紅粘土的基底構(gòu)成了軟基底高排土場(chǎng)。

2）邊坡高度為125m、總體邊坡角僅為19゜～21゜的滑坡體而言，其具有的深達(dá)73m(僅為可測(cè)部分)的垂直張裂隙和達(dá)l00.00m的張裂隙出現(xiàn)寬度，都是一般滑坡所不可能出現(xiàn)的。

3）從鉆孔揭示的結(jié)果看，滑坡發(fā)生在基底土層內(nèi)?；总浫鯇訛轱柡蜖顟B(tài)互層的粉質(zhì)粘土、粘土。

本滑坡體的特征，與地基土層承載力不足造成土體整體失穩(wěn)的理論和實(shí)踐是一致的。

3.5基底土層承載力驗(yàn)算

以最具代表性的2#剖面為例，采取自然狀態(tài)、飽和狀態(tài)和一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)下的土層物理力學(xué)指標(biāo)c、Φ值進(jìn)行驗(yàn)算。2#剖面處的排棄高度H=125m，壓底平盤的段高為h1=20m，排棄物料的容重γ為19.0KN／m3，計(jì)算壓底荷載為380kPa，主荷載為q=2375kPa。土層物理力學(xué)指標(biāo)c、Φ值分別根據(jù)原勘察報(bào)告和滑坡后勘察所得的土層殘余強(qiáng)度指標(biāo)選取。計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表1。

地基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中內(nèi)摩擦角中對(duì)其承載力影響最大，直接關(guān)系排土場(chǎng)的整體穩(wěn)定，而對(duì)內(nèi)摩擦角Φ進(jìn)行敏感性分析。地基承載力儲(chǔ)備系數(shù)fs與內(nèi)摩擦角Φ的函數(shù)關(guān)系見圖5。這座排上場(chǎng)為永久性的，因此設(shè)計(jì)時(shí)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不應(yīng)低于1.25，驗(yàn)算結(jié)果簡(jiǎn)述如下：

1)持力層在自然狀態(tài)下，對(duì)高度為125m的排土場(chǎng)可以有1.27的安全儲(chǔ)備系數(shù)，邊坡是穩(wěn)定的。

2)持力層受水浸潤(rùn)后，內(nèi)摩擦角降低到18.2o時(shí)，排土場(chǎng)處于極限平衡狀態(tài)。當(dāng)土層內(nèi)摩擦角降低到

18.2o以下時(shí)，基底承載力不足，將引起排土場(chǎng)的整體失穩(wěn)。當(dāng)安全儲(chǔ)備系數(shù)為0.80～0.90時(shí)，必然會(huì)發(fā)生滑坡，經(jīng)過(guò)驗(yàn)算，此時(shí)土層的內(nèi)摩擦角值應(yīng)為15o～16o。

由計(jì)算結(jié)果還可看出，當(dāng)?shù)鼗羶?nèi)摩擦角降低到8.7o時(shí)(滑動(dòng)中土層的殘余抗剪強(qiáng)度指標(biāo))，安全儲(chǔ)備系數(shù)僅為0.45，這說(shuō)明南排土場(chǎng)滑坡速度必然是驚人的，實(shí)踐印證了這一點(diǎn)。

3.6排土場(chǎng)壓底荷載驗(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)滑坡特征得出，造成滑坡的主荷載寬度為a=100m；壓底荷載寬度根據(jù)滑坡前的原始邊坡形狀，確定為235m(壓角荷載寬度b為邊坡坡肩至邊坡線上垂直荷載等于2375kpa的點(diǎn)之間水平距離)。

下面驗(yàn)算邊坡失穩(wěn)時(shí)的土層內(nèi)摩擦角值。邊坡失穩(wěn)時(shí)，主荷載與壓底荷載應(yīng)處于極限平衡狀態(tài)。根據(jù)式(6)計(jì)算出Φ=18.2o，與地基極限承載力的驗(yàn)算結(jié)果吻合。驗(yàn)算表明：當(dāng)排土場(chǎng)處于滑動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，基底土層的平均內(nèi)摩擦角應(yīng)為18.2o。當(dāng)土層的平均內(nèi)摩擦角低于18.2o時(shí)，壓底荷載寬度已經(jīng)不能平衡所承受的壓力而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

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結(jié)論

1）本文論述了進(jìn)行基底承載力評(píng)價(jià)的重要性和必要性，提出了以基底承載力評(píng)價(jià)軟基底高排土場(chǎng)穩(wěn)定性的新方法。此方法不但具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摳鶕?jù)，而且通過(guò)大量工程實(shí)踐