基坑對某礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響及加固方案

莫建軍

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西 南昌 330000）

由于礦區(qū)基坑塌陷造成的邊坡失穩(wěn)事故已屢見不鮮，根據(jù)礦山工程不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，超過半數(shù)的礦山工程邊坡失穩(wěn)安全事故，均是由于基坑支護(hù)力度不足、基坑穩(wěn)固程度不足所造成的。為了解決與此方面相關(guān)的問題，礦山工程施工單位提出了多種邊坡穩(wěn)定加固處理方案，但大部分方案在實施過程中，未能全面考慮到鄰近基坑結(jié)構(gòu)對邊坡穩(wěn)定性造成的影響，導(dǎo)致加固后的工程實施效果未能達(dá)到理想效果[1]。因此，本文將以某礦區(qū)為例，開展基坑對礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性影響的分析，結(jié)合礦區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固程度，制定對應(yīng)的加固方案，以此種方式，降低由于邊坡失穩(wěn)造成的礦山工程安全事故，提高礦山工程在實施過程中的經(jīng)濟收益。

1 基坑對某礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響及加固方案

1.1 基坑對某礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

為了確保建設(shè)的邊坡加固工程可以達(dá)到既定效果，應(yīng)當(dāng)在開展相關(guān)研究前，開展基坑對邊坡穩(wěn)定性影響的分析。綜合勘查礦區(qū)的地層結(jié)構(gòu)可知，大部分礦區(qū)的上部土層與下部風(fēng)化層的土質(zhì)結(jié)構(gòu)存在分界差異。因此，可通過邊坡穩(wěn)定系數(shù)計算的方式，對邊坡鄰近的基坑強度拆減彈性進(jìn)行有限元分析，此種分析方法又被稱之為SRM計算法，主要是指將基坑自身強度與邊坡彈塑性系數(shù)進(jìn)行有限元整合，并基于結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，進(jìn)行邊坡強度折減效應(yīng)的分析，當(dāng)強度折減效應(yīng)超出其既定強度范圍時，邊坡將發(fā)生位移，從而出現(xiàn)邊坡結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的問題出現(xiàn)[2]。在計算過程中，可將礦區(qū)基坑的應(yīng)變場作為參照評價指標(biāo)，根據(jù)潛在的危險因素發(fā)展趨勢，進(jìn)行邊坡極限狀態(tài)與平衡狀態(tài)的分析，根據(jù)兩種狀態(tài)的變化趨向，掌握邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定能力及其在基坑應(yīng)力場作用下的折減能力。

在常規(guī)的有限元計算中，可先進(jìn)行基坑內(nèi)剪力點的選擇，假設(shè)基坑內(nèi)某個邊坡對應(yīng)的應(yīng)力與剪力參數(shù)表示為R與S，參照標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則，可進(jìn)行礦區(qū)邊坡安全性系數(shù)的計算。計算公式如下：

公式（1）中：F表示為礦區(qū)邊坡安全性系數(shù)；τ表示為邊坡強度指標(biāo)；j表示為對應(yīng)邊坡區(qū)域；c表示為基坑折減系數(shù)，通常該系數(shù)表示為常數(shù)；R表示為邊坡應(yīng)力參數(shù)；S表示為邊坡剪力參數(shù)；σ表示為基坑穩(wěn)定系數(shù)；?表示為基坑內(nèi)邊傾斜角度。綜合上述計算公式可知，礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性與c、R、S、等參數(shù)具有直接關(guān)系，綜合對計算公式的分析可知，c值越高，即基坑折減系數(shù)越高，礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性越強，按照此種方式可以推斷得出其他參數(shù)與邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性之間的關(guān)系，以此完成基坑對某礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響分析。

1.2 基于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)的邊坡加固材料選擇

為了降低基坑對礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響，需要根據(jù)計算得到的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)，進(jìn)行對應(yīng)邊坡加固材料的選擇。

例如，在進(jìn)行穩(wěn)定性系數(shù)在0.8～1.0范圍內(nèi)的邊坡加固處理時，可選擇由澳大利亞生產(chǎn)的ISS25000固化劑作為加固材料。此種材料可溶于水，在使用過程中，按照1.0:300.0的比例進(jìn)行設(shè)計[3]。此種加固材料的本質(zhì)是一種離子交換試劑，在邊坡結(jié)構(gòu)中主要起到預(yù)防開裂或偏移的作用。

在進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)在0.8～0.4范圍內(nèi)的邊坡加固處理時，可選擇石灰作為加固試劑，石灰中的CaO、MgO均可以起到加固與穩(wěn)定的作用。此種材料適用于穩(wěn)定性適中的邊坡結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行穩(wěn)定系數(shù)<0.4的邊坡加固處理時，可直接選擇等級強度為32.5的硅酸鹽水泥作為加固試劑。此種材料與邊坡支護(hù)施工材料的性能相同，在水泥完成凝結(jié)處理后，具有較高的抗壓強度與彎折強度，適用于穩(wěn)定性較差的邊坡結(jié)構(gòu)。

1.3 架設(shè)礦區(qū)邊坡預(yù)應(yīng)力地錨結(jié)構(gòu)

架設(shè)礦區(qū)邊坡預(yù)應(yīng)力地錨結(jié)構(gòu)屬于支護(hù)施工的一種，當(dāng)?shù)劐^被固定在巖土層時，結(jié)構(gòu)中的張性構(gòu)件可以起到穩(wěn)固土體結(jié)構(gòu)的作用。可以在施工過程中，將此結(jié)構(gòu)作為一種剪力體結(jié)構(gòu)，其特點是可以在承載基坑偏移負(fù)載過程中，實現(xiàn)對負(fù)載作用力的移動[4，5]。通常情況下，為了滿足工程施工需求，會選擇地錨群作為結(jié)構(gòu)的支撐，在其支護(hù)在地下結(jié)構(gòu)中時，無論任何形式的基坑斷面產(chǎn)生的附加作用力均會被拓展到承載結(jié)構(gòu)之外，通過此種方式，便可以實現(xiàn)對邊坡應(yīng)力場的恢復(fù)。

在使用地錨結(jié)構(gòu)對礦區(qū)邊坡進(jìn)行加固處理時，應(yīng)當(dāng)注意地錨體的方向與邊坡坡面呈現(xiàn)一種垂直結(jié)構(gòu)。并且在施工過程中，應(yīng)綜合考慮邊坡承載面、斷面等結(jié)構(gòu)面的尺寸、形態(tài)與彈性系數(shù)，在有需求的情況下，應(yīng)當(dāng)結(jié)合附加應(yīng)力產(chǎn)生的擴散效應(yīng)，選擇高強度的鋼筋結(jié)構(gòu)作為承載的主體結(jié)構(gòu)，確保當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生作用力轉(zhuǎn)移時，其他結(jié)構(gòu)位置的受力保持均勻[6]。以此種方式，實現(xiàn)對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的提升，從而達(dá)到邊坡加固的目的。

2 加固方案實施效果分析

按照上述內(nèi)容分析，完成對加固方案的理論設(shè)計后，為了驗證該加固方案的可行性與可靠性，應(yīng)選擇以某礦區(qū)作為依托，已知該礦床區(qū)域內(nèi)地貌結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含剝蝕、丘陵、溝谷、斜坡地等多種類型，地面高程在83.52m～118.23m范圍內(nèi)不等。表1為該礦區(qū)各個地層結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計表。

表1 礦區(qū)各個地層結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計表

在上述各個地層結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上，按照本文上述思路明確基坑對該礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響，并通過對加固材料的選擇和對地貌結(jié)構(gòu)的架設(shè)，實現(xiàn)對邊坡加固處理。為了驗證加固后邊坡的穩(wěn)定性，在該邊坡結(jié)構(gòu)上設(shè)置五個監(jiān)測點，各個監(jiān)測點的布置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 邊坡結(jié)構(gòu)上五個監(jiān)測點布置示意圖

按照圖1中布置方式完成對五個監(jiān)測點的布置，并在每個監(jiān)測點上設(shè)置一個位移傳感器。利用位移傳感器對邊坡產(chǎn)生位移時的增量進(jìn)行記錄，并將記錄結(jié)果統(tǒng)計繪制成如圖2所示的加固結(jié)果示意圖。

圖2 本文加固方案實施效果圖

從圖2得出的本文加固方案實施結(jié)果可以看出，按照本文加固方案對該邊坡進(jìn)行加固后，五個監(jiān)測點上的位移增量均未超過±1.0mm，而該邊坡結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)增量上限為+2.0mm，失穩(wěn)增量下限為-2.0mm。通過對比可知，本文加固后的邊坡位移增量均在穩(wěn)定控制范圍以內(nèi)，說明該邊坡完成加固后具有良好的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，通過上述結(jié)果進(jìn)一步證明，本文提出的加固方案在應(yīng)用中能夠有效提升邊坡穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文通過分析基坑對某礦區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響，采用選擇邊坡加固材料、架設(shè)礦區(qū)邊坡預(yù)應(yīng)力地錨結(jié)構(gòu)等方式，完成邊坡結(jié)構(gòu)加固方案的設(shè)計。并在完成設(shè)計后，通過實例應(yīng)用的方式，證明了本文提出的加固方案在應(yīng)用中能夠有效提升邊坡穩(wěn)定性。因此，可在后期的研究中，將本文設(shè)計的方法投入使用，以此種方式，提升礦區(qū)邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低由于邊坡失穩(wěn)造成的礦區(qū)安全事故。