CN111455972A - 一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，采用碎石桩竖向－水平固结排水系统、分层堆载预压和反压系统对深厚软基进行综合处理，所述的碎石桩竖向－水平固结排水系统是由碎石桩(3)、土工布(2)、碎石垫层(1)共同构成；所述的分层堆载预压和反压系统位于深厚软基碎石桩竖向－水平固结排水系统的上部，采用大块石、砾石和/或碎石物料进行分级堆压加载。本发明方法解决了在排土场坡脚处深厚软基处进行排土存在的排土场底鼓失稳技术难题，能够有效利用排土场下游冲刷的软基区域的空间，可大幅度提高排土场的排土容积，能够显著提高整体排土场的稳定性，并为排土场的扩容提供了必要的前提条件。

Description

一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法

技术领域

本发明属于排土场安全处置技术领域，具体涉及一种排土场深厚软基的处理方法，特别适合于在排土场坡脚积留较厚的雨水冲积物，易造成排土场坡脚底鼓失稳破坏的安全治理，可有效加快坡脚深厚软基处的固结，并提高深厚软基的地基承载力和强度指标。

背景技术

排土场是由矿山剥离的表层土和岩石组成的巨型人工松散堆积体，极易形成滑坡、泥石流等地质灾害。随着露天矿山进一步剥离开采，越来越多的废石土需要通过排土场堆排，容易衍生出一系列工程地质问题，甚至给下游居民人身财产安全带来严重威胁。特别是在极端天气下，排土场坡脚往往被雨水冲刷，从而堆积较厚的饱和泥沙等细颗粒物料，对后期排土场坡脚排土造成了严重的安全隐患，近年来多起排土场滑坡事故因软基问题而引发。因此，对排土场坡脚软弱基础的地基进行处理，是保证排土场安全的重要工程措施。

排土场坡脚基础层是影响其整体稳定性的关键部位。目前排坡脚存在饱和软基的排土场很多，通常的方法采用清理底部软基换填的方式进行排土，或是直接采用在软基上部堆载块石物料进行挤淤。但针对坡脚有深厚软基的排土场，采用清理软基的方法不太现实，一方面清理量较大、清基难度大的问题，另一方面清基过程中会存在局部垮塌、设备沉陷等较大的安全风险。直接在软基上部堆载块石物料挤淤的方式进行处理，其软基内部缺少有效排水通道，饱和软基的内的孔隙水压力很难固结，即使能达到理想的固结效果也需要很长的年限，同时也极易产生处理过程中设备在软基内部底鼓滑动的风险。

目前针对排土场坡脚处深厚软基处排土，防止排土场坡脚底鼓失稳一直是难以有效解决的难题。排土场坡脚深厚软基处排土防止排土场坡脚底鼓失稳有两大难点：一是深厚软基地基承载力差，力学指标低；二是深厚软基内饱和孔隙水压力较大、物料颗粒细自身难以固结、固结时间较长。因此在排土场坡脚处深厚软基处排土，防止排土场坡脚底鼓失稳一直是一大难题。

为了解决排土场存在的软土地基问题，中文期刊《有色金属》(矿山部分)2018年第5期发表了“水泥固化土在排土场边坡软基治理中的应用”的学术论文，该论文对于排土场因暴雨冲刷形成的坡脚饱和细粒软土，采用低扰动的水泥搅拌法进行原位固化治理；针对排土场坡脚软基问题，采取“顶部减载+临时降水+软土固化+排土压坡”方案进行综合治理。但研究表明，采用水泥固化土在排土场边坡软基治理的方法，不适合对排土场具有深厚软基及在排土场坡脚积留较厚的雨水冲积物的处理。

发明内容

本发明的目的就就是为了解决在排土场坡脚处深厚软基处进行排土存在的排土场底鼓失稳技术难题，而提供一种软基地基固结强度大、排水固结效果好的防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法。

为实现本发明的上述目的，本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法采用以下技术方案：

本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，采用碎石桩竖向－水平固结排水系统、分层堆载预压和反压系统对深厚软基进行综合处理：

1)碎石桩竖向－水平固结排水系统的施工

所述的碎石桩竖向－水平固结排水系统是由碎石桩、土工布、碎石垫层共同构成，并按照以下步骤实施：

①在排土场坡脚深厚软基处按照设计计算的间距、深度施工碎石桩，所述碎石桩采用采用机械成孔，孔内充填碎石；

②在施有碎石桩的排土场坡脚深厚软基处的上部铺设土工布，土工布边缘应超过所处理区域的软基边缘，一般应超过所处理区域的软基边缘0.8m，以超过1.0m为优；

③在土工布的上部铺设碎石垫层，碎石垫层的厚度在50～120cm范围。

碎石桩主要起到增加软基内部排水通道和减少排水固结时间的作用，碎石桩上部铺设土工布和碎石垫层，起到水平排水作用。

2)分层堆载预压和反压系统的施工

所述的分层堆载预压和反压系统位于深厚软基碎石桩竖向－水平固结排水系统的上部，采用大块石、砾石和/或碎石物料进行分级堆压加载，并按照以下步骤实施：

①第1级堆载物料采用大块石进行堆载，加载高度为4～7m，以4～6m为佳，其坡面的坡角按照大块石的自然安息角1:(1.3～1.6)的坡度进行放坡，一般选用1:1.5；采用大块石堆载，可以防止堆载速度过快导致底部软基承载力不足。

②第2级堆载物料采用砾石和/或碎石进行堆载，加载高度为h₂，第2级加载物料的放坡边缘距第1级堆载物料坡顶边缘向内收10～15m开始起坡堆载，其坡面的坡角按照砾石和/或碎石的自然安息角1:(1.3～1.6)的坡度进行放坡，一般选用1:1.5；在第2级堆载物料靠近坡外边缘位置内铺设土多层土工格栅，相邻层的土工格栅之间的垂直间距为1.8～2.4m，一般为2m；土工格栅平铺至内侧15～25m，以20m为优，起到加固坡面边缘坡体沉降的稳定性作用。

③第3～n级堆载物料分别采用砾石和/或碎石进行堆载，每级的加载高度分别为h₃、……h_n，每级堆载物料的放坡边缘距上一级堆载物料坡顶边缘向内收10～15m开始起坡堆载，每级的坡面的坡角按照该级堆载的砾石和/或碎石的自然安息角1:(1.3～1.6)的坡度进行放坡，一般采用1:1.5；在每级堆载物料靠近坡外边缘位置内铺设土多层土工格栅，相邻层的土工格栅之间的垂直间距为1.8～2.4m，一般为2m，土工格栅平铺至内侧15～25m；

④后一级加载高度较前一级加载高度将逐渐增加，即h1<h2<…<hn，最终通过软基固结强度和排土场总体稳定性计算确定总的加载总高度h。

分层堆载预压和反压系统起到的主要作用：一方面对底部的软基进行加压，加快底部饱和软基内部孔隙水压力的消散达到排水固结的作用，另一方面为排土场坡脚起到反压稳固坡脚的作用。

进一步地，在碎石桩内充填的碎石，其碎石粒径为20mm～50mm的粒级范围≥95％，碎石桩深度H在10m～20m范围；在土工布上部铺设的碎石垫层，其碎石粒径为50～100mm的粒级范围≥92％，碎石软化系数不小于0.75，含泥量不大于5％；所述的碎石桩(3)的直径为375～450mm，工程上一般采用400mm；所述的土工布边缘超过所处理区域的软基边缘1.0m为佳。

进一步地，第1级堆载物料采用大块石(4)的直径为50～100cm的粒级范围≥50％；第2级堆载物料加载的高度h₂为8～12m；第2、……n级堆载物料采用砾石和/或碎石(5)的直径为20～80cm的粒级范围≥50％。

碎石桩采用正方形布置，碎石桩间距按照如下公式进行计算：

式中，d_e—碎石桩的有效排水圆柱体直径，mm；l—碎石桩间距，mm。

所述第1级堆载物料容许施加的荷载p₁按照如下公式进行估算确定：

p₁＝5.52c_u/K (2)

式中：c_u－软基不排水抗剪强度，kpa；K－安全系数，取1.1～1.5；p₁—容许荷载，kpa。

所述的分层堆载预压和反压系统中，分级堆压加载的级数一般为3～6级。

分层堆载预压和反压系统总高度h要根据排土场总体底鼓稳定性分析进行确定，主要针对固结后提高的力学参数和用堆载预压的块石对排土场采用极限平衡法进行底鼓稳定性分析，分析其稳定性是否满足规范要求，如不满足，应加长固结时间、加长软基处竖向排水的深度、加密竖向排水措施提高其软基参数和加厚堆载预压块石的厚度，直到稳定性系数满足规范要求为止。

本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法采用以上技术方案后，有效地提高了软基地基的固结强度，增强了排水固结的效果，为软基处排土防止排土场基底底鼓提供了必要的前提条件。

本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法采用以上技术方案后，具有下列积极效果：

(1)对于排土场下游冲刷的饱和泥沙等细颗粒物料能够提供有效排水通道，减少了软基内部排水时间，加快了饱和软基的固结，提高了基底软基的岩土力学指标和承载力。

(2)能够充分利用矿山采场的大块废石物料进行堆载预压和反压排土场坡脚，一方面大大节约了软基的治理投资，另一方面可有效降低整体排土场内部的浸润线，并能够显著提高整体排土场的稳定性。

(3)本发明方法可有效提高和控制堆载预压过程中软基承载力的稳定性，防止内部底鼓、内部应力不均匀沉降，增加堆载预压坡体边缘的整体稳定性。

(4)采用本发明方法能够有效利用排土场下游冲刷的软基区域的空间，可大幅度提高排土场的排土容积，为排土场的扩容提供了必要的前提条件。

附图说明

图1为本发明方法采用的碎石桩竖向－水平固结排水系统示意图；

图2为发明方法采用的碎石桩平面布置示意图；

图3为本发明方法在碎石桩上部施加的堆载预压系统剖面示意图；

图4为本发明方法试验得出的软基基底固结度随堆载预压时间图；

图5为本发明方法试验得出的软基基底强度随固结度变化图。

附图标记为：1-碎石垫层；2-土工布；3-碎石桩；4-大块石；5-砾石和/或碎石；6-土工格栅。

具体实施方式

为更好地描述本发明，下面结合附图对本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法做进一步详细描述。

由图1所示的本发明方法在深厚软基处采用的竖向、水平固结排水系统示意图并结合图2、图3看出，本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，采用碎石桩竖向－水平固结排水系统、分层堆载预压和反压系统对深厚软基进行综合处理：

1)碎石桩竖向－水平固结排水系统的施工

所述的碎石桩竖向－水平固结排水系统是由碎石桩3、土工布2、碎石垫层1共同构成，并按照以下步骤实施：

(1)在排土场坡脚深厚软基处按照设计计算的间距、深度施工碎石桩3，所述碎石桩3采用采用机械成孔，一般成孔直径为400mm，孔内充填碎石，充填的碎石粒径控制在20mm～50mm的粒级范围；碎石桩3深度H控制在10m～20m范围；碎石桩3采用正方形布置，碎石桩3的间距按照如下公式进行计算：

式中，d_e—碎石桩的有效排水圆柱体直径，mm；l—碎石桩间距，mm。

②在施有碎石桩3的排土场坡脚深厚软基处的上部铺设土工布2，土工布2一般采用规格为400g/m²双层加筋土工布，土工布2边缘应超过所处理区域的软基边缘1.0m。

③在土工布2的上部铺设碎石垫层1，碎石垫层1的厚度在50～120cm范围；碎石垫层1中的碎石粒径为50～100mm的粒级范围≥92％，碎石软化系数不小于0.75，含泥量不大于5％。软基的承载能力差时，可碎石垫层1的厚度适当加厚。

碎石桩3主要起到增加软基内部的竖向排水通道，上部荷载对软基加压后软基处孔隙水压力加大，挤压出软基内部的孔隙水通过碎石桩3传递到碎石垫层1处排出，从而起到软基基础加快排水固结的效果；土工布2主要防止软基处淤泥受挤压变形后向上蠕动至碎石垫层1内部堵塞碎石垫层(排水层)的排水效果。碎石桩上部铺设的土工布和碎石垫层，起到水平排水作用。

2)分层堆载预压和反压系统的施工

所述的分层堆载预压和反压系统位于深厚软基碎石桩竖向－水平固结排水系统的上部，采用大块石4、砾石和/或碎石5物料进行分级堆压加载，并按照以下步骤实施：

(1)第1级堆载物料采用大块石4进行堆载，加载高度为4～7m，其坡面的坡角按照大块石4的自然安息角1:1.5的坡度进行放坡；第1级堆载物料采用大块石4的直径为50～100cm的粒级范围≥50％。第1级堆载物料容许施加的荷载p₁按照如下公式进行估算确定：

p₁＝5.52c_u/K (2)

式中：c_u－软基不排水抗剪强度，kpa；K－安全系数，取1.1～1.5；p₁—容许荷载，kpa。

(2)第2级堆载物料采用砾石和/或碎石5进行堆载，加载高度为h₂，第2级加载物料的放坡边缘距第1级堆载物料坡顶边缘向内收10～15m开始起坡堆载，其坡面的坡角按照砾石和/或碎石5的自然安息角1:1.5的坡度进行放坡；在第2级堆载物料靠近坡外边缘位置内铺设土多层土工格栅6，相邻层的土工格栅6之间的垂直间距为2.0m；第2级堆载物料加载的高度h₂为8～12m，第2级堆载物料采用砾石和/或碎石5的直径为20～80cm的粒级范围≥50％。

(3)第3～n级堆载物料分别采用砾石和/或碎石5进行堆载，每级的加载高度分别为h₃、……h_n，每级堆载物料的放坡边缘距上一级堆载物料坡顶边缘向内收10～15m开始起坡堆载，每级的坡面的坡角按照该级堆载的砾石和/或碎石5的自然安息角1:1.5的坡度进行放坡；在每级堆载物料靠近坡外边缘位置内铺设土多层土工格栅6，相邻层的土工格栅6之间的垂直间距为2.0m；第3、……n级堆载物料采用砾石和/或碎石(5)的直径为20～80cm的粒级范围≥50％。

(4)后一级加载高度较前一级加载高度将逐渐增加，即h1<h2<…<hn，最终通过软基固结强度和排土场总体稳定性计算确定总的加载总高度h。

一般情况下，在分层堆载预压和反压系统中，分级堆压加载的级数为3～6级；土工格栅6一般情况长度为20m左右。

本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法还进行了软基基底固结度随堆载预压时间的试验研究，试验得出的软基基底固结度随堆载预压时间图如图4所示，从图4看出，软基基底固结度随堆载预压时间增加而增加，开始增加速度快，随着时间的延长，增加的速度逐渐延缓，可以根据图4，对于施工过程中任何一段时间对基底固结度进行补充检测校核。

本发明方法试验得出的软基基底强度随固结度变化图如图5所示。从图5看出，软基基底强度随固结度增加而增加，开始增加速度快，随着时间的延长，增加的速度逐渐延缓。

工业试验表明，本发明一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法用于排土场坡脚处深厚软基处的安全排土，有效解决了排土场坡脚底鼓失稳的技术难题，为排土场坡脚的稳定性提供有效前提条件。

Claims (8)

1.一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：采用碎石桩竖向－水平固结排水系统、分层堆载预压和反压系统对深厚软基进行综合处理：

1)碎石桩竖向－水平固结排水系统的施工

所述的碎石桩竖向－水平固结排水系统是由碎石桩(3)、土工布(2)、碎石垫层(1)共同构成，并按照以下步骤实施：

①在排土场坡脚深厚软基处按照设计计算的间距、深度施工碎石桩(3)，所述碎石桩(3)采用采用机械成孔，孔内充填碎石；

②在施有碎石桩(3)的排土场坡脚深厚软基处的上部铺设土工布(2)，土工布(2)边缘应超过所处理区域的软基边缘；

③在土工布(2)的上部铺设碎石垫层(1)，碎石垫层(1)的厚度在50～120cm范围；

2)分层堆载预压和反压系统的施工

所述的分层堆载预压和反压系统位于深厚软基碎石桩竖向－水平固结排水系统的上部，采用大块石(4)、砾石和/或碎石(5)物料进行分级堆压加载，并按照以下步骤实施：

①第1级堆载物料采用大块石(4)进行堆载，加载高度为4～7m，其坡面的坡角按照大块石(4)的自然安息角1:(1.3～1.6)的坡度进行放坡；

②第2级堆载物料采用砾石和/或碎石(5)进行堆载，加载高度为h₂，第2级加载物料的放坡边缘距第1级堆载物料坡顶边缘向内收10～15m开始起坡堆载，其坡面的坡角按照砾石和/或碎石(5)的自然安息角1:(1.3～1.6)的坡度进行放坡；在第2级堆载物料靠近坡外边缘位置内铺设土多层土工格栅(6)，相邻层的土工格栅(6)之间的垂直间距为1.8～2.4m；

③第3～n级堆载物料分别采用砾石和/或碎石(5)进行堆载，每级的加载高度分别为h₃、……h_n，每级堆载物料的放坡边缘距上一级堆载物料坡顶边缘向内收10～15m开始起坡堆载，每级的坡面的坡角按照该级堆载的砾石和/或碎石(5)的自然安息角1:(1.3～1.6)的坡度进行放坡；在每级堆载物料靠近坡外边缘位置内铺设土多层土工格栅(6)，相邻层的土工格栅(6)之间的垂直间距为1.8～2.4m；

④后一级加载高度较前一级加载高度将逐渐增加，即h1<h2<…<hn，最终通过软基固结强度和排土场总体稳定性计算确定总的加载总高度h。

2.如权利要求1所述的一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：在碎石桩(3)内充填的碎石，其碎石粒径为20mm～50mm的粒级范围≥95％，碎石桩(3)深度H在10m～20m范围；在土工布(2)上部铺设的碎石垫层(1)，其碎石粒径为50～100mm的粒级范围≥92％，碎石软化系数不小于0.75，含泥量不大于5％。

3.如权利要求2所述的一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：所述的土工布(2)边缘应超过所处理区域的软基边缘0.8m。

4.如权利要求4所述的一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：所述的碎石桩(3)的直径为375～450mm，所述的土工布(2)边缘应超过所处理区域的软基边缘1.0m。

5.如权利要求4所述的一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：第1级堆载物料采用大块石(4)的直径为50～100cm的粒级范围≥50％；第2级堆载物料加载的高度h₂为8～12m；第2、……n级堆载物料采用砾石和/或碎石(5)的直径为20～80cm的粒级范围≥50％。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：碎石桩(3)采用正方形布置，碎石桩(3)间距按照如下公式进行计算：

式中，d_e—碎石桩的有效排水圆柱体直径，mm；l—碎石桩间距，mm。

7.如权利要求6所述的一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：所述第1级堆载物料容许施加的荷载p₁按照如下公式进行估算确定：

p₁＝5.52c_u/K (2)

式中：c_u－软基不排水抗剪强度，kpa；K－安全系数，取1.1～1.5；p₁—容许荷载，kpa。

8.如权利要求7所述的一种防止深厚软基排土场底鼓失稳的综合处理方法，其特征在于：所述的分层堆载预压和反压系统中，分级堆压加载的级数为3～6级。

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