1、.預(yù)應(yīng)力錨索在平莊西露天礦非工作幫邊坡加固工程中的應(yīng)用1004-9665/2005/13(02)-0257-06JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)預(yù)應(yīng)力錨索在平莊西露天礦非工作幫邊坡加固工程中的應(yīng)用'高謙吳順川吳學(xué)民(北京科技大學(xué)北京100083)(平莊煤業(yè)集團(tuán)公司赤峰024000)摘要預(yù)應(yīng)力錨索在巖土工程邊坡已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用,但在露天煤礦邊坡的應(yīng)用還不多見(jiàn).本文介紹了預(yù)應(yīng)力錨索加固在露天煤礦非工作幫的應(yīng)用實(shí)例,就不同條件及不同加固參數(shù)的邊坡加固效果進(jìn)行了研究.其結(jié)果表明,通過(guò)預(yù)應(yīng)力加固的邊坡,其穩(wěn)定性得到迅速提高.實(shí)施的加固參數(shù)能夠滿足礦山邊坡的穩(wěn)定要

2、求.加固技術(shù)已在該礦得到應(yīng)用.關(guān)鍵詞露天礦山非工作幫邊坡預(yù)應(yīng)力錨索極限平衡分析中圖分類號(hào):TD824.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAPPLICATIoNoFPRESTRESSEDCABLESUPPoRTGFoRNoN.WoRKGSLoPETHEWESToPENPIToFPGZHUANGCoALM姍GAOQianWUShunchuanWUXuemin(O)neiji,UniversityofScienceandTechnique.Beiing100083)(Pinsua,gCoalCoLTD.Chifeng024000)AbstractPrestressingcablehasrarelybeenusedin

3、supportingminingslopeseventhoughithasbeenwidelyappliedingeotechnicalslopeprojects.ThispaperpresentsanengineeringexamplefortheapplicationofprestressingcableinsupportingexcavatedslopeinthewestopenpitofthePingzhuangcoalmine.Slopestabilityarialysesareconductedunderdifferentgeologicalconditionsandsupport

4、ingparameters.Theresultsindicatethatthestabilityoftheslopeisincreasedwiththeprestressedcable.andreinforcingparameterssatisfytherequirementsforsafeoperations.Thetechniquehasbeenadoptedtoenhancetheslopestabilityinthemine.KeywordsOpenpitmine,Nonworkingslope,Prestressedcable.Limitequilibriumanalysis1引言西

5、露天煤礦是平莊煤業(yè)(集團(tuán))有限公司的主要礦山之一,設(shè)計(jì)年產(chǎn)量150萬(wàn)t,1958年8月開(kāi)工建設(shè),1965年投人生產(chǎn),1989年達(dá)到設(shè)計(jì)能力.隨著采場(chǎng)延伸,位于488場(chǎng)站下方的464站場(chǎng)非工作幫邊坡的穩(wěn)定問(wèn)題也日趨突出.生產(chǎn)實(shí)踐表明,非工作幫464站所在400m邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài).非工作幫464站是一個(gè)固定站,目前擔(dān)負(fù)著464標(biāo)高以下的剝離量和西露天煤礦全部煤量的運(yùn)輸任務(wù).到2005年以后,它還將擔(dān)負(fù)著西露天煤礦全部剝離量和煤量的運(yùn)輸任務(wù).因此,非工作幫464站場(chǎng)是西露天煤礦的運(yùn)輸大動(dòng)脈,是西露天煤礦維系安全?收稿13期:20040331;收到修改稿13期:20040526.第一作者簡(jiǎn)介:高謙(

6、1956一),男,教授,主要從事巖土工程,采礦工程穩(wěn)定性分析和錨固設(shè)計(jì)研究.Email:gaoqianJournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)200513(2)生產(chǎn)紐帶.對(duì)于不穩(wěn)定邊坡的處理一直采用混凝土抗滑樁進(jìn)行加固.由于抗滑樁加固存在著諸如施工難度大,進(jìn)度慢,工程質(zhì)量不易保證,成本高等很多缺陷,因此,制約著抗滑樁的推廣應(yīng)用.尤其抗滑樁施工安全性差,曾發(fā)生樁坑倒塌,掩埋施工人員的施工事故.再加之抗滑樁加固的邊坡質(zhì)量難以保證,已加固的邊坡仍出現(xiàn)不同程度的破壞,在一定程度上影響邊坡的正常使用.預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)具有施工方便,經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn),已經(jīng)在水電,冶金,交通,地下工程及

7、民用建筑中得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展.為了將預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)應(yīng)用于西露天礦邊坡加固,西露天礦開(kāi)展了平莊西露天礦非工作幫預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)的試驗(yàn)研究.首先,借助于工程類比,初步確定預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)參數(shù)與施工工藝,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究.為了評(píng)價(jià)初步設(shè)計(jì)參數(shù)的合理與可靠性,還借助于理論分析與數(shù)值模擬,進(jìn)行加固邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和參數(shù)優(yōu)化,逐步修改錨索加固參數(shù)和施工工藝,完善施工管理.通過(guò)近2年的工業(yè)性試驗(yàn)和理論研究,錨索加固技術(shù)已在該礦非工作幫獲得成功,并逐步在西露天礦非工作幫進(jìn)行推廣應(yīng)用.本文主要介紹采用邊坡分析程序Slope/W,采用極限平衡分析方法,對(duì)預(yù)應(yīng)力加固邊坡所進(jìn)行的穩(wěn)定性分析

8、與評(píng)價(jià)的研究成果.2非工作幫工程地質(zhì)條件與試驗(yàn)指標(biāo)預(yù)應(yīng)力錨索加固不穩(wěn)定邊坡的試驗(yàn)段選在西露天礦東南部464站的非工作幫.邊坡高度為12m,由兩個(gè)6m的臺(tái)階組成.構(gòu)成臺(tái)階的巖性為砂巖,砂泥巖和泥巖互層及泥巖.圖1顯示了該地層的巖體柱狀圖,圖2為非工作幫464站邊坡走向地質(zhì)剖面圖.根據(jù)工程地質(zhì)勘探和野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果,強(qiáng)風(fēng)化帶厚度為土巖交界面以下1O一20m,弱風(fēng)化帶厚度為強(qiáng)風(fēng)化帶以下5060m,再往下為非風(fēng)化帶.加固區(qū)邊坡地下水主要由大氣降水直接補(bǔ)給,在雨季,邊坡內(nèi)含水水位幾乎與臺(tái)階坡頂在同一標(biāo)高,在該區(qū)所挖探井,其井內(nèi)充滿水,需要潛水泵抽水才能作業(yè).邊坡內(nèi)含水順著在邊坡面上打的錨索孔和泄水孔往外

9、流,甚至在灌完漿的錨索孔向外流水.因此,在雨季邊坡內(nèi)含水豐富,就是冬季邊坡內(nèi)的水仍順著個(gè)別錨索孔往外流水,表明邊坡內(nèi)有潛非工作幫464站1號(hào)探井柱狀圖(1:1oo)施工期2002年3月22H至4月1oHX=21050Y=42230/-/-46532探巖底傾井石板巖性描述柱名深狀稱度角中性巖45O26灰白色,中砂巖砂巖與泥巖接觸面.鶚44626有5cm厚軟泥泥巖98O26灰色,細(xì)膩,層理發(fā)育層97626黑色,光滑細(xì)膩,軟弱,:5cm厚孺芋100826笆,捌凰,層埋目,弱屢1O726黑色,光'滑細(xì)膩,軟弱,:一5cm厚泥巖142(26灰色,細(xì)膩,層理發(fā)育/弱層1326黑色,光滑細(xì)膩,軟弱,

10、!6cm厚泥巖l7O(26灰色,細(xì)膩,層理發(fā)育圖1加固區(qū)邊坡巖體柱狀圖Fig.1Geologicalhistogramofreinforcedslope圖2非工作幫464站邊坡走向地質(zhì)剖面圖Fig.2ThegeologicalsecoHofnonworkingslopealongtrendofcoalstrataatstation464水存在,只是水位偏低而已.由于邊坡內(nèi)含水,對(duì)錨索灌漿質(zhì)量產(chǎn)生較大影響.西露天礦已對(duì)非工作幫巖石物理力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究工作.為了借助于已經(jīng)進(jìn)行過(guò)的研究工作,確定加固邊坡的力學(xué)參數(shù),表1給出了邊坡所涉及巖性的巖石物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo).根據(jù)對(duì)加固邊坡的探井勘探,在加

11、固邊坡的14m深度范圍內(nèi),揭露出4個(gè)弱層(圖1,圖2).第一層在4.5m處,層厚5cm;第二層在9.8m處,層厚35cm;第三層在10.8m處,層厚35cm(為3號(hào)高謙等:預(yù)應(yīng)力錨索在平莊西露天礦非工作幫邊坡加固工程中的應(yīng)用259標(biāo)志層);第四層在14.2m處,層厚36em(為4號(hào)標(biāo)志層).所見(jiàn)弱層均為黑褐色,含水,性軟,滑膩.由于非工作幫巖體賦存有4條弱層,在非工作幫中不可避免地要經(jīng)常切斷弱層,因此,該弱面是導(dǎo)致464站場(chǎng)邊坡發(fā)生平面滑坡的主要因素.上述弱面的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果列于表2中.表1非工作幫巖石物理力學(xué)試驗(yàn)指標(biāo)Table1Thelaboratoryresultsofphysicala

12、ndmechanicalparametersofrocksforthenonworkingslope措辦強(qiáng)風(fēng)化帶弱風(fēng)化帶非風(fēng)化帶巖容重/凝聚力/內(nèi)摩擦角/容重/凝聚力/內(nèi)摩擦角/容重/凝聚力/內(nèi)摩擦角/kg?m一MPa(.)kg?m一MPa(.)kg?m一MPa(.)灰,黑色頁(yè)巖2070'0.273'21.5'2O5O0.67229.521451.7527.O砂頁(yè)巖及互層2O60'O.6ool3.721200.83527.52l5O2.9727.7中,軟砂巖2015'0.530l7.520500.64325.12l3O1.5O31.5硬粗砂巖2O5O36

13、.O20504.O836.O表2非工作幫弱面抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)Table2Thelaboratoryresultsofshearstrengthparametersofthesoftstrataforthenonworkingslope弱層直剪強(qiáng)度流變強(qiáng)度容重/凝聚內(nèi)摩擦含水率/凝聚內(nèi)摩擦含水率/編號(hào)kg?m一力/MPa角/(.)(%)力/MPa角/(.)(%)lO.0o214.530O.0ol7.530l960220020.0414.328l96o2l903O.O2l4.530O.O28302oo022004O.0214.3O.Ol7.52oo0220o3預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)非工作幫464站

14、所處的位置和地質(zhì)勘察資料,確定在21002200之間110m地段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索加固試驗(yàn).錨索加固設(shè)計(jì)采用工程類比法,用極限平衡分析進(jìn)行校核.采用設(shè)計(jì)一試驗(yàn)一修改設(shè)計(jì)一施工的設(shè)計(jì)施工方法.(1)設(shè)計(jì)荷載根據(jù)非工作幫464站邊坡的臺(tái)階要素,滑坡推力大小等因素,用類比法確定錨索設(shè)計(jì)荷載為900kN級(jí).(2)選擇QLMK157錨具.(3)采用低松弛鋼絞線,其抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值為1860MPa,直徑為15.24mm.(4)鉆孔鉆:fL:fL徑1lOmm,每孔6根鋼絞線,每根150kN.鉆孔軸線與水平面夾角為俯角13.(5)錨索結(jié)構(gòu)錨索由6x15.24mm的鋼絞線組成,鋼絞線之間用隔離架均勻布設(shè),其錨索結(jié)構(gòu)見(jiàn)

15、圖3.L4LHHlillrlll一8m內(nèi)錨固段.5rL張拉段一,夕氣15ml圖3預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)構(gòu)圖Fig.3Structuralpictureforaprestressedcable1.導(dǎo)向帽;2.隔離架;3.鋼絞線;4.混凝土墩;5.鋼墊板;6.錨具;7.外保護(hù)罩;8.弱層(6)弱層內(nèi)摩擦角為14.5.;弱層粘結(jié)力為零;巖體單軸抗壓強(qiáng)度為4.224MPa;巖體側(cè)向允許壓力值為1.7MPa.(7)錨墩結(jié)構(gòu)的確定錨索加固區(qū)邊坡巖石的允許地基承載力為1.7MPa,錨墩為C25混凝土,取其安全系數(shù)為1.5時(shí),計(jì)算的錨墩底面尺寸為1inX1in,頂面根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.6mx0.6m,高0.6m.錨墩配筋采用

16、I級(jí)620鋼筋.(8)錨索參數(shù)錨索總長(zhǎng)由錨固段,自由段,外錨固段三部分組成.錨固段長(zhǎng)度為6m,自由段長(zhǎng)度是從錨固端外側(cè)至承壓墊座之間的距離,外錨固段長(zhǎng)度包括張拉機(jī)具,錨具所需要的長(zhǎng)度,確定1.5m.錨索長(zhǎng)度平均在27m;錨索的間距2.5m,排距3m.(9)錨索直徑的確定設(shè)計(jì)錨索鉆孔孔徑為1lOmm,要求每根鋼絞線外邊緣注漿厚度不低于lOmm,錨索直徑設(shè)計(jì)為80mm.(10)錨索防腐處理編索前首先對(duì)單根鋼絞線進(jìn)行全面除銹,并對(duì)非錨固段的鋼絞線每根都要涂上防腐油(黃干油)并套上塑料管.錨固段用注漿封閉防腐.JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)200513(2)4預(yù)應(yīng)力錨索

17、加固邊坡極限平衡分析與穩(wěn)定性評(píng)價(jià)選擇典型剖面I作為分析對(duì)象,采用SLOPE/W極限平衡分析軟件,進(jìn)行預(yù)應(yīng)力加固邊坡的穩(wěn)定性分析.表3給出了該剖面邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固參數(shù).在輸人計(jì)算參數(shù)時(shí),考慮到錨索排距,將實(shí)際參數(shù)除以排距,以給出等效的平面應(yīng)變問(wèn)題.表3非工作幫464站II剖面邊坡錨索加固參數(shù)Table3TheminfomingparametersofthenonworkingslopealongthesectionIIatstation464錨固參數(shù)地層弱面錨索長(zhǎng)自由段錨固段預(yù)應(yīng)水平夾錨索孔度/m度/m長(zhǎng)度/m長(zhǎng)度/m力/t角/(.)第一排16.O23.517.O6.59O.327第二排l3.

18、522.0l5.56.590.027第三排l1.0l9.5l1.58.090.027第四排l1.019.5l1.58.090.027根據(jù)I剖面邊坡的工程地質(zhì)條件,建立了該剖面邊坡的計(jì)算模型如圖4所示.472468464口460坦456452448444440基于已建立的極限模型,分別進(jìn)行不同條件下的邊坡穩(wěn)定性分析.圖5為未加固邊坡的滑動(dòng)面和計(jì)算結(jié)果.不同計(jì)算方法所獲得的邊坡安全系數(shù)列于表4中.圖6為預(yù)應(yīng)力錨索加固后邊坡的破壞模式.表4非工作幫邊坡極限平衡分析結(jié)果Table4Theresultsoflimitequilibriumanalysesfornonworkingslope,計(jì)算方法瑞典

19、圓弧方法畢肖普方法簡(jiǎn)布方法邊坡條安全系數(shù)F安全系數(shù)F安全系數(shù)F干坡1.06O1.O450.993無(wú)支護(hù)濕坡0.7740.6o40.692條件動(dòng)載0.8O20.7740.714濕坡+動(dòng)載0.5930.4860.5oo干坡3.5036.95l3.354預(yù)應(yīng)力濕坡3.3626.5033.220錨索支護(hù)條件動(dòng)載1.8o02.3371.6l3濕坡+動(dòng)載1.7302.1861.550距離/m圖4非工作幫I剖面邊坡極限平衡分析模型Fig.4LimitequilibriumanalysismodelforthenonworkingslopesectionII由表4所示的計(jì)算結(jié)果,可以獲得以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)對(duì)

20、于剖面I邊坡,邊坡的滑動(dòng)主要受控于弱面3,也就是說(shuō),邊坡是沿著弱面3滑動(dòng)失穩(wěn)破壞,因此,弱面3的抗剪強(qiáng)度就決定了該邊坡的穩(wěn)定性;(2)對(duì)于干坡條件,3種計(jì)算方法的安全系數(shù)均在1.0左右.因此,如果不受降雨和爆破震動(dòng)等因素的影響,該邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài).(3)由于干坡處于極限平衡狀態(tài),因此,只要當(dāng)降雨或爆破震動(dòng),邊坡就發(fā)生失穩(wěn).相比較,降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性影響比爆破更為顯著,3種算法中的高謙等:預(yù)應(yīng)力錨索在平莊西露天礦非工作幫邊坡加固工程中的應(yīng)用46.56嬗45244844444O464460g童埴456452448444440圖5未支護(hù)邊坡的平面滑動(dòng)模式Fig.5Planeslidingmode

21、lfortheunsupportednonworkingslope圖6預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡滑動(dòng)模式Fig.6Planeslidingmodelforthesupportednonworkingslope最小安全系數(shù)僅為0.604.(4)如果同時(shí)考慮降雨和爆破動(dòng)載的作用,邊坡的穩(wěn)定性更低,其最小安全系數(shù)僅為0.486.顯然,對(duì)于該剖面邊坡,如果不進(jìn)行加固,邊坡的穩(wěn)定性難于得到保證.尤其是受降雨或爆破影響,邊坡必然發(fā)生滑坡失穩(wěn).(5)根據(jù)表3所示的預(yù)應(yīng)力錨索加固參數(shù),加固的邊坡穩(wěn)定性得到顯著提高.對(duì)于干坡,最小安全系數(shù)將提高到3.354.對(duì)于濕坡,最小安全系數(shù)提高到3.220.(6)相比較,預(yù)應(yīng)力錨

22、索加固的邊坡對(duì)受動(dòng)載作用的邊坡加固效果不如濕坡顯著,加固后的邊坡最小安全系數(shù)為1.613.(7)即使同時(shí)考慮動(dòng)載和地下水的作用,加固后的邊坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)也超過(guò)1.5,達(dá)到了1.55,超過(guò)了一般礦山邊坡所要求的允許穩(wěn)定安全系數(shù)1.30的要求.由此可見(jiàn),采用表3所示的加固參數(shù),完全滿足邊坡加固的要求,并且稍有保守.5結(jié)論本文采用極限平衡分析方法,對(duì)平莊西露天煤礦非工作幫邊坡進(jìn)行無(wú)支護(hù)及錨索加固邊坡兩種情況下的極限平衡分析.由此對(duì)預(yù)應(yīng)力加固邊坡進(jìn)行JournalofEngineeringGeology工程地質(zhì)200513(2)穩(wěn)定性評(píng)價(jià).通過(guò)此程序,不僅可以進(jìn)行確定性分析,而且還可以考慮參數(shù)的

23、隨機(jī)性,進(jìn)行邊坡的可靠度分析與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè).由于篇幅所限,沒(méi)有給出分析結(jié)果.從分析的結(jié)果還顯示,預(yù)應(yīng)力錨索加固對(duì)邊坡的穩(wěn)定性起到非常顯著的效果,由此表明,采用預(yù)應(yīng)力進(jìn)行邊坡的加固,具有顯著的經(jīng)濟(jì)效果和社會(huì)效益.因此,在平莊露天礦已經(jīng)得到推廣和應(yīng)用.參考文獻(xiàn)1孫玉科,姚寶魁,許兵.礦山邊坡穩(wěn)定性研究的回顧與展望J.工程地質(zhì),1998,6(4):,3053l1.SunYuke,YaoBaokui,XuBing.ReviewandProspectonResearchofStabilityforMiningslope.JournalofEngineer/ngGeologY,1998,6(4):,305311.2北京科技大學(xué).平莊西露天礦非工作幫邊坡預(yù)應(yīng)力錨索加固技術(shù)研究R,2003.UniversityofSci