[发明专利]一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，属于排土场安全控制技术领域。

背景技术

现有技术中排土场稳定性分析时完全借鉴土(岩)边坡方法，基于地质勘察、室内外试验、工程类比和现场检测，采用极限平衡方法计算其安全系数和破坏概率。然而，由于排土工艺(排弃方式、堆置分段、排土顺序)和地形(平地、沟谷或坡地)的影响，研究成果对实践的指导意义和适应性差距较大。因此，目前世界上还没有一套统一、完整、系统的排土场设计方法或规范可以遵循。

袁家村铁矿地处山西省吕梁山脉，设计排土场区域赋存厚约10m左右的第四系上更新统湿陷性黄土，黄土湿陷性等级分为四级，分自重和非自重两种。由于湿陷性黄土覆盖区域广，对土场的安全稳定性构成了严重影响。若全部清离湿陷性黄土，需要的费用将非常巨大。

发明内容

本发明通过研究，寻找出符合湿陷性黄土地基排土场工程实际特征的本构关系，提供一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法。

本发明提供了一种湿陷性黄土地基条件下的排土场安全控制方法，是通过以下技术方案实现的：

为了解决湿陷性黄土地基排土场安全稳定性问题，制定了下部湿陷性黄土地基提前堆载预压、上部排土台阶工艺优化及二者相互制约的排土场安全控制技术方案。

1.湿陷性黄土地基控制措施研究

（1）黄土湿陷特性研究

试验结果表明，湿陷性黄土处于湿陷压密过程中比压密过程结束时的抗剪强度低，即湿陷变形的过程中抗剪强度最低、稳定性最小；另外，随着压力的增加，湿陷量增加；当压力到达一定程度，湿陷量达到峰值；黄土湿陷终止压力离散于600kPa左右，少量位于600~1000kPa范围，按平均容重21kN/m3，其对应的排土高度约为30~50m。当排土段高度达到50m前，如果不清理湿陷层或不采取其他措施控制，可能面临黄土基础沉降过度变形，引起排土场边坡滑坡以及坡肩开裂；当排土段高度超过50m后，黄土在该压力下已经表现出不湿陷的特性，也就是说，变形对排土场稳定性转移到强度稳定性控制。

（2）黄土地基湿陷引起土场失稳破坏变化规律

a、地基底鼓蠕滑阶段，主要表现为软土地基的整体剪切破坏，并从排土场坡趾贯通到地表一定范围，宏观变形以地基的底鼓和平移表征，分布形态受下覆基岩倾斜控制。受地基的沉降及水平移动牵引作用，坡趾前缘粗粒废石散体与下伏软土之间相互挤压和充填，其结果是，地基由黄土首先发生结构性破坏，进而发展为粉质粘土-废石混合。在软土地基层内，主要形成三角形的挤压沉降区（近似于压密弹性核）、相互充填区（近似于螺旋线）和结构性损伤区（与地表近似于成45-φ/2的交角），变形表现出柔性基础特有的特征。

b、伴随并对应于地基的不同变形分布形式，在废石本体内，粗粒骨架后上部出现“结构松散化”现象——邻近颗粒发生翻滚（大块石）、跨越（中粒）和跌落（细粒）——本体沉降运动造成颗粒定向排列，逐渐在结构体内部形成滑动（错动）面。本体变形宏观表征为坡趾的牵引裂缝，中下部水平鼓胀和放射状裂缝，中部的横向裂缝，以及坡肩的差异沉降和排土平台裂缝（如，后缘近65°的陡立裂缝），滑坡周界开始显现侧界裂缝；废石松散，块度不均，边源局部塌陷。

c、整体剧滑阶段通常表现为整体的多级（多段）旋转剪切滑动。从前两个阶段的蠕动变形到整体的剧烈滑动，中间表现为突变。受黄土结构性、粉粒含量及含水量的影响，后期可能存在近水平的低角度流滑。

（3）超前控制措施研究

A、侧向约束作用原理

从机理上而言，对于湿陷性黄土地基，有侧向约束作用时，其沉降可以在填筑过程中通过补料方式“完成”或“控制”；当无侧向约束，或侧向约束不够，导致地基水平位移或底鼓而牵引外坝坡的塌陷或滑坡。

B、下游坡面允许适度变形原理

废石坝的下游坡面，由于结构的松散型，自重固结作用导致堆排中的变形往往相当大，最终通过颗粒的重排及位置调整区域平衡，咬合作用发挥效应，强度得以提高。这种局部变形和调整及自我平衡过程的特征，可以在变形上自我协调，避免了分层碾压区和直接堆排区直接的变形差异过大导致层面破坏问题。

C、基底孔隙压力消散规律

孔隙水压力消散度随消散时间的增大而增大，孔隙压力则相反；在同一消散时间，孔隙水压力消散度随围压的增大而减小。当采用下盘排土场废石高强度直排填筑尾矿坝时，孔隙水压力的消散速度影响抗剪强度。特别是，黄土土体剪切强度随着含水量的增加而大幅度下降，当孔隙水压力来不及消散时，土体强度将发生显著下降。