一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法

摘要

本发明公开了一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法，将2‑5排锚索（1）、一排锚杆（2）、一排钢轨桩（5）穿过滑坡体（10）、推测结构面（6）并安插在基岩（11）的钻孔内；钢轨桩（5）布设在边坡底部滑面出口处，锚索（1）安插于边坡的中上部，锚杆（2）安插于边坡的下部并位于钢轨桩（5）与最下一排锚索（1）之间；锚索（1）、锚杆（2）、钢轨桩（5）的外锚端分别与框架梁横梁（3）、框架梁纵梁（4）的十字交叉部位连接，从而形成非煤露天矿边坡滑坡治理的桩‑锚‑梁一体化锚固体系。本发明以经济成本为目标函数，设计函数关系式以及约束条件，创建数学模型，求出经济最优解，得出桩‑锚‑梁组合结构最佳支护参数组合。

说明书

技术领域

本发明涉及一种露天矿边坡滑坡治理方法，特别适用于顺层边坡的滑坡治理。

背景技术

露天矿山的边坡工程是矿山工作的一项重要环节，由于开采本身就是对岩体的一种人为的破坏,采剥作业破坏了边坡岩体内的原始应力的平衡状态,出现了次生应力场,在次生应力场和其它因素的影响下,使边坡岩体发生变形破坏,使岩体失衡,导致断裂、边坡下滑、崩落、散落、座落、倾倒坍塌和滑动等。边坡失稳,诱发滑坡崩塌、泥石流等地质灾害，直接制约和影响到矿山的安全生产。目前，有近40％的露天边坡不同程度出现过边坡稳定性问题，边坡滑坡坍塌已成为矿山的重大事故类型。

目前，露天矿山边坡滑坡治理技术主要有疏排水、削坡减载、锚杆(索)加固、喷锚网护坡、植被护坡、挡墙支护、抗滑桩等。诸多治理技术中，削坡减载削对稳定滑坡即经济又有实效，当边坡产生变形时，该方法结合疏排水应优先采用。而当不具备削坡条件，锚杆(索)加固作为主动的抗滑措施，具有实用、经济、安全的特点，在露天矿边坡加固中优先采用。单一的边坡加固方法在露天矿频繁的爆破振动、强卸荷作用下会失去应有的效果，如锚杆(索)应力松弛等，导致边坡加固失效。框架梁与锚杆(索)、抗滑桩的组合体系能有效增强加固岩体的完整性，有效避免单一锚杆(索)实效，而且还能极大改善滑动面的抗剪能力，被广泛应用在滑坡治理中。例如，《现代矿业》2013年2月第2期发表的“预应力锚索框架在某矿山边坡治理中的应用”一文中，采用预应力锚索框架加固方法，取得了良好的边坡加固效果，但该技术方案组合体系中钢筋砼抗滑桩不仅工程造价 高，对滑坡扰动较大，而且施工工艺复杂。抗滑钢轨桩具有对滑坡的扰动较小、施工安全，利用废旧钢材不仅经济合理而且也有利于环保的特点，在许多矿山滑坡治理中逐渐代替钢筋砼抗滑桩。

多数滑坡治理设计中，以极限平衡法为理论基础，求得剩余下滑力，以平衡剩余下滑力为目的，以规范允许安全系数为约束条件，求得滑坡治理需要的抗滑力，从而确定锚索(杆)、抗滑桩的工程量。目前，预应力锚索抗滑桩已考虑锚索与抗滑桩协调变形，但设计计算方法很少将桩、索、土的相互作用共同考虑，在经济方面挖潜潜力巨大。为了保证加固体系整体受力的有效性，以及边坡治理的经济性，进行锚索(杆)锚固角优化、锚索(杆)锚固长度、群锚效应影响以及与桩的组合布置优化决策分析，提出适用于露天矿山边坡滑坡治理的桩-锚-梁优化组合加固方法尤为必要。

发明内容

本发明的就是为了改善并提高加固体的整体受力状态及最优经济效益，保证在复杂载荷作用下，实现边坡滑坡治理的有效性及安全性，而提出的一种工程造价低廉、加固效果好、施工快捷、耐久性强的适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法。该方法包括剩余下滑力的计算方式选择、锚索(杆)锚固角优化、锚索(杆)锚固长度、群锚效应以及与钢轨桩优化组合布置。

为实现本发明的上述目的，本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法采用以下技术方案：

本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法，采取的工程措施为：清理需要加固的露天矿边坡表面的浮石，在需要加固的露天矿边坡上布设钻孔，采用预应力锚索、锚杆框架梁加固措施，所述的框架梁是由框架梁横梁、框架梁纵梁相互十字交叉组合构成。将2-5排锚索、一排锚杆、一排钢轨桩穿过滑坡体、推测结构面并安插在基岩的钻孔内并进行注浆粘结；所述的钢轨桩布设在边坡底部滑 面出口处，所述的锚索安插于边坡的中上部，所述的锚杆安插于边坡的下部，锚杆位于钢轨桩与最下一排锚索之间；所述的锚索、锚杆、钢轨桩的外锚端分别与框架梁横梁、框架梁纵梁的十字交叉部位连接，从而形成非煤露天矿边坡滑坡治理的桩-锚-梁一体化锚固体系，使得治理区域形成了一个完整受力体，可以有效地降低复杂载荷作用对加固体系的影响。

本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法，采用以下步骤进行优化决策分析：

1)根据边坡滑坡体的地质条件，确定推测结构面的产状、形态以及延展尺寸，判断推测结构面贯通性；以贯通性为依据，采用相应的计算理论，计算滑坡体剩余下滑力，确定规范允许的安全系数F_S下平衡剩余下滑力的总抗滑力F_抗。

推测结构面若贯通，则选取塑性力学极限分析中的上限定理计算稳定性系数及所需总抗滑力F_抗；推测结构面若非贯通，选取非线性突变理论，从系统总势能出发计算稳定性系数及所需总抗滑力F_抗。

2)考虑边坡滑坡体、基岩的岩土体性状、锚固体系受力特征及施工条件，以安全可靠、经济实用以及施工时效性为指导原则，采用锚索、锚杆、框架梁横梁、框架梁纵梁、钢轨桩提供总抗滑力F_抗，根据加固治理范围，选择不同桩-锚-梁组合形式，计算所需工程量。

3)综合考虑锚固效果的各影响因素，进行敏感性分析，确定敏感性较强的影响因素。

所述锚固效果的影响因素包括：锚索锚固角θ_锚、锚索锚固长度L>锚、锚索间距D_间、锚索排距D_排、钢轨桩锚固角θ_钢、钢轨桩长度L>钢、锚杆长度L_锚、锚杆角度、钢轨桩与锚杆排距。

4)对不同桩-锚-梁组合形式下，锚索锚固角θ_锚、锚索锚固长度L>锚、锚索间距D_间、锚索排距D_排、钢轨桩长度L_钢、锚杆角度θ_锚进行最优化决策分析，以满足稳定性为要求，经济最优为目标，设计函>

设决策变量集为X，由变量X₁，X₂…X_N组成，F(X₁，X₂…X_N)为目标函数，所述的目标函数为经济成本函数，以经济最优为目标，建立数学模型：

式中：s.t.—约束条件；

F_抗—总抗滑力，KN；F_S—规范允许的安全系数；F_余—滑坡剩余推力，KN。

θ_锚—锚索锚固角，°；其约束范围在最大锚固力角度φ-α和经济最优角度π/4+φ/2-α之间，其中：φ为推测结构面内摩擦角，°；α为推测结构面倾角，°；

L_锚—锚索锚固长度，m；其约束范围在数值模拟优化长度L₁(m)与设计计算长度L₂(m)之间；

D_间—锚索间距，m；其取锚索作用的扰动半径D₁(m)、群锚加固内锚固段应力叠加的合理间距D₂(m)、数值模拟优化设计间距D₃(m)最大者；

D_排—锚索排距，m；其约束范围在群锚加固内锚固段应力叠加的合理间距D₂(m)与治理范围空间允许设计间距D₄(m)之间；

θ_钢—钢轨桩锚固角(9)，°；钢轨桩(5)为框架梁纵梁(4)的基础，考虑其功能及受力特征，其约束范围在0°角与π/2-α角>

L_钢—钢轨桩长度，m；其约束范围在边坡坡面到推测结构面(6)距离L₃(m)与计算设计长度L₄(m)之间。

5)按照上述数学模型，利用MATLAB编制相关程序，求出的“最优解”，得出本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法最佳支护参数组合。

根据露天矿各台阶边坡的高度，所述的锚索的排数以3-4排为宜，大多为4排。

依照上述步骤，本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法，可得出桩-锚-梁组合结构中锚索锚固长度、锚索锚固角、锚索间、排距以及钢轨桩长度、锚固角度等支护参数。

本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法采用以上技术方案后，具有以下优点：

(1)通过引进钢轨桩，增强了滑面的抗剪强度，阻止了滑坡体的下滑趋势，有效地保护了顺层状结构面不被完全破坏，保留了岩体的自稳能力，同时钢轨桩也改进了滑坡体应对外界复杂荷载的承载能力；通过锚杆、锚索的使用，改变了潜在滑面处的应力状态，增强了岩体的抗滑力；框架梁将所有锚索、锚杆、钢轨桩连接起来，使得治理区域形成了一个完整受力体，当滑体产生向下的滑动趋势时，锚杆、锚索和抗滑桩能同时进入工作状态，可以有效减弱复杂载荷作用带来的威胁，避免了个别锚索、锚杆因松弛失效以及加固体系抗剪强度的下降而导致边坡加固治理的失败。

(2)以推测结构面贯通性为依据，选取计算稳定性系数及所需总抗滑力的方法，采用桩-锚-梁组合结构的加固方式，以锚索锚固角、锚索锚固长度、锚索间距、锚索排距钢轨桩锚固角、钢轨桩长度为决策变量，以经济成本为目标函数，设计函数关系式以及约束条件，创建数学模型，求出经济最优解，得出桩-锚-梁组合结构最佳支护参数 组合。

附图说明

图1是本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法加固体系剖面图；

图2是本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法加固体系立面图；

图3是本发明采用的钢轨桩断面示意图。

附图标记为：1-锚索；2-锚杆；3-框架梁横梁；4-框架梁纵梁；5-钢轨桩；6-推测结构面；7-锚索锚固角θ_锚；8-推测结构面倾角α；9-钢轨桩锚固角θ_钢；10-滑坡体；11-基岩；L_锚-锚索锚固长度；D_间-锚索间距；D_排-锚索排距；L_钢-钢轨桩长度。

具体实施方式

为进一步描述本发明，下面结合附图和实施例对本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法做进一步详细说明。

由图1所示的本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法加固体系剖面图并结合图2、图3看出，本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法，先清理需要加固的露天矿边坡表面的浮石，然后在需要加固的露天矿边坡上布设钻孔，采用预应力锚索、锚杆框架梁加固措施，所述的框架梁是由框架梁横梁3、框架梁纵梁4相互十字交叉组合构成。根据需要加固的边坡台阶高度，将3-4排锚索1、一排锚杆2、一排钢轨桩5穿过滑坡体10、推测结构面6并安插在基岩11的钻孔内并进行注浆粘结；所述的一排钢轨桩5布设在边坡底部滑面出口处，作为框架梁纵梁4的基础；所述的3-4排锚索1安插于边坡的中上部，所述的一排锚杆2安插于边坡的下部，锚杆2位于钢轨桩5与最下一排锚索1之间；所述的锚索1、锚杆2、钢轨桩5的外锚端分别与框架梁横梁3、框架梁纵梁4的十字交叉部位连接，从而形成非煤露天矿边坡滑坡治理的桩-锚-梁一体 化锚固体系。锚索锚固角(θ_锚)7、锚索锚固长度L_锚、锚索间距D>间、锚索排距D_排由计算确定；钢轨桩锚固角(θ_钢)9、钢轨桩长度L>钢由计算确定。

在具体施工应用过程中，锚杆2和钢轨桩5实行全长锚固，锚索1对穿过推测结构面6进入基岩11段的部分进行注浆粘结，待注浆体强度稳定后，对锚索1进行预应力张拉；钢轨桩5布设在治理区域底部，作为框架梁纵梁4的基础；锚索1、锚杆2、钢轨桩5外锚端由框架梁横梁3、框架梁纵梁4进行连接，从而形成边坡滑坡治理的桩-锚-梁加固体系。

本发明一种适于非煤露天矿边坡滑坡治理的组合加固方法，具体采用以下步骤进行优化决策分析：

1)根据边坡滑坡体10的地质条件，确定推测结构面6的产状、形态以及延展尺寸，判断推测结构面6贯通性；以贯通性为依据，采用相应的计算理论，计算滑坡体剩余下滑力，确定规范允许的安全系数F_S下平衡剩余下滑力的总抗滑力F_抗。

推测结构面6若贯通，则选取塑性力学极限分析中的上限定理计算稳定性系数及所需总抗滑力F_抗；推测结构面6若非贯通，选取非线性突变理论从系统总势能出发计算稳定性系数及所需总抗滑力F抗。

2)考虑边坡滑坡体10、基岩11的岩土体性状、锚固体系受力特征及施工条件，以安全可靠、经济实用以及施工时效性为指导原则，采用锚索1、锚杆2、框架梁横梁3、框架梁纵梁4、钢轨桩5提供总抗滑力F_抗，根据加固治理范围，选择不同桩-锚-梁组合形式，计算所需工程量；

3)综合考虑锚固效果的各影响因素，并进行敏感性分析，确定敏感性较强的影响因素；

所述锚固效果的影响因素包括：锚索锚固角(θ_锚)7、锚索锚固>锚、锚索间距D_间、锚索排距D_排、钢轨桩锚固角(θ_钢)9、钢轨桩长度L_钢、锚杆长度L_锚、锚杆角度、钢轨桩与锚杆排距。一般情况下，锚杆2与最下一排锚索1之间的排距、钢轨桩5与锚杆2之间的距离与锚索排距D_排相等。

4)对不同桩-锚-梁组合形式下，锚索锚固角(θ_锚)7、锚索锚固长度L_锚、锚索间距D_间、锚索排距D_排、钢轨桩长度L_钢、锚杆角度进行最优化决策分析，以满足稳定性为要求，经济最优为目标，设计函数关系式以及约束条件；

设决策变量集为X，由变量X₁，X₂…X_N组成，F(X₁，X₂…X_N)为目标函数，所述的目标函数为经济成本函数，以经济最优为目标，建立数学模型：

式中：s.t.—约束条件；

F_抗—总抗滑力，KN；F_S—规范允许的安全系数；F_余—滑坡剩余推力，KN。

θ_锚—锚索锚固角7，°；其约束范围在最大锚固力角度φ-α和经济最优角度π/4+φ/2-α之间，其中：φ为推测结构面6内摩擦角，°；α为推测结构面倾角8，°；

L_锚—锚索锚固长度，m；其约束范围在数值模拟优化长度L₁(m)与设计计算长度L₂(m)之间；

D_间—锚索间距，m；其取锚索作用的扰动半径D₁(m)、群锚加固内锚固段应力叠加的合理间距D₂(m)、数值模拟优化设计间距D₃(m)最大者；

D_排—锚索排距，m；其约束范围在群锚加固内锚固段应力叠加的合理间距D₂(m)与治理范围空间允许设计间距D₄(m)之间；

θ_钢—钢轨桩锚固角9，°；钢轨桩5为框架梁纵梁4的基础，考虑其功能及受力特征，其约束范围在0°角与π/2-α角度之间；

L_钢—钢轨桩长度，m；其约束范围在边坡坡面到推测结构面6距离L₃(m)与计算设计长度L₄(m)之间。

4)按照上述数学模型，利用MATLAB编制相关程序，求出的“最优解”，得出本发明一种适用于露天矿边坡滑坡治理的桩-锚-梁优化组合加固方法最佳支护参数组合。