振冲碎石桩在提高尾矿库坝基承载力中的应用

2020-07-10王立彬黄粤鑫田文高王明明

安徽工业大学学报（自然科学版） 2020年2期

王立彬，刘硕，蒙萌，黄粤鑫，田文高，王明明

(1.中冶沈勘秦皇岛工程设计研究总院有限公司，河北秦皇岛066004；2.铜源国际工程设计研究有限公司，河北秦皇岛066004)

振冲碎石桩是利用振冲器在软土地基中成孔，再向孔内分批填入碎石而形成桩体[1]，适用于挤密处理松散砂土、粉土、粉质黏土、素填土、杂填土等地基，以及处理可液化地基[2]。采用振冲碎石桩处理砂质地基的主要目的在于提高地基承载力、减少沉降、防止地震液化等[3]。振冲碎石桩主要用于建筑地基中，最早用于尾矿坝加固的应用是在南芬尾矿坝上进行的，随后在招远金矿尾矿坝上进行了进一步的试验与应用[4]。在之后的发展中，振冲碎石桩在尾矿坝加固中得到了广泛应用，并取得了一定的经验成果[5-8]。在我国，尾矿库多采用“上游式”筑坝法，“上游式”筑坝构成的坝体存在多层次、错综复杂的矿泥夹层结构，致使坝体浸润线位置高、坝体强度低、稳定性差，特别在地震区筑尾矿高坝，更显示出“上游式”筑坝潜在着危险[9]。对尾矿坝进行抗震加固的方法很多，尤以振冲碎石桩效果显著，也最经济。碎石桩不仅可增强坝体的密实度和抗剪强度，还有利于改善坝体的排水条件，从长远角度看，用碎石桩加固上游法尾矿坝有广阔的应用前景[10]。本文为采用振冲碎石桩提高尾矿库坝基承载力的工程实例，研究结果可供相关工程人员参考借鉴。

1 工程概况

1.1 尾矿库概况

某尾矿库位于一条呈U字型的山谷内，为典型的山谷型尾矿库。该尾矿库设计总坝高76.0 m，最终堆积标高610.0 m，总库容200万m3，等别为三等。目前，该尾矿库已堆积至608.0 m标高，距离最终设计堆积标高差2.0 m。为满足企业继续排尾的需求，对该尾矿库实施加高扩容工程。

该尾矿库初期坝距离山谷沟口较近，坝下游无可利用空间，无法采用下游法或中线法加高扩容，因此选择采用上游法加高扩容。根据库区地形条件，将堆积坝从610.0 m 标高加高至680.0 m 标高，新增总库容约1 069.4万m3，总坝高达146.0 m，总库容约1 269.4万m3，等别为二等。尾矿库总平面布置图见图1，剖面图见图2。坝体三维渗流分析及动力稳定分析表明，随着坝体的加高，坝体中下部浸润线出逸，会导致坝体失稳。因此，采取在初期坝外进行废石压坡加固措施，但经计算分析，初期坝外地层不满足承载力要求。

图1 尾矿库总平面布置图(单位：m)Fig.1 General layout of tailings reservoir(unit:m)

图2 尾矿库剖面图(单位：m)Fig.2 Profile of tailings reservoir(unit:m)

1.2 场区工程地质条件

勘察查明，在钻探所达钻孔深度范围内，初期坝外地层共分2层，地质剖面图见图3。

图3 工程地质剖面图(单位：m)Fig.3 Profile of engineering geology(unit：m)

第一层为杂填土(Q4ml，编号为①)，灰黑色、稍密、稍湿-饱和，以尾细、中砂为主，局部含大块块石及碎石。该层全区分布，厚度为13.40～18.40 m，层底埋深为13.40～18.40 m，承载力仅为130 kPa。根据《岩土工程勘察规范(2009年版)》(GB 50021—2001)，取扰动样7组进行标准贯入试验，结果见表1。

表1 标准贯入试验统计结果Tab.1 Statistical results of standard penetration test

第二层为凝灰质砾岩(J3z，编号为②)，又分为强风化凝灰质砾岩(J3z，编号为②1)和中风化凝灰质砾岩(J3z，编号为②2)。其中：强风化凝灰质砾岩呈灰色、凝灰质胶结-硅质胶结，表层风化为土状、砾状结构、块状构造，主要由小于2.00 mm的火山灰组成，该层全区分布，厚度为1.40～2.60 m，层底埋深为16.00～19.80 m；中风化凝灰质砾岩呈灰色，凝灰质胶结-硅质胶结，致密坚硬、砾状结构、块状构造，主要由小于2.00 mm的火山灰组成，岩体基本质量等级为Ⅳ级，该层全区分布，最大揭露厚度为5.40 m，最大揭露深度25.00 m。

根据钻探揭露，场区在揭露深度内均见地下水，杂填土为其含水层，属第四系潜水。

2 振冲碎石桩的设计方案

根据勘察可知，初期坝外地层主要为杂填土，灰黑色、稍密、稍湿-饱和，以尾细、中砂为主，局部含大块块石及碎石，为人工回填形成的平台。经方案比选，采用振冲碎石桩法加固地基来提高坝基承载力[11-12]。

2.1 碎石桩设计参数

根据坝基地层情况，碎石桩以强风化凝灰质砾岩作为桩端持力层，桩端进入持力层1.0 m，确定桩长为17～21 m。根据地区振冲碎石桩施工经验和成桩设备情况，确定碎石桩桩径为0.8 m，采用75 kW振冲器。

碎石桩采取等边三角形布桩形式。根据坝体加固方案，确定不同分区坝基承载力应提高至230 kPa和190 kPa。根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)，按式(1)计算复fak/kPa 合地基置换率m，然后根据布桩形式按式(2)确定桩间距s，计算结果见表2。

表2 桩间距计算结果Tab.2 Calculation results of pile spacing

式中:fspk为复合地基承载力特征值，kPa；fak为天然地基承载力特征值，kPa；α 为桩间土承载力提高系数，宜按当地经验取值，如无经验，对于松散的砂土、粉土可取1.2～1.5，原土强度低取大值，原土强度高取小值；n为复合地基桩土应力比，无实测资料时，可取1.5～2.5，原土强度低取大值，原土强度高取小值；m 为复合地基置换率，m=d2；d 为桩身平均直径，m；de为1根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m。根据表2 计算结果，Ⅰ区碎石桩桩间距取1.5 m，Ⅱ区碎石桩桩间距取2.0 m，碎石桩具体布置形式见图4。

图4 碎石桩布置图(单位：m)Fig.4 Gravel pile layout(unit:m)

2.2 桩体填充材料

桩体材料采用选矿厂甩尾废石，要求其含泥量(质量分数)不大于5%，粒径范围40～150 mm。碎石桩桩孔内的填料量按设计桩孔体积乘以充盈系数确定，充盈系数取1.3，其实际填料量应通过现场试验确定。若施工中地面有下沉或隆起现象，填料量则应根据现场具体情况予以增减。

2.3 处理范围及施工顺序

根据坝基处理范围和场地条件，确定碎石桩外扩1 排桩。根据布桩形式、桩间距以及不同分区坝基范围，确定布置5排1.5 m间距和4排2.0 m间距碎石桩，共计297个桩。

施工从近坝脚至远坝脚方向，沿排桩逐点逐排进行。

3 加固效果检测

3.1 检测试验

采用重型动力触探试验检测振冲碎石桩桩体质量，测试点布置在增强体的桩体中心附近，检测数量不少于桩孔总数的2%，连续3次锤击数大于50击时，可终止试验。

桩间土含碎石、块石时采用重型动力触探试验检测桩间土质量，桩间土为尾矿砂时采用标准贯入试验检测桩间土质量。检测位置在等边三角形的中心，检验深度不小于处理地基深度，检测数量不少于桩孔总数的2%，试验点竖向间距为1 m。当锤击数已达50击，而贯入度未达到30 cm时，终止试验，记录50击的实际贯入深度，按规范换算成30 cm的标准贯入试验实测锤击数。

检测仪器为DPP-4E-100型汽车钻、标贯器、探头、N63.5落锤，探杆及其他必备工具。

根据《建筑地基检测技术规范》(JGJ 340—2015)和《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)规定，在振冲碎石桩处理范围内，选取11根碎石桩桩体进行重型动力触探试验，选取12个桩间土检测点进行标准贯入试验，具体检测点位见图4。