露天矿排土场粗粒土剪切试验研究

露天矿排土场粗粒土剪切试验研究

黄洪波

福建省宁化行洛坑钨矿有限公司   福建省三明市宁化县365400

摘要：为了解露天排土场边坡稳定性。利用应力路径三轴剪切试验机，通过试验数据绘制粗粒土应力应变关系曲线和轴向应变与体积应变的曲线关系，并根据数据求取粗粒土试样的邓肯-张(E-B)模型参数，为露天排土场边坡稳定性分析提供依据。

关键词：排土场、粗粒土

Abstract: To understand the waste disposal site slope stability Using stress path triaxial shear test machine, through the test data of coarse grained soil stress-strain relationship curve and axial strain and volumetric strain curve relationship, and according to the data of the coarse grained soil specimen Duncan-chang model parameters (E-B), provide the basis for waste disposal site slope stability analysis.

    Keywords:waste disposal site、coarse grained soil

1．引言

露天矿排土场是堆放剥离废岩（土)的场所，其稳定性、滑坡、泥石流及其灾害的防治，既是一个关系到矿山安全生产的科学技术课题，又是一个关系人民生命财产安全和环保的社会问题。因为矿山排土场经常会受到各种因素的影响而产生滑坡、泥石流、岩土粉尘和酸性水(含重金属)等安全与环境灾害，这些灾害又经常会给矿山生产设备、建筑物以及农田等造成严重损害、污染环境。

粗粒土[1]通常是指块石、碎石(或砾、卵石)、石屑、石粉等粗颗粒组成的无黏性混合料，或是黏性土中含有大量粗颗粒的混合土[2]。排土场作为矿山接纳废石（土）的场所，是露天矿开采的基本工序之一，是矿山组织生产不可缺少的一项永久性工程建筑。当排土场受大气降雨或地表水的浸润作用，排土场内堆积材料的稳定状态会恶化，易引发滑坡和泥石流等灾害。为了保证露天矿山生产和人民生命财产的安全，露天矿山企业应及时对矿山排土场进行稳定性分析评价，对滑坡灾害区域进行调查，对高风险区域进行重点安全监测和预测，掌握不稳定滑流体的各项参数，对其进行加固治理，降低工程风险。

2.粗粒土抗剪强度理论

粗粒土的强度就是指抵抗外荷载破坏的能力。作为散粒体结构的粗粒土，不 同于其它的固体材料，几乎不承受拉应力，仅承受压应力。当其达到失稳状态时，破坏形态也是一部分粗粒土相对于另一部分粗粒土沿某一界面产生滑移，即剪切破坏。因此，在研究粗粒土的强度时，主要是研究它的抗剪强度。

粗粒土的抗剪强度是工程特性的重要指标之一，是土石坝工程稳定性分析的依据。粗粒土因颗粒粒径大，常规的土工仪器因试样尺寸小而不能使用，为满足工程稳定性分析计算的需要，常采用大型三轴仪对粗粒土进行剪切试验，以测定 粗粒土的抗剪强度指标并研究其抗剪强度和变形特性。通过试验数据绘制应力应变关系曲线和轴向应变与体积应变的曲线关系，并求取邓肯-张(E-B)模型参数。

3.试验简介

3.1.仪器设备

本次试验采用的应力路径三轴剪切试验机（见图1），试样尺寸为直径300mm，高600mm。适用于测定轴向应力σ1不大于20MPa（总荷载1500kN）周围压力σ3不大于4.0MPa的粗粒土抗剪强度及其变形特性的仪器。

图1应力路径三轴剪切试验机

3.2试样级配

试验的粗颗粒混合土取自江西都昌金鼎钨钼矿业有限公司3#排土场。由于粗粒土的砾石粒径较大，超过了试验允许的最大粒径 60mm，故采用相似级配法进行缩尺，原级配及相似级配曲线见图2。

图2原级配和相似级配曲线

3.3试验方案与步骤

采用击实制样，控制干密度为 ρd=2.06g/cm3。试样分5层击实，达到预定高度后，开真空泵从试样顶部抽气，使试样在30kPa负压下直立，再去掉成型筒。具体步骤如下：

（1）试样饱和

试验采用抽真空饱和法饱和试样。试样装进压力室后，给压力室充水并施加30kPa的围压，确保试样在饱和过程中不会坍塌。施加稳定的围压后，徐徐开进水阀，使用脱气水在负压作用下，水由下而上逐渐饱和试样水由试样底部进入。待流入水量和溢出水量相等时，视为饱和完成。

（2）试样固结

试验采用等向固结，即固结过程中 σ1=σ2=σ3，，并打开排水阀，使其处于排水状态。对其施加周围压力到预定值（分别为400kPa、800kPa和1600kPa），并保持恒定。测记体变读数及孔隙水压力值，待排水量应趋于稳定，即排水量曲线的下段趋于水平，即认为固结完成。

（3）试样剪切

试验以应变控制剪切，在剪切过程中，打开排水阀门，并以0.6mm／min的剪切速率施加轴向应力，剪切过程中试样处于排水状态。轴向应变达到15%~20%，试验结束。试样的破坏形态呈现腰鼓式破坏（图3）。

图3试样破坏形态

3.4试验结果分析

试验为饱和固结排水剪，由应力-应变曲线可知，粗粒土强度随轴向应变的增大而增大，应力-应变关系呈应变硬化型。 这是由于粗颗粒土粒径较大，颗粒之间的排列稀疏，且随着围压的增大，剪切时应力-应变曲线均呈现应变硬化型。

应力-应变曲线在局部出现很小的波动，这是因为堆石体颗粒以点接触为主，在剪切过程中接触点处出现应力集中。局部应力超过堆石体颗粒接触强度，产生了尖点破碎，引起了应力和应变的波动[3]。随后在压力作用下颗粒发生重新排列、定向，达到一个新的平衡状态，在宏观上表现为应变继续发展。排土场堆石体的应力-应变与传统的岩土材料不同，其剪切过程是颗粒不断重新排列、定向过程。

图4偏应力-轴向应变曲线

根据Mohr-Coulomb破坏强度理论，率定试样的抗剪强度指标，破坏强度的关系式为 ：

(1.1)

式中：c为粘聚力，φ为内摩擦角。

利用破坏应力数据，在 τ-σ应力平面上绘制试样应力摩尔圆和强度包线（图5），粘聚力c=6.98kPa，内摩擦角φ=35.64°。

图5粗粒土应力莫尔圆

4.邓肯-张模型参数确定

邓肯-张模型基于三轴试验得出应力-应变曲线，确定试样的弹性模量和体积模量，从而计算得出模型相关计算参数[4]。Kondner根据大量土样的三轴试验的应力-应变曲线提出双曲线表达式

（1）

其中式中：a为初始切线模量；b为主应力差渐进值；εa为轴向应变。对于常规三轴压缩试验，εa=ε1。σ1为轴向应力（kPa），σ3为固结应力（kPa）。在常规三轴压缩试验中，可将式（1）写成

（2）

将常规三轴压缩试验的结果按~ε1的关系进行整理，二者近似成线性关系。其中a为直线的截距；b为直线的斜率[5]。见图6所示。

图6 ε1/（σ1-σ3）与ε1关系曲线

试验的结果，当应力应变曲线存在峰值时，则 ，当应力应变曲线不存在峰值时，。在三轴剪切试验过程中，当土体应变超过了屈服应变，土中应力超过了土体的抗剪强度，土体就发生了塑性破坏。破坏比 Rf表示为

（3）

邓肯-张模型通过引入破坏比 Rf来判别土体的当前状态，由于，破坏比Rf总小于1。相关参数见表1

表1各围压下的Ei和Rf值

1963年简布(Janbu)总结得出，土体的初始线弹性模量Ei可表示为围压的函数，即

（4）

式中，K，n为试验参数，都为无因次基数。 Pa为大气压，取标准大气压101.3kPa。

绘制 lg(Ei /Pa) ~ lg(σ3 /Pa )关系曲线，并对曲线进行线性拟合，如图7。

图7 lg(Ei/Pa)与lg(σ3/Pa)曲线

由图7可分析出公式（5）的K和n，K=266.3，n=0.96。

（5）

邓肯-张等认为，体积应变εv与轴向应变εa亦符合双曲线关系，在同一围压σ3下，体积模量近似为一常量，将体积模量 Bt表示成围压的函数，体积模量选取应力水平为70%所对应数据计算，Bt表示为

(1.2)

式中：Kb和m是体积模量参数。

根据数据绘制和关系曲线（图8），由图率定Kb=87.6，m=0.61。

图7 lg(B/Pa)与lg(σ3/Pa)曲线

至此，排土场粗粒土的所有邓肯-张（E-B）模型的参数全部率定，如表2。

表2邓肯-张（E-B）模型的参数

5结论

对露天排土场取得粗粒土样进行固结排水剪切试验，得到以下结论：

（1）由应力-应变曲线可知，粗粒土强度随轴向应变的增大而增大，应力-应变关系呈应变硬化型且试样的破坏形态呈现腰鼓式破坏。

（2）排土场粗粒土的应力-应变与传统的岩土材料不同，其剪切过程是颗粒不断重新排列、定向过程。间接反映排土场内堆积材料的稳定状态会恶化，易引发滑坡和泥石流等灾害。

（3）利用试验数据推导出排土场粗粒土邓肯张（E-B）模型的参数，为后续边坡稳定性分析提供必要条件。

参考文献

[1] 郭庆国. 粗粒土的抗剪强度特性及其参数[J]. 陕西水力发电, 1990(03): 31-38.

[2] 李晓云，赵宝平. 某粗粒土大型三轴剪切试验研究[J]. 西北水电, 2011(03): 92-94.

[3] 黄维，傅世平. 沙坪二级左岸崩坡积体物理力学参数选取[J]. 大坝与安全, 2014(02): 21-25.

[4] 钱家欢，殷宗泽. 土工原理[M]. 北京: 中国水利水电出版社出版, 1995:54-60.

[5] 李广信. 高等土力学[M]. 北京: 北京:中国水利水电出版社出版, 1999:224-233.