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不同堆置状态粗粒土剪切强度试验研究 ① 杜 俊1, 程 涌2, 冯国建1, 徐艳伟1, 刘和山1 (1.昆明学院 建筑工程学院,云南 昆明 650214; 2.云南亚融矿业科技有限公司,云南 昆明 650093) 摘 要 为研究不同堆置条件下排土场粗粒土的力学响应规律,开展了终排土体固结排水三轴压缩试验和在排土体快剪试验。 研 究结果表明,土体固结排水三轴压缩应力⁃应变曲线呈现先弹性后屈服再弱硬化的规律,体积⁃应变曲线有拐点,低围压时先剪缩后 剪胀,高围压时以剪缩为主。 在排土体快剪试验具有峰值强度,100~400 kPa 时,峰值强度出现在剪切位移 20%~30%之间,且剪应 力⁃位移曲线呈弱化趋势;600~1 200 kPa 时,峰值强度出现在剪切位移 30%~40%,随剪切位移增加,土体抗剪强度基本保持恒定或 略有增大。 不同堆置状态排土体抗剪强度参数取值各不相同。 关键词 排土场; 粗粒土; 三轴压缩; 直接剪切; 抗剪强度 中图分类号 TD854文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.05.007 文章编号 0253-6099(2020)05-0028-05 Experimental Study on the Shear Strength of Coarse⁃Grained Soils in Different Heap Conditions DU Jun1, CHENG Yong2, FENG Guo⁃jian1, XU Yan⁃wei1, LIU He⁃shan1 (1.School of Civil Engineering, Kunming University, Kunming 650214, Yunnan, China; 2.Yunnan Yarong Mining Technology Co Ltd, Kunming 650093, Yunnan, China) Abstract A consolidated drained triaxial compression test and quick shear test of the final dumped soil were carried out in order to study the mechanical response of the coarse⁃grained soil in the dump site under different heap conditions. From the research, the stress⁃strain curve shows an initial elastic deformation, followed by yield deformation and weak hardening in the consolidated drained triaxial compression test, and an inflection point in the volume⁃strain curve shows that there are shear shrinks followed by shear dilation under low confining pressure, but shrinks dominates under high confining pressure. The quick shear test of the dumped soil shows there is peak strength. It appears 20%~30% of the shear displacement with the vertical loading of 100~400 kPa, showing a weakening trend in the shear stress⁃displacement curve. With the vertical loading of 600~1 200 kPa, it appears 30%~40% of shear displacement, and the shear strength of the soil remains almost constant or in a slight increase with the increasing of shear displacement. The values of shear strength parameters for the dumped soil in different heap conditions are different. Key words soil dump site; coarse⁃grained soil; triaxial compression; direct shear; shear strength 排土场的形成是采矿尤其是露天开采的必然结 果。 排土场堆积体由露天开采剥离的废弃土石组成, 且颗粒直径大于 0.075 mm 的质量远超过全部土粒质 量的 50%,工程上称之为粗粒土[1]。 它的特征是碎散 的颗粒状、颗粒之间常为泥质胶结,由于土颗粒大小不 一、母岩成分各异,堆积过程中极易产生颗粒破碎和不 均匀沉降变形。 大量粗粒土的堆积使得排土场成为一 种巨型的人工边坡,受环境条件的影响,极易形成滑 坡、泥石流等矿山地质灾害[2]。 当前,它已成为露天 矿山的主要危险源之一,其稳定性是矿山安全管理的 重点。 排土场边坡稳定性主要受排土体力学特性与排土 工艺参数的影响。 排土场边坡破坏是一种类土质边坡 的圆弧滑动,边坡抗剪强度指标是客观分析与评价排 土场稳定性的重要依据[3]。 其中,室内试验与现场原 位试验是确定排土体抗剪强度指标的常用方法,室内 ①收稿日期 2020-04-11 基金项目 云南省地方本科高校(部分)基础研究联合专项资金项目(2019FH001-092,2018FH001-050) 作者简介 杜 俊(1984-),男,甘肃天水人,博士,副教授,主要从事粗粒土静动力特性方面的研究。 第 40 卷第 5 期 2020 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №5 October 2020 万方数据 采用直接剪切和三轴压缩,现场采用原位剪切和水平 推剪[4]。 室内试验可进行不同影响因素的对比,较为 灵活;原位试验更接近现场实际,但受粒度组成分布的 空间差异性影响,试验数量开展有限,并且试验成本较 高,大规模开展受限。 已有研究成果表明,排土场粗粒 土力学特性十分复杂。 一方面,堆积过程中,土体粒度 分异性显著,具有底部粒度大、顶部粒度小的特点[5-6]。 另一方面,荷载作用下,土体具有颗粒破碎、剪胀(剪 缩),以及应力⁃应变硬化和软化等特性[7-9]。 鉴于排 土体强度参数的空间变异特征,要从整体上对其强度 参数进行准确取值十分困难。 本文选取海口磷业排土 场粗粒土为研究对象,基于排土场终排、在排、不同堆 置高度设计试验方案,分析不同堆置条件下排土体的 强度参数,以期为现场生产提供有益指导。 1 海口磷业排土场概况 矿区为中山侵蚀地貌,地形总体中部高、四周低。 香条冲背斜是场地内主体构造,矿区又位于香条冲背 斜北翼中段次一级平缓背斜的两翼。 矿山结合采剥进 度主要实施内排土作业,采用“汽车⁃推土机”联合、分 台阶排土。 排土场地基岩石为下层矿石底板,由灰白 色、灰黑色薄至中厚层、厚层状硅质白云岩组成,岩层 倾角小于 10、厚度大于 300 m,地层稳定。 排土体由 第四系残积土、坡积土与黑灰色中厚层状泥质粉砂岩 混合排放组成。 排土场底部基岩面高于地下水位及当 地最低侵蚀基准面,大气降雨为场地来水的唯一因素, 由于场地内布置有完善的排水系统,来水均可自流排 泄,场内无积水。 当前,矿区共形成了 4 个排土区域北端部排土场 (终排,堆置高度 120 m,已复垦)、一采区内排土场(在 排,堆置高度 90 m)、三采区内排土场(在排,堆置高度 60 m)以及四采区内排土场(在排,堆置高度 20 m)。 2 试验方案设计与实现 2.1 试验方案设计 海口磷业北端部排土场已形成永久边坡,堆积时 长超过 5 年,排土体固结沉降充分,边坡具有长期稳定 性,其强度参数易选取有效应力指标。 一采区、三采区 和四采区内排土场仍处于在排阶段,排土强度大,排土 体固结沉降尚未完成,其混杂的残积土、坡积土透水性 差,故排土体强度参数应选取总应力指标。 考虑到不 同堆置高度的影响,在排排土场底部、中部、顶部排土 物料荷载条件不同,应分别开展低压、高压直接剪切试 验,由此来确定不同堆置高度土体的强度参数。 试验 方案设计见表 1。 表 1 排土场粗粒土抗剪强度试验方案设计 试验类型试验条件强度指标堆置状态 三轴压缩固结排水有效应力指标终排 直接剪切 (快剪) 低压(100~400 kPa) 高压(600~1 200 kPa) 总应力指标 堆高 20~60 m 堆高 60~90 m 2.2 试验仪器 三轴压缩和直接剪切试验在昆明学院岩土工程研 究中心完成。 三轴压缩试验采用 DJSZ-150 大型粗粒土 动静三轴试验机。 该仪器包括 5 部分围压伺服系统 (0~3 MPa)、动静加载系统(轴向静态荷载 1 500 kN)、 孔压测量系统(精度1%FS)、体变测量系统(精度 1%FS) 和数据采集系统,可进行常规三轴试验,也可实现不同 应力路径试验。 允许试样尺寸 Φ300 mm 600 mm, 最大轴向荷载 1 500 kN,最大围压可达 3.0 MPa。 直剪试验采用 DHJ-30 型粗粒土叠环剪试验机。 试 验机采用板式框架结构,主机尺寸 2 000 mm 800 mm 1400 mm, 配有干湿循环系统,可实现土样自然、饱和、 干湿循环状态下的直接剪切与叠环剪切;轴向荷载及 水平推力均用荷载传感器测定,最大轴向加压 300 kN, 最大水平推力 300 kN,力传感器分辨度 0.1 kN。 2.3 试验方法 文献[10]表明当 D/ dmax= 4~6 时才能基本消除 试样的尺寸效应,其中 D 为三轴压缩试样尺寸或直接 剪切盒直径尺寸,dmax为试样的最大颗粒尺寸。 本文 采用的三轴压缩和直剪试验机装样直径均为 300 mm, 高度分别为 600 mm 与 240 mm,最大允许装样颗粒粒 径 60 mm。 试验前,采用质量梯度控制方法测定现场 土体颗粒级配,并依据等量替代法对现场级配进行缩 尺处理[1],试验级配见图 1。 24*24 07 Amm 1200 900 600 300 0 1503045 08A4kPa 600 kPa 800 kPa 1000 kPa 1200 kPa 图 5 高压剪切试验剪应力⁃剪切位移曲线 由图 4 可知,土样低压(竖向荷载 100~400 kPa) 剪切中,其“爬坡强度”出现在剪切位移 10%前后,峰 值强度出现在剪切位移 20%~30%,峰值强度后,土样 剪切强度呈现弱化趋势。 “爬坡强度”是指岩土体正 在或已经产生破坏时的强度,表征为竖向加载压力表 指针抬升时对应的强度值。 低压条件下,土体强度弱 化是由于剪切面上的土石颗粒咬合力弱,较小的水平 推力即可使得土体产生较大的剪切位移,土体剪切面 上的大粒径块石在翻转、摩擦、剪断过程中,土体剪切 强度逐步达到峰值,且土体剪切位移迅速增大,剪切强 度逐渐下降,直至土体产生整体剪切破坏。 由图 5 可知,土样高压(竖向荷载 600~1 200 kPa) 剪切中,“爬坡强度”出现在剪切位移 20%前后,峰值 强度出现在剪切位移 30% ~40%,随着剪切位移逐步 增大,土体抗剪强度无弱化趋势,基本保持恒定的强度 特征;当垂直荷载增至 1 200 kPa,土体在剪切后期呈 现微弱的硬化特征。 其原因是,增大竖向荷载,土样剪 切面上的土石颗粒相互啮合,且咬合力较大,水平推剪 力在短时间内迅速增大。 相比低压状态,高压条件下 土样剪切面相互咬合的块石颗粒较难产生翻转、摩擦, 更多的是发生剪断,试验中能清晰地听到块石断裂的 声音,当剪切面上的大粒径块石剪断后,由于垂向压力 保持不变,剪切面仍然处于紧密状态,水平推剪力未出 现减小,土样在较为恒定的水平推剪力作用下,剪切位 移逐步增大至土样完全剪坏。 4 排土体强度与变形分析 4.1 抗剪强度参数的变化 排土场是典型的离散颗粒集合体,易发生剪切破坏。 土体是否达到剪切破坏状态,除了取决于它本身的性质 外,还与所受的应力组合密切相关[12]。 这种破坏时的应 力组合关系称为破坏准则。 目前被认为较能拟合试验结 果、为生产实践所广泛采用的破坏准则是莫尔⁃库伦准则 τ = σtanφ + c(1) 式中 τ 为剪切应力,kPa;σ 为主应力,kPa;c 为土体黏 聚力,kPa;φ 为土体内摩擦角,()。 整理试验数据,分别绘制三轴压缩与快剪土体的 抗剪强度包络线见图 6~7。 CA4kPa 1800 1500 1200 900 600 300 0 1000020003000 08A4kPa σ3 200 kPa σ3 400 kPa σ3 600 kPa σ3 800 kPa 208,5 c 38.4 kPa φ 30.71 图 6 终排土体固结排水剪切强度包络线 CA4kPa 800 700 600 500 400 300 70050011009001300 0A4kPa c 30.3 kPa φ 30.5 τ 0.588σ 30.3 CA4kPa 400 300 200 100 0 1000300200400500 0A4kPa c 24.5 kPa φ 35.4 τ 0.711σ 24.5 b a 图 7 在排土体抗剪强度曲线 (a) 20~60 m; (b) 60~90 m 13第 5 期杜 俊等 不同堆置状态粗粒土剪切强度试验研究 万方数据 分析图6~7 可知① 终排土体黏聚力指标均大于 在排土体黏聚力指标,其原因是终排土体固结排水充 分,土体填筑密度大,颗粒集合体接触充分,在剪切破 坏时颗粒之间的咬合、翻滚、摩擦作用强烈,故机械作 用力较大,进而宏观黏聚力大于新近排土体。 ② 就在 排土体快剪试验结果而言,堆高 20~60 m 土体相比堆 高 60~90 m 土体,黏聚力偏小、内摩擦角偏大。 这是 由于堆高 20~60 m 土体受压荷载小,剪切破坏中,剪 切面上的颗粒破碎滞后于块石间的相互摩擦、抬升、翻 转,土体剪胀、结构疏松,块石间的机械咬合作用力减 小,摩擦作用显著。 堆高 60 ~ 90 m 土体受压荷载较 大,剪切破坏中土体剪切面上颗粒首先发生剪断或颗 粒破碎,大颗粒逐渐变小,块石间的翻滚、摩擦减弱,孔 隙体积减小,剪切面土样更为密实,颗粒间的机械作用 力增强。 ③ 相比而言,三轴压缩试验确定的土体黏聚 力偏大,内摩擦角偏小。 其原因大致是,直剪试验是侧 限条件下的水平推剪,土样受剪切盒刚度约束,块石颗 粒只能产生竖向的抬升、翻转、咬合与摩擦作用,并不 能产生侧向的变形;三轴压缩试验土样周围是一层弹 性橡胶膜,土样在垂直荷载压缩条件下,不仅产生竖向 变形也会产生侧向变形,而剪切过程中侧向变形的增 加使得土体体积增大,剪切面积增大,相同压应力条件 下,土体强度增加。 ④ 不同堆置状态下,排土体抗剪 强度指标取值不同。 排土场边坡稳定性分析应综合排 土条件,选取不同的土体抗剪强度指标。 4.2 宏观变形机制的分析 排土场粗粒土典型的“土⁃石”二元混合结构,及其 在工程尺度上表征的颗粒聚合堆积特征,使其更容易 在荷载作用下发生破坏。 一方面,排土场堆土增高、荷 载增大,碎散的土体颗粒之间受荷载作用产生孔隙的 闭合,由于土颗粒的刚度较大,逐步增加荷载,颗粒之 间发生摩擦、翻滚、咬合,直至荷载足够大时产生碎裂。 另一方面,土体颗粒尺度上表征出的一系列荷载响应, 又进一步反馈在土体材料尺度上,使得土体结构特征 不断发生变化(剪缩或剪胀),应力状态随之改变,抗 剪强度在土体内部呈现出各向异性,从而导致宏观工 程尺度内部逐渐产生剪裂面,随着剪裂面上绕石、穿石 现象加剧,地质体形成不可恢复的变形,最终发生滑动 和流动破坏。 5 结 论 1) 排土场终排土体固结排水充分,宜选取有效应 力指标;在排土体施工速度快,固结排水不充分,宜选 取总应力强度指标。 2) 终排土体固结充分,土体填筑密度大,其三轴 压缩试验应力⁃应变曲线表征为先弹性后屈服再弱硬 化的特点。 其体积⁃应变曲线有拐点,低围压时先剪缩 后剪胀,高围压时主要以剪缩为主。 3) 堆高 20~60 m 在排土体,抗剪强度曲线呈现 弱化趋势,土体爬坡强度在剪切位移 10%前后出现, 峰值强度在剪切位移 20% ~30%之间;堆高 60~90 m 在排土体,随着剪切位移逐步增大,颗粒被剪断、剪切 面接触紧密,直至剪切破坏,土体强度基本保持恒定或 略有增长。 4) 不同堆置状态排土体抗剪强度参数取值各不 相同。 参考文献 [1] 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M]. 郑州黄河水利出版社, 1999. 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