排土場散體物料強度對邊坡潛在滑動面的影響

張 春 吳 超(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 23000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 23000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 23000；.馬鞍山市開發(fā)區(qū)管委會，安徽 馬鞍山 23000)

排土場散體物料強度對邊坡潛在滑動面的影響

張 春1，2,3吳 超4
(1.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室，安徽 馬鞍山 243000；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院，安徽 馬鞍山 243000；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司，安徽 馬鞍山 243000；4.馬鞍山市開發(fā)區(qū)管委會，安徽 馬鞍山 243000)

高臺階或超高臺階排土場的散體物料塊度分布呈現(xiàn)明顯的粒徑分級特征，物料強度力學(xué)特性隨塊度布組成不同而發(fā)生顯著變化。通過室內(nèi)直剪試驗揭示排土場散體物料強度參數(shù)C、φ與塊度組成規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用強度折減法，通過對排土場采取逐級分層的方式，研究其強度參數(shù)隨高度變化時的邊坡潛在滑動面及安全系數(shù)變化趨勢。試驗與數(shù)值模擬研究表明：其內(nèi)摩擦角隨粗顆粒含量的增多而不斷增大，并呈現(xiàn)線性關(guān)系；黏聚力呈曲線變化，其總體變化趨勢是不斷減小的；邊坡潛在滑動面隨著散體物料分層的不斷細(xì)分，潛在滑動面出口位置不斷向上抬升，塑性區(qū)不斷向上擴展，最終呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；安全系數(shù)隨著層數(shù)的增加逐漸減小，減小到一定數(shù)值(1.125左右)后，隨著層數(shù)的增加，安全系數(shù)又出現(xiàn)一定上升，但變化趨勢趨向穩(wěn)定。

強度特性 潛在滑動面 強度折減法 安全系數(shù)

露天礦排土場是堆放剝離廢巖(土)的場所。目前，我國大部分露天礦山已進入深凹開采階段，對排土場的容積要求不斷增大，為減少礦山排土場占地，節(jié)約資源，排土場段高不斷加大。然而，高臺階排土場不同于一般的土質(zhì)邊坡，其具有一個突出特點：排土場堆積散體具有明顯的粒級分級特征。因此，其力學(xué)特性隨排土場高度也是變化的，受堆排時間和自然固結(jié)密實的影響，散體介質(zhì)破碎，力學(xué)強度隨之發(fā)生了改變。另一方面，由于目前技術(shù)條件的限制，科研設(shè)計人員在排土場強度參數(shù)取值時，往往依據(jù)實驗室數(shù)據(jù)同時并結(jié)合類似材料的經(jīng)驗值綜合考慮，這將可能導(dǎo)致人們搜索到的最危險滑動面可能并不是真正意義上的臨界滑動面，邊坡中次級滑動面也可能不滿足設(shè)定的安全系數(shù)，甚至在邊坡破壞分析中起控制作用。因此，深入研究排土場散體介質(zhì)強度特性隨排土場塊度組成的變化規(guī)律以及邊坡內(nèi)部潛在滑動面、安全系數(shù)隨其變化對排土場規(guī)劃設(shè)計將有重要意義。

1 直剪試驗方案和方法

1.1 試驗方案

本次采用室內(nèi)剪切試驗。試樣均取某采場剝離的廢石和地表的第四世紀(jì)土的混合散體物料，取樣質(zhì)量總計約1.5 t。試驗采用應(yīng)力控制式大型直剪剪切儀,將粗顆粒的含量分為6個等級，分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%，共6組。根據(jù)郭慶國等人的研究[1-5]，粗細(xì)顆粒的區(qū)分以5 mm界限粒徑比較適合，即小于5 mm為細(xì)粒土，大于5 mm為粗粒土，大于60 mm作為超粒徑顆粒，將以等量代替法的方式加以處理，其級配方案如表1所示。

表1 級配組成Table 1 Grading composition

1.2 試驗方法

本次試驗的軸向荷載加載級別為100、200、300、400 kPa 4個等級。在施加預(yù)定的軸向載荷后，記錄垂直、水平千斤頂、變形計等的讀數(shù)。隨即開動水平千斤頂，施加水平荷重，每30 s測讀水平變形計和垂直變形計的讀數(shù)，起始水平荷重按垂直荷重的7%～10%施加。當(dāng)某級水平荷重下的剪切位移超過前一級剪切位移的1.5～2.0 mm/min時，改為按5%施加。每施加一級水平荷重，測讀垂直和水平變形記一次數(shù)據(jù)。

當(dāng)水平荷重讀數(shù)不再增加或剪切變形急驟增長，即認(rèn)為已剪壞。若無上述兩種情況出現(xiàn)，可控制剪切變形達試樣直徑1/15～1/10,方可停止試驗。應(yīng)控制試樣在5～10 min內(nèi)達到剪切破壞。試驗結(jié)束后，對剪切面做簡要描述，取剪切面附近的試樣，測定其剪切后含水量與顆粒級配。

1.3 應(yīng)力-應(yīng)變特性分析

排土場散體物料的抗剪強度是其重要的力學(xué)性質(zhì)之一，反映了土體抵抗剪切破壞的能力，通過直剪實驗可以揭示其力學(xué)特性變化規(guī)律；特選取粗顆粒含量分別為0%、15%、30%、45%、60%、75%這6組直剪實驗數(shù)據(jù)，限于篇幅，只選取30%、75%這組應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線予以說明。

圖1 剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

2 試驗結(jié)果分析

從圖1中可以看出其應(yīng)力-應(yīng)變曲線不十分光滑，在局部地區(qū)存在一定的波動現(xiàn)象，但其總體趨勢比較明顯，在試驗初期，初期階段排土場散體物料中的接觸點處的摩阻力較小，其顆粒相互之間發(fā)生擠壓、滑動，壓縮系數(shù)逐漸變小，因而初始加載階段的變形加大，近似呈現(xiàn)直線。因此，該階段為屬于彈性變形階段，隨著軸壓繼續(xù)增大，物料顆粒繼續(xù)重新排列、滑動，達到一個新的平衡過程，這一過程在宏觀上表現(xiàn)為變形持續(xù)發(fā)展，這時物料處于初始屈服階段,該階段曲線較為平緩,松散物料中粗細(xì)顆粒首先達到屈服度。

最終，松散體骨架中充填成分細(xì)顆粒的進一步破壞,使得物料中原本沒有接觸的大粒徑塊石和碎石發(fā)生接觸,不同粒徑顆粒的相互咬合、摩擦導(dǎo)致物料強度的再次增加,直至達到完全破壞。

2.1 塊度組成與強度參數(shù)C、φ關(guān)系

巖石塊度對于排土場的力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性具有重要的影響，顆粒越小則強度越低，所以在評價排土場穩(wěn)定性狀態(tài)時，除了在巖性、水文地質(zhì)條件和地基條件外，更要研究排土場的巖石塊度構(gòu)成及其分布規(guī)律。礦山排土場散體物料在堆排過程中，受其重力影響作用下產(chǎn)生明顯的粒徑分級特征，其力學(xué)特性也隨之變化，為研究其塊度組成對其強度參數(shù)C、φ的影響，通過對不同的粗顆粒含量來加以分析。由σ-τ關(guān)系曲線圖，根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則：τ=σtanφ+C，用最小二乘法進行線性回歸得出散體試樣的抗剪強度參數(shù)見表2。

表2 試樣抗剪強度參數(shù)Table 2 Shear strength parameters of the sample

2.2 粗顆粒含量與內(nèi)摩擦角之間關(guān)系

如圖2所示，其φ值與粗粒含量P>5 mm總體呈線性關(guān)系。這是由于粗粒土的內(nèi)摩擦角值主要受物料組成級配的影響。當(dāng)粗粒含量P>5 mm較小時，細(xì)骨料充填散體物料之間的相互孔隙，導(dǎo)致粗顆粒之間不能充分接觸咬合，因此φ值較?。坏S著粗骨料含量P>5 mm的不斷增多，顆粒之間形成骨架結(jié)構(gòu)，使粗顆粒之間得到充分的接觸、滑移、咬合，物料之間摩阻力增大，使得內(nèi)摩擦角值不斷增長。

圖2 散體內(nèi)摩擦角隨粗顆粒含量變化關(guān)系

2.3 粗顆粒含量與黏聚力之間關(guān)系

如圖3所示，其黏聚力C值隨著粗顆粒含量增多，呈現(xiàn)先減小后增大，之后隨著又減小的特征。黏聚力C減小的原因是隨著細(xì)顆粒的減少，粗顆粒之間相互間隙比較大，但沒有足夠的細(xì)顆粒來填充，導(dǎo)致物料塊度相互之間不能充分接觸和咬合，因此C值減小；之后出現(xiàn)增大的趨勢是因為當(dāng)粗骨料和細(xì)骨料各50%的時候，物料的組成骨架優(yōu)良，密實程度較高、使得孔隙率變得比較小，粗細(xì)料之間咬合接觸的比較好。

圖3 黏聚力隨粗顆粒含量變化的關(guān)系

3 邊坡潛在滑動面

排土場散體物料由于在重力的作用下產(chǎn)生粒徑分級現(xiàn)象，其塊度分布總體呈現(xiàn)細(xì)顆粒大多在排土場上部，大塊巖石則集中在排土場底部，中間部位各種塊度參差不等，但以中值塊度居多的特征。因此，其力學(xué)特性隨塊度的不同也是變化的，為研究其給邊坡潛在滑動面的影響，通過ANSYS軟件[6-8]建立起數(shù)值模型并導(dǎo)入FLAC3D中，采用FLAC3D中的強度折減法命令流(二分法)對邊坡進行計算。由于排土場堆高達105 m，其力學(xué)特性隨其高度變化比較大，故本研究采取依次對排土場散體物料進行逐級分層(等分)方式，即將其分為3層、4層、5層、6層、7層、8層、9層(限于篇幅，只選取3層、6層、9層進行說明)，直到潛在滑動面和安全系數(shù)相對穩(wěn)定為止，每層強度參數(shù)值根據(jù)圖2、圖3擬合的塊度組成與強度參數(shù)之間的關(guān)系式選取(具體見表3)，從而研究排土場強度參數(shù)隨高度變化時，邊坡中潛在滑動面的發(fā)展?fàn)顩r以及安全系數(shù)變化規(guī)律，其剪切應(yīng)變增量圖、塑性區(qū)分布見圖4，安全系數(shù)見圖5。

結(jié)果分析如下。

(1)潛在滑動面。從排土場剪切應(yīng)變增量圖、塑性區(qū)發(fā)展可以看出：當(dāng)排土場散體物料分為3層時，邊坡潛在滑動面的出口從第3層的節(jié)點略向下滑出，塑性區(qū)相類似，隨著排土場分層數(shù)的增加，潛在滑動面出口位置不斷向上抬升，塑性區(qū)不斷向上擴展，但當(dāng)分層數(shù)為6層時(每層約為17 m)，即使層數(shù)增加，排土場滑動面的剪出口位置趨向穩(wěn)定，塑性區(qū)也趨向于穩(wěn)定，兩者變化都很小，其潛在滑動面位置總體位于第1、2層物料之間，入口位置總體保持不變。邊坡破壞總體呈現(xiàn)局部破壞，不會發(fā)生整體性破壞，但總體都處于穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡的破壞方式呈現(xiàn)近似圓弧狀，與極限平衡法計算結(jié)果相類似。

表3 每層強度參數(shù)值
Table 3 Strength parameters value of each layer

層號C1φ1C2φ2C3φ3C4φ4C5φ5C6φ6C7φ7C8φ8C9φ93層12.325.110.730.79.136.34層12.524.411.128.610.632.88.737.05層12.72411.027.410.930.710.733.88.837.76層12.823.710.926.510.728.811.032.110.334.98.438.07層13.023.511.325.910.828.311.230.711.133.110.235.58.438.28層13.222.311.625.510.927.610.927.610.929.711.031.710.835.98.338.39層13.323.311.825.110.82710.628.811.130.711.232.610.634.49.736.37.138.4

圖4 排土場散體物料分層模型、剪切應(yīng)變增量、塑性區(qū)分布

圖5 安全系數(shù)與物料分層之間關(guān)系式

出現(xiàn)上述原因主要是由于排土場在重力作用下，其塊度組成呈現(xiàn)出比較明顯的粒級分級特征，細(xì)顆粒物料大多在排土場上部，塊度較大的物料則集中在排土場下部，中間部位粗細(xì)物料相對均勻；與此同時，通過篩分試驗可知，排土場粗顆粒含量隨著高度的增大而不斷增多；另一方面，由室內(nèi)直剪試驗得出，內(nèi)摩擦角與粗顆粒含量呈正比關(guān)系，黏聚力變化趨勢總體上隨著其增多而減小。所以在排土場頂部，其強度參數(shù)相對比較小，故其潛在滑動面位置總體處于排土場中上部而沒有向排土場底部發(fā)展。當(dāng)土層劃分為6層之后滑動面發(fā)展出現(xiàn)了相對停止?fàn)顟B(tài)，這主要是由于隨著排土場土層不斷地被細(xì)劃，每一土層變得越來越薄，其塊度組成變化相對比較小，故其強度參數(shù)不會發(fā)生明顯的變化，導(dǎo)致其滑動面位置和形態(tài)趨向于穩(wěn)定。

(2)安全系數(shù)。從圖5可以看出，在層數(shù)分為2～4層時，安全系數(shù)隨著層數(shù)的增加逐漸減小，之后，隨著層數(shù)的增加，安全系數(shù)又出現(xiàn)一定上升，但變化趨勢趨向穩(wěn)定(當(dāng)排土場被劃分為5層時，即每1層高約為21 m)。這主要是由于在前期排土場潛在滑動面位置位于中部，此時，粗顆粒含量占多數(shù)，導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角相對黏聚力而言起主導(dǎo)作用。所以在前期，安全系數(shù)隨層數(shù)的增加而不斷減??；在后期，潛在滑動面位置主要處于排土場頂部，由于排土場頂部細(xì)顆粒含量居多，導(dǎo)致黏聚力起主導(dǎo)作用，故其安全系數(shù)出現(xiàn)一定的增長；之后，隨著排土場土層不斷地被細(xì)分，其塊度組成變化相對比較小，故強度參數(shù)不會發(fā)生明顯的變化導(dǎo)致其安全系數(shù)相對穩(wěn)定。邊坡潛在滑動面的發(fā)展也從側(cè)面證實了該結(jié)論的合理性。出現(xiàn)局部的波動可能是由于網(wǎng)格的劃分、強度參數(shù)黏聚力(曲線變化)的近似選取等因素所導(dǎo)致。

4 結(jié) 論

(1)排土場散體物料內(nèi)摩擦角隨粗顆粒含量的增多逐漸變大，呈正比關(guān)系，擬合關(guān)系式為：與y=22.83x+21.51；黏聚力C值隨著粗顆粒含量增多，呈現(xiàn)先減小后增大，之后隨著又減小的特征，但變化的趨勢總體是減小的，中間出現(xiàn)起伏的主要原因是受散體物料密實度的影響,擬合關(guān)系式為：y=-65.98x3+71.63x2-26.16x+14.35。

(2)排土前期，排土場剪出口位置不斷向上抬升，且潛在滑動面發(fā)展相比安全系數(shù)表現(xiàn)出一定的滯后性。隨著排土場層數(shù)的增加，排土場物料塊度組成變化趨于穩(wěn)定，剪出口位置也趨于穩(wěn)定，入口位置總體保持穩(wěn)定(排土場被劃分為6層時，即每層約為17 m)，其破壞模式呈近似圓弧狀。安全系數(shù)變化趨勢先減小后增大，最終也趨向穩(wěn)定，這體現(xiàn)了與潛在滑動面發(fā)展的一致性。

排土場分層區(qū)間存在一定的規(guī)律性，即在潛在滑動面和安全系數(shù)變化總體呈穩(wěn)態(tài)時，劃分層數(shù)比較合適。該結(jié)論對類似排土場合理、正確分層以及物料取樣提供參考，也為排土場的合理規(guī)劃設(shè)計以及穩(wěn)定性分析奠定基礎(chǔ)。

[1] 郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州:黃河水利出版社，1998. Guo Qingguo.Engineering Characteristic and Its Application of Aggregate Soil[M].Zhengzhou:Yellow River Conservancy Press,1998.

[2] 劉萌成，黃曉明，高玉峰.堆石料強度特性與非線性彈性本構(gòu)模型研究[J].巖土力學(xué)，2004,25(5)：798-802. Liu Mengcheng,Huang Xiaoming,Gao Yufeng.Research on thestrength-deformation characteristics and nonlinear elastic model of rockfills[J].Rock and Soil mechanics,2004,25(5):798-802.

[3] 張 嘎，張建民.粗粒土的應(yīng)力應(yīng)變特性及其數(shù)學(xué)描述研究[J].巖土力學(xué)，2004，25(10)：1587-1591. Zhang Ga，Zhang Jianmin.Study on behavior of coarse grained soil and its modeling[J].Rock and Soil mechanics,2004，25(10)：1587-1591.

[4] 閻宗嶺.堆石體物理力學(xué)特性及其工程應(yīng)用研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2003. Yan Zongling.Research on Physical and Mechanical Characteristics of Rock-fill and Its Engineering Applications[D].Chongqing：Chongqing University，2003.

[5] 油新華.土石混合體隨機結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用研究[D].北京：北方交通大學(xué)，2002. You Xinhua.Stochastic Structural Model of the Earth-rock Aggregate and Its Application[D].Beijing:Beijing Northern Jiaotong University，2002.

[6] 趙尚毅，鄭穎人，張玉芳.有限元強度折減法中邊坡失穩(wěn)的判據(jù)探討[J].巖土力學(xué)，2005，26(2)：332-336. Zhao Shangyi，Zheng Yingren，Zhang Yufang.Study on slope failure criterion in strength reduction finite element method[J].Rock and Soil Mechanics，2005，26(2)：332-336.

[7] 張魯渝，鄭穎人，趙尚毅.有限元強度折減系數(shù)法計算土坡穩(wěn)定安全系數(shù)的精度研究[J].水利學(xué)報，2003，24(1)：21-27. Zhang Luyu，Zheng Yingren，Zhao Shangyi.The feasibility study of strength reduction method with FEM for calculating safety factors of soil slope stability[J].Journal of Hydraulic Engineering，2003，24(1)：21-27.

[8] 王光進.超高臺階排土場散體介質(zhì)力學(xué)特性及邊坡穩(wěn)定性研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2011. Wang Guangjin.Study on The Mechanical Characteristics of Granular Media and Slope Stability with Super-high Bench Dumping Site[D].Chongqing：Chongqing University，2011.

[9] 鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2010. Zheng Yingren，Chen Zuyu，Wang Gongxian，et al.Engineering Treatment of Slope and Landslide[M].Beijing：China Communications Press，2010.

[10] 連鎮(zhèn)營，韓國城，孔憲京.強度折減有限元法研究開挖邊破的穩(wěn)定性[J].巖土工程學(xué)報，2001，23(4)：407-411. Lian Zhenying，Han Guocheng，Kong Xianjing.Stability analysis of excavation slope by strength reduction FEM[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2001，23(4)：407-411.

(責(zé)任編輯 徐志宏)

Influence of Strength of the Dump Granular Materials on the Potential Sliding Surface of Slope

Zhang Chun1，2,3Wu Chao4
(1.StateKeyLaboratoryofSafetyandHealthforMetalMines，Maanshan243000，China;2.SinosteelMaanshanInstituteofMiningResearchCo.，Ltd.，Maanshan243000，China;3.NationalEngineeringResearchCenterofHuaweiHighEfficiencyRecycleandUtilizationofMetallicMineralResourcsCo.Ltd.;4.AdministrationCommitteeofMaanshanEconomicandTechnicalDevelopmentZone，Maanshan243000，China)

High or super-high bench dump′s granular material block size distribution show obvious size grading characteristics，and its strength characteristics vary remarkably with pieces of cloth.The indoor direct shear tests reveal the rule of dump granular material strength parametersC、φand block composition.On this basis，the strength reduction method is adopted to study the variation trend of the potential slip surface of slope and the safety coefficient at strength parameters varying with the height，through layering the dumps.The experimental research and the numerical simulation show that:the internal friction angle increases with coarse particle content increasing，showing as a linear relationship.Its cohesion varies as a curve，and its overall variation trend becomes more and more slight.The potential slip surface of slope is continuously sub-divided with the granular material layer.The outlet of potential sliding surface is moving upward，and the plastic zone is slightly expanding to be a final steady state; The safety coefficient decreases gradually with the increase of layer number.When the decrease reached a certain value(about 1.125)，the safety coefficient emerges a rising trend，but the trend is becoming stable with the increase of layers number.

Strength property，The potential sliding surface，Strength reduction method，Safety factor

2014-12-23

張 春(1985—)，男，碩士,助理工程師。

文獻標(biāo)志碼 A 文章編號 1001-1250(2015)-01-133-05