貴州丹寨汞礦渣抗剪強(qiáng)度特性及其細(xì)觀機(jī)理

李新衛(wèi) 李 輝 曹洋兵 王思洋

(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一0三地質(zhì)大隊(duì)，貴州 銅仁 554300；2.河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北 石家莊 050011；3.福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

貴州省是我國重要的汞礦生產(chǎn)基地，其汞儲量為各省市之最，占全國總儲量的38.3%。上世紀(jì)50年代以來，國家在貴州省進(jìn)行了長期、大規(guī)模的汞礦開發(fā)，由于開采技術(shù)及冶煉水平落后，加之對地質(zhì)災(zāi)害防范及地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重視程度不夠，產(chǎn)生了大量的廢棄汞礦渣。這些汞礦渣大部分被堆積在天然斜坡上，在極端氣候條件或地震作用下，極易產(chǎn)生斜坡失穩(wěn)災(zāi)害。因此，對汞礦渣抗剪強(qiáng)度特性及其細(xì)觀機(jī)理進(jìn)行研究具有重要的災(zāi)害防治價值與理論意義。

目前，針對汞礦渣的抗剪強(qiáng)度特性進(jìn)行室內(nèi)及現(xiàn)場試驗(yàn)研究的極少，相關(guān)研究急需開展。與室內(nèi)試驗(yàn)相比，現(xiàn)場試驗(yàn)?zāi)塬@得更準(zhǔn)確、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但也存在難以觀測到試驗(yàn)過程中試樣的細(xì)觀性質(zhì)演化，難以探究變形破壞的細(xì)觀機(jī)理。運(yùn)用離散元顆粒流方法可以模擬試樣中顆粒的運(yùn)動及其相互作用，分析試樣在宏觀力學(xué)作用下的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)，深化對試樣的變形破壞機(jī)理認(rèn)識[1-4]。

由于汞礦渣與粗粒土具有一定的相似性，粗粒土直剪試驗(yàn)的顆粒流分析方法具有一定的借鑒意義。賈學(xué)明等[5]基于三維顆粒離散元PFC3D，建立了土石混合料直剪試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，進(jìn)行了不同含石量、不同巖性的土石混合料直剪試驗(yàn)?zāi)M研究。周解慧和馮春輝[6]運(yùn)用二維顆粒流程序PFC2D對粗粒土大型直剪試驗(yàn)進(jìn)行了模擬研究。劉香等[7]利用PFC3D對高爐礦渣粉煤灰混合料的室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值仿真，研究了細(xì)觀參數(shù)對宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響?？琢恋萚8]和李杰[9]基于顆粒流程序軟件PFC2D，開展直剪數(shù)值試驗(yàn)，提取室內(nèi)試驗(yàn)難以獲得的細(xì)觀信息如配位數(shù)等。李新衛(wèi)[10]對膠結(jié)型汞礦渣力學(xué)特性和本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了研究。

本文對具有結(jié)構(gòu)疏松、分選性差、粒徑相差大且具有弱膠結(jié)性的汞礦渣試樣開展了現(xiàn)場大型直剪試驗(yàn)，研究了其抗剪強(qiáng)度特性，再運(yùn)用PFC2D程序，按照與實(shí)際級配相似級配生成了數(shù)值試樣，開展了與現(xiàn)場直剪試驗(yàn)相應(yīng)的數(shù)值試驗(yàn)，分析了顆粒間接觸力、顆粒位移場及試樣中橫向應(yīng)力分布特征，探討了抗剪切過程中的細(xì)觀機(jī)理。

1 汞礦渣現(xiàn)場直剪試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)地點(diǎn)位于貴州省丹寨縣，為貴州省汞礦渣堆積體的典型場地。該汞礦渣體被隨意堆放在山體一側(cè)的高陡邊坡上，組成山體的巖層主要為白云巖，渣體自身堆積坡度達(dá)43°，經(jīng)多年自然固結(jié)而成現(xiàn)在的廢棄汞礦渣體邊坡。渣體顏色為淺灰色至深灰色，局部見較大毛石，多為白云巖，整體均勻性較差。

對汞礦渣體進(jìn)行現(xiàn)場保真采樣，經(jīng)過室內(nèi)篩析法試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，渣體主要由2～200 mm不規(guī)則顆粒組成，3處典型樣品獲得的渣體各尺寸顆粒的組成情況見表1?，F(xiàn)場直剪試驗(yàn)的剪切試樣尺寸為500 mm×500 mm×250 mm，共制作4個試樣。試樣制作時，每一表面按照預(yù)留20 mm進(jìn)行開挖，待5面切割完成后，形成了520 mm×520 mm×250 mm的剪切體，使用手砂輪對端面進(jìn)行磨平至規(guī)定的尺寸，即500 mm×500 mm×250 mm的剪切試樣。對試樣進(jìn)行磨平后，確保各端面間的角度誤差小于1°、各端面表面起伏誤差小于3 mm。

表1 汞礦渣體顆粒粒徑分布表Table 1 Particle size distribution of mercury slag

對4個現(xiàn)場剪切試樣分別施加4級法向應(yīng)力，以測試不同埋深狀態(tài)、地應(yīng)力環(huán)境下汞礦渣體的抗剪強(qiáng)度特性，4級法向應(yīng)力分別為51、99、202、396 kPa。現(xiàn)場直剪試驗(yàn)采用平推法，關(guān)鍵步驟為：對試樣施加某級法向荷載，待其固結(jié)穩(wěn)定后再逐級施加水平剪力使其破壞，記錄試樣加載過程中的剪切應(yīng)力、剪切位移，繪制出試樣的法向應(yīng)力—剪切應(yīng)力、剪切位移—剪切應(yīng)力關(guān)系曲線。從而得出汞礦渣體在特定破壞面上的抗剪強(qiáng)度特性?，F(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場直剪試驗(yàn)Fig.1 Field direct shear test

試樣破壞面較為粗糙，并非傳統(tǒng)的平直光滑剪斷破壞，高差起伏在10～50 mm，局部見錯動痕跡，未在剪切面上發(fā)現(xiàn)其他雜質(zhì)，詳見圖2。

2 PFC2D數(shù)值試驗(yàn)

為直觀了解直剪過程中礦渣顆粒變形破壞情況，探究汞礦渣體細(xì)觀破壞機(jī)理，運(yùn)用二維顆粒流程序PFC2D進(jìn)行了與現(xiàn)場直剪試驗(yàn)相應(yīng)的數(shù)值試驗(yàn)分析。

數(shù)值試樣中最大粒徑為200 mm，最小粒徑為0.5 mm，其中2～200 mm范圍內(nèi)顆粒粒徑分布與實(shí)測相一致。為與現(xiàn)場礦渣堆積體的均勻性相一致，所生成數(shù)值試樣的均勻性也較差，且為了提高計(jì)算效率，沒有生成0.5 mm以下粒徑顆粒，生成的數(shù)值試樣粒徑分布如表1所示。數(shù)值模型分為上下2個剪切盤，長度均為500 mm，高度均為250 mm，與現(xiàn)場試驗(yàn)一致，模型共生成26 748個圓形顆粒，詳見圖3所示。

圖2 試樣剪斷破壞面Fig.2 Shear failure surface of the test sample

圖3 試樣的數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of the test sample

因礦渣體經(jīng)過長時間的堆積，顆粒之間具有一定的膠結(jié)，所以在生成的數(shù)值試樣中加入了接觸粘結(jié)來模擬這一特性。數(shù)值試樣細(xì)觀力學(xué)參數(shù)取值采用校正法，通過試算，使第1級法向應(yīng)力下，數(shù)值試樣與原位試樣的剪切應(yīng)力—剪切位移曲線相吻合。據(jù)此，數(shù)值試樣細(xì)觀力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)值試樣細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 2 Meso mechanical parameters of numerical sample

數(shù)值試驗(yàn)過程中，運(yùn)用上下兩墻施加法向應(yīng)力，待法向應(yīng)力施加完成，上盤保持不動，下盤向右運(yùn)動施加剪切力，在施加剪切力過程中，保持法向應(yīng)力不變，直至剪切試驗(yàn)完成。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對現(xiàn)場與直剪試驗(yàn)數(shù)值模型施加相同的法向應(yīng)力，即四級法向應(yīng)力分別為51、99、202、396 kPa，獲得各級法向應(yīng)力作用下的剪切位移—剪切應(yīng)力關(guān)系曲線，見圖4。

圖4 現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)剪切位移—剪切應(yīng)力對比Fig.4 Comparison of shear displacement-shearstress between field test and numerical test■—數(shù)值試驗(yàn)第1級剪切；●—數(shù)值試驗(yàn)第2級剪切；▲—數(shù)值試驗(yàn)第3級剪切；▼—數(shù)值試驗(yàn)第4級剪切；1—原位試驗(yàn)第1級剪切；2—原位試驗(yàn)第2級剪切；3—原位試驗(yàn)第3級剪切；4—原位試驗(yàn)第4級剪切

由圖4可知，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果在峰值剪應(yīng)力之前以及剛過峰值剪應(yīng)力時，曲線形態(tài)較為一致。但由于現(xiàn)場直剪試驗(yàn)中，試樣被剪斷后不久，即停止剪切，測量的剪切位移較小。而數(shù)值試驗(yàn)中，試樣剪斷后，還可以接著施加剪切，可以研究試樣剪斷后的變形過程，剪切位移較大。對比現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)曲線可以發(fā)現(xiàn)，2組曲線均在初始階段迅速達(dá)到較大的剪切應(yīng)力，接著均出現(xiàn)了下降段，這時現(xiàn)場試驗(yàn)即停止剪切；而數(shù)值試驗(yàn)的剪切還在不斷施加。可以發(fā)現(xiàn)，隨著剪切的施加，數(shù)值試樣逐漸呈現(xiàn)出“延性剪切平臺”特征。

在現(xiàn)場試驗(yàn)中，四級法向應(yīng)力對應(yīng)4個剪切試樣，各個剪切試樣必定在幾何結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性方面存在一定差異；而數(shù)值試驗(yàn)中，四級法向應(yīng)力對應(yīng)的均為同一數(shù)值試樣。因此，2組試驗(yàn)所得剪切位移—剪切應(yīng)力曲線在吻合度上會有一定差異，但數(shù)值試驗(yàn)總體上反映了不均勻汞礦渣體的力學(xué)性質(zhì)。

由圖4可知，直剪試驗(yàn)試樣的破壞方式均為脆性破壞，破壞時剪切位移為6～20 mm不等，與51、99、202、396 kPa四級法向應(yīng)力值對應(yīng)的剪切應(yīng)力峰值為68、84、158、253 kPa，即隨著法向應(yīng)力增加，剪切應(yīng)力峰值基本呈線性增加。數(shù)值試驗(yàn)中各級法向應(yīng)力下剪切應(yīng)力峰值分別為67.64、99.57、157.92、258.77 kPa，現(xiàn)場試驗(yàn)中的各級剪切應(yīng)力峰值為68、84、158、253 kPa。

原位和數(shù)值試驗(yàn)的強(qiáng)度包絡(luò)線如圖5所示，從圖5可以看出，礦渣堆積體實(shí)測抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為內(nèi)聚力c=37.83 kPa，內(nèi)摩擦角φ=28.83°；數(shù)值試驗(yàn)得出的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分別為內(nèi)聚力c=43.36 kPa，內(nèi)摩擦角φ=28.76°。從結(jié)果可以看出，內(nèi)摩擦角基本相同，而數(shù)值試驗(yàn)得出的內(nèi)聚力值略大。

圖5 數(shù)值試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度參數(shù)對比圖Fig.5 Comparison of shear strength parametersbetween numerical test and field test■—PFC；●—實(shí)測

以數(shù)值試驗(yàn)中第4級法向應(yīng)力下的接觸力鏈圖(圖6)為例，可以看出在剪切帶區(qū)域出現(xiàn)了明顯的拉張接觸力，在距離剪切帶較遠(yuǎn)的區(qū)域拉張接觸力較不明顯，且隨著剪切的進(jìn)行，在剪切帶區(qū)域接觸粘結(jié)破壞較多。以數(shù)值試驗(yàn)中第4級法向應(yīng)力下的位移矢量圖(圖7)為例，可以看出隨著剪切的進(jìn)行，下盤(主動剪切盤)區(qū)域的顆粒整體向右運(yùn)動，而上盤(固定盤)與剪切帶較近區(qū)域的顆粒也有向右運(yùn)動的趨勢。

圖6 數(shù)值試樣拉張接觸力分布圖(第4級法向應(yīng)力)

圖7 數(shù)值試樣位移矢量圖(第4級法向應(yīng)力)

現(xiàn)場直剪試驗(yàn)過程中，由于受監(jiān)測手段限制，較難獲得剪切過程汞礦渣體中應(yīng)力分布及其變化情況。而在顆粒流數(shù)值試驗(yàn)中，可以通過在渣體中設(shè)置一定數(shù)量均勻分布的應(yīng)力測量圓來監(jiān)測土體中各點(diǎn)應(yīng)力及其變化。

在達(dá)到剪切應(yīng)力峰值時，在數(shù)值試樣上下盤中分別設(shè)置應(yīng)力圓，來觀察上下盤中應(yīng)力的變化，這里主要監(jiān)測的是剪切方向(橫向)上應(yīng)力的變化情況。圖8為剪切應(yīng)力峰值時橫向應(yīng)力云圖，圖8(a)～圖8(d)為上盤在達(dá)到各級剪切應(yīng)力峰值時的橫向應(yīng)力分布，相應(yīng)的圖8(e)～圖8(h)為下盤在各級剪切應(yīng)力峰值時的橫向應(yīng)力分布。由圖8可知，在靠近剪切帶區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)個應(yīng)力集中區(qū)，越靠近剪切墻應(yīng)力越大；大顆粒對應(yīng)力分布影響較大；對比上下盤的應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，上盤(固定盤)中的應(yīng)力集中區(qū)更加靠近剪切帶，下盤(主動剪切盤)應(yīng)力集中區(qū)分布更廣、受剪切作用影響更大。

4 結(jié) 論

(1)貴州丹寨汞礦渣體現(xiàn)場直剪試驗(yàn)獲得的內(nèi)聚力為37.83 kPa、內(nèi)摩擦角為28.83°，數(shù)值試驗(yàn)獲得的內(nèi)聚力為43.36 kPa，內(nèi)摩擦角為28.76°。兩者獲得的試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近，表明了數(shù)值試驗(yàn)的可靠性和高仿真性。

(2)在試樣接近剪切應(yīng)力峰值時，剪切帶區(qū)域出現(xiàn)了明顯的拉張接觸力，在距離剪切帶較遠(yuǎn)的區(qū)域拉張接觸力較不明顯；隨著剪切的進(jìn)行，下盤(主動剪切盤)區(qū)域的顆粒整體向右運(yùn)動，而上盤(固定盤)與剪切帶較近區(qū)域的顆粒也有向右運(yùn)動的趨勢。

(3)在靠近剪切帶區(qū)域出現(xiàn)了數(shù)個應(yīng)力集中區(qū)，越靠近剪切墻應(yīng)力越大；大顆粒對應(yīng)力分布影響較大；上盤(固定盤)中的應(yīng)力集中區(qū)更加靠近剪切帶，下盤(主動剪切盤)應(yīng)力集中區(qū)分布更廣、受剪切作用影響更大。

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