某排土場散體物料力學(xué)性質(zhì)的試驗

張 默 邱 宇 曹作忠 何承堯

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實驗室；3.浙江漓鐵集團(tuán)有限公司)

排土場散體物料是礦山開采集中排棄剝離的廢石土。散體物料在臺階(高20 m以上，物料不均勻)上自然滾落堆積，呈現(xiàn)出明顯的下部大塊石含量多，上部細(xì)粒土含量多，致使散體物料的宏觀力學(xué)特性表現(xiàn)強(qiáng)烈的不均勻性[1-3]。排土場的安全穩(wěn)定性主要由散體物料的力學(xué)參數(shù)、排土工藝參數(shù)和排土速度等參數(shù)決定。目前，排土場安全穩(wěn)定性分析的力學(xué)參數(shù)可以通過現(xiàn)場直剪試驗和室內(nèi)大三軸試驗確定?，F(xiàn)場試驗時間周期長,人工等費(fèi)用高，少量的試驗并不具備代表性；室內(nèi)試驗比較經(jīng)濟(jì)，在較短時間內(nèi)做出多組試驗數(shù)據(jù)，得到的力學(xué)參數(shù)更具有使用價值。對于散體物料不均勻性，在進(jìn)行室內(nèi)試驗時，需要將臺階不同部位的物料分層，然后根據(jù)粒徑大小重新配比粒徑級配代替原型粒徑級配。本次采用室內(nèi)大三軸試驗，分析某排土場散體物料在礫石含量和尺寸大小方面的力學(xué)性質(zhì)。

1 試驗儀器及材料

試驗儀器采用GSZ501型粗粒土大型三軸試驗機(jī)，可以對直徑為50 cm、高度為100 cm試樣進(jìn)行三軸試驗。試驗加載時，利用計算機(jī)對應(yīng)力或應(yīng)變進(jìn)行控制，通過試驗機(jī)EDC控制系統(tǒng)，并根據(jù)加載傳感器的反應(yīng)來控制橫梁的位移。圍壓控制器控制圍壓的變化，通過計算機(jī)對圍壓進(jìn)行記錄和控制，從而達(dá)到試驗的目的。

由于散體物料排棄初期透水性強(qiáng)，欠固結(jié)，因此，采用不固結(jié)不排水試驗，獲得的力學(xué)參數(shù)較真實地反映排土場的穩(wěn)定狀態(tài)。對于欠固結(jié)巖土體，一般沒有峰值強(qiáng)度，通常采用應(yīng)變量的15%對應(yīng)的強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度[4]，進(jìn)而得到相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。根據(jù)散體物料堆積規(guī)律，在臺階上分為上部、中部和下部，代表3個位置層次取樣[5]。土、石的物理力學(xué)參數(shù)見表1,原始顆粒級配見表2,主要礫石含量和尺寸的試驗配比見表3，其他尺寸含量參照原始級配配比。

表1 土、石力學(xué)參數(shù)

表2原始顆粒級配%

表3 散體物料配比

2 試驗過程

2.1 試樣制備

大型三軸試驗要求試樣表面規(guī)整，兩端平行且垂直于軸線，并配置均勻試樣，不得有突出的棱角，以防刺破表面橡皮膜保護(hù)套。依據(jù)現(xiàn)場取樣的顆粒級配，重新配制主要含石料的試驗級配，加入適量的水，充分?jǐn)嚢?，使試樣與水均勻混合靜置45～60 min，然后分5層裝入制樣筒并壓實至預(yù)定高度。

2.2 試驗安裝

在壓力室底座上依次放進(jìn)水石、試樣、濾紙、透水石以及試樣帽，將橡皮膜套在試樣外，并將橡皮膜上、下兩端分別與試樣帽、底座扎緊，使其不漏水。最后裝壓力室罩，向壓力室內(nèi)注滿純水，排除殘留氣泡后，關(guān)閉頂部排氣閥，將壓力室頂部的活塞上端對準(zhǔn)測力計，下端對準(zhǔn)試樣的頂部。

2.3 試樣飽和與固結(jié)

飽和試樣采用水頭飽和的方法。首先對試樣施加20 kPa圍壓，使橡皮膜與試樣緊貼，將橡皮膜與試樣之間的空氣排出。打開與試樣底部連接的進(jìn)水閥門，使水在1.5 m左右的水頭差作用下由底向上逐漸飽和試樣，待試樣頂部溢出水量與流入水量大致相等時，試樣已完成飽和。試樣飽和后關(guān)閉進(jìn)水管閥門，對其施加試驗所需的圍壓進(jìn)行排水固結(jié)，當(dāng)體變管讀數(shù)穩(wěn)定時，固結(jié)完成。進(jìn)行剪切試驗前，需保證管路內(nèi)氣泡全部排空，且使體變管水位處于合適位置，防止剪切過程中體變管中的水溢出。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 不同礫石含量對散體物料強(qiáng)度特性影響

不同礫石含量試樣的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線見圖1?？梢缘玫?，散體物料在相同含石量、不同圍壓下的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線近似為幾何雙曲線，因散體物料主要為欠固結(jié)土，而沒有明顯的峰值強(qiáng)度，并且試樣的應(yīng)力強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大；相同含石量下，因散體物料為物理硬化型曲線，各試樣的偏應(yīng)力(σ1-σ3)即便不增加，軸向應(yīng)變也在增大；應(yīng)力-應(yīng)變曲線在含石量較小時，沒有明顯波動，但隨著含石量的增大(尤其達(dá)到50%以上)，出現(xiàn)明顯波動，這是因為隨著壓力的增加，礫石不斷地移動、轉(zhuǎn)動并調(diào)整其內(nèi)部位置，即所謂的礫石“二次啃斷”所致[6]。

根據(jù)試驗結(jié)果，不同礫石含量各組試樣的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)見表4。

從表4得出，隨著含石量的增加，散體物料的黏聚力不斷減小，而摩擦角則不斷增大。當(dāng)散體物料的含石量從15%增加到55%時，其內(nèi)摩擦角從25°增加到34°，增加了36%。當(dāng)含石量從15%增加到55%時，散體物料的黏聚力從41 kPa減小到7 kPa，減小了82.9%。當(dāng)?shù)[石尺寸相同時，隨著礫石含量的增加，剪切過程中礫石之間的接觸及相互咬合作用導(dǎo)致其內(nèi)摩擦角不斷增大，另一方面，因礫石含量增加，所含土的成分變少，黏聚作用相對變?nèi)?，所以整體黏聚力減小。

圖1 不同礫石含量試樣的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線(碎石尺寸25～45 mm)■—200 kPa；●—400 kPa；▲—800 kPa表4 不同礫石含量散體物料的強(qiáng)度指標(biāo)

含石量/%粒徑/mm?/(°)c/kPa1525～4525413025～4528245525～45347

3.2 不同礫石尺寸對散體物料的強(qiáng)度特性的影響

不同礫石尺寸試樣的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線見圖2?？梢缘玫?，散體物料的關(guān)系曲線近似為幾何雙曲線，應(yīng)力強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大，沒有明顯的峰值強(qiáng)度，為硬化型曲線；礫石尺寸不同，圍壓對峰值應(yīng)力出現(xiàn)的位置影響較大，隨著圍壓的增加，偏應(yīng)力(σ1-σ3)達(dá)到峰值強(qiáng)度前的軸向應(yīng)變增大；礫石尺寸不同，應(yīng)力-應(yīng)變曲線有明顯的上下波動，主要是因為隨著剪切位移的增加，礫石不斷地移動、轉(zhuǎn)動并調(diào)整其內(nèi)部位置，互相咬合所致。

圖2 不同礫石尺寸試樣的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線(礫石含量30%)■—200 kPa；●—400 kPa；▲—800 kPa

根據(jù)試驗結(jié)果，不同礫石尺寸各組試樣的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)見表5，其中，礫石含量30%、尺寸25～45 mm 的結(jié)果已在3.2章節(jié)試驗中得出。

表5 不同礫石尺寸散體物料的強(qiáng)度指標(biāo)

從表5得出,隨著礫石尺寸的減小，黏聚力增大，而摩擦角減小。當(dāng)散體物料的礫石尺寸從45～70 mm減小到10～25 mm時，其內(nèi)摩擦角從31°減小到22°，減小了29%。當(dāng)散體物料的礫石尺寸從45～70 mm減小到10～25 mm時，黏聚力從9 kPa增加到27 kPa，增加了200%。當(dāng)?shù)[石含量(30%)相對偏少時，隨著土的成分相對變多，剪切過程中土的黏聚作用起主要作用，所以整體黏聚力增大，相對摩擦角減小。

3.3 原始級配散體物料的強(qiáng)度特性

根據(jù)原始取樣部位的主要尺寸含量進(jìn)行室內(nèi)重新配比試驗，得到(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線見圖3。

根據(jù)試驗結(jié)果，不同取樣位置各組試樣的強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)見表6。

從表6得出，從臺階的上部到下部，散體物料的摩擦角逐漸增加，而黏聚力不斷減小。上部散體物料含有土的成分多，黏聚力受土的膠結(jié)作用而變大，而下部散體物料含有的礫石和尺寸都大，剪切作用不斷咬合，摩擦角自然呈增大趨勢。該變化規(guī)律和上述散體物料受礫石含量和尺寸的影響規(guī)律一致[7]。

4 結(jié) 論

根據(jù)排土場散體物料的礫石含量和尺寸設(shè)計多組試驗，得到相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析了礫石含量和尺寸對散體物料的力學(xué)參數(shù)與變形特性的影響。

(1)排土場散體物料的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線在幾何形式上表現(xiàn)為近似雙曲線，在物理形式上表現(xiàn)為硬化型曲線，主要因為排土場散體物料排棄后為欠固結(jié)巖土。

(2)當(dāng)以應(yīng)變量為15%對應(yīng)的強(qiáng)度峰值得到力學(xué)參數(shù)時，散體物料的摩擦角隨礫石含量和尺寸增大而增加，其黏聚力隨礫石含量和尺 寸減小而增大，主要因為摩擦角受礫石“二次啃斷” 而表現(xiàn)為增加，黏聚力受土相對含量增加及膠結(jié)作 用而明顯增加。

圖3 不同取樣位置試樣的(σ1-σ3)-εa關(guān)系曲線■—200 kPa；●—400 kPa；▲—800 kPa表6 不同臺階位置散體物料的強(qiáng)度指標(biāo)

取樣位置?/(°)c/kPa上部2718中部2912下部373

含量和尺寸增大而增加，其黏聚力隨礫石含量和尺寸減小而增大，主要因為摩擦角受礫石“二次啃斷”而表現(xiàn)為增加，黏聚力受土相對含量增加及膠結(jié)作用而明顯增加。

(3)排土場散體物料在較高臺階上自然滾落堆積，通過不同臺階位置的試驗，從臺階的上部到下部，散體物料的摩擦角逐漸增加，而黏聚力不斷減小。因此，對排土場臺階較高、物料含石量和塊度不均勻時，將排土場臺階分為2層或3層，取不同的巖土強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性計算是符合實際情況的。