最大干密度條件下散體巖石物料的抗剪特性

梁維，趙維生，鄧代強，杜俊，金小川

(1.貴州理工學院 礦業(yè)工程學院，貴州 貴陽 550003；2.昆明學院 城鄉(xiāng)建設(shè)與工程管理學院，云南 昆明 650214；3.江西省地礦局贛東北大隊，江西 上饒 334000)

0 引 言

散體巖石物料在涉及巖土類的工程中廣泛存在，尤其在露天礦的開采過程中，由剝離和開采產(chǎn)生的松散巖土體堆積而成的排土場即為散體巖石物料的集合體。該類松散巖土體在其他工程領(lǐng)域也稱為粗粒土、土石混合體、堆石料等[1]，由于顆粒粒徑離散性大、顆粒形狀與空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的非均勻性，導致其力學特性不同于一般的土體或巖體，影響因素主要有粗顆粒含量、細顆粒性質(zhì)、顆粒排列方式和密實度等[2-3]。由于密實度受限于前述因素，因而密實度是影響力學特性的重要因素之一，在散體巖石物料力學特性研究中密實度和抗剪特性均受到國內(nèi)外眾多學者的關(guān)注，文獻[4-6]對不同粗粒含量(級配)散體物料的壓實特性及顆粒破碎特性進行了試驗研究；Ahmadreza Tabibnejad等[7]通過干燥-飽和三軸壓縮試驗研究了不同最大顆粒尺寸、細顆粒含量、初始干密度條件下堆石料的變形特性；文獻[8]利用真三軸試驗研究了密實堆石料的強度特性和剪脹特性；文獻[9-11]利用室內(nèi)大型直剪試驗對不同礫石含量土石混合料的剪切強度及變形特性進行了研究；文獻[12-14]通過建立離散元數(shù)值模型對散體物料的強度特性、變形規(guī)律及剪脹特性進行了研究；文獻[15-16]探討了不同干密度條件下散體物料抗剪強度參數(shù)的變化關(guān)系，結(jié)果顯示，抗剪強度參數(shù)隨干密度的增大而增大。

縱觀前人的研究工作，主要從散體的最大顆粒尺寸、粗顆粒含量、級配組成、細顆粒性質(zhì)和顆粒破碎等因素對壓實特性和強度特性的影響進行了研究，基本上都是孤立分析壓實特性，特別是最大干密度和抗剪特性，較少將兩者建立聯(lián)系，即針對散體巖石物料在最大干密度條件下的抗剪特性還缺乏進一步研究。

眾所周知，在露天礦山生產(chǎn)過程中，排土場的穩(wěn)定運行是礦山安全生產(chǎn)的重要一環(huán)，為了保證排土場的穩(wěn)定性，特別是在露天礦超高排土場的堆排過程中，需要分臺階堆排和分層進行碾壓，從而提高散體巖石物料的密實程度、工程特性和力學強度。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，開展不同級配散體巖石物料最大干密度及其在該條件下的抗剪特性試驗研究，從粗顆粒含量、含水率、最大干密度、剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線、剪脹作用等方面進行綜合分析，為掌握該條件下散體巖石物料的力學特征提供研究依據(jù)。

1 室內(nèi)力學試驗

1.1 試樣超大粒徑處理

試樣取自云南某礦山排土場，如圖1所示，由于室內(nèi)試驗設(shè)備限制，試樣最大粒徑為60 mm，大于該粒徑尺寸的為超大粒徑。試驗時需對現(xiàn)場試樣的超大粒徑進行處理，為確保試樣的粗細顆粒含量不變，一般采用等量替代法，同時以5 mm作為粗細顆粒的界限粒徑，即粒徑大于5 mm的為粗顆粒，反之稱為細顆粒[17]。本次研究結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，根據(jù)粗細顆粒的含量不同，配置了5種試樣，即粗顆粒含量分別為90%，70%，50%，30%，10%，處理后的試樣級配曲線見圖2[18]。

圖2 試樣級配累計曲線

1.2 散體巖石物料擊實試驗

擊實試驗是室內(nèi)測定散體巖石物料在不同級配和含水率條件下最大干密度的常用方法，標準擊實試驗允許最大粒徑為40 mm，采用自制擊實儀進行：擊實筒內(nèi)徑300 mm，高354 mm，擊實錘直徑50 mm，質(zhì)量4.5 kg，擊錘下落高度450 mm，擊實功600 kJ/m3。試樣含水率設(shè)定2%，4%，6%，8%，10% 5個等級，悶料12 h，分5層擊實，每層151次[17-18]。

擊實后，散體的密實程度采用干密度表示，

ρd=ρ/(1+ω)，

(1)

式中：ρd為試樣干密度；ρ為試樣濕密度；ω為試樣含水率。

5種試樣擊實試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 各級配試樣干密度與含水率關(guān)系曲線

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)分析，可得出各級配試樣最大干密度和最優(yōu)含水率，如表1所示。

表1 各級配試樣最大干密度和最優(yōu)含水率

1.3 最大干密度條件下散體巖石物料直剪試驗

在上述擊實試驗基礎(chǔ)上，針對5種級配試樣開展最大干密度條件下的直接剪切試驗。室內(nèi)中型直剪儀由垂直加壓和水平加壓構(gòu)件、位移及變形測量構(gòu)件、上剪切盒、下剪切盒等組成，其中上盒承壓固定，下盒可滑動。試樣尺寸大小為φ300 mm×240 mm，最大粒徑60 mm。試驗按照《粗顆粒土直接剪切試驗》(SL237-059-1999)要求進行。依據(jù)Mohr-Coulomb理論對試驗結(jié)果進行抗剪強度曲線擬合，如圖4所示。

圖4 各粗粒含量試樣抗剪強度曲線

由抗剪強度擬合曲線得出的抗剪強度參數(shù)如表2所示。

表2 各粗粒含量抗剪強度參數(shù)

2 試驗結(jié)果分析及討論

2.1 散體巖石物料的最大干密度

在外力作用下，散體顆?？朔Σ磷枇ο嗷D壓而出現(xiàn)新的排列，同時細顆粒充填于粗顆粒間形成的孔隙，將孔隙中的水分和空氣排出，使顆粒處于緊密排列狀態(tài)，在一定條件下密實程度達到最大。最大干密度、最優(yōu)含水率與粗顆粒含量關(guān)系如圖5所示。

圖5 最大干密度、最優(yōu)含水率與粗顆粒含量關(guān)系

從圖5可以看出，散體巖石物料最大干密度隨粗顆粒含量的增大而增大，達到最大值后迅速減小，最大值出現(xiàn)在粗顆粒含量60%～70%時，為2.315 g/cm3，之后隨著粗顆粒含量增加干密度反而減小。分析認為，當細顆粒含量占優(yōu)時，粗顆粒被細顆粒包裹，干密度主要取決于細顆粒性質(zhì)和狀態(tài)，在同體積條件下，細顆粒數(shù)量要比粗顆粒的數(shù)量多得多，相對孔隙比更大，因而單位體積質(zhì)量小；當粗顆粒含量逐漸增加時，骨架作用越來越明顯，細顆粒充填于骨架孔隙中，此時散體巖石物料由粗、細顆粒共同作用承載外力，使顆粒間擠壓得更緊密，密度達到最大值；當粗顆粒含量繼續(xù)增加，細顆粒不足以填充于孔隙，只有粗顆粒構(gòu)成的骨架承擔擊實功而得不到完全壓實，密度降低。因而，在粗顆粒含量為60%～70%時，散體粗顆粒與細顆粒相互作用形成的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，干密度也最大，其最優(yōu)含水率也呈現(xiàn)最小值。

2.2 散體巖石物料抗剪特性分析

2.2.1 抗剪強度參數(shù)分析

由表1～2分析可知，散體巖石物料在粗顆粒含量60%～70%時,干密度達到最大值，最大抗剪強度c為67.49 kPa，φ值為37.76°，與課題組研究人員杜俊[19]對該物料在天然狀態(tài)下抗剪強度參數(shù)的研究成果對比，如圖6所示。

圖6 散體巖石物料抗剪強度參數(shù)對比曲線

由圖6可知，最大干密度條件下，不同級配散體巖石物料的c值比天然狀態(tài)下有較大幅度提高，前者c值比后者增長了14%～115%，增長幅度波動較大，而φ值比后者增長了53%～ 72%，增長幅度相對較為平穩(wěn)。分析認為，散體巖石物料的抗剪特性主要取決于“結(jié)構(gòu)性”和“摩擦性”的相互作用[20]，當粗顆粒含量較小時(10%)，c值主要取決于細顆粒的黏結(jié)作用；粗顆粒含量為30%時，細顆粒為主要承載結(jié)構(gòu)，粗顆粒摻雜于細顆粒中，降低了試樣的黏結(jié)性；隨著顆粒含量繼續(xù)增加，骨架效應(yīng)逐漸增強，細顆粒充填于粗顆粒間的孔隙中，散體巖石物料更加密實，使整體結(jié)構(gòu)性增強，此時由粗細顆粒共同承載剪切力作用，當粗顆粒含量為60%～70%時出現(xiàn)峰值，因此c值主要取決于“結(jié)構(gòu)性”的作用，受密實程度的影響較大。而φ值主要反映了顆粒間的咬合作用和結(jié)構(gòu)性破壞后剪切帶的摩擦強度，以及凹凸不平剪切面上散體顆粒的滾動、滑動、翻越和擠壓引起的摩擦效應(yīng)，其“摩擦性”作用占優(yōu)，受法向應(yīng)力和密實程度影響較大。

由此可見，在干密度狀態(tài)下，“結(jié)構(gòu)性”和“摩擦性”增強，散體巖石物料的密實程度是影響抗剪強度參數(shù)的主要因素之一。

2.2.2 剪切特性分析

不同粗粒含量剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系如圖7～9所示，篇幅所限，本文只列出粗顆粒含量為30%，50%，70%時最大干密度條件下的剪切曲線，從圖7～9可以看出：

(1)在相同密實程度狀態(tài)下，隨著正應(yīng)力增加，散體巖石物料抗剪強度明顯增大；在同一正應(yīng)力狀態(tài)下，隨密實度增加，抗剪強度逐漸增大，整體變化趨勢明顯。

(2)最大干密度條件下，不同級配的剪應(yīng)力-剪切位移曲線變化趨勢相同，整體上劃分為3個階段。

剪切啟動階段：在施加水平剪切荷載初期，試樣處于最大密實狀態(tài)，沿著水平方向的剪切縫產(chǎn)生錯動和發(fā)生相對位移，位移增加緩慢，圖中各數(shù)據(jù)點密集，剪應(yīng)力-剪切位移曲線近似線性，且斜率相對較大，主要原因是該階段施加的剪應(yīng)力小于整體試樣的抗剪強度，在施加剪切荷載方向上剪切盒附近產(chǎn)生應(yīng)力集中,對試樣產(chǎn)生擾動，導致局部顆粒發(fā)生松動和滑動，在豎向荷載作用下，散體孔隙壓縮使試樣體積減小。在相同密實度條件下最大干密度越大,正應(yīng)力越大,該階段特征越明顯。

剪切發(fā)展階段：隨著剪應(yīng)力增加，剪應(yīng)力和位移增量逐漸增大，說明試樣顆粒松動和滑動由局部逐漸向試樣內(nèi)部發(fā)展，顆粒間相互咬合，增強了試樣的剪切作用，由于顆粒的松動和滑動提供了剪切變形空間，使試樣體積逐漸增大，剪縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浶?yīng)。此時試樣局部產(chǎn)生破壞但整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剪切曲線呈現(xiàn)出拐點并向下一階段發(fā)展，該階段在相對高密實度和高正應(yīng)力條件下較為明顯。

剪切破壞階段：試樣由局部破壞向整體破壞發(fā)展，散體顆粒在剪切面上發(fā)生滾動、甚至翻越鄰近顆粒，導致剪切面整體發(fā)生錯動，剪切強度主要受到剪切破壞面摩擦作用的影響，因而剪應(yīng)力增長緩慢而剪切位移增量增長明顯。剪應(yīng)力-剪切位移曲線斜率較前述兩個階段大幅度減小，此階段試樣完全破壞。

(3)剪切曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，一方面，由于試樣處于某一粗顆粒含量條件下的最大干密度，在剪切過程中顆粒的咬合作用和剪切面的摩擦作用增強，使剪應(yīng)力增大；另一方面，試樣顆粒在剪切破壞區(qū)域發(fā)生滾動、翻越、擠壓等現(xiàn)象，導致試樣體積增大發(fā)生剪脹變形，在剪切過程中需克服剪脹變形做功而使剪應(yīng)力增大，因而剪切曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特性。

圖7 粗顆粒含量30%時的剪切曲線

圖8 粗顆粒含量50%時的剪切曲線

圖9 粗顆粒含量70%時的剪切曲線

2.2.3 剪脹特性分析

剪脹(剪縮)性是散體巖石物料在剪切過程中的重要特性，H.Matsuoka[21]提出了二維剪脹模型：

(2)

(3)

式中：τ為剪應(yīng)力；σN為正應(yīng)力；λ為試驗常數(shù)；μ為內(nèi)摩擦系數(shù)；dεN為垂直應(yīng)變增量；dγ為剪應(yīng)變增量；L為試樣高度；dh為垂直位移增量；dD為剪切位移增量。由上述分析可知，剪脹(剪縮)關(guān)系可用試樣豎向位移描述，定義豎向位移以豎直向上為正方向，即剪脹為正，剪縮為負，試樣豎向位移-剪切位移曲線如圖10～12所示，分析可知：

圖10 粗顆粒含量30%時的豎向位移-剪切位移曲線

圖11 粗顆粒含量50%時的豎向位移-剪切位移曲線

圖12 粗顆粒含量70%時的豎向位移-剪切位移曲線

(1)在施加水平剪切荷載初期，即剪切啟動階段呈現(xiàn)剪縮效應(yīng)，這是由于剪切盒附近的試樣顆粒受到邊界應(yīng)力集中的作用，導致試樣局部顆粒發(fā)生松動和滑動而產(chǎn)生孔隙，在豎向荷載作用下，散體孔隙壓縮使試樣體積減小。

(2)隨著剪切過程推進，即剪切發(fā)展階段，剪縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浶?yīng)，這是由于散體物料處于密實狀態(tài)，局部顆粒發(fā)生松動和滑動以提供剪切變形空間，促使試樣體積逐漸增大。

(3)在剪切破壞階段，剪脹效應(yīng)得到增強，分析認為，一方面由于剪切時剪切面附近的散體顆粒發(fā)生滾動、甚至翻越鄰近顆粒而發(fā)生重新排列，導致該部分散體孔隙增大，致使試樣體積增大；另一方面，由于試樣顆粒的不均勻性，試樣剪切破壞面并非理想的平直滑面，而是凹凸不平的，剪切面產(chǎn)生“爬坡”效應(yīng)提供剪切變形空間，而使體積增大，剪脹效應(yīng)增強，在剛性剪切盒的側(cè)向受限條件下，剪脹性體現(xiàn)在剪切盒蓋板被抬起，豎向位移增大。

(4)剪脹(剪縮)效應(yīng)受到試樣的密實狀態(tài)和豎向應(yīng)力的共同作用，由于試樣處于最大干密度狀態(tài)，散體顆粒緊密咬合，剪切過程中更多的由顆粒的翻越和“爬坡”獲取剪切變形空間，同時在此過程還需克服豎向應(yīng)力的作用，豎向應(yīng)力越小越容易克服，因此，最大干密度越大剪脹性越明顯，在同一密實條件下，正應(yīng)力越低剪脹越明顯。

3 結(jié) 論

(1)散體巖石物料在粗顆粒含量為60%～70%時，粗顆粒與細顆粒相互作用形成最為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，干密度最大，最優(yōu)含水率最?。?/p>

(2)在最大干密度狀態(tài)下，散體巖石物料的“結(jié)構(gòu)性”和“摩擦性”得到增強，其抗剪強度比天然狀態(tài)下有較大幅度提高，c值增長了14%～115%，φ值增長了53%～72%。

(3)在最大干密度狀態(tài)下，散體巖石物料試樣剪切過程整體上可分為啟動、發(fā)展、破壞3個階段，剪切曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性。

(4)試樣在剪切啟動階段剪縮，發(fā)展階段由剪縮逐漸轉(zhuǎn)化為剪脹，破壞階段剪脹效應(yīng)增強。