凍融循環(huán)下排土場軟巖邊坡抗剪特性及時效性研究

佘長超，陳 濤，韓 流，宋仁忠，韓 興，閆 石

(1.神華北電勝利能源有限公司，內蒙古 錫林浩特 026000；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

露天礦的大型化、高強度開采，產(chǎn)生大量的剝離物和尾礦物，這些巖土廢棄物集中堆排成巨大的排土場或尾礦庫[1]。近30 a來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的振興和煤炭資源的不斷開采，煤炭資源開發(fā)已逐步向內蒙古、青藏高原等為代表的北方、西北地區(qū)延伸，露天采煤占我國煤炭年產(chǎn)總量由1%增長到20%。露天礦的大規(guī)?；a(chǎn)生數(shù)量眾多、規(guī)模不一的排土場。北方、西北區(qū)域的時令溫差較大，露天煤礦礦排土場展現(xiàn)出明顯的凍融循環(huán)特點，這些大型堆載體的穩(wěn)定性直接危及露天煤礦的生產(chǎn)、運輸及人員安全[2]。

內蒙古地區(qū)的露天礦排棄物均為散體軟巖[3-4]，常含有黏土、泥巖、炭質泥巖等，具有水理性差、膠結度差、力學強度低的特征[5]。散體軟巖在排土場堆載之后受凍融循環(huán)的影響，其膠結狀態(tài)和力學強度發(fā)生了顯著的變化[6]。目前，凍融黏土、黃土等單一巖類的抗剪強度變化規(guī)律研究已經(jīng)取得了一些成果。王大雁等[7]反復凍融青藏黏土，表明黏土的黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，但內摩擦角沒有規(guī)律。方麗莉等[8]發(fā)現(xiàn)非飽和土在凍融循環(huán)后，黏聚力不斷折減而內摩擦角不斷增大的規(guī)律。常丹等[9]通過常規(guī)靜三軸剪切試驗，發(fā)現(xiàn)受凍融后的粉砂土的抗剪強度在7～9次達到最小值，黏聚力降低，內摩擦角先減小后增大。劉暉等[10]對凍融循環(huán)時含砂粉土力學性質進行研究，表明破壞強度和彈性模量隨循環(huán)次數(shù)增加先增大后減小，經(jīng)歷3次循環(huán)后達到最大值。董曉宏等[11]對同一含水率下的黃土進行凍融剪切試驗，發(fā)現(xiàn)3～5次凍融循環(huán)后，黏聚力和抗剪強度在趨于穩(wěn)定值，內摩擦角基本不變。丑亞玲等[12]反復凍融非飽和重塑黃土發(fā)現(xiàn)黏聚力呈指數(shù)函數(shù)減小，內摩擦角隨呈指數(shù)函數(shù)增大，抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而加大。

內蒙古地區(qū)露天煤礦的軟巖剝離物在排土場堆載的過程中，隨著凍融循環(huán)周期時間的延長，排土場散體軟巖邊坡的穩(wěn)定性不斷下降[13]。陳濤[14]凍融剪切較大粒徑土的試驗，發(fā)現(xiàn)黏聚力、內摩擦角等力學參數(shù)隨凍融次數(shù)呈下降趨勢，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，排土場邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)呈指數(shù)型下降。王掌權等[15]凍融黃土揭示了邊坡安全系數(shù)與黏聚力隨凍融次數(shù)增加都表現(xiàn)出指數(shù)下降趨向。田延哲[16]對凍融循環(huán)條件下露天煤礦邊坡巖體力學系數(shù)進行了修正，并發(fā)現(xiàn)巖體的黏聚力和內摩擦角均減小。李國鋒[17]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用下露天礦邊坡角增大，邊坡變形量有所增加但折減度下降。

以往研究針對凍融作用下的黏土、黃土等的抗剪強度較多，這種單一巖土類很難闡釋露天煤礦排土場散體軟巖物料的抗剪強度指標在凍融循環(huán)下的變化規(guī)律。因此，針對凍融內蒙古地區(qū)的排土場散體軟巖物料，量化散體軟巖物料抗剪強度，從而揭示排土場散體軟巖邊坡時效穩(wěn)定性變化規(guī)律。

1 試驗概述

1.1 試樣的選取與制備

內蒙古勝利露天煤礦排土場位于內蒙古錫林浩特市，該排土場的巖性主要為泥巖、炭質泥巖、粉質黏土，由于該煤礦處于季節(jié)性凍土區(qū)，常年受到凍融循環(huán)的影響，其邊坡常發(fā)生局部臺階巖體崩落、坡底位置出現(xiàn)融水流出及單臺階滑坡等現(xiàn)象，為揭示凍融循環(huán)對內蒙古露天煤礦這一系列散體軟巖排土場的影響，故選用內蒙古勝利露天煤礦排土場散體軟巖物料作為研究對象。在現(xiàn)場測得取樣點的散體軟巖物料的天然含水率為15%。將現(xiàn)場取回的排土場散體軟巖試驗材料經(jīng)風干、碾壓、過篩后，測得試驗材料顆粒級配見表1。

表1 排土場散體軟巖試驗材料顆粒級配Table 1 Granule gradation of soft rock test materials in bulk of dump

參照土工試驗規(guī)程[18]對擾動土樣制備試樣，同一含水率的試樣組一次成型，具體步驟如下：①將選用的散體軟巖物料在105 ℃下烘干24 h后碾壓，使得原始物料的水分全部散失；②將烘干的散體軟巖物料按照比例加水攪拌均勻；③將涂抹凡士林均勻地涂抹在擊實筒內壁上，將散體軟巖物料平均5次裝入筒內，每次用相同的重錘在相同的高度落下?lián)魧?次；④制得含水率為5%、10%、15%、20%的標準試樣，每個含水率制作10組試樣，每組試樣為4個，一共制備160個試樣，將試樣放入低溫凍融試驗機，先低溫凍結12 h，再恒溫解凍12 h，最后進行直剪試驗。

1.2 試驗方案

凍融循環(huán)測試采用JC-ZDR-5型全自動低溫凍融試驗機，可控溫度為室溫～-35 ℃，測試溫度誤差為±0.5 ℃；剪切測試采取ZJ應變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)，剪切進度為0.2 mm/min，垂直載荷分級為100、200、300、400 kPa，首先進行凍融循環(huán)試驗：將制好試樣放入凍融循環(huán)試驗箱中，將制作好的試樣凍結過程在-20 ℃低溫作用下凍結12 h，融化過程為在20 ℃條件下融化12 h，此為1個凍融循環(huán)，循環(huán)預定次數(shù)為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。每次試樣完成預定凍融次數(shù)之后，立刻將其進行直剪試驗，這樣可以減小外界溫度影響引起的試驗誤差。

2 抗剪特性劣化結果分析

2.1 抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

對凍融循環(huán)測試和直剪測試的試驗數(shù)據(jù)進行擬合分析，得到試樣抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)關系，如圖1所示。

圖1 試樣抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)關系Fig.1 Relationship between shear strength and freezing-thawing cycles

不同正應力下，試樣的抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)型衰減關系，且試驗值的擬合度較好。含水率5%的試樣擬合方程為

(1)

式中：τ100、τ200、τ300、τ400為含水率5%的試樣在正應力100、200、300、400 kPa的直剪試驗下隨凍融循環(huán)次數(shù)的抗剪強度；t為凍融循環(huán)次數(shù)；R為相關性系數(shù)。

含水率為10%、15%、20%試樣的抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)也呈現(xiàn)指數(shù)型相關關系，與正應力也呈指數(shù)相關關系，其擬合方程也都滿足式(2)，即

τ=τ0+ae-t/b

(2)

式中：a、b為散體軟巖抗剪特性系數(shù)。

在4種不同正應力直剪試驗下，試樣破壞時的抗剪強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化表現(xiàn)出相似的規(guī)律，表現(xiàn)為抗剪強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)降低趨勢，凍融循環(huán)次數(shù)從0到10的過程中，不同正應力直剪試驗下的不同含水率試樣的抗剪強度呈現(xiàn)不同弱化幅度。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是不同含水率試樣的內部在凍融循環(huán)過程中，水分通過復雜的物理化學，使試樣中水分產(chǎn)生凍脹作用[19]，破壞了試樣顆粒之間的連結，體積增大，試樣孔隙增大。而當試樣融化時，隨著試樣中的固態(tài)冰變成液態(tài)的水，試樣顆粒之間凍脹形成的大孔隙由于試樣顆粒的重力作用下，使得試樣內原有的大孔隙減少，小孔隙增多，從而試樣顆粒間的膠結力變差，土顆粒間產(chǎn)生形變位移，土的孔隙發(fā)生形態(tài)改變，導致降低試樣抵抗破壞的能力，表現(xiàn)為凍融循環(huán)次數(shù)增加導致抗剪強度降低，以相對較低的垂直載荷就可以導致試樣破壞。以往對抗剪強度受凍融循環(huán)影響試驗研究并未給出具體的破壞模式，針對這類散體軟巖筆者給出了指數(shù)破壞模式，并分析了散體軟巖的破壞原因。

2.2 黏聚力和內摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

Mohr-Coulomb強度準則[20]廣泛應用于巖土材料的力學強度破壞，這與法向應力和剪切應力密切相關。在直剪狀態(tài)下可以利用Mohr-Coulomb準則簡單、快速判斷巖土材料在某一應力狀態(tài)下是否發(fā)生剪切破壞。不同含水率試樣在剪切試驗后，其試驗數(shù)據(jù)采用Mohr-Coulomb準則計算出每次凍融后的試樣的黏聚力和內摩擦角，其Mohr-Coulomb強度準則為

τ=C+σtanφ

(3)

式中:τ為巖土體的抗剪強度;C為巖土體的黏聚力;φ為巖土體的內摩擦角。

黏聚力和內摩擦角是邊坡巖土體抗剪強度的衡量標準。黏聚力指的是巖土材料內部顆粒之間的黏結力，與巖土材料的初始破壞有密切關系；內摩擦角指的是巖土材料顆粒之間的錯動和咬合，與孔隙發(fā)育程度有直接關系。不同凍融循環(huán)次數(shù)狀態(tài)下試樣的黏聚力和內摩擦角變化，如圖2所示。

圖2 不同含水率試樣的黏聚力C、內摩擦角φ與凍融循環(huán)次數(shù)t的關系Fig.2 Relationship between cohesion,internal friction angle and freeze-thaw cycle times t of samples with different water contents

由圖2擬合曲線可知，不同含水率的試樣的黏聚力及內摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)都呈指數(shù)函數(shù)關系，不同含水率試樣的擬合方程見表2，表中C5%、C10%、C15%、C20%分別為含水率為5%、10%、15%、20%試樣的黏聚力；φ5%、φ10%、φ15%、φ20%分別為含水率為5%、10%、15%、20%試樣的內摩擦角；不同含水率試樣的黏聚力和內摩擦角都與凍融循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)規(guī)律為

表2 試樣的黏聚力及內摩擦角擬合方程Table 2 Fitting equations of cohesion and internal friction angle of samples

(4)

式中:A、B為散體軟巖黏聚力特征系數(shù)；D、E為內摩擦角特征系數(shù)。

不同含水率試樣凍融前后的黏聚力和內摩擦角都呈指數(shù)函數(shù)下降趨勢，且均表現(xiàn)出黏聚力與內摩擦角值“先快速衰減，后緩慢衰減”，其值逐漸趨收斂于一穩(wěn)定值，說明水分子的“液—固—液”循環(huán)狀態(tài)對試樣初期破壞所需的正應力具有弱化作用，水分子呈液態(tài)時在散體軟巖材料顆粒間形成水膜，削弱了微觀結構間黏結力，使得破壞時需要克服的黏聚力減小，隨著循環(huán)次數(shù)進一步增加，水的物理狀態(tài)對試樣的力學弱化作用顯著，內摩擦角也減小。

以往試驗中，在凍融循環(huán)下黏聚力較初始值降低，但是內摩擦角存在增加、減少和毫無規(guī)律等情況，無統(tǒng)一的認識。試驗表明，不同含水率試樣在凍融循環(huán)6次之后黏聚力與內摩擦角趨于穩(wěn)定值，如圖3所示。散體軟巖物料的初始孔隙率大，在凍融初期散體軟巖物料中的自由水變成冰晶對散體軟巖物料骨架產(chǎn)生擠壓，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的逐漸增加，散體軟巖物料骨架受到擠壓力-再釋放壓力的反復循環(huán)過程，骨架因失去了冰晶體而形成空隙，讓孔隙度不斷增大，顆粒間膠結作用減弱；當超過散體軟巖物料的凍脹極限，散體軟巖物料的孔隙度在凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定值，從而也使得散體軟巖物料的黏聚力和內摩擦角趨于一個穩(wěn)定值。5%、10%、15%、20%的含水率試樣未凍融和凍融6次后的黏聚力弱化幅度分別為19.72%、24.33%、30.68%、34.38%，內摩擦角弱化幅度分別為11.99%、15.19%、20.79%、22.86%，其中20%含水率試樣的黏聚力與內摩擦角損傷弱化幅度都最大。

圖3 不同含水率試樣的黏聚力與內摩擦角變化趨勢Fig.3 Variation trend of cohesion and internal friction angle of samples with different water contents

以往試驗雖有針對黏土、粉質黏土提出凍融修正系數(shù)[21]，但均未給出黏聚力及內摩擦角的具體變化模式，本文試驗研究給出了規(guī)律的同時，提出黏聚力和內摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)型衰減表達式。試樣在凍融循環(huán)作用后的黏聚力、內摩擦角隨著含水率的增加呈指數(shù)型衰減，其中不同含水率試樣隨著凍融周期增加，其黏聚力和內摩擦角的弱化幅度都增大，如圖4所示。含水率越高的試樣在凍融循環(huán)作用下，其黏聚力與內摩擦角損傷弱化幅度都越大，且黏聚力損傷弱化幅度比內摩擦角的大。不同含水率的試樣在凍融循環(huán)6次之后的黏聚力與內摩擦角損傷弱化幅度見表3。

圖4 不同凍融循環(huán)次數(shù)的黏聚力、內摩擦角與含水率關系曲線Fig.4 Relation curves of cohesion,internal friction angle and water content of samples after different freeze-thaw cycles

表3 不同含水率試樣凍融循環(huán)6次黏聚力與內摩擦角損傷弱化幅度Table 3 Sample with different moisture content had freeze thaw cycle of 6 times with cohesion and internal friction angle serving as weakening extent of damage

3 凍融循環(huán)邊坡時效性分析

凍融循環(huán)邊坡在凍融循環(huán)過程中，巖土體經(jīng)歷著物理、力學、熱學等極其復雜的變化，巖土體凍脹、融沉過程受控于巖土體體中三場耦合作用，原因是凍巖土中的巖土骨架、冰晶、孔隙水壓力、應力等外界因素影響下的相互運動、遷移、擴散[22]。凍融現(xiàn)象對于露天煤礦邊坡結構和強度會有很大的影響，每經(jīng)過一個凍融周期，露天煤礦邊坡的力學強度就會產(chǎn)生一定程度的折減，不同季節(jié)所對應的邊坡強度和完整性不盡相同[23]。

3.1 凍融循環(huán)邊坡時效性計算公式

對于近似均質凍融循環(huán)下的排土場散體軟巖邊坡，邊坡內部分布著大量的均勻裂隙，此類邊坡多出現(xiàn)圓弧滑坡。圓弧滑坡的穩(wěn)定性計算方法較多，對于傳統(tǒng)的圓弧滑動計算方法，難以體現(xiàn)凍融邊坡的時效性，如圖5所示，其計算公式見式(5)，即

Si—底滑面剪切力;xi—重力線對圓心力矩；R—圓弧滑面半徑圖5 圓弧滑動面Fellenius法計算Fig.5 Calculation by Fellenius method of circular sliding surface

(5)

式中：Fs為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)；C為滑體黏聚力；φ為滑體內摩擦角；Wi為條塊重力；Ni為條塊底板的垂直反力；li為條塊底部的邊長；βi為條塊底滑面傾角。

因此，針對于露天礦季節(jié)性凍融邊坡，若將一次季節(jié)性凍結融化作為一次凍融循環(huán)周期，則式(5)結合凍融循環(huán)散體軟巖的黏聚力和內摩擦角指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律式(4)得到凍融循環(huán)下的時效穩(wěn)定性系數(shù)計算公式為

(6)

式中：T為凍融循環(huán)周期時間，a。

3.2 凍融循環(huán)邊坡的時效穩(wěn)定性變化規(guī)律

內蒙古東部大型露天煤礦排土場邊坡穩(wěn)定性受季節(jié)性凍巖土等影響，其排土場的散體軟巖物料巖性較差，在凍結期至解凍時期，其排土場邊坡上掛有許多冰柱，且許多冰融化的水從坡腳巖體位置滲出，常發(fā)生局部臺階的坡頂巖體崩落及單臺階滑坡情況。在凍融循環(huán)作用下排土場散體軟巖邊坡穩(wěn)定性具有時效性[24]，為揭示凍融散體軟巖對邊坡穩(wěn)定性的影響，在勝利露天煤礦排土場邊坡選取剖面1號、2號，計算其時效穩(wěn)定系數(shù)。在現(xiàn)場測得排土場散體軟巖物料的天然含水率為15%，根據(jù)試驗測定凍融循環(huán)下的散體軟巖力學具有時效特征，見表4，2個剖面的模型參數(shù)見表5。

表4 散體軟巖物理力學及凍融參數(shù)Table 4 Physical mechanics and freezing-thawing parameters of loose soft rock

表5 排土場邊坡結構參數(shù)Table 5 Structural parameters of slope of dump

將以散體軟巖物料物理力學及凍融參數(shù)代入時效穩(wěn)定性系數(shù)計算公式(6)得到1號、2號剖面的凍融循環(huán)下的時效穩(wěn)定性系數(shù)計算公式為

F′s=∑[(29.70+14.21e-T/2.09)li+
Nitan(14.56+4.22e-T/2.89)]/∑Wisinβi

(7)

根據(jù)排土場兩個剖面的凍融循環(huán)下的時效穩(wěn)定性計算表達式F′s繪制Fs與時間T的函數(shù)曲線，如圖6所示。

圖6 2個剖面凍融循環(huán)作用下的時效穩(wěn)定性系數(shù)Fig.6 Aging stability coefficient under freezing-thawing cycle of two sections

通過分析圖6，其結果顯示2個剖面的穩(wěn)定性系數(shù)Fs隨著凍融循環(huán)周期時間的增長呈負指數(shù)變化。排土散體軟巖邊坡在堆積形成之后，穩(wěn)定性系數(shù)急劇下降，隨著凍融循環(huán)周期時間的延長，穩(wěn)定系數(shù)的下降速度逐漸降低。這表明散體軟巖堆積后的新邊坡在初次受凍后巖土力學參數(shù)C、φ等會迅速受到弱化，且隨著時間的增長而不斷降低，且下降速率逐漸減緩，最終趨于穩(wěn)定型邊坡。1號剖面穩(wěn)定系數(shù)歷經(jīng)7 a之后降低至1.4之下，安全系數(shù)弱化幅度為24.12%；2號剖面穩(wěn)定系數(shù)歷經(jīng)6 a之后衰減至1.2之下，安全系數(shù)弱化幅度為23.61%。

4 結 論

1)以往的凍融循環(huán)下排土場物料試驗研究均未給出抗剪強度的具體變化。不同正應力下，散體軟巖物料表現(xiàn)出抗剪強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)降低，且呈現(xiàn)不同弱化幅度，其原因是散體軟巖物料受凍脹作用影響，顆粒間的膠結力變差，土顆粒間產(chǎn)生形變位移，孔隙發(fā)生形態(tài)改變，導致抵抗破壞能力降低。

2) 散體軟巖物料的黏聚力和內摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)都呈指數(shù)型變化模式不斷衰減；含水率越高，其黏聚力與內摩擦角的弱化幅度都越大，且黏聚力的弱化幅度比內摩擦角的大，兩者在凍融循環(huán)6次后趨于穩(wěn)定值。

3)傳統(tǒng)的邊坡安全系數(shù)計算難以突顯邊坡的時效性，在分析散體軟巖邊坡凍融特性基礎上，提出凍融循環(huán)邊坡時效性計算公式，并表明排土場散體軟巖邊坡受凍融影響具有時效性，在堆積形成之后穩(wěn)定性系數(shù)急劇下降，隨著凍融循環(huán)周期時間的延長，穩(wěn)定系數(shù)的下降速率逐漸降低，且在6～7 a后邊坡趨于穩(wěn)定。