某露天礦山排土場拋尾料固結試驗研究

胡鍵，萬道春，龐鑫

（攀鋼集團礦業(yè)有限公司，四川 攀枝花 617000）

排土場是一種人工松散堆墊體，在露天礦山開采中具有砂石轉運的功能[1]。排土場邊坡的安全穩(wěn)定性直接關系著露天礦山的生產效率和生產安全性[2]，排土場邊坡治理問題一直是露天礦山開采中需要重點關注的問題。

有學者針對露天礦山排土場穩(wěn)定性問題進行了大量研究[3]，目前基本可以得到大部分學者認可的是，除地震、降水等外界因素外，排土場邊坡穩(wěn)定性還與土體本身物理力學性質有密切聯(lián)系[4]。其中，邊坡土體的壓縮性及土體在受壓條件下的力學性能是需要考察的重要指標[5]。本文利用YS50-4A 型大型粗粒土壓縮（固結）儀對某露天礦山排土場拋尾料土樣進行固結試驗，對土樣壓縮沉降曲線、壓縮變形量、應力-應變曲線等進行考察，并通過固結試驗數據進行壓縮系數av、壓縮模量Es等考察指標的計算依次來進行壓縮性判別，為后期的邊坡穩(wěn)定性治理提供理論參考。

1 試驗概況

1.1 土樣采集

如圖1 所示，拋尾料取樣自某露天礦山排土場，取樣后按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[6]對拋尾料含水率、孔隙比及密度等基本物理性質進行測定，拋尾料基本物理性質如表1 所示。

表1 某露天礦山排土場拋尾料基本物理性質

圖1 拋尾料取樣點

1.2 試驗裝置

本研究使用大型粗粒土壓縮（固結）儀進行大三軸固結排水試驗，該設備試驗箱體尺寸為Φ504.6 mm×300 mm，可以測定粗粒土最大粒徑為80 mm 的土體壓縮特性指標，試驗機應力水平為3.5 MPa、總荷重為700 kN。

儀器為浮環(huán)式試樣筒，反力框架結構，加載裝置為液壓油缸，專用電液比例閥穩(wěn)定固結壓力，位移傳感器測量試樣沉降量， 荷重傳感器配用數字顯示儀表顯示固結應力，計算機自動收集調試數據。試驗機如圖2 所示。

圖2 YS50-4A 型壓縮（固結）儀

1.3 試驗方法與原理

根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》要求，試樣的最大粒徑不大于試樣尺寸的1/6～1/5 倍。本次試驗的標準試樣直徑為300 mm，故取最大土顆粒直徑60 mm。按照前述等量替代縮尺的級配與確定的相對密實度進行土樣稱重和制備，具體包括制樣、土樣裝填、啟動試驗機、預接觸試樣、安裝垂直位移計、施加荷載等步驟。

粗粒土的壓縮試驗是將制備好的土樣裝入壓縮試驗機中，并對土樣逐級施加荷載至壓縮穩(wěn)定（0.05 mm/h），測得每級壓力下土樣達到穩(wěn)定時的豎向變形量s。由于土顆粒在通常的壓力范圍下可被認為是不可壓縮的，因而將土的體積變化完全看作是土的孔隙體積變化，故側限條件下變形量s和孔隙比e之間具有一一對應關系，如圖3 和圖4 所示。

圖3 土體壓縮的三相草圖

圖4 豎向變形量隨時間變化

通過式（1）—式（4）可分別對土樣初始孔隙比、某級壓力下的孔隙比、壓縮系數、壓縮模量進行計算。初始孔隙比計算公式如下：

式中：e0為初始土樣的孔隙比；ρw為水的密度，單位g/cm3；Gs為土的比重，本次試驗取2.70；ω為試樣的初始含水率，單位%；ρ0為試樣的初始密度，單位g/cm3。

某級壓力下的孔隙比計算公式如下：

式中：ei為某級壓力下土樣的孔隙比；si為某級壓力下試樣高度變化量，單位cm；H0為試樣的初始高度，單位cm。

壓縮系數計算公式如下：

式中：av為土樣在指定荷載條件下每千帕的壓縮系數；ei為前一級壓力下土樣的孔隙比；ei+1為后一級壓力下土樣的孔隙比；Pi+1為后一級土樣承受的荷載，單位kPa；Pi為前一級土樣承受的荷載，單位kPa。

壓縮模量計算公式如下：

式中：Es為土樣在某一壓力范圍內的壓縮模量，單位kPa。

2 結果與分析

2.1 壓縮沉降曲線與壓縮變形量

試樣在試驗前后的壓縮情況如圖5 所示，依據每級荷載條件及對應的壓縮沉降量可以構建試驗過程中試樣的t-s曲線，如圖6 所示。

圖5 試驗前后試樣壓縮情況

圖6 拋尾料側限壓縮試驗t-s 曲線

從圖6 試樣壓縮的t-s曲線觀察分析可以看出，試樣表現出3 個明顯的變形階段：初始沉降階段、主固結沉降階段和次固結沉降階段[7]。土體試樣在每一級荷載作用下變形量主要發(fā)生在初始沉降階段和主固結沉降階段；當主固結完成后，進入次固結沉降，該階段土樣變形量較小。

2.2 壓縮性指標計算與分析

分別對土樣的初始孔隙比和每級荷載條件下土樣壓縮穩(wěn)定后的孔隙比進行計算，試驗土樣孔隙比e如表2 所示。

表2 壓縮試驗土樣孔隙比計算結果

一維壓縮試驗中，隨著荷載增大，土樣逐級壓縮沉降，孔隙比也會隨之發(fā)生改變，兩者變化關系用P-e曲線表示，如圖7 所示。

圖7 拋尾料側限壓縮試驗P-e 曲線

利用上述試驗土樣孔隙比統(tǒng)計結果，可以對試驗土樣在不同荷載等級條件下的壓縮系數av進行計算，如表3 所示。

表3 壓縮試驗土樣壓縮系數計算統(tǒng)計結果

表3 壓縮試驗土樣壓縮系數計算統(tǒng)計結果

?

壓縮系數是表征土壓縮特性的重要指標之一，壓縮系數越大，土的壓縮性越大，反之亦然[8]。由表3分析可知，土樣的壓縮系數為一變量，從50 kPa 起隨著荷載等級的逐級增大，土料的壓縮系數av逐漸減小，表征荷載增大，土料的壓縮變形量減小，壓縮變形減小。側限壓縮試驗的結果還可以采用lgP-e曲線表示。用這種形式表示的特點是，在壓力較大的部分，lgP-e關系接近直線，其直線段的斜率被稱為土的壓縮指數Cc，接近于一個常量，不隨荷載P變化。依據表3 的統(tǒng)計結果，建立試驗土料壓縮試驗的lgP-e曲線如圖8所示。從圖8 中可以進一步得到試驗土樣的壓縮指數為0.119 3。

圖8 拋尾料壓縮試驗lgP-e 曲線

依據土樣的lgP-e曲線，壓縮指數可表征為：

式中：Cc為壓縮指數，無量綱。

2.3 應力-應變分析

通常采用壓縮試驗得到應力-應變曲線分析土樣的側限壓縮模量Es。選擇橫軸為土樣壓縮的應變，縱軸為土樣承受的豎向荷載，建立試驗土料應力-應變曲線，如圖9 所示。

圖9 拋尾料壓縮土料應力-應變曲線

通常取土料壓縮試驗應力應變曲線中任意一小段的割線斜率作為相應于該段應力范圍內土的側限壓縮模量Es（常用單位MPa），近似等于該點的切線模量。結合試驗土料的應力-應變曲線，可以得到試樣土樣在0～800 kPa、0～1 600 kPa、0～3 200 kPa 條件下的壓縮模量分別為22.58 MPa、26.06 MPa 和27.61 MPa。側限壓縮模量Es的計算公式如下：

2.4 土的壓縮類別判定

通常采用表4 所列數值大致判別土的壓縮性大小，其中壓縮指數為一常數，而壓縮系數為變量，為方便相互比較，一般采用豎向荷載100～200 kPa 區(qū)間對應的壓縮系數進行判別。結合試驗土樣壓縮性能指標，試驗土樣在荷載100～200 kPa 區(qū)間對應的壓縮系數為每兆帕0.049 80，所以試驗土樣的壓縮類別為低壓縮性。

表4 土的壓縮性判別標準

3 結論

利用YS50-4A 型大型粗粒土壓縮（固結）儀對某露天礦山排土場拋尾料土樣進行大三軸固結排水試驗，對土樣壓縮沉降曲線、壓縮變形量、應力-應變曲線等力學性能指標進行研究，主要結論如下。

土樣試樣壓縮沉降曲線表現出3 個明顯的變形階段，分別是初始沉降階段、主固結沉降階段和次固結沉降階段。土體試樣在每一級荷載作用下變形量主要發(fā)生在初始沉降階段和主固結沉降階段；當主固結完成后，進入次固結沉降，該階段土樣變形量較小。一維壓縮試驗中，隨著荷載增大，土樣逐級壓縮沉降，孔隙比也會隨之發(fā)生改變，隨著荷載等級的逐級增大，土料的壓縮系數av逐漸減小，表征荷載增大，土料的壓縮變形量減小，壓縮變形減小。試驗土樣壓縮性能指標，試驗土樣在荷載100～200 kPa 區(qū)間對應的壓縮系數為每兆帕0.049 80，表現為低壓縮性土類別。