含水排土場(chǎng)蠕變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度研究

常 劍, 郭 霽, 蘇 強(qiáng), 王浩然, 孫鴻昌

(中煤科工集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司, 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 撫順 113122)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),截至2022年末,我國(guó)有露天礦357座,煤礦產(chǎn)能11.62億t,約為井工煤礦的3倍[1]。隨著露天開(kāi)采的高速發(fā)展,排土場(chǎng)規(guī)模也隨之?dāng)U大。排土場(chǎng)本身是由生產(chǎn)剝離的無(wú)用土巖堆砌構(gòu)成,因其松散、膠結(jié)程度較差,易發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞[2]。同時(shí)排土場(chǎng)隨著形成時(shí)間的推移,受荷載、地下水、地應(yīng)力等因素影響,巖土體結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞,孔隙率降低、滲透性降低、孔隙水壓上升,特別是其強(qiáng)度指標(biāo)降低。因此研究其蠕變特性和長(zhǎng)期強(qiáng)度對(duì)維護(hù)排土場(chǎng)穩(wěn)定有重要意義。

近年來(lái),許多學(xué)者針對(duì)蠕變特性和長(zhǎng)期強(qiáng)度開(kāi)展一系列研究。Wang等[3]對(duì)含單裂隙砂巖試樣進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn),明確裂隙角度對(duì)長(zhǎng)期強(qiáng)度的影響及蠕變狀態(tài)下石灰?guī)r、砂巖、泥巖內(nèi)部裂縫發(fā)育程度規(guī)律;Li和Yin[4]在添加擾動(dòng)因素基礎(chǔ)上,分析砂巖在擾動(dòng)狀態(tài)下蠕變變形模式,探究擾動(dòng)荷載對(duì)砂巖的力學(xué)特性影響,建立砂巖在擾動(dòng)荷載作用下的蠕變本構(gòu)模型;王游等[5]基于非線性函數(shù)、Kelvin模型,得到一個(gè)非線性損傷西原體模型,反映巖石穩(wěn)定蠕變階段力學(xué)參數(shù)變化和加速蠕變變形特性;徐剛等[6]通過(guò)不同含水率煤樣蠕變?cè)囼?yàn),研究分析不同含水率煤樣的蠕變特征,進(jìn)而改進(jìn)傳統(tǒng)Burgers模型;李昂等[7]通過(guò)不同應(yīng)力狀態(tài)和含水率下的單軸剪蠕變?cè)囼?yàn),建立時(shí)間、含水率和應(yīng)力狀態(tài)的3因素經(jīng)驗(yàn)蠕變模型,提高了對(duì)黃土蠕變特性的表達(dá);王新剛等[8]開(kāi)展不同含水率滑坡滑帶土三軸蠕變?cè)囼?yàn),明確含水率對(duì)黃土蠕變特性影響,并基于等時(shí)曲線法得出其長(zhǎng)期強(qiáng)度;周瑞鶴等[9]基于巷道圍巖開(kāi)挖實(shí)際應(yīng)力調(diào)整路徑,開(kāi)展粉砂巖分級(jí)卸載蠕變?cè)囼?yàn),分析不同圍壓下蠕變特性,并引入黏塑性蠕變啟動(dòng)元件,建立粉砂巖卸荷蠕變模型。

綜上可知,眾多學(xué)者針對(duì)蠕變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度已進(jìn)行多方面研究,但是在露天礦排土場(chǎng)巖土體方面研究較少。本文以?xún)?nèi)蒙古某礦內(nèi)排土場(chǎng)為例,著重研究其在不同含水率下巖土體蠕變特性及長(zhǎng)期強(qiáng)度變化規(guī)律,以期為同類(lèi)型排土場(chǎng)工程活動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

1 蠕變?cè)囼?yàn)

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括ZLB-1型三聯(lián)蠕變直剪蠕變儀、天平、電烘箱、鱷式破碎機(jī)、真空泵。

ZLB-1型三聯(lián)蠕變直剪蠕變儀是目前國(guó)內(nèi)先進(jìn)的直剪蠕變儀之一,主要由杠桿、剪切盒、量力環(huán)、測(cè)豎向蠕變應(yīng)變及剪切蠕變應(yīng)變的儀表及有機(jī)玻璃保濕盒組成,杠桿提供加載所需的豎向荷載及剪切荷載。儀器豎向最大荷載為600 kPa,其控制精度為±1%,剪切最大荷載亦為600 kPa,其控制精度亦為±1%。ZLB-1型三聯(lián)蠕變直剪蠕變儀及試樣如圖1所示。

圖1 ZLB-1型三聯(lián)蠕變直剪蠕變儀及試樣

1.2 試樣制備

試驗(yàn)選取內(nèi)排土場(chǎng)下部松散泥巖物料(礦區(qū)主要?jiǎng)冸x松散物為泥巖),采用鱷式破碎機(jī)將大塊泥巖擊碎,然后對(duì)破碎的物料進(jìn)行篩分,剔除較大的顆粒,篩分出10、5、2 mm顆粒,基于現(xiàn)有顆粒比例,采用分層壓實(shí)配置試驗(yàn)試樣。采用烘干法測(cè)量試樣天然含水率為7.23%。采用抽氣飽和法,利用真空泵制備飽和試樣,測(cè)量飽和泥巖含水率為39.2%,同時(shí)烘干剩余試樣。根據(jù)測(cè)出的天然含水率和飽和含水率范圍制備不同含水率試樣,含水率取15%、25%、35%、39.2%,配置出的不同含水率試樣,放置在保濕器里預(yù)存。

1.3 試驗(yàn)流程

1.3.1 剪應(yīng)力等級(jí)設(shè)計(jì)

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)從保濕器中取出巖樣進(jìn)行快剪試驗(yàn),測(cè)定快剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo),求得不同法向力級(jí)的剪應(yīng)力破壞值τP。不同含水率試樣快剪結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同含水率試樣快剪應(yīng)力破壞值τP

計(jì)算蠕變?cè)囼?yàn)剪應(yīng)力等級(jí)按式(1)計(jì)算相對(duì)應(yīng)正應(yīng)力和剪應(yīng)力等級(jí)梯度,則每級(jí)的剪切應(yīng)力增量為

τσi=kτp/n

(1)

式中:τP為不同法向力級(jí)的剪應(yīng)力破壞值,kPa;k為巖土介質(zhì)常數(shù),一般情況下k=0.5～0.85;τσi為每級(jí)加載的剪切應(yīng)力,kPa;n為直剪蠕變?cè)囼?yàn)剪切荷載的加載級(jí)數(shù),n=4～6。

1.3.2 試驗(yàn)方案

本次蠕變?cè)囼?yàn)測(cè)量不同含水率及固結(jié)壓力下泥巖蠕變特性,基于含水率及固結(jié)壓力不同,共需做16組試驗(yàn)。試驗(yàn)根據(jù)表1直剪試驗(yàn)結(jié)果,采用分級(jí)加載方式,從第1級(jí)到第n級(jí)加載載荷分別是快剪強(qiáng)度的60%、70%、80%、90%、100%,加載直至試件破壞。

1.3.3 蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程

(1)調(diào)整剪切荷載施加裝置,安設(shè)剪切變形測(cè)表,記錄初始讀數(shù),拔去剪切盒上的固定銷(xiāo),按第一級(jí)剪力施加剪切荷載砝碼,開(kāi)始蠕變?cè)囼?yàn)。

(2)試驗(yàn)加載第1天,按1/6、1/2、1、2、4、8、24 h記錄剪切蠕變變形,第2天后,每24 h讀一次,維持7 d并測(cè)取每天的變形量,可得每一級(jí)剪應(yīng)力下的剪切蠕變變形和時(shí)間t的數(shù)據(jù)。

(3)7 d后,施加第2級(jí)剪切荷載,重復(fù)上述操作測(cè)取蠕變變形,第n周以后測(cè)得i組關(guān)系數(shù)據(jù)。

(4)試驗(yàn)加載試樣直至破壞后,撤去剪切荷載和垂壓,取出試樣直到試樣被破壞。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 蠕變曲線

蠕變指的是在保證應(yīng)力恒定時(shí),其變形隨時(shí)間增加變形量增大的現(xiàn)象,可劃分為穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變兩種類(lèi)型。穩(wěn)定蠕變即蠕變變形存在極限值,且隨時(shí)間變形速率逐步降低最終趨于0;不穩(wěn)定蠕變變形不受時(shí)間影響,逐步增加直至試樣破壞。

本次試驗(yàn)根據(jù)上述試驗(yàn)方案得到16組試驗(yàn)結(jié)果,采用Boltzmann應(yīng)變疊加原理進(jìn)行計(jì)算,繪制剪應(yīng)變-時(shí)間γ-t變化曲線。受篇幅所限,選取典型蠕變曲線進(jìn)行分析。①保持100 kPa正壓力不變,不同含水率下的蠕變曲線(圖2);②保持39.2%飽和含水率不變,不同固結(jié)壓力下的蠕變曲線(圖3)。

圖2 100 kPa正應(yīng)力作用下剪應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 飽和含水率(39.2%)下剪應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線

由圖2和圖3可知,蠕變特性變化規(guī)律如下。

(1)除破壞階段外,試樣加載后均會(huì)產(chǎn)生較大變形,隨時(shí)間流逝變形速率逐步降低,并趨于平緩,并且隨著剪切荷載降低,其蠕變曲線趨于水平時(shí)間越短。根據(jù)曲線規(guī)律分析,剪應(yīng)力較小時(shí),蠕變曲線表現(xiàn)為衰減穩(wěn)定蠕變,如圖2(a)τ=44.9 kPa;當(dāng)剪應(yīng)力逐步增大時(shí),則蠕變曲線表現(xiàn)為衰減穩(wěn)定和非穩(wěn)定等速蠕變并存狀態(tài),如圖2(a)52.4 kPa≤τ≤67.3 kPa;剪應(yīng)力較大時(shí),蠕變曲線表現(xiàn)為加速蠕變,如圖2(a)τ=74.8 kPa,此時(shí)試樣變形速率不受時(shí)間影響,將迅速發(fā)生變形破壞。且瞬時(shí)剪應(yīng)變與剪應(yīng)力和含水率均呈現(xiàn)正相關(guān)。這是因?yàn)樵嚇釉诩虞d瞬間排出多余水分,使試樣出現(xiàn)多孔隙,受荷載作用發(fā)生變形;隨著巖土體失水,顆粒間含水分少,土體孔隙降低,密實(shí)程度提高,膠結(jié)程度提高,黏聚力變大,抗剪能力變大。

(2)隨含水率增加其破壞所需剪應(yīng)力降低,剪應(yīng)變?cè)龃?且除飽和試樣外,其余試樣破壞所需剪應(yīng)力小于等于快剪試驗(yàn)結(jié)果。飽和試樣破壞剪應(yīng)力為快剪試驗(yàn)結(jié)果的120%～130%,正壓力100 kPa破壞為快剪時(shí)120%,200、300、400 kPa均為130%,表明存在隨固結(jié)程度增加,破壞所需剪力增幅程度越大,當(dāng)固結(jié)達(dá)到一定程度,破壞所需剪力增幅將不變。

(3)由圖3和圖2(d)進(jìn)一步分析其蠕變特性。相同含水率,隨固結(jié)壓力越大,巖土體密實(shí)程度增加,孔隙降低,其破壞所需的剪應(yīng)力越大。相同等級(jí)加載對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變變化如下:200 kPa固結(jié)壓力時(shí),剪應(yīng)變最大;100 kPa固結(jié)壓力時(shí),剪應(yīng)變最小;300、400 kPa固結(jié)壓力時(shí),剪應(yīng)變基本一致。表明剪應(yīng)變隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大再降低趨勢(shì),最終趨勢(shì)逐步趨近于0,蠕變特性與穩(wěn)定蠕變基本一致。

2.2 蠕變模型

蠕變模型理論主要探討的是應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間三者的關(guān)系,可分經(jīng)驗(yàn)法和蠕變模型理論法兩大類(lèi)。經(jīng)驗(yàn)法與蠕變模型理論法相比較,缺乏內(nèi)部機(jī)理特性,但其表現(xiàn)形式簡(jiǎn)潔直觀,且在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程中應(yīng)用較為廣泛,現(xiàn)階段經(jīng)驗(yàn)蠕變模型公式有指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)形式[10-11]。采用指數(shù)函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚式(2)]對(duì)上述蠕變曲線進(jìn)行擬合,以100 kPa固結(jié)壓力15%含水率為例,其擬合結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)相關(guān)系數(shù)R2可知,蠕變曲線擬合度在95%以上,表明指數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍芎芎玫孛枋雠磐翀?chǎng)巖土體蠕變特性。

表2 蠕變模型擬合結(jié)果

(2)

式中:γ(t)為t時(shí)刻剪應(yīng)變;γ0為瞬時(shí)應(yīng)變;A為時(shí)間影響系數(shù);t0瞬時(shí)應(yīng)變時(shí)間。

2.3 長(zhǎng)期強(qiáng)度

長(zhǎng)期強(qiáng)度是指巖土體在長(zhǎng)期荷載作用下,強(qiáng)度參數(shù)隨時(shí)間增長(zhǎng)而降低(增長(zhǎng)),是計(jì)算邊坡穩(wěn)定性分析的重要指標(biāo)[12]?，F(xiàn)階段長(zhǎng)期強(qiáng)度確定方法主要有直接法和間接法。直接法是通過(guò)大量試驗(yàn)測(cè)定巖土體破壞的臨界閾值,具有試驗(yàn)組數(shù)多且時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)。間接法目前常用的有:①等時(shí)曲線法,主要依據(jù)曲線拐點(diǎn)確定,是應(yīng)用最廣的方法;②過(guò)渡蠕變法,認(rèn)為不發(fā)生穩(wěn)態(tài)蠕變時(shí)所需的最大荷載,即為巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度,且得到的長(zhǎng)期強(qiáng)度與蠕變?cè)囼?yàn)的應(yīng)力等級(jí)差有關(guān);同時(shí)依據(jù)過(guò)渡蠕變法理論引申出“穩(wěn)態(tài)蠕變速率法”,由穩(wěn)態(tài)蠕變速率與非穩(wěn)態(tài)蠕變速率間的突變值確定長(zhǎng)期強(qiáng)度[13-15]。

依據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)范,選取等時(shí)曲線法求取其長(zhǎng)期強(qiáng)度。以100 kPa正壓力下不同含水率蠕變曲線為例,選取1、24、126 h數(shù)據(jù),繪制其相應(yīng)的剪應(yīng)力-剪應(yīng)變的等時(shí)曲線(圖4)。

圖4 100 kPa正壓力作用下剪應(yīng)變與剪應(yīng)力關(guān)系曲線

由圖4可知,不同時(shí)刻剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線皆不是直線,表明試樣剪切蠕變呈現(xiàn)非線性變化,剪應(yīng)力與剪應(yīng)變呈現(xiàn)正比關(guān)系;同一級(jí)別荷載下,隨含水率增加,剪應(yīng)力與剪應(yīng)變逐步降低;不同時(shí)段變化規(guī)律基本吻合,且隨時(shí)間增加曲線逐漸聚攏。

剪應(yīng)力隨剪應(yīng)變?cè)黾佣黾?且關(guān)系曲線存在明顯拐點(diǎn),根據(jù)等時(shí)曲線變化拐點(diǎn)可知,在100 kPa正壓力作用下,不同含水率試樣對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為59.8、46.5、33.4、18.4 kPa。同理可得出200、300、400 kPa正壓力對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力值。根據(jù)各正應(yīng)力對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力繪制不同正壓力下剪應(yīng)力變化曲線,如圖5所示。

圖5 不同含水率下正應(yīng)力與剪應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖5可知,在相同含水率情況下剪應(yīng)力隨正應(yīng)力增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)趨勢(shì),并隨含水率升高而降低。這是因?yàn)楫?dāng)前含水率范圍內(nèi),隨著固結(jié)壓力的升高會(huì)提高試樣的固結(jié)度,進(jìn)一步提高了顆粒間的接觸力,促使破壞所需剪應(yīng)力增加;在相同正應(yīng)力下,剪應(yīng)力隨含水率增加呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著含水率持續(xù)增加,顆粒間存在大量的自由水,引起顆粒間連接力降低進(jìn)而導(dǎo)致破壞所需剪應(yīng)力降低。通過(guò)對(duì)比16組數(shù)據(jù)可知,含水率由15%增加到39.2%過(guò)程中,其抗剪強(qiáng)度平均降低約70%,這表明試樣受水體侵蝕后,其強(qiáng)度指標(biāo)將發(fā)生弱化。

基于摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則,τ=c+σtanφ,對(duì)圖5進(jìn)行線性擬合,得到不同含水率下巖土體長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)如下:15%含水率下擬合公式τ=33.25+0.364 5σ(R2=0.95),即黏聚力c=33.25 kPa,內(nèi)摩擦角φ=20.1°;25%含水率擬合公式τ=18.7+0.303 4σ(R2=0.99),即黏聚力c=18.7 kPa,內(nèi)摩擦角φ=16.9°;35%含水率擬合公式τ=15.2+0.169σ(R2=0.99),即黏聚力c=15.2 kPa,內(nèi)摩擦角φ=9.6°;飽和含水率(39.2%)擬合公式τ=11.3+0.1086σ(R2=0.93),即黏聚力c=11.3 kPa,內(nèi)摩擦角φ=6.2°。不同含水率下擬合曲線相關(guān)系數(shù)較高,表明試驗(yàn)得出的內(nèi)排土場(chǎng)巖土體長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)較為合理。

為了進(jìn)一步分析排土場(chǎng)巖土體長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)與含水率的變化規(guī)律,根據(jù)試驗(yàn)得出的長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)繪制不同含水率下強(qiáng)度指標(biāo)變化曲線,并進(jìn)行擬合,如圖6所示。

圖6 含水率與長(zhǎng)期強(qiáng)度變化曲線

由圖6曲線分析變化規(guī)律如下。

(1)15%～39.2%含水率范圍內(nèi),根據(jù)擬合結(jié)果可知,排土場(chǎng)巖土體黏聚力滿(mǎn)足y=-2.130 54e(-x/-17.830 08)+25.192 48指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。黏聚力隨含水率增長(zhǎng)呈現(xiàn)指數(shù)遞減趨勢(shì),且存在明顯梯度分布,隨含水率降低梯度先增大后降低,達(dá)到飽和狀態(tài)黏聚力最終降低約66%。含水率由15%提升到25%黏聚力降低14.55 kPa,約降低43.76%;含水率由25%提升到35%黏聚力降低3.5 kPa,約降低18.72%。分析其原因是顆粒間存在大量的自由水,隨含水率增加,誘發(fā)巖土體顆粒間連接力降低,黏聚力下降。

(2)15%～39.2%含水率范圍內(nèi),根據(jù)曲線擬合結(jié)果可知,巖土體內(nèi)摩擦滿(mǎn)足y=92.184 19e(-x/-10.890 63)+9.921 62指數(shù)函數(shù)變化規(guī)律。內(nèi)摩擦角隨含水率增加呈現(xiàn)指數(shù)降趨勢(shì),達(dá)到飽和狀態(tài)內(nèi)摩擦角最終降低約69%。內(nèi)摩擦角反映土體間顆粒的摩擦力,本地區(qū)泥巖含有大量的伊利石,屬于強(qiáng)親水性礦物,在充水條件下,具有較強(qiáng)的吸附水分子于顆粒表面的能力,進(jìn)而在顆粒周?chē)纬伤?隨含水率的增加導(dǎo)致顆粒周?chē)ぴ龊?顆粒間的摩擦力減小,所以會(huì)出現(xiàn)內(nèi)摩擦角降低現(xiàn)象。

綜上研究成果可知,水體對(duì)內(nèi)排土場(chǎng)巖土體危害巨大。為確保邊坡安全,排土場(chǎng)排棄過(guò)程中應(yīng)做好疏干排水工程。同時(shí)含水率、內(nèi)摩擦角及黏聚力滿(mǎn)足上述指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式可以明確得到不同含水率下c、φ值,進(jìn)而借助極限平衡法可以更加精準(zhǔn)地計(jì)算該地區(qū)或同類(lèi)型含水條件下內(nèi)排土場(chǎng)穩(wěn)定性,縮短計(jì)算周期,提高工程效率,具有一定的實(shí)用性。

3 結(jié)論

(1)排土場(chǎng)巖土體具有明顯蠕變特性,蠕變曲線滿(mǎn)足指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。剪應(yīng)力較低時(shí)呈現(xiàn)衰減蠕變趨勢(shì),隨剪應(yīng)力增加呈現(xiàn)衰減蠕變、非穩(wěn)定蠕變趨勢(shì),最終呈現(xiàn)加速蠕變趨勢(shì),直至試樣破壞。

(2)水體對(duì)排土場(chǎng)巖土體具有弱化作用,隨含水率增加其抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì),含水率由15%增加到39.2%,其抗剪強(qiáng)度平均降低約70%,與固結(jié)程度關(guān)系不大。

(3)相對(duì)15%含水率,飽和含水率狀態(tài)下排土場(chǎng)巖土體長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)發(fā)生大幅度降低,黏聚力降低66%,內(nèi)摩擦角降低69%。飽和含水率下,黏聚力c=11.3 kPa,內(nèi)摩擦角φ=6.2°。

(4)在15%～39.2%含水率范圍內(nèi),長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)均呈現(xiàn)指數(shù)降低趨勢(shì),但降低梯度存在不同。黏聚力在25%含水率前降低梯度逐步大,25%含水率后降低梯度逐步減小;內(nèi)摩擦角降低梯度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。