張 默 邱 宇 曹作忠 何承堯

(1.中鋼集團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實驗室；3.浙江漓鐵集團有限公司)

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，上部細粒土含量多，致使散體物料的宏觀力學特性表現(xiàn)強烈的不均勻性[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)定性分析的力學參數(shù)可以通過現(xiàn)場直剪試驗和室內大三軸試驗確定。現(xiàn)場試驗時間周期長,人工等費用高，少量的試驗并不具備代表性；室內試驗比較經(jīng)濟，在較短時間內做出多組試驗數(shù)據(jù)，得到的力學參數(shù)更具有使用價值。對于散體物料不均勻性，在進行室內試驗時，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性質。

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，可以對直徑為50 cm、高度為100 cm試樣進行三軸試驗。試驗加載時，利用計算機對應力或應變進行控制，通過試驗機EDC控制系統(tǒng)，并根據(jù)加載傳感器的反應來控制橫梁的位移。圍壓控制器控制圍壓的變化，通過計算機對圍壓進行記錄和控制，從而達到試驗的目的。

由于散體物料排棄初期透水性強，欠固結，因此，采用不固結不排水試驗，獲得的力學參數(shù)較真實地反映排土場的穩(wěn)定狀態(tài)。對于欠固結巖土體，一般沒有峰值強度，通常采用應變量的15%對應的強度為峰值強度[4]，進而得到相應的力學參數(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，充分攪拌，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定高度。

2.2 試驗安裝

在壓力室底座上依次放進水石、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，向壓力室內注滿純水，排除殘留氣泡后，關閉頂部排氣閥，將壓力室頂部的活塞上端對準測力計，下端對準試樣的頂部。

2.3 試樣飽和與固結

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。試樣飽和后關閉進水管閥門，對其施加試驗所需的圍壓進行排水固結，當體變管讀數(shù)穩(wěn)定時，固結完成。進行剪切試驗前，需保證管路內氣泡全部排空，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 試驗結果及分析

3.1 不同礫石含量對散體物料強度特性影響

不同礫石含量試樣的(σ1-σ3)-εa關系曲線見圖1。可以得到，散體物料在相同含石量、不同圍壓下的(σ1-σ3)-εa關系曲線近似為幾何雙曲線，因散體物料主要為欠固結土，而沒有明顯的峰值強度，并且試樣的應力強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，各試樣的偏應力(σ1-σ3)即便不增加，軸向應變也在增大；應力-應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、轉動并調整其內部位置，即所謂的礫石“二次啃斷”所致[6]。

根據(jù)試驗結果，不同礫石含量各組試樣的強度參數(shù)指標見表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。當散體物料的含石量從15%增加到55%時，其內摩擦角從25°增加到34°，增加了36%。當含石量從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?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致其內摩擦角不斷增大，另一方面，因礫石含量增加，所含土的成分變少，黏聚作用相對變弱，所以整體黏聚力減小。

圖1 不同礫石含量試樣的(σ1-σ3)-εa關系曲線(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度指標

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度特性的影響

不同礫石尺寸試樣的(σ1-σ3)-εa關系曲線見圖2。可以得到，散體物料的關系曲線近似為幾何雙曲線，應力強度隨著圍壓的增加而增大，沒有明顯的峰值強度，為硬化型曲線；礫石尺寸不同，圍壓對峰值應力出現(xiàn)的位置影響較大，隨著圍壓的增加，偏應力(σ1-σ3)達到峰值強度前的軸向應變增大；礫石尺寸不同，應力-應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、轉動并調整其內部位置，互相咬合所致。

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

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

表5 不同礫石尺寸散體物料的強度指標

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。當散體物料的礫石尺寸從45～70 mm減小到10～25 mm時，其內摩擦角從31°減小到22°，減小了29%。當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?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度特性

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

根據(jù)試驗結果，不同取樣位置各組試樣的強度參數(shù)指標見表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 論

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

(1)排土場散體物料的(σ1-σ3)-εa關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巖土。

(2)當以應變量為15%對應的強度峰值得到力學參數(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作 用而明顯增加。

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

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，取不同的巖土強度參數(shù)進行穩(wěn)定性計算是符合實際情況的。