杜 俊， 程 涌， 馮國建， 徐艷偉， 劉和山

（1.昆明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，云南 昆明650214； 2.云南亞融礦業(yè)科技有限公司，云南 昆明650093）

排土場的形成是采礦尤其是露天開采的必然結(jié)果。 排土場堆積體由露天開采剝離的廢棄土石組成，且顆粒直徑大于0.075 mm 的質(zhì)量遠(yuǎn)超過全部土粒質(zhì)量的50%，工程上稱之為粗粒土［1］。 它的特征是碎散的顆粒狀、顆粒之間常為泥質(zhì)膠結(jié)，由于土顆粒大小不一、母巖成分各異，堆積過程中極易產(chǎn)生顆粒破碎和不均勻沉降變形。 大量粗粒土的堆積使得排土場成為一種巨型的人工邊坡，受環(huán)境條件的影響，極易形成滑坡、泥石流等礦山地質(zhì)災(zāi)害［2］。 當(dāng)前，它已成為露天礦山的主要危險源之一，其穩(wěn)定性是礦山安全管理的重點。

排土場邊坡穩(wěn)定性主要受排土體力學(xué)特性與排土工藝參數(shù)的影響。 排土場邊坡破壞是一種類土質(zhì)邊坡的圓弧滑動，邊坡抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是客觀分析與評價排土場穩(wěn)定性的重要依據(jù)［3］。 其中，室內(nèi)試驗與現(xiàn)場原位試驗是確定排土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的常用方法，室內(nèi)采用直接剪切和三軸壓縮，現(xiàn)場采用原位剪切和水平推剪［4］。 室內(nèi)試驗可進(jìn)行不同影響因素的對比，較為靈活；原位試驗更接近現(xiàn)場實際，但受粒度組成分布的空間差異性影響，試驗數(shù)量開展有限，并且試驗成本較高，大規(guī)模開展受限。 已有研究成果表明，排土場粗粒土力學(xué)特性十分復(fù)雜。 一方面，堆積過程中，土體粒度分異性顯著，具有底部粒度大、頂部粒度小的特點［5-6］。另一方面，荷載作用下，土體具有顆粒破碎、剪脹（剪縮），以及應(yīng)力?應(yīng)變硬化和軟化等特性［7-9］。 鑒于排土體強(qiáng)度參數(shù)的空間變異特征，要從整體上對其強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確取值十分困難。 本文選取海口磷業(yè)排土場粗粒土為研究對象，基于排土場終排、在排、不同堆置高度設(shè)計試驗方案，分析不同堆置條件下排土體的強(qiáng)度參數(shù)，以期為現(xiàn)場生產(chǎn)提供有益指導(dǎo)。

1 ?？诹讟I(yè)排土場概況

礦區(qū)為中山侵蝕地貌，地形總體中部高、四周低。香條沖背斜是場地內(nèi)主體構(gòu)造，礦區(qū)又位于香條沖背斜北翼中段次一級平緩背斜的兩翼。 礦山結(jié)合采剝進(jìn)度主要實施內(nèi)排土作業(yè)，采用“汽車?推土機(jī)”聯(lián)合、分臺階排土。 排土場地基巖石為下層礦石底板，由灰白色、灰黑色薄至中厚層、厚層狀硅質(zhì)白云巖組成，巖層傾角小于10°、厚度大于300 m，地層穩(wěn)定。 排土體由第四系殘積土、坡積土與黑灰色中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖混合排放組成。 排土場底部基巖面高于地下水位及當(dāng)?shù)刈畹颓治g基準(zhǔn)面，大氣降雨為場地來水的唯一因素，由于場地內(nèi)布置有完善的排水系統(tǒng)，來水均可自流排泄，場內(nèi)無積水。

當(dāng)前，礦區(qū)共形成了4 個排土區(qū)域：北端部排土場（終排，堆置高度120 m，已復(fù)墾）、一采區(qū)內(nèi)排土場（在排，堆置高度90 m）、三采區(qū)內(nèi)排土場（在排，堆置高度60 m）以及四采區(qū)內(nèi)排土場（在排，堆置高度20 m）。

2 試驗方案設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 試驗方案設(shè)計

?？诹讟I(yè)北端部排土場已形成永久邊坡，堆積時長超過5 年，排土體固結(jié)沉降充分，邊坡具有長期穩(wěn)定性，其強(qiáng)度參數(shù)易選取有效應(yīng)力指標(biāo)。 一采區(qū)、三采區(qū)和四采區(qū)內(nèi)排土場仍處于在排階段，排土強(qiáng)度大，排土體固結(jié)沉降尚未完成，其混雜的殘積土、坡積土透水性差，故排土體強(qiáng)度參數(shù)應(yīng)選取總應(yīng)力指標(biāo)。 考慮到不同堆置高度的影響，在排排土場底部、中部、頂部排土物料荷載條件不同，應(yīng)分別開展低壓、高壓直接剪切試驗，由此來確定不同堆置高度土體的強(qiáng)度參數(shù)。 試驗方案設(shè)計見表1。

表1 排土場粗粒土抗剪強(qiáng)度試驗方案設(shè)計

2.2 試驗儀器

三軸壓縮和直接剪切試驗在昆明學(xué)院巖土工程研究中心完成。 三軸壓縮試驗采用DJSZ-150 大型粗粒土動靜三軸試驗機(jī)。 該儀器包括5 部分：圍壓伺服系統(tǒng)（0～3 MPa）、動靜加載系統(tǒng)（軸向靜態(tài)荷載1 500 kN）、孔壓測量系統(tǒng)（精度1%FS）、體變測量系統(tǒng)（精度1%FS）和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可進(jìn)行常規(guī)三軸試驗，也可實現(xiàn)不同應(yīng)力路徑試驗。 允許試樣尺寸Φ300 mm × 600 mm，最大軸向荷載1 500 kN，最大圍壓可達(dá)3.0 MPa。

直剪試驗采用DHJ-30 型粗粒土疊環(huán)剪試驗機(jī)。 試驗機(jī)采用板式框架結(jié)構(gòu)，主機(jī)尺寸2 000 mm × 800 mm ×1 400 mm，配有干濕循環(huán)系統(tǒng)，可實現(xiàn)土樣自然、飽和、干濕循環(huán)狀態(tài)下的直接剪切與疊環(huán)剪切；軸向荷載及水平推力均用荷載傳感器測定，最大軸向加壓300 kN，最大水平推力300 kN，力傳感器分辨度0.1 kN。

2.3 試驗方法

文獻(xiàn)［10］表明：當(dāng)D／dmax＝4 ～6 時才能基本消除試樣的尺寸效應(yīng)，其中D為三軸壓縮試樣尺寸或直接剪切盒直徑尺寸，dmax為試樣的最大顆粒尺寸。 本文采用的三軸壓縮和直剪試驗機(jī)裝樣直徑均為300 mm，高度分別為600 mm 與240 mm，最大允許裝樣顆粒粒徑60 mm。 試驗前，采用質(zhì)量梯度控制方法測定現(xiàn)場土體顆粒級配，并依據(jù)等量替代法對現(xiàn)場級配進(jìn)行縮尺處理［1］，試驗級配見圖1。

圖1 土體篩分顆粒級配累積曲線

對現(xiàn)場采集的土樣進(jìn)行風(fēng)干、篩分，依據(jù)試驗級配，秤取土料，并按照天然含水率3.6%噴灑適量水后攪拌均勻，平均分成5 份（三軸壓縮）或3 份（直剪）裝入悶料桶中，靜止悶料24 h。 控制干密度終排土樣2.17 g／cm3（三軸壓縮）和在排土樣2.08 g／cm3（直剪），分層裝樣、擊實，層間需要刮毛處理，且嚴(yán)格控制試樣的填筑密度。 試驗操作按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 50123—2019）執(zhí)行［11］。 試驗加載采用應(yīng)變控制方式，三軸壓縮試驗剪切速率設(shè)定為1 mm／min，直剪試驗采用快剪。 試驗中，土樣剪切位移達(dá)到試樣尺寸15%，即認(rèn)定為試樣剪切破壞。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 三軸壓縮試驗結(jié)果

3.1.1 應(yīng)力應(yīng)變特性分析

土樣固結(jié)排水試驗偏差應(yīng)力?軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2。

圖2 固結(jié)排水試驗偏差應(yīng)力?軸向應(yīng)變曲線

由圖2 可見，應(yīng)力?應(yīng)變曲線并不平滑，局部有波動，但整體趨勢顯著，這是因為粗粒土常以顆粒接觸，剪切中顆粒接觸點易產(chǎn)生應(yīng)力集中，局部應(yīng)力超過顆粒接觸強(qiáng)度且棱角破碎，引起應(yīng)力與應(yīng)變的波動，隨后在壓力作用下產(chǎn)生新的定向排列，宏觀上表征為應(yīng)變繼續(xù)發(fā)展。 試驗中，土體峰值主應(yīng)力差（σ1-σ3）隨著圍壓σ3增加而增大。 低圍壓（σ3＝200 kPa）條件下，土體達(dá)到峰值強(qiáng)度后，其強(qiáng)度基本保持不變。 中高圍壓（σ3＝400 kPa、600 kPa、800 kPa）條件下，土體應(yīng)力?應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出弱硬化特征，直到應(yīng)變達(dá)到15%破壞時，應(yīng)力仍在增加，但應(yīng)變大于9%之后，其強(qiáng)度增加變得非常緩慢。 其原因是，土體剪切初期，顆粒間幾乎沒有相對移動，以彈性變形為主；之后由于顆粒排列接觸緊密，部分顆粒之間產(chǎn)生翻滾、摩擦，需要克服較大的咬合力，表現(xiàn)出較高的抗剪強(qiáng)度。 低圍壓時，顆粒間產(chǎn)生翻滾之后，土體結(jié)構(gòu)變松，抗剪強(qiáng)度基本保持不發(fā)生變化或略有減小。 中高圍壓時，顆粒接觸點發(fā)生破碎，細(xì)顆粒填充至原有孔隙中，使結(jié)構(gòu)變得更加緊密，且仍然能夠承受較大的應(yīng)力。

3.1.2 變形特性分析

土體固結(jié)排水試驗體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3，圖中以體積縮小為正。

圖3 固結(jié)排水試驗體積應(yīng)變?軸向應(yīng)變曲線

分析圖3 可知，各圍壓下，在土體軸向應(yīng)變的初始階段，其體積應(yīng)變均為正，土體產(chǎn)生剪縮；隨著軸向應(yīng)變增加，體積?應(yīng)變曲線出現(xiàn)拐點后向體積增大方向發(fā)展。 低圍壓（σ3＝200 kPa）時，體積應(yīng)變在軸向應(yīng)變6%后就變?yōu)樨?fù)值，土體出現(xiàn)剪脹。σ3＝400 kPa，土體軸向應(yīng)變10%之前剪縮，之后產(chǎn)生剪脹。σ3＝600 kPa、800 kPa 時，土體不出現(xiàn)剪脹。 因此，低圍壓下，土體先剪縮、后剪脹；高圍壓下，土體以剪縮為主。 其原因是，土體等向固結(jié)排水后，其內(nèi)部仍然存在一定數(shù)量的孔隙，剪切初始階段，軸向荷載增加，土體被壓密，孔隙水被排出，土體體積減小，產(chǎn)生剪縮。 隨著軸向荷載繼續(xù)增大，顆粒之間逐漸產(chǎn)生翻滾、咬合，土體體積呈現(xiàn)體脹趨勢。 低圍壓時，試樣徑向應(yīng)力限制小，加之土顆粒剛度較大，顆粒間機(jī)械作用更為顯著，土體體積變化強(qiáng)烈，直至剪切破壞，土體呈現(xiàn)剪脹。 高圍壓時，試樣徑向應(yīng)力限制較大，隨著軸向荷載逐漸增大，顆粒在翻滾、摩擦、咬合作用中逐步產(chǎn)生破碎，破碎的細(xì)小顆粒進(jìn)一步填充至大顆?？紫吨?，直至剪切破壞，土體仍然呈現(xiàn)剪縮。

圖3 中曲線拐點是土樣剪切中顆粒緊密向顆粒翻滾變化的開始。 對比圖2，體積應(yīng)變曲線拐點與強(qiáng)度峰值對應(yīng)的軸向應(yīng)變不同，體積應(yīng)變拐點先于強(qiáng)度峰值出現(xiàn)。 這表明顆粒間產(chǎn)生翻滾的過程中，顆粒間的咬合一直存在，抗剪強(qiáng)度持續(xù)增加，當(dāng)翻躍結(jié)束后，顆粒破碎、顆粒接觸結(jié)構(gòu)也發(fā)生調(diào)整，此時土體抗剪強(qiáng)度充分發(fā)揮。

3.2 直接剪切試驗結(jié)果

排土體快剪應(yīng)力?位移曲線見圖4～5。

圖4 低壓剪切試驗剪應(yīng)力?剪切位移曲線

圖5 高壓剪切試驗剪應(yīng)力?剪切位移曲線

由圖4 可知，土樣低壓（豎向荷載100 ～400 kPa）剪切中，其“爬坡強(qiáng)度”出現(xiàn)在剪切位移10%前后，峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在剪切位移20%～30%，峰值強(qiáng)度后，土樣剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)弱化趨勢。 “爬坡強(qiáng)度”是指巖土體正在或已經(jīng)產(chǎn)生破壞時的強(qiáng)度，表征為豎向加載壓力表指針抬升時對應(yīng)的強(qiáng)度值。 低壓條件下，土體強(qiáng)度弱化是由于剪切面上的土石顆粒咬合力弱，較小的水平推力即可使得土體產(chǎn)生較大的剪切位移，土體剪切面上的大粒徑塊石在翻轉(zhuǎn)、摩擦、剪斷過程中，土體剪切強(qiáng)度逐步達(dá)到峰值，且土體剪切位移迅速增大，剪切強(qiáng)度逐漸下降，直至土體產(chǎn)生整體剪切破壞。

由圖5 可知，土樣高壓（豎向荷載600～1 200 kPa）剪切中，“爬坡強(qiáng)度”出現(xiàn)在剪切位移20%前后，峰值強(qiáng)度出現(xiàn)在剪切位移30%～40%，隨著剪切位移逐步增大，土體抗剪強(qiáng)度無弱化趨勢，基本保持恒定的強(qiáng)度特征；當(dāng)垂直荷載增至1 200 kPa，土體在剪切后期呈現(xiàn)微弱的硬化特征。 其原因是，增大豎向荷載，土樣剪切面上的土石顆粒相互嚙合，且咬合力較大，水平推剪力在短時間內(nèi)迅速增大。 相比低壓狀態(tài)，高壓條件下土樣剪切面相互咬合的塊石顆粒較難產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)、摩擦，更多的是發(fā)生剪斷，試驗中能清晰地聽到塊石斷裂的聲音，當(dāng)剪切面上的大粒徑塊石剪斷后，由于垂向壓力保持不變，剪切面仍然處于緊密狀態(tài)，水平推剪力未出現(xiàn)減小，土樣在較為恒定的水平推剪力作用下，剪切位移逐步增大至土樣完全剪壞。

4 排土體強(qiáng)度與變形分析

4.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化

排土場是典型的離散顆粒集合體，易發(fā)生剪切破壞。土體是否達(dá)到剪切破壞狀態(tài)，除了取決于它本身的性質(zhì)外，還與所受的應(yīng)力組合密切相關(guān)［12］。 這種破壞時的應(yīng)力組合關(guān)系稱為破壞準(zhǔn)則。 目前被認(rèn)為較能擬合試驗結(jié)果、為生產(chǎn)實踐所廣泛采用的破壞準(zhǔn)則是莫爾?庫倫準(zhǔn)則：

式中τ為剪切應(yīng)力，kPa；σ為主應(yīng)力，kPa；c為土體黏聚力，kPa；φ為土體內(nèi)摩擦角，（°）。

整理試驗數(shù)據(jù)，分別繪制三軸壓縮與快剪土體的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線見圖6～7。

圖6 終排土體固結(jié)排水剪切強(qiáng)度包絡(luò)線

圖7 在排土體抗剪強(qiáng)度曲線

分析圖6～7 可知：①終排土體黏聚力指標(biāo)均大于在排土體黏聚力指標(biāo)，其原因是終排土體固結(jié)排水充分，土體填筑密度大，顆粒集合體接觸充分，在剪切破壞時顆粒之間的咬合、翻滾、摩擦作用強(qiáng)烈，故機(jī)械作用力較大，進(jìn)而宏觀黏聚力大于新近排土體。 ②就在排土體快剪試驗結(jié)果而言，堆高20 ～60 m 土體相比堆高60～90 m 土體，黏聚力偏小、內(nèi)摩擦角偏大。 這是由于堆高20 ～60 m 土體受壓荷載小，剪切破壞中，剪切面上的顆粒破碎滯后于塊石間的相互摩擦、抬升、翻轉(zhuǎn)，土體剪脹、結(jié)構(gòu)疏松，塊石間的機(jī)械咬合作用力減小，摩擦作用顯著。 堆高60 ～90 m 土體受壓荷載較大，剪切破壞中土體剪切面上顆粒首先發(fā)生剪斷或顆粒破碎，大顆粒逐漸變小，塊石間的翻滾、摩擦減弱，孔隙體積減小，剪切面土樣更為密實，顆粒間的機(jī)械作用力增強(qiáng)。 ③相比而言，三軸壓縮試驗確定的土體黏聚力偏大，內(nèi)摩擦角偏小。 其原因大致是，直剪試驗是側(cè)限條件下的水平推剪，土樣受剪切盒剛度約束，塊石顆粒只能產(chǎn)生豎向的抬升、翻轉(zhuǎn)、咬合與摩擦作用，并不能產(chǎn)生側(cè)向的變形；三軸壓縮試驗土樣周圍是一層彈性橡膠膜，土樣在垂直荷載壓縮條件下，不僅產(chǎn)生豎向變形也會產(chǎn)生側(cè)向變形，而剪切過程中側(cè)向變形的增加使得土體體積增大，剪切面積增大，相同壓應(yīng)力條件下，土體強(qiáng)度增加。 ④不同堆置狀態(tài)下，排土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)取值不同。 排土場邊坡穩(wěn)定性分析應(yīng)綜合排土條件，選取不同的土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

4.2 宏觀變形機(jī)制的分析

排土場粗粒土典型的“土?石”二元混合結(jié)構(gòu)，及其在工程尺度上表征的顆粒聚合堆積特征，使其更容易在荷載作用下發(fā)生破壞。 一方面，排土場堆土增高、荷載增大，碎散的土體顆粒之間受荷載作用產(chǎn)生孔隙的閉合，由于土顆粒的剛度較大，逐步增加荷載，顆粒之間發(fā)生摩擦、翻滾、咬合，直至荷載足夠大時產(chǎn)生碎裂。另一方面，土體顆粒尺度上表征出的一系列荷載響應(yīng)，又進(jìn)一步反饋在土體材料尺度上，使得土體結(jié)構(gòu)特征不斷發(fā)生變化（剪縮或剪脹），應(yīng)力狀態(tài)隨之改變，抗剪強(qiáng)度在土體內(nèi)部呈現(xiàn)出各向異性，從而導(dǎo)致宏觀工程尺度內(nèi)部逐漸產(chǎn)生剪裂面，隨著剪裂面上繞石、穿石現(xiàn)象加劇，地質(zhì)體形成不可恢復(fù)的變形，最終發(fā)生滑動和流動破壞。

5 結(jié) 論

1） 排土場終排土體固結(jié)排水充分，宜選取有效應(yīng)力指標(biāo)；在排土體施工速度快，固結(jié)排水不充分，宜選取總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)。

2） 終排土體固結(jié)充分，土體填筑密度大，其三軸壓縮試驗應(yīng)力?應(yīng)變曲線表征為先彈性后屈服再弱硬化的特點。 其體積?應(yīng)變曲線有拐點，低圍壓時先剪縮后剪脹，高圍壓時主要以剪縮為主。

3） 堆高20 ～60 m 在排土體，抗剪強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)弱化趨勢，土體爬坡強(qiáng)度在剪切位移10%前后出現(xiàn)，峰值強(qiáng)度在剪切位移20%～30%之間；堆高60 ～90 m在排土體，隨著剪切位移逐步增大，顆粒被剪斷、剪切面接觸緊密，直至剪切破壞，土體強(qiáng)度基本保持恒定或略有增長。

4） 不同堆置狀態(tài)排土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)取值各不相同。