梁維，趙維生，鄧代強(qiáng)，杜俊，金小川

(1.貴州理工學(xué)院 礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2.昆明學(xué)院 城鄉(xiāng)建設(shè)與工程管理學(xué)院，云南 昆明 650214；3.江西省地礦局贛東北大隊(duì)，江西 上饒 334000)

0 引 言

散體巖石物料在涉及巖土類的工程中廣泛存在，尤其在露天礦的開采過程中，由剝離和開采產(chǎn)生的松散巖土體堆積而成的排土場即為散體巖石物料的集合體。該類松散巖土體在其他工程領(lǐng)域也稱為粗粒土、土石混合體、堆石料等[1]，由于顆粒粒徑離散性大、顆粒形狀與空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的非均勻性，導(dǎo)致其力學(xué)特性不同于一般的土體或巖體，影響因素主要有粗顆粒含量、細(xì)顆粒性質(zhì)、顆粒排列方式和密實(shí)度等[2-3]。由于密實(shí)度受限于前述因素，因而密實(shí)度是影響力學(xué)特性的重要因素之一，在散體巖石物料力學(xué)特性研究中密實(shí)度和抗剪特性均受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，文獻(xiàn)[4-6]對不同粗粒含量(級(jí)配)散體物料的壓實(shí)特性及顆粒破碎特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；Ahmadreza Tabibnejad等[7]通過干燥-飽和三軸壓縮試驗(yàn)研究了不同最大顆粒尺寸、細(xì)顆粒含量、初始干密度條件下堆石料的變形特性；文獻(xiàn)[8]利用真三軸試驗(yàn)研究了密實(shí)堆石料的強(qiáng)度特性和剪脹特性；文獻(xiàn)[9-11]利用室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)對不同礫石含量土石混合料的剪切強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[12-14]通過建立離散元數(shù)值模型對散體物料的強(qiáng)度特性、變形規(guī)律及剪脹特性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[15-16]探討了不同干密度條件下散體物料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化關(guān)系，結(jié)果顯示，抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨干密度的增大而增大。

縱觀前人的研究工作，主要從散體的最大顆粒尺寸、粗顆粒含量、級(jí)配組成、細(xì)顆粒性質(zhì)和顆粒破碎等因素對壓實(shí)特性和強(qiáng)度特性的影響進(jìn)行了研究，基本上都是孤立分析壓實(shí)特性，特別是最大干密度和抗剪特性，較少將兩者建立聯(lián)系，即針對散體巖石物料在最大干密度條件下的抗剪特性還缺乏進(jìn)一步研究。

眾所周知，在露天礦山生產(chǎn)過程中，排土場的穩(wěn)定運(yùn)行是礦山安全生產(chǎn)的重要一環(huán)，為了保證排土場的穩(wěn)定性，特別是在露天礦超高排土場的堆排過程中，需要分臺(tái)階堆排和分層進(jìn)行碾壓，從而提高散體巖石物料的密實(shí)程度、工程特性和力學(xué)強(qiáng)度。因此，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，開展不同級(jí)配散體巖石物料最大干密度及其在該條件下的抗剪特性試驗(yàn)研究，從粗顆粒含量、含水率、最大干密度、剪切應(yīng)力-應(yīng)變曲線、剪脹作用等方面進(jìn)行綜合分析，為掌握該條件下散體巖石物料的力學(xué)特征提供研究依據(jù)。

1 室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)

1.1 試樣超大粒徑處理

試樣取自云南某礦山排土場，如圖1所示，由于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備限制，試樣最大粒徑為60 mm，大于該粒徑尺寸的為超大粒徑。試驗(yàn)時(shí)需對現(xiàn)場試樣的超大粒徑進(jìn)行處理，為確保試樣的粗細(xì)顆粒含量不變，一般采用等量替代法，同時(shí)以5 mm作為粗細(xì)顆粒的界限粒徑，即粒徑大于5 mm的為粗顆粒，反之稱為細(xì)顆粒[17]。本次研究結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，根據(jù)粗細(xì)顆粒的含量不同，配置了5種試樣，即粗顆粒含量分別為90%，70%，50%，30%，10%，處理后的試樣級(jí)配曲線見圖2[18]。

圖2 試樣級(jí)配累計(jì)曲線

1.2 散體巖石物料擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)是室內(nèi)測定散體巖石物料在不同級(jí)配和含水率條件下最大干密度的常用方法，標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)允許最大粒徑為40 mm，采用自制擊實(shí)儀進(jìn)行：擊實(shí)筒內(nèi)徑300 mm，高354 mm，擊實(shí)錘直徑50 mm，質(zhì)量4.5 kg，擊錘下落高度450 mm，擊實(shí)功600 kJ/m3。試樣含水率設(shè)定2%，4%，6%，8%，10% 5個(gè)等級(jí)，悶料12 h，分5層擊實(shí)，每層151次[17-18]。

擊實(shí)后，散體的密實(shí)程度采用干密度表示，

ρd=ρ/(1+ω)，

(1)

式中：ρd為試樣干密度；ρ為試樣濕密度；ω為試樣含水率。

5種試樣擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 各級(jí)配試樣干密度與含水率關(guān)系曲線

根據(jù)圖3數(shù)據(jù)分析，可得出各級(jí)配試樣最大干密度和最優(yōu)含水率，如表1所示。

表1 各級(jí)配試樣最大干密度和最優(yōu)含水率

1.3 最大干密度條件下散體巖石物料直剪試驗(yàn)

在上述擊實(shí)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對5種級(jí)配試樣開展最大干密度條件下的直接剪切試驗(yàn)。室內(nèi)中型直剪儀由垂直加壓和水平加壓構(gòu)件、位移及變形測量構(gòu)件、上剪切盒、下剪切盒等組成，其中上盒承壓固定，下盒可滑動(dòng)。試樣尺寸大小為φ300 mm×240 mm，最大粒徑60 mm。試驗(yàn)按照《粗顆粒土直接剪切試驗(yàn)》(SL237-059-1999)要求進(jìn)行。依據(jù)Mohr-Coulomb理論對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行抗剪強(qiáng)度曲線擬合，如圖4所示。

圖4 各粗粒含量試樣抗剪強(qiáng)度曲線

由抗剪強(qiáng)度擬合曲線得出的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表2所示。

表2 各粗粒含量抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

2.1 散體巖石物料的最大干密度

在外力作用下，散體顆?？朔Σ磷枇ο嗷D壓而出現(xiàn)新的排列，同時(shí)細(xì)顆粒充填于粗顆粒間形成的孔隙，將孔隙中的水分和空氣排出，使顆粒處于緊密排列狀態(tài)，在一定條件下密實(shí)程度達(dá)到最大。最大干密度、最優(yōu)含水率與粗顆粒含量關(guān)系如圖5所示。

圖5 最大干密度、最優(yōu)含水率與粗顆粒含量關(guān)系

從圖5可以看出，散體巖石物料最大干密度隨粗顆粒含量的增大而增大，達(dá)到最大值后迅速減小，最大值出現(xiàn)在粗顆粒含量60%～70%時(shí)，為2.315 g/cm3，之后隨著粗顆粒含量增加干密度反而減小。分析認(rèn)為，當(dāng)細(xì)顆粒含量占優(yōu)時(shí)，粗顆粒被細(xì)顆粒包裹，干密度主要取決于細(xì)顆粒性質(zhì)和狀態(tài)，在同體積條件下，細(xì)顆粒數(shù)量要比粗顆粒的數(shù)量多得多，相對孔隙比更大，因而單位體積質(zhì)量??；當(dāng)粗顆粒含量逐漸增加時(shí)，骨架作用越來越明顯，細(xì)顆粒充填于骨架孔隙中，此時(shí)散體巖石物料由粗、細(xì)顆粒共同作用承載外力，使顆粒間擠壓得更緊密，密度達(dá)到最大值；當(dāng)粗顆粒含量繼續(xù)增加，細(xì)顆粒不足以填充于孔隙，只有粗顆粒構(gòu)成的骨架承擔(dān)擊實(shí)功而得不到完全壓實(shí)，密度降低。因而，在粗顆粒含量為60%～70%時(shí)，散體粗顆粒與細(xì)顆粒相互作用形成的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，干密度也最大，其最優(yōu)含水率也呈現(xiàn)最小值。

2.2 散體巖石物料抗剪特性分析

2.2.1 抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析

由表1～2分析可知，散體巖石物料在粗顆粒含量60%～70%時(shí),干密度達(dá)到最大值，最大抗剪強(qiáng)度c為67.49 kPa，φ值為37.76°，與課題組研究人員杜俊[19]對該物料在天然狀態(tài)下抗剪強(qiáng)度參數(shù)的研究成果對比，如圖6所示。

圖6 散體巖石物料抗剪強(qiáng)度參數(shù)對比曲線

由圖6可知，最大干密度條件下，不同級(jí)配散體巖石物料的c值比天然狀態(tài)下有較大幅度提高，前者c值比后者增長了14%～115%，增長幅度波動(dòng)較大，而φ值比后者增長了53%～ 72%，增長幅度相對較為平穩(wěn)。分析認(rèn)為，散體巖石物料的抗剪特性主要取決于“結(jié)構(gòu)性”和“摩擦性”的相互作用[20]，當(dāng)粗顆粒含量較小時(shí)(10%)，c值主要取決于細(xì)顆粒的黏結(jié)作用；粗顆粒含量為30%時(shí)，細(xì)顆粒為主要承載結(jié)構(gòu)，粗顆粒摻雜于細(xì)顆粒中，降低了試樣的黏結(jié)性；隨著顆粒含量繼續(xù)增加，骨架效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，細(xì)顆粒充填于粗顆粒間的孔隙中，散體巖石物料更加密實(shí)，使整體結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)，此時(shí)由粗細(xì)顆粒共同承載剪切力作用，當(dāng)粗顆粒含量為60%～70%時(shí)出現(xiàn)峰值，因此c值主要取決于“結(jié)構(gòu)性”的作用，受密實(shí)程度的影響較大。而φ值主要反映了顆粒間的咬合作用和結(jié)構(gòu)性破壞后剪切帶的摩擦強(qiáng)度，以及凹凸不平剪切面上散體顆粒的滾動(dòng)、滑動(dòng)、翻越和擠壓引起的摩擦效應(yīng)，其“摩擦性”作用占優(yōu)，受法向應(yīng)力和密實(shí)程度影響較大。

由此可見，在干密度狀態(tài)下，“結(jié)構(gòu)性”和“摩擦性”增強(qiáng)，散體巖石物料的密實(shí)程度是影響抗剪強(qiáng)度參數(shù)的主要因素之一。

2.2.2 剪切特性分析

不同粗粒含量剪應(yīng)力-剪切位移關(guān)系如圖7～9所示，篇幅所限，本文只列出粗顆粒含量為30%，50%，70%時(shí)最大干密度條件下的剪切曲線，從圖7～9可以看出：

(1)在相同密實(shí)程度狀態(tài)下，隨著正應(yīng)力增加，散體巖石物料抗剪強(qiáng)度明顯增大；在同一正應(yīng)力狀態(tài)下，隨密實(shí)度增加，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，整體變化趨勢明顯。

(2)最大干密度條件下，不同級(jí)配的剪應(yīng)力-剪切位移曲線變化趨勢相同，整體上劃分為3個(gè)階段。

剪切啟動(dòng)階段：在施加水平剪切荷載初期，試樣處于最大密實(shí)狀態(tài)，沿著水平方向的剪切縫產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)和發(fā)生相對位移，位移增加緩慢，圖中各數(shù)據(jù)點(diǎn)密集，剪應(yīng)力-剪切位移曲線近似線性，且斜率相對較大，主要原因是該階段施加的剪應(yīng)力小于整體試樣的抗剪強(qiáng)度，在施加剪切荷載方向上剪切盒附近產(chǎn)生應(yīng)力集中,對試樣產(chǎn)生擾動(dòng)，導(dǎo)致局部顆粒發(fā)生松動(dòng)和滑動(dòng)，在豎向荷載作用下，散體孔隙壓縮使試樣體積減小。在相同密實(shí)度條件下最大干密度越大,正應(yīng)力越大,該階段特征越明顯。

剪切發(fā)展階段：隨著剪應(yīng)力增加，剪應(yīng)力和位移增量逐漸增大，說明試樣顆粒松動(dòng)和滑動(dòng)由局部逐漸向試樣內(nèi)部發(fā)展，顆粒間相互咬合，增強(qiáng)了試樣的剪切作用，由于顆粒的松動(dòng)和滑動(dòng)提供了剪切變形空間，使試樣體積逐漸增大，剪縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浶?yīng)。此時(shí)試樣局部產(chǎn)生破壞但整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，剪切曲線呈現(xiàn)出拐點(diǎn)并向下一階段發(fā)展，該階段在相對高密實(shí)度和高正應(yīng)力條件下較為明顯。

剪切破壞階段：試樣由局部破壞向整體破壞發(fā)展，散體顆粒在剪切面上發(fā)生滾動(dòng)、甚至翻越鄰近顆粒，導(dǎo)致剪切面整體發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，剪切強(qiáng)度主要受到剪切破壞面摩擦作用的影響，因而剪應(yīng)力增長緩慢而剪切位移增量增長明顯。剪應(yīng)力-剪切位移曲線斜率較前述兩個(gè)階段大幅度減小，此階段試樣完全破壞。

(3)剪切曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性，一方面，由于試樣處于某一粗顆粒含量條件下的最大干密度，在剪切過程中顆粒的咬合作用和剪切面的摩擦作用增強(qiáng)，使剪應(yīng)力增大；另一方面，試樣顆粒在剪切破壞區(qū)域發(fā)生滾動(dòng)、翻越、擠壓等現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣體積增大發(fā)生剪脹變形，在剪切過程中需克服剪脹變形做功而使剪應(yīng)力增大，因而剪切曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化的特性。

圖7 粗顆粒含量30%時(shí)的剪切曲線

圖8 粗顆粒含量50%時(shí)的剪切曲線

圖9 粗顆粒含量70%時(shí)的剪切曲線

2.2.3 剪脹特性分析

剪脹(剪縮)性是散體巖石物料在剪切過程中的重要特性，H.Matsuoka[21]提出了二維剪脹模型：

(2)

(3)

式中：τ為剪應(yīng)力；σN為正應(yīng)力；λ為試驗(yàn)常數(shù)；μ為內(nèi)摩擦系數(shù)；dεN為垂直應(yīng)變增量；dγ為剪應(yīng)變增量；L為試樣高度；dh為垂直位移增量；dD為剪切位移增量。由上述分析可知，剪脹(剪縮)關(guān)系可用試樣豎向位移描述，定義豎向位移以豎直向上為正方向，即剪脹為正，剪縮為負(fù)，試樣豎向位移-剪切位移曲線如圖10～12所示，分析可知：

圖10 粗顆粒含量30%時(shí)的豎向位移-剪切位移曲線

圖11 粗顆粒含量50%時(shí)的豎向位移-剪切位移曲線

圖12 粗顆粒含量70%時(shí)的豎向位移-剪切位移曲線

(1)在施加水平剪切荷載初期，即剪切啟動(dòng)階段呈現(xiàn)剪縮效應(yīng)，這是由于剪切盒附近的試樣顆粒受到邊界應(yīng)力集中的作用，導(dǎo)致試樣局部顆粒發(fā)生松動(dòng)和滑動(dòng)而產(chǎn)生孔隙，在豎向荷載作用下，散體孔隙壓縮使試樣體積減小。

(2)隨著剪切過程推進(jìn)，即剪切發(fā)展階段，剪縮逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榧裘浶?yīng)，這是由于散體物料處于密實(shí)狀態(tài)，局部顆粒發(fā)生松動(dòng)和滑動(dòng)以提供剪切變形空間，促使試樣體積逐漸增大。

(3)在剪切破壞階段，剪脹效應(yīng)得到增強(qiáng)，分析認(rèn)為，一方面由于剪切時(shí)剪切面附近的散體顆粒發(fā)生滾動(dòng)、甚至翻越鄰近顆粒而發(fā)生重新排列，導(dǎo)致該部分散體孔隙增大，致使試樣體積增大；另一方面，由于試樣顆粒的不均勻性，試樣剪切破壞面并非理想的平直滑面，而是凹凸不平的，剪切面產(chǎn)生“爬坡”效應(yīng)提供剪切變形空間，而使體積增大，剪脹效應(yīng)增強(qiáng)，在剛性剪切盒的側(cè)向受限條件下，剪脹性體現(xiàn)在剪切盒蓋板被抬起，豎向位移增大。

(4)剪脹(剪縮)效應(yīng)受到試樣的密實(shí)狀態(tài)和豎向應(yīng)力的共同作用，由于試樣處于最大干密度狀態(tài)，散體顆粒緊密咬合，剪切過程中更多的由顆粒的翻越和“爬坡”獲取剪切變形空間，同時(shí)在此過程還需克服豎向應(yīng)力的作用，豎向應(yīng)力越小越容易克服，因此，最大干密度越大剪脹性越明顯，在同一密實(shí)條件下，正應(yīng)力越低剪脹越明顯。

3 結(jié) 論

(1)散體巖石物料在粗顆粒含量為60%～70%時(shí)，粗顆粒與細(xì)顆粒相互作用形成最為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，干密度最大，最優(yōu)含水率最小；

(2)在最大干密度狀態(tài)下，散體巖石物料的“結(jié)構(gòu)性”和“摩擦性”得到增強(qiáng)，其抗剪強(qiáng)度比天然狀態(tài)下有較大幅度提高，c值增長了14%～115%，φ值增長了53%～72%。

(3)在最大干密度狀態(tài)下，散體巖石物料試樣剪切過程整體上可分為啟動(dòng)、發(fā)展、破壞3個(gè)階段，剪切曲線呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特性。

(4)試樣在剪切啟動(dòng)階段剪縮，發(fā)展階段由剪縮逐漸轉(zhuǎn)化為剪脹，破壞階段剪脹效應(yīng)增強(qiáng)。