徐文彬王家臣欒茂旭

中國礦業(yè)大學(北京)能源與礦業(yè)學院,北京 100083

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,東中部地區(qū)礦產(chǎn)資源開發(fā)已逐漸進入深部水平,且部分地區(qū)資源已開采殆盡。為了滿足經(jīng)濟高速發(fā)展的資源需求,我國逐步將西部礦產(chǎn)資源列為國家戰(zhàn)略開發(fā)目標,資源開發(fā)的重心逐步向西藏、新疆等西部高海拔高寒地區(qū)轉移。與東部地區(qū)不同,西部地區(qū)具有低氧、凍融災害、生態(tài)脆弱等特點,其中由季節(jié)性的凍融循環(huán)引起的公路、鐵路等巖土體工程災害現(xiàn)象尤為突出[1-2]。排土場是礦山采礦排棄物集中堆放的工業(yè)場所,主要由地下或露天采礦時產(chǎn)生的表土和廢石組成[3]。在高海拔高寒地區(qū),由于受到外界溫度周期性變化的影響,排土場邊坡溫度場也會發(fā)生相應變化,使得排土場邊坡長期遭受凍融循環(huán)作用,導致排土場散體料在凍結和融化的過程中物理力學性質不斷發(fā)生弱化,進而降低排土場邊坡穩(wěn)定性,威脅礦山安全生產(chǎn)[4]。因此,研究凍融循環(huán)作用對排土場邊坡散體料力學性質及穩(wěn)定性的影響具有十分重要的工程意義。

長期以來,國內外學者對凍融循環(huán)條件下土體物料性能的影響規(guī)律開展了大量的研究,取得了豐碩成果。卜建清等[5]分析了凍融循環(huán)次數(shù)對粗粒土試樣強度特性的影響規(guī)律,研究結果表明,粗粒土的剪切強度和抗剪強度指標隨凍融次數(shù)的增加而減小,并在經(jīng)歷6 次凍融后達到穩(wěn)定狀態(tài)。陳濤等[6]對堆石料進行了凍融循環(huán)試驗,試驗結果表明,凍融循環(huán)后可使試樣的密實度和抗剪強度有所降低,20 次凍融循環(huán)后試樣強度降低11.5% ～15.4% 。張莎莎等[7]開展了粗粒土凍融循環(huán)剪切試驗,結果表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的內聚力逐漸增大,內摩擦角先減小后增大。馮勇等[8]研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)后細粒土抗剪強度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)其內聚力和內摩擦角隨凍融次數(shù)的增加呈現(xiàn)下降趨勢。周有祿等[9]對不同凍融循環(huán)次數(shù)后的重塑黃土進行剪切試驗,結果表明,黃土的內聚力和內摩擦角均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。王靜等[10]研究路基土經(jīng)歷凍融循環(huán)后力學性質的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)彈性模量隨凍融次數(shù)的增加而減少。Zhou 等[11]對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的土石混合體進行大型三軸試驗,結果表明,凍融循環(huán)通過削弱土石顆粒間強度進而引起內部微觀損傷,并最終影響宏觀性質。Tang 等[12]對不同凍融循環(huán)下土石混合體剪切強度與變形特性進行研究,結果表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土石混合體的抗剪強度呈現(xiàn)先減少后增大最后減少的規(guī)律;在剪切過程中,裂紋的垂直擴展范圍會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增加。

CT(Computer Tomography)掃描技術可以無損、動態(tài)、定量地檢測材料內部結構變化,在金屬探傷及巖土體內部損傷研究等工程領域發(fā)揮重要作用。王宇等[13]應用CT 掃描的方法研究單軸壓縮條件下土石混合體的破壞特征,指出土石混合體破壞的根本原因是塊石與土體的彈性不匹配及土石界面的差異滑動。李長圣等[14]根據(jù)CT 掃描得到土石混合體切面圖像信息,并用逆向工程軟件重構礫石的三維模型,從而提高土石混合體數(shù)值模擬的精確度及可靠度。苑偉娜等[15]基于CT 的定位掃描原理研究試樣內部塊石的運移規(guī)律,并建立內部結構變形與宏觀變形的聯(lián)系。孫華飛等[16]對單軸壓縮過程中的土石混合物進行CT 掃描,并用自行研發(fā)的圖像處理程序來識別和量化內部裂隙。高建等[17]應用CT 成像技術識別巖芯內部孔隙率分布特征,并對其進行定量描述。Chen 等[18]通過CT 技術,研究了凍融環(huán)境下噴射混凝土中微孔隙隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的規(guī)律。Promentilla 等[19]以CT 掃描為基礎,通過圖像處理技術得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同類型水泥砂漿的孔隙分布規(guī)律。Xue 等[20]對水泥-尾礦復合材料進行了CT 掃描試驗,研究其內部結構與強度性能之間的關系。與土體、混凝土材料相比,構成排土場邊坡的散體物料含有大量的塊石,顆粒粒徑較大,常規(guī)剪切盒尺寸和三軸剪切儀無法滿足試驗要求,將凍融循環(huán)影響因素引入排土場散體物料強度演化的大型直剪試驗研究鮮見報道。

本文以西藏甲瑪銅礦排土場散體物料為研究對象,借助室內大型直剪儀,研究不同凍融循環(huán)作用下排土場散體料的剪切力學特性,探討土石混合體損傷演化規(guī)律;并通過CT 掃描研究不同凍融循環(huán)次數(shù)下土石混合體內部細觀結構演化特征,揭示排土場土石混合體強度凍融劣化機制;最后,通過SLIDE 模擬軟件開展考慮凍融循環(huán)作用的排土場邊坡穩(wěn)定性分析。研究結論可為高寒地區(qū)排土場散體物料強度劣化機理與排土場穩(wěn)定性分析提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

本次試樣取自西藏甲瑪銅多金屬礦山排土場的+4 970 ～+4 940 m 排土平臺,如圖1 所示。西藏甲瑪銅多金屬礦排土場位于西藏拉薩市墨竹工卡縣境內,年平均氣溫6.0 ℃,極端最高氣溫為28.3 ℃,極端最低氣溫為-23.1 ℃,6—8月平均氣溫較高;11月到次年4月,平均氣溫較低,1月最低,7—8月為無霜期,每年第1、第4 季度冰雪季節(jié)。

圖1 排土場現(xiàn)場取樣圖Fig.1 Site sampling drawing of waste dump

本文采用篩分法結合直接測量法來確定排土場散體物料的粒級分布,借用標準篩進行篩選,篩孔為方形,最大粒徑為60 mm。對粒徑大于60 mm 的顆粒采用直接測量法進行測量。由于試驗儀器尺寸(直剪儀)的限制,對超粒徑(60 mm 以上)的廢石顆粒進行處理。本文采用等量替代法進行縮尺,排土場散體物料粒徑分布如圖2 所示。由文獻[21-22]可知,粒徑大于5 mm 的廢石顆粒稱為粗顆粒,本次試驗樣品中粗顆粒質量分數(shù)為79%。

圖2 排土場散體物料粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of bulk materials in waste dump

1.2 試驗儀器及參數(shù)

本試驗采用中國礦業(yè)大學(北京)自主研制的ZJ50—35A3 型微機自動控制大型直剪儀。該設備由剪切盒、加載系統(tǒng)、剪切裝置、測量裝置、控制裝置以及配套的軟件處理系統(tǒng)組成,如圖3 所示。剪切盒為圓柱形,包括上下剪切盒、下剪切盒位移滾動機構(滾排)、透水板、傳力板、開縫環(huán)、開縫滾柱導軌機構、滾柱排等,上下剪切盒尺寸為φ504.6 mm×400 mm(直徑×高度),適用于測定最大粒徑不超過60 mm 的粗顆粒土。水平荷載由水平加載油缸控制,水平推力為700 kN,水平行程為100 mm,水平剪切速度穩(wěn)定精度≤0.5%F·S,水平剪切速度控制范圍為0.007 ～8 mm/min;垂直荷載由垂直油缸控制,垂直荷載為700 kN,垂直行程為50 mm,垂直荷載穩(wěn)定精度≤0.5% F·S。直剪儀的操控器件具有對垂直、水平向控制輸出、液壓換向等功能,在操作控制臺進行直剪試驗控制參數(shù)的預置以及相關操作,整個剪切過程通過數(shù)控計量油源的方式實現(xiàn)自動控制,并且可將相關實驗數(shù)據(jù)自動采集、顯示、儲存。

圖3 大型直剪儀與構件Fig.3 Large direct shear apparatus and its components

1.3 試樣制備與方法

凍融循環(huán)過程包括凍結與融化2 個步驟,采用無壓補水的方式對散體物料進行凍融循環(huán)實驗,凍結溫度為-20 ℃,融化溫度為20 ℃,凍結和融化時長均為12 h,凍融循環(huán)次數(shù)為0、5、10、15 次。當凍融循環(huán)次數(shù)分別達到0、5、10、15 次,將物料分層裝入下剪切盒中,待物料全部放入剪切盒后,在物料上方依次放置土工布、隔水板、傳力板以及頂頭。裝樣結束后,啟動試驗設備并依次進行接觸控制和位移控制。本次試驗設置的垂直荷載分別為500 kPa、1 000 kPa、1 500 kPa和2 000 kPa,水平加載的速率設定為5 mm/min,試驗過程中自動采集水平位移、垂直位移、水平荷載數(shù)據(jù)。當剪切曲線出現(xiàn)穩(wěn)定的殘余剪應力或剪切位移達到剪切盒直徑的1/10 時,認定試樣達到破壞,隨即停止試驗。

1.4 試樣CT 掃描與重構

CT 掃描技術可以無損、動態(tài)、定量地檢測材料內部結構變化,是研究凍融循環(huán)對巖土體內部結構損傷的重要技術方法。取部分篩分好的散體物料裝入50 mm ×100 mm 的圓柱形亞克力板模具中,按照凍融循環(huán)過程要求,對分別經(jīng)歷凍融循環(huán)次數(shù)0、5、10 次的散體物料進行CT 掃描試驗,如圖4 所示。試驗儀器采用微納米高分辨CT 掃描儀,型號為nanoVoxel 3000。最后,將散體物料掃描得到的信息按一定數(shù)學算法進行圖像的顯示與重建,則可獲得試樣一系列連續(xù)、獨立的CT 圖像。

圖4 CT 掃描儀與重構圖像Fig.4 CT scanner and reconstructed image

2 試驗結果與分析

2.1 剪應力與剪切位移曲線特征分析

圖5 為不同凍融循環(huán)次數(shù)、不同法向壓力下散體物料的剪切應力-剪切位移曲線。由圖5可知,未受凍融循環(huán)和經(jīng)歷5 次凍融循環(huán)作用后,在低法向壓力時,散體物料的剪切應力-位移曲線主要呈現(xiàn)應變軟化型;隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,曲線逐漸向應變硬化型轉變,法向壓力增大,曲線應變硬化特征愈明顯,表明散體物料的剪切特性受凍融循環(huán)的影響而發(fā)生了明顯轉變。此外,隨著法向壓力的增加,剪切應力-剪切位移塑性段曲線斜率逐漸變陡,剪切剛度增大。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下散體物料的剪切力-剪切位移曲線Fig.5 Shear stress-shear displacement curve of bulk materials under different freeze-thaw cycles

2.2 法向位移與剪切位移曲線特征影響分析

圖6 為不同凍融循環(huán)次數(shù)后的排土場散體物料在不同法向壓力下的垂直位移與剪切位移的關系曲線。由圖6 看出,散體物料未受凍融作用且在低法向壓力下,隨著剪切位移的增加,散體物料的垂直位移表現(xiàn)出先增大后減小,表明散體物料發(fā)生了先剪縮后剪脹;當法向壓力增大至2 000 kPa時,垂直位移一直增大,表明在高壓力下,散體物料剪切過程中主要呈現(xiàn)剪縮行為。當凍融循環(huán)發(fā)生5 次和10 次后,在低法向壓力(500 kPa 和1 000 kPa)時,散體物料在剪切過程中主要呈現(xiàn)先剪縮后剪脹行為;當法向壓力達到或超過1 500 kPa時,散體物料在剪切過程中主要呈現(xiàn)剪切壓縮行為。當凍融循環(huán)發(fā)生15 次,散體物料在剪切全過程中呈現(xiàn)剪切壓縮行為,表明法向壓力對散體物料的剪切行為影響較小,如圖6(d)所示。總體來說,凍融循環(huán)初期,在低法向壓力時,散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)先剪縮、后剪脹行為,在高法向壓力時,散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)剪切壓縮行為;經(jīng)過15 次凍融循環(huán)后,散體物料剪切全程呈現(xiàn)剪切壓縮行為。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下散體物料的垂直位移-剪切位移曲線Fig.6 Vertical displacement-shear displacement curve of bulk materials under different freeze-thaw cycles

為進一步表示剪切過程中的剪脹、剪縮現(xiàn)象,將剪脹過程中體積應變增量與最大工程剪切應變增量的正切值定義為剪脹角,其計算公式如下:

當剪脹角的值為正時,散體物料發(fā)生剪脹行為;當剪脹角的值為負時,散體物料發(fā)生剪縮行為。由圖7 可知,在剪切過程前期,剪脹角一直為負值,表明散體物料在剪切過程中主要發(fā)生剪切壓縮現(xiàn)象;剪脹角的大小隨著剪切位移的增加逐漸減少,并逐漸轉為正數(shù),說明散體物料在剪切過程中發(fā)生了剪脹行為。當凍融循環(huán)次數(shù)達到15 次時,剪脹角一直為負值,散體物料主要以剪切壓縮為主,未發(fā)生剪脹行為。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)散體物料的剪脹角-剪切位移曲線Fig.7 Shear expansion angle-hear displacement curves of bulk materials under different freeze-thaw cycles

2.3 凍融循環(huán)次數(shù)與散體物料力學參數(shù)關系

圖8 為不同圍壓條件下的散體物料的峰值抗剪強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系。由圖8 可知,凍融循環(huán)會對散體物料強度產(chǎn)生明顯的劣化效應,即峰值剪切強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減少;當凍融循環(huán)次數(shù)達到10 次時,散體物料的峰值剪切強度降低率達到17% (法向壓力500 kPa);凍融循環(huán)次數(shù)超過10 次后,峰值剪切強度皆趨于穩(wěn)定,說明凍融循環(huán)作用使散體物料劣化效應基本恒定;當凍融循環(huán)次數(shù)一定時,隨著垂直壓力的增大,峰值強度的變化率縮小,說明垂直壓力減弱了凍融效應。

圖8 散體物料峰值強度與凍融循環(huán)次數(shù)關系Fig.8 Peak strength of bulk materials under different freeze-thaw cycles

圖9 為散體物料的內聚力、內摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線圖。由圖9 可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,內聚力與內摩擦角逐漸減少。

圖9 內聚力、內摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)的關系Fig.9 Relationship between cohesion,internal friction angle and freeze-thaw cycle times

散體物料的內摩擦角主要反映混合物顆粒表面的摩擦力和咬合力。散體物料在凍融過程中,細顆粒物中的孔隙水經(jīng)歷液態(tài)向固態(tài)相互轉化時引起的體積膨脹與收縮,對周圍的粗顆粒產(chǎn)生擠壓,并在試樣中不均勻擠密,破壞試樣內部結構,從而使得試樣中孔隙率增大,導致試樣中接觸點相對較少,從而使得內摩擦角減小。當凍融循環(huán)達到一定次數(shù)后,顆粒骨架重新搭接,顆粒內部結構基本達到最佳接觸狀態(tài),此時內摩擦角受凍融循環(huán)作用的影響較小,逐漸趨于穩(wěn)定。

內聚力反映細顆粒物間的各種物理化學作用力,包括庫侖力、范德華力、膠結作用力等,主要由細顆粒間的距離和顆粒間膠結物質的膠結作用共同決定。凍融循環(huán)使散體物料中的黏結性物質的吸附力與毛細血管力發(fā)生弱化,顆粒聯(lián)接效果逐漸減弱,同時使內部孔隙相互連通,最終使內聚力降低。在凍融次數(shù)到一定后,細顆粒物間的水分遷移通道逐漸形成,試樣中的顆粒和孔隙的狀態(tài)達到穩(wěn)定,進而使細顆粒物的內聚力趨于穩(wěn)定。

為了定量分析內聚力、內摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)間的關系,將凍融循環(huán)后的內聚力、內摩擦角的損傷量與初始值相比,定義為損傷系數(shù):

式中,ΔC、Δφ分別為內聚力、內摩擦角的損傷系數(shù);Cn、φn分別為第n次凍融循環(huán)時散體物料的內聚力、內摩擦角;C0、φ0分別為未受凍融循環(huán)影響散體物料的內聚力、內摩擦角。

圖10 表示散體物料的內聚力損傷系數(shù)、內摩擦角損傷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關系。由圖10 可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,內聚力和內摩擦角的損傷系數(shù)逐漸變大;在初始階段,內聚力和內摩擦角的損傷系數(shù)明顯增大,到凍融循環(huán)后期,內聚力和內摩擦角的損傷系數(shù)變化不大,基本達到穩(wěn)定。當凍融循環(huán)次數(shù)達到15 次時,內聚力降低了18.45% ,內摩擦角降低了9.42% 。

圖10 內聚力、內摩擦角損傷系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關系Fig.10 Relationship between cohesion,internal friction angle damage coefficient and freeze-thaw cycle times

2.4 基于CT 技術凍融循環(huán)后散體物料孔隙結構分析

2.4.1 散體物料孔隙結構CT 重構過程與結果

將散體物料試樣掃描得到的信息按一定數(shù)學算法進行圖像的顯示與重建,則可獲得試樣某一掃描層面的真實數(shù)字圖像,隨后通過改變掃描位置獲得軸向上的一系列連續(xù)、獨立的CT 圖像。CT 圖像中每一像素點在掃描圖像上表現(xiàn)為不同的灰度值,反映物質對X 射線的吸收程度,因此可以通過灰色度的變化反映試樣內部密度變化。黑影表示低吸收區(qū),即低密度區(qū),如孔隙、裂隙等;白影表示高吸收區(qū),即高密度區(qū),如巖石。本文采用閾值分割法對圖像進行分割,根據(jù)像素點間的灰度跳躍式變化,將試樣分為巖土體基質和孔隙兩部分[23-24]。為了分析試樣內部各介質的三維空間分布以及孔隙演化特征,在二維圖層的基礎上采用直接體視法對CT 圖像進行三維重構[13]。通過以CT 層數(shù)為第三個坐標,將像素轉化為體素并一一對應,隨后以每層的輪廓線為基礎,采用概率方法對原始數(shù)據(jù)圖像進行分類,確定圖像中不同結構的百分比及所占用體像素,并給相應體素賦予相匹配的顏色,通過投影法以及光線追蹤法進行重建,三維重構圖如圖11 所示。

圖11 散體物料的三維重構圖及三維橫切面位置Fig.11 Three dimensional reconstruction drawing and three-dimensional cross-section position of bulk material

表1 和表2 分別為散體物料經(jīng)過0、5、10 次凍融循環(huán)后不同位置的內部結構CT 掃描重構圖和孔隙網(wǎng)絡圖。對比可知,經(jīng)過5、10 次凍融循環(huán)后,散體物料的主要骨架結構并未發(fā)生明顯的貫穿裂縫,主要為細顆粒和孔隙間發(fā)生錯位重組以及次生孔隙的產(chǎn)生、擴展與聯(lián)通,部分細顆粒間凍脹相互擠壓、碎裂成更小的顆粒,填充周邊的孔隙,從而引起散體物料整體內部結構發(fā)生變化。

表1 試樣不同位置橫切面的CT 重構圖Tab.1 CT reconstruction of cross sections at different positions of the sample

表2 試樣不同位置橫切面的CT 重構孔隙網(wǎng)絡圖Tab.2 CT reconstruction pore network diagram of cross sections at different positions of samples

2.4.2 凍融循環(huán)對散體物料孔隙率影響

孔隙率的變化規(guī)律可以表征試樣經(jīng)過凍融循環(huán)作用內部結構損傷程度[25]。將某一橫截面上的孔隙率Pi定義為該橫截面上孔隙面積Si與該橫截面面積S的比值。由于裂紋所對應的灰度值為0,因此可以通過計算機程序統(tǒng)計圖像中灰度值為0 的像素點的個數(shù)Ni代表面積,用整個橫截面的像素點個數(shù)N代表截面面積,孔隙率公式為

將提取出的孔隙的體積像素數(shù)和總體積像素數(shù)之比,定義體孔隙率

式中,p為體孔隙率;V孔為CT 掃描三維孔隙所占體積像素數(shù);V孔總為整個圖像的總體積像素數(shù)。

圖12 為散體物料試樣分別經(jīng)歷凍融循環(huán)0、5和10 次后的孔隙率分布曲線。由圖12 可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,散體物料試樣孔隙率逐漸增大,凍融循環(huán)引起試樣孔隙率的變化主要集中在前5 次,當凍融循環(huán)次數(shù)從5 次到10 次時,試樣內部孔隙率變化較小,說明凍融作用對試件的破壞主要集中在初始狀態(tài);此外,沿試件軸向方向,不同位置上的孔隙率變化波動較大,這主要是由于在制樣的過程中原始試件壓實程度差異造成。但是,不同位置的試樣的孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化趨勢基本相同。

圖12 不同循環(huán)次數(shù)后試樣不同位置的孔隙率分布曲線Fig.12 Porosity distribution curves at different positions of samples after different cycles

3 凍融循環(huán)影響排土場邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 有限元模型

在高寒地區(qū),不考慮凍融循環(huán)作用后的散體物料強度參數(shù)而計算排土場邊坡安全系數(shù)是不夠準確的。本文以西藏甲瑪銅礦為研究對象,通過SLIDE 模擬軟件建立排土場數(shù)值模型,將不同凍融循環(huán)次數(shù)后散體物料的參數(shù)賦予模型中進行穩(wěn)定性分析,并對比凍融循環(huán)后排土場邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。角巖排土場是甲瑪銅礦的主要排土場所,排土場設計總高度為580 m,每個臺階段高30 m,臺階寬度變?yōu)?0 m,坡比為1 ∶1.75,總容積量約16 674 萬m3。排土場的散體物料的密度為2.24 t/m3,凍融前內聚力為82.02 kPa,內摩擦角40.01°;凍融循環(huán)15 次后散體物料的內聚力為66.88 kPa,內摩擦角為36.24°。角巖排土場設計服務年限為37.8年,主要采用覆蓋式排土。目前,角巖排土場主要處于排土初期,本次分析模型原型選用甲瑪銅礦典型剖面進行建模,分析凍融循環(huán)對排土初期和最終排土時期的穩(wěn)定性系數(shù)的影響,如圖13 所示。

圖13 分析模型典型剖面Fig.13 Typical section of analytical model

3.2 結果分析

圖14 為初始排土期和最終排土期的排土場凍融循環(huán)0 次和15 次后的模擬結果?？梢钥闯?初始排土時期,未考慮凍融循環(huán)影響時排土場的安全系數(shù)為1.641,當凍融循環(huán)次數(shù)增加到15 次后,排土場的安全系數(shù)降為1.586,安全系數(shù)減小率約為3.4% ;而在最終排土時期,排土場的安全系數(shù)則由1.835 降低到1.696,安全系數(shù)減小率約為7.6% 。說明凍融循環(huán)作用對排土場的安全系數(shù)影響較小,變化規(guī)律與強度參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律相近,這主要由于角巖排土場的散體物料主要以巖石類為主,凍融循環(huán)作用對散體物料的強度影響程度有限。

圖14 凍融循環(huán)后角巖排土場不同排土時期安全系數(shù)Fig.14 The safety factor of different dumping periods of breccia waste dump after freeze-thaw cycle

4 結 論

(1) 隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,排土場散體物料剪切應力曲線由應變軟化向應變硬化轉變;隨著法向壓力的增加,試樣剪切應力-位移塑性段曲線斜率逐漸變陡,剪切剛度增大;凍融循環(huán)初期,在低法向壓力時,散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)為先剪縮、后剪脹行為,在高法向壓力時,散體物料在剪切過程中主要表現(xiàn)為剪切壓縮行為;經(jīng)過15 次凍融循環(huán)后,散體物料剪切全程呈現(xiàn)剪切壓縮行為。

(2) 峰值剪切強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減少,當循環(huán)次數(shù)達到10 次時趨于穩(wěn)定;內聚力與內摩擦角隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減少,經(jīng)過15 次凍融循環(huán)后,內聚力降低了18.45% ,內摩擦角降低了9.42% ;在初始階段,內聚力和內摩擦角的損傷量明顯增大,到凍融循環(huán)后期,內聚力和內摩擦角的損傷量變化不大,基本達到穩(wěn)定。

(3) 由CT 掃描結果可知,多次凍融循環(huán)作用后,試件的主要骨架結構并未發(fā)生較大變化,主要為細顆粒和孔隙間發(fā)生錯位、次生孔隙的產(chǎn)生、擴展與聯(lián)通;試樣整體孔隙率變化發(fā)生在凍融循環(huán)初始期(前5 次),當凍融循環(huán)次數(shù)從5 次到10 次時,試樣內部孔隙率未發(fā)生較大變化。

(4) 由SLIDE 模擬軟件對排土場穩(wěn)定性分析影響結果可知,凍融循環(huán)作用使得排土場的安全系數(shù)減小率約為7.6% ,說明凍融循環(huán)作用對排土場的安全性影響程度較小,并未對排土場穩(wěn)定性產(chǎn)生太大影響,但凍融循環(huán)對排土場穩(wěn)定性影響不可忽略。